飽和粉細(xì)砂地層隧道圍巖塌落機(jī)理及施工控制研究

殷洪波，劉正初，郭永發(fā)，錢明月，吳雯雯

（1. 中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，云南 昆明 650200；2. 溫州大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 溫州 325000；3. 溫州大學(xué)甌江學(xué)院，浙江 溫州 325000）

隧道工程中經(jīng)常遇到飽和粉細(xì)砂地層，由于其膠結(jié)性差、含水量大、穩(wěn)定性差、受干擾易流動等特點(diǎn)，穿越飽和粉細(xì)砂地層的隧道往往沉降變形量較大，隧道坍塌事故時(shí)有發(fā)生。因此，穿越飽和粉砂地層的大斷面隧道，施工難度極大，支護(hù)及施工方案的選擇事關(guān)隧道建設(shè)的成敗，已引起隧道工作者的廣泛關(guān)注［1-6］。

如大西客運(yùn)專線上的白雙線隧道［3］，進(jìn)口段穿越約500m粉砂地層，采用600mm水平旋噴樁進(jìn)行超前加固，從而在掌子面前方形成一個連續(xù)的旋噴拱。開挖過程中，采用“拱部超前雙層咬合樁+邊墻超前單層咬合樁+掌子面旋噴樁+加強(qiáng)襯砌支護(hù)措施”的綜合處治方案，保證了在該地層開挖后的洞室穩(wěn)定。蘭渝鐵路線上的桃樹坪隧道［4，6］是典型的軟弱地層超大斷面隧道，該隧道穿越飽和粉細(xì)砂地層。工程技術(shù)人員對比研究了“底部洞先行法”、“CD法”、“CRD法”、“三臺階仰拱法”等施工方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合桃樹坪隧道的工程地質(zhì)情況，對其施工適應(yīng)性進(jìn)行比較，選定“底部洞先行法”和“三臺階仰拱法”兩種施工開挖方案［7-9］。結(jié)果表明，增大底部雙洞間距離，即提高了隧道的穩(wěn)定性；而減小上部分部間距離，隧道的穩(wěn)定性得到提升；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，減小上下層之間的錯開距離對隧道穩(wěn)定性極為有利。故而，在滿足施工要求的條件下，應(yīng)盡量縮短上下層間距離，增加下層雙洞間距離。工程技術(shù)人員優(yōu)先選取“底部雙洞先行法”進(jìn)行前期隧道施工，同時(shí)嚴(yán)密監(jiān)測圍巖變形和地層沉降。掘進(jìn)過程中，不斷分析圍巖的地質(zhì)條件，發(fā)現(xiàn)地層地質(zhì)條件漸進(jìn)轉(zhuǎn)好后，采用“三臺階仰拱法”繼續(xù)施工。結(jié)合桃樹坪隧道穿越飽和粉細(xì)砂地層的現(xiàn)場監(jiān)測，得到了隧道結(jié)構(gòu)受力變形發(fā)展規(guī)律［10，11］。

本文以寶峰隧道穿越飽和粉細(xì)砂段施工為背景，采用離散元（顆粒流PFC2D）建立不同埋深條件下飽和粉細(xì)砂圍巖受力分析計(jì)算模型，探討了飽和粉細(xì)砂地層隧道圍巖塌落機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，確定了飽和粉細(xì)砂地層隧道支護(hù)參數(shù)、圍巖加固方案及施工控制措施，為類似工程提供有益參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

寶峰隧道位于中老、中越國際鐵路國內(nèi)段共用部分昆（陽）玉（溪）段，為設(shè)計(jì)時(shí)速200km的電氣化雙線鐵路隧道，隧道進(jìn)口里程為DK10+338，出口里程為D2K17+715，全長7377m。寶峰隧道地處區(qū)域性活動斷裂—普渡河深大斷裂及其次級斷裂帶內(nèi)，其主要巖性為前震旦系昆陽群炭質(zhì)、砂質(zhì)、泥質(zhì)板巖夾砂巖，受多期構(gòu)造及多期地震的強(qiáng)烈影響，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體極為破碎，呈角礫或中粗砂狀，地下水較發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性差。

隧道開工建設(shè)以來，多次出現(xiàn)大規(guī)模坍方、涌水突泥、軟巖大變形、地表沉陷、掌子面失穩(wěn)等情況，開挖揭示全隧圍巖均為V級及以上，是我國在建鐵路中施工風(fēng)險(xiǎn)最高、難度最大的隧道之一。尤其在下穿昆玉高速公路段，埋深69m，為全風(fēng)化飽和粉細(xì)砂地層，Ⅵ級圍巖，開挖后粉細(xì)砂呈流塑狀砂（泥）流出，伴隨著大氣降水和地表水補(bǔ)充，大量富含泥砂的渾水流出，導(dǎo)致地面出現(xiàn)陷坑，危及地表高速公路、高壓鐵塔等構(gòu)筑物安全，屬于典型的“爛洞子”。

1.2 穿越飽和粉細(xì)砂地層情況

寶峰隧道洞身DK11+400～+500段下穿昆玉高速公路，根據(jù)地表地質(zhì)調(diào)繪、鉆孔勘探、掌子面開挖及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)揭示，全風(fēng)化飽和粉細(xì)砂層長度約為120m，見圖1。該段為粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)，顆粒粒徑為0.25～0.075mm的占比57%～91.1%，粒徑為0.075～0.005mm的占比6.8%～40.6%，黏粒含量0%～0.7%，不均勻系數(shù)為2.17。呈密實(shí)狀，結(jié)構(gòu)較緊密，滲透系數(shù)為1.16×10-4～5.8×10-4cm/s。具體物理指標(biāo)如表1所示，粉細(xì)砂性狀如圖2所示。隧道兩側(cè)多處泉點(diǎn)出露，出水點(diǎn)高程約為1985.1m，隧道軌面高程為1928.8m，隧道水頭高約56m。全風(fēng)化飽和粉細(xì)砂層含水量高、穩(wěn)性極差，粉細(xì)砂施工受擾動后，呈流塑狀砂（泥）流出，現(xiàn)場已發(fā)生了數(shù)次局部流砂現(xiàn)象，導(dǎo)致工期嚴(yán)重滯后，且施工期間極易涌水涌砂、塌方、地表高速路塌陷等工程難題，可能造成災(zāi)難性的后果。

表1 飽和全分化粉細(xì)砂物理指標(biāo)

圖1 觀測段地質(zhì)分布

圖2 隧道穿越粉細(xì)砂性狀

2 飽和粉細(xì)砂地層圍巖塌落機(jī)理分析

2.1 基于顆粒流的飽和粉細(xì)砂圍巖力學(xué)分析方法

工程經(jīng)驗(yàn)表明，通過卵石、砂、碎石、粉砂等顆粒狀松散介質(zhì)組成的地層，隧道施工引起的卸載作用會導(dǎo)致顆粒間接觸應(yīng)力發(fā)生變化，從而引發(fā)顆粒錯動位移和應(yīng)力重分布。在此過程中，顆粒間的相對位移是彼此獨(dú)立的，因此，一般認(rèn)為顆粒間接觸力是通過接觸點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)，整個地層的應(yīng)力分布和變形特點(diǎn)由所有參與應(yīng)力重分布的接觸顆粒所決定，地層的變形很可能取決于某些關(guān)鍵部位的變形和應(yīng)力。綜合分析寶峰隧道全風(fēng)化飽和粉細(xì)砂地層的地質(zhì)和力學(xué)特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，組成該地層的砂石顆粒間孔隙較大且?guī)缀鯖]有粘聚力，極易受施工擾動而顆粒的流動性強(qiáng)，屬于典型的不穩(wěn)定地層。在隧道開挖后，隧道工作面難易維持穩(wěn)定從而引發(fā)隧道的失穩(wěn)、坍塌、地面下沉等工程事故?？紤]到粉砂地層的特殊工程性質(zhì)，特別是強(qiáng)烈的離散性和施工擾動敏感性，本研究采用經(jīng)典的離散元軟件顆粒流（PFC2D）來分析開挖卸載條件下，隧道的地表及圍巖變形情況。

2.2 飽和粉細(xì)砂圍巖塌落破壞過程分析

由于粉砂顆粒間的弱膠結(jié)作用和觸變性，飽和全風(fēng)化粉細(xì)砂圍巖的承載能力低，施工后的穩(wěn)定性差，發(fā)生圍巖塌落破壞的風(fēng)險(xiǎn)高。特別是在寶峰隧道下穿高速路段，隧道已經(jīng)處于深埋階段，在隧道開挖依然造成上部高速公路地表大面積塌陷?；诖?，對比淺埋、深埋隧道開挖后圍巖的塌落變形與應(yīng)力發(fā)展，來判斷全風(fēng)化粉細(xì)砂圍巖能否形成有效的塌落拱。

由于粉細(xì)砂顆粒粒徑較?。?.0～5.0mm），要準(zhǔn)確模擬粉細(xì)砂顆粒系統(tǒng)需要產(chǎn)生上百萬個顆粒，無法在現(xiàn)有條件下實(shí)現(xiàn)。此外，考慮到PFC數(shù)值模型中的宏觀物理參數(shù)和微觀模型參數(shù)沒有直接的對應(yīng)關(guān)系，計(jì)算模型參數(shù)必須綜合考慮尺寸比例和宏觀物理試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)過多次嘗試調(diào)整顆粒數(shù)目及輸入?yún)?shù)，簡化邊界，優(yōu)化微觀參數(shù)，得出最優(yōu)的計(jì)算參數(shù)（如表2所示）。

表2 計(jì)算參數(shù)

2.2.1 淺埋隧道塌落破壞過程分析

隧道埋深25m時(shí)，其圍巖塌落破壞演化過程如圖3所示。圖內(nèi)圓圈為半徑7.5m的隧道開挖邊界。

圖3 淺埋隧道圍巖塌落破壞演化過程（埋深25m）

從圖3看出，隧道在開挖后，周邊圍巖迅速松動，且松動范圍逐漸增加。隧道拱頂出現(xiàn)大幅坍塌，之后坍塌迅速發(fā)展至地表，形成明顯的塌落槽，最終塌落體將隧道掩埋。該過程有一定的邏輯規(guī)律可以探尋：即開挖后，隧道上方‘拱效應(yīng)’的消失有一定過程。首先是隧道上部顆粒間的接觸力減弱，隨著顆粒的移動和滑移，部分區(qū)域的顆粒接觸力消失，造成局部失穩(wěn)和坍塌，此過程正是隧道圍巖承載力消失的過程。

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2.2.2 深埋隧道圍巖塌落破壞過程分析

隧道埋深75m時(shí)，其圍巖塌落破壞演化過程如圖4所示。圖內(nèi)圓圈為半徑7.5m的隧道開挖邊界。

從圖4中看出，深埋隧道坍塌過程和淺埋隧道坍塌過程基本類似，隧道開挖后并未形成有效的塌落拱，隧道一直坍塌至塌落體將隧道掩埋，并且在坍塌過程中地表也形成了明顯的塌落槽。

圖4 淺埋隧道圍巖塌落破壞演化過程（埋深75m）

3 飽和全風(fēng)化粉細(xì)砂地層隧道施工控制技術(shù)

寶峰隧道飽和全風(fēng)化粉細(xì)砂巖坍塌段埋深約為69m，隧道坍塌主要以掌子面及初期支護(hù)背后流砂為主，且隧道坍塌影響至上方地面既有高速公路，使高速公路路面沉降大于10cm。對比上節(jié)中顆粒離散元計(jì)算結(jié)果，在飽和全分化粉細(xì)砂地層中，由于圍巖穩(wěn)定性極差，即使在深埋狀態(tài)下隧道無法形成有效的塌落拱，故如若隧道塌方極易引起地面沉降過大，從而影響地面既有高速公路導(dǎo)致高速公路路面發(fā)生較大沉降，影響行車安全。計(jì)算中隧道掌子面如若不進(jìn)行加固，極易發(fā)生溜塌現(xiàn)象，這也與現(xiàn)場中隧道掌子面多次發(fā)生流沙現(xiàn)象相吻合。故在該種地層施工時(shí)，保證圍巖穩(wěn)定的最有效手段是超前改良加固圍巖，增加隧道周邊圍巖的承載能力，保證在隧道開挖后能夠保證一定時(shí)間的穩(wěn)定，為施作初期支護(hù)及封閉掌子面提供足夠時(shí)間。還需要增加圍巖粘聚力保證施作初期支護(hù)后不再發(fā)生流砂現(xiàn)象。

3.1 飽和全風(fēng)化粉細(xì)砂地層注漿加固現(xiàn)場試驗(yàn)

在DK11+486處修建止?jié){墻后，施作了30m長試驗(yàn)孔，注漿分別采用前進(jìn)式、鉆桿后退式、袖閥管等注漿工藝（如圖5a所示），注漿材料分別采用純水泥漿、雙液漿、超細(xì)水泥漿。試驗(yàn)孔施作完成后通過鉆孔取樣（如圖5b所示），對試驗(yàn)孔注漿加固效果分析如下：

圖5 注漿加固現(xiàn)場試驗(yàn)

（1）前進(jìn)式注漿：注漿壓力最大達(dá)到6～8MPa，普通水泥漿和超細(xì)水泥漿在粉細(xì)砂地層內(nèi)均不能有效擴(kuò)散，試驗(yàn)表明前進(jìn)式注漿對于該粉細(xì)砂地層沒有固結(jié)效果。

（2）鉆桿后退式注漿：雖能鉆孔至30m，若注漿同一位置超過24h時(shí)，鉆桿不能拔出，所以不能長時(shí)間有效注漿，此種注漿方式也不能達(dá)到固結(jié)該粉細(xì)砂層的效果。

（3）袖閥管注漿：由于該地層不能成孔，袖閥管注漿時(shí)需要增大壓力頂開橡膠套，所以本工藝在超粉細(xì)砂層也不能有效擴(kuò)散，此種注漿方式失效。

（4）注漿時(shí)經(jīng)常串孔，長時(shí)間不上壓，基本上在2.0MPa左右，鉆孔注漿進(jìn)度緩慢。

（5）取芯說明飽和粉細(xì)砂長時(shí)間可以蔓延至反壓體內(nèi)，所以導(dǎo)致反壓體雖有漿液但不能有效成型，同時(shí)也證明了上述的效果分析。

（6）試驗(yàn)孔取芯驗(yàn)證時(shí)在18～20m時(shí)有漿液存在，但仍不能成型，這種工藝雖能在前方注漿，但是仍不能成型，也不能固結(jié)粉細(xì)砂層。

根據(jù)注漿試驗(yàn)及驗(yàn)證結(jié)果可判定：該粉細(xì)砂層內(nèi)不能有效成孔。原因可以歸結(jié)為原狀粉細(xì)砂顆粒極小，滲透率極低，特別是漿液具有一定的粘性和部分未完全水化的顆粒，因此擴(kuò)散性較差，導(dǎo)致僅僅反壓體被漿液固結(jié)。驗(yàn)證孔揭示注漿后原狀粉細(xì)砂巖地層中未見擴(kuò)散的漿液，采用普通帷幕注漿方式很難保證注漿效果。

3.2 飽和全風(fēng)化粉細(xì)砂地層隧道支護(hù)及施工控制措施

通過對飽和全風(fēng)化粉細(xì)砂圍巖致災(zāi)機(jī)理以及注漿加固效果的研究，最終確定了“拱部雙層超前旋噴咬合樁+掌子面正面旋噴樁加固+邊墻單層超前旋噴咬合樁+加強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)”的基本支護(hù)措施（如圖6-8所示），支護(hù)參數(shù)如下：

（1）拱部設(shè)雙層φ600mm旋噴樁，環(huán)向間距40cm，排距40cm，每循環(huán)共130根，拱部內(nèi)層旋噴樁加固體內(nèi)插入φ108鋼花管（如圖7所示）。邊墻設(shè)1層φ600mm超前旋噴樁，間距40cm，每循環(huán)共20根。為保證掌子面穩(wěn)定，于掌子面設(shè)φ600mm水平旋噴樁，間距2m梅花型布置，每循環(huán)共36根。

（2）為確保鋼架基礎(chǔ)穩(wěn)定，各臺階腳部每處設(shè)2根φ600mm水平旋噴樁，每循環(huán)共12根。上、中臺階鋼架腳設(shè)置斜向鎖腳旋噴樁，每處1根，每根長6m，旋噴樁樁徑為φ600mm，縱向間距0.5m，內(nèi)插4根φ42鎖腳錨管，長4m。

（3）超前旋噴樁每根長24m，每循環(huán)開挖19m，旋噴樁施作前先利用掌子面旋噴作為試樁，以確定各項(xiàng)旋噴參數(shù)。

（4）初期支護(hù)：全環(huán)噴射C30混凝土，厚32cm；全環(huán)設(shè)置I25a型鋼鋼架加強(qiáng)支護(hù)，縱向間距0.5m，鋼架間設(shè)置縱向［32a槽鋼托梁及環(huán)距0.5m的φ22縱向連接鋼筋；拱墻設(shè)置雙層φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20cm×20cm；采用三臺階法加臨時(shí)仰拱開挖，中、上臺階設(shè)置臨時(shí)仰拱，間距0.5m/榀，上、中臺階每循環(huán)噴10cm厚混凝土封閉掌子面。

圖6 拱墻旋噴咬合樁布置示意

圖7 旋噴樁及Φ108大管棚施做示意圖

圖8 基底加固平面布置示意/cm

（5）預(yù)留變形量為35cm，同時(shí)兼作補(bǔ)強(qiáng)空間。若監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示變形速率≥5mm/d或累計(jì)大于100mm時(shí)，應(yīng)立即施作補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)層，采用拱墻I16工字鋼鋼架，必要時(shí)增設(shè)臨時(shí)橫、豎支撐及砂袋反壓等應(yīng)急措施。

（6）飽和粉細(xì)砂段基底采用網(wǎng)格狀咬合旋噴樁約束土體變形加固方案，對隧底約束土體變形，起擋砂止水與防止基底涌砂涌水的作用，并提高基底承載力及有效控制基底沉降。DK11+408～+469段豎向咬合旋噴樁樁徑φ600mm，縱向樁中心距50cm，橫向樁中心距45cm，呈2m（縱）×2.25m（橫）的網(wǎng)格樁布置，樁長按樁底高程低于仰拱底5m控制。

3.3 支護(hù)及施工控制措施效果評價(jià)

項(xiàng)目部于2016年4月1日-4月9日在寶峰隧道進(jìn)口現(xiàn)場取芯5孔，以檢測在此地質(zhì)條件下高壓旋噴樁的成樁效果、咬合效果及鉆進(jìn)與旋噴過程中的工藝技術(shù)參數(shù)（如圖9a所示）。以N80組為例，采用φ80mm地質(zhì)巖心管金剛石取芯鉆頭鉆進(jìn)，每回次進(jìn)尺2m，循環(huán)加進(jìn)，入孔位置在旋噴樁搭接處，該樁鉆進(jìn)取芯至35m。取芯過程中發(fā)現(xiàn)，33m處芯樣為水泥塊狀，無水無砂流出；33～35m取出粉細(xì)砂，流速為0.1L/s，含沙量約10%，停止取芯，旋噴35m封孔；開孔至掌子面前方12m范圍內(nèi)受障礙物影響，芯樣破碎不連續(xù)；12～33m范圍受地層內(nèi)砂巖顆粒影響，芯樣餅狀；其余部位取芯連續(xù)，芯樣完整、光滑、搭接效果明顯；最長芯樣56cm（如圖9b所示）。本次取芯實(shí)現(xiàn)取芯率超過70%，根據(jù)取芯位置、角度以及結(jié)果判斷，除掌子面前方6m內(nèi)受回填障礙物影響外，其余施工樁體較為連續(xù)，無斷樁現(xiàn)象。

圖9 現(xiàn)場取芯

綜上所述，寶峰隧道下穿高速公路全風(fēng)化的粉細(xì)砂地層段按照“拱部雙層超前旋噴咬合樁+掌子面正面旋噴樁加固+邊墻單層超前旋噴咬合樁+加強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)”支護(hù)措施，取得了較好效果，隧道周邊飽水粉細(xì)砂地層進(jìn)行了置換，形成了一個相對封閉的殼，提高了基底和掌子面砂層穩(wěn)定性，在隧道開挖過程中，粉細(xì)砂不在呈流塑狀砂（泥）流出，具備了施工的條件，有效控制了地表高速公路的下沉，確保公路運(yùn)營安全，目前已經(jīng)順利施工完成并通車。

4 主要結(jié)論

（1）采用顆粒流方法分析了飽和全風(fēng)化粉細(xì)砂圍巖動態(tài)破壞過程，模擬結(jié)果表明得到的隧道周邊圍巖及掌子面動態(tài)坍塌過程與現(xiàn)場破壞過程基本吻合，無論深埋淺埋，隧道開挖后都無法形成有效的塌落拱，隧道的變形或坍塌必然會影響至地面既有結(jié)構(gòu)。

（2）保證飽和全風(fēng)化粉細(xì)砂圍巖穩(wěn)定的最有效手段是超前改良加固圍巖，增加隧道周邊圍巖的承載能力，保證在隧道開挖后能夠保證一定時(shí)間的穩(wěn)定，為施做初期支護(hù)及封閉掌子面提供足夠時(shí)間；增加圍巖粘聚力保證施做初期支護(hù)后不發(fā)生襯砌背后流沙、掌子面流沙等現(xiàn)象。

（3）飽和全風(fēng)化粉細(xì)砂圍巖的現(xiàn)場注漿試驗(yàn)表明：粉細(xì)砂層不能有效成孔，原狀粉細(xì)砂地層內(nèi)細(xì)砂顆粒極小，漿液滲透效果不理想，水泥漿液在此種地層內(nèi)不易擴(kuò)散，漿液僅僅是固結(jié)了反壓體，驗(yàn)證孔揭示注漿后原狀粉細(xì)砂巖地層中未見擴(kuò)散的漿液，采用普通帷幕注漿方式很難保證注漿效果。

（4）綜合圍巖破壞機(jī)理、現(xiàn)場注漿試驗(yàn) 和相關(guān)地層施工經(jīng)驗(yàn)，確定了“拱部雙層超前旋噴咬合樁+掌子面正面旋噴樁加固+邊墻單層超前旋噴咬合樁+加強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)”的基本支護(hù)措施。

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