重載鐵路隧道高膨脹泥灰?guī)r施工技術(shù)研究與應(yīng)用

文章依托浩吉鐵路土建工程18標(biāo)段方山1號隧道，對在重載鐵路隧道施工中遇到的特殊地質(zhì)——高膨脹泥灰?guī)r進(jìn)行了泥質(zhì)灰?guī)r性能試驗(yàn)研究，對發(fā)生的主要病害進(jìn)行原因分析，總結(jié)不同工況下隧道泥灰?guī)r治理技術(shù)，特別是在高膨脹泥灰?guī)r出水治理、確保擴(kuò)挖換拱安全方面提出了新的解決方案，為隧道高膨脹泥灰?guī)r施工提供技術(shù)支持。

重載鐵路; 隧道; 高膨脹; 泥灰?guī)r; 施工技術(shù)

U455.49B

[定稿日期]2021-07-06

[作者簡介]王天西（1985～），男，本科，工程師，從事鐵路工程施工技術(shù)管理工作。

1 工程概述

本文依托工程為浩吉鐵路土建工程十八標(biāo)段方山1號隧道工程。浩吉鐵路是中國邁入高鐵時(shí)代修建的唯一一條國家干線的重載貨運(yùn)通道鐵路，設(shè)計(jì)時(shí)速120 km/h以上，全長1 837 km，設(shè)計(jì)年輸送能力2×108 t以上。浩吉鐵路方山1號隧道全長1 135 m，單洞雙線，無砟軌道。隧道洞身下伏白云巖、局部夾泥質(zhì)白云巖，淺灰色，巖質(zhì)較硬，強(qiáng)風(fēng)化—弱風(fēng)化，巖體較破碎—較完整，巖層產(chǎn)狀為：314～46 °∠47～83 °，地下水不發(fā)育，隧道多巖溶發(fā)育帶。

2016年7月至10月為南陽地區(qū)雨季，降雨充沛，地下水補(bǔ)給充足。在方山1號隧道施工過程中，隧道初期支護(hù)表面出現(xiàn)多處滲水，局部出現(xiàn)了線狀流水。受到巖溶地質(zhì)影響，每次連續(xù)降雨或者強(qiáng)降雨后，隧道到的滲水現(xiàn)象尤為明顯。存在滲滴水的區(qū)域內(nèi)，先后有多處出現(xiàn)了初期支護(hù)開裂。9月份之后，初期支護(hù)開裂開始加劇，監(jiān)控量測的水平收斂、拱頂下沉數(shù)據(jù)急劇增大，先后發(fā)生多次黃色預(yù)警、紅色預(yù)警，隧道險(xiǎn)情的出現(xiàn)，引起各參建單位的高度關(guān)注。

為了探明隧道險(xiǎn)情發(fā)生的主要原因，預(yù)防更大險(xiǎn)情的出現(xiàn)，項(xiàng)目對隧道進(jìn)行了全面排查，主要采取以下兩種手段：

（1）對已開挖、仰拱未施工段落，采用鉆探的方式進(jìn)行地質(zhì)探測，對初支開裂情況進(jìn)行破檢。

（2）對已施做仰拱和拱墻二襯的段落，結(jié)合開挖期間揭示圍巖情況，對二襯開裂情況進(jìn)行破檢。

排查發(fā)現(xiàn)，方山1號隧道揭示5段（共長285 m）與出現(xiàn)險(xiǎn)情部位圍巖類似，為灰綠色圍巖，遇水易崩解，其中二襯已施工的3段（共長124.5 m），仰拱已施工、二襯未施工1段（長15.5 m），仰拱未施工2段（共長145 m）。

為了排除隧道出現(xiàn)的險(xiǎn)情，制定合理的除險(xiǎn)加固方案，確保隧道施工安全和機(jī)構(gòu)穩(wěn)定，項(xiàng)目首先開展了對隧該灰綠色圍巖的試驗(yàn)研究。

2 隧道不良地質(zhì)圍巖的調(diào)查及試驗(yàn)研究情況

為了進(jìn)一步驗(yàn)證隧道不良地質(zhì)洞段灰綠色圍巖的特性，進(jìn)行了巖石泡水試驗(yàn)、成分化驗(yàn)和膨脹性試驗(yàn)。

2.1 巖石泡水試驗(yàn)

在方山1號隧道不良地質(zhì)圍巖洞段取巖石樣品，加工成長×寬×高為5 cm×5 cm×5 cm的正方形試樣，進(jìn)行室內(nèi)泡水試驗(yàn)。試驗(yàn)過程及結(jié)果如圖1所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，泥灰?guī)r在天然狀態(tài)下，巖質(zhì)堅(jiān)硬，遇水后體積變大，逐步崩解。

2.2 巖石成分化驗(yàn)和膨脹性試驗(yàn)

在現(xiàn)場取兩組試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，第一組為邊墻裂縫處，第二組為下臺階處。

第一組巖樣（邊墻裂縫處）：灰綠色巖樣，磨片鑒定為泥灰?guī)r，其中方解石含量60 %～65 %，黏土礦物及絹云母（風(fēng)化變質(zhì)產(chǎn)物）含量約30 %～35 %。為遇水易軟化的硬巖。

第二組巖樣（下臺階處）：鑒于現(xiàn)場泥灰?guī)r軟硬不均，且長期泡水后巖體軟化明顯，強(qiáng)度降低，現(xiàn)場局部泥質(zhì)含量較高的巖樣泡水在30 min內(nèi)發(fā)生崩解。提取該處巖樣，取其0.5 mm以下顆粒做土的膨脹性試驗(yàn)TB10102-2010《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》、TB10103-2008《鐵路工程巖土化學(xué)分析規(guī)程》），結(jié)果為：自由膨脹率30 %，判定為膨脹巖。

巖石成分化驗(yàn)和膨脹性試驗(yàn)成果見表1。

根據(jù)兩次取樣化驗(yàn)、膨脹性試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)論如下：

（1）該隧道不良地質(zhì)圍巖鑒定為泥灰?guī)r，泥灰?guī)r具有一定的膨脹性，遇水易崩解。

（2）隧道不同部位的泥灰?guī)r性質(zhì)差異較大，泥質(zhì)含量越高的泥灰?guī)r的膨脹性越高。

3 隧道泥灰?guī)r主要病害分析及施工難點(diǎn)

經(jīng)過巖石成分化驗(yàn)和膨脹性試驗(yàn)，隧道不良地質(zhì)圍巖確定為泥灰?guī)r。結(jié)合前期的排查情況，泥灰?guī)r是隧道施工安全及結(jié)構(gòu)的主要病害。由于方山1號隧道泥灰?guī)r被定性時(shí)，初期支護(hù)已經(jīng)施工160.5 m，二襯已施工124.5 m，雖然前期已經(jīng)采取了部分措施，但是處理措施不準(zhǔn)確，處理效果較差。對于方山1號隧道泥灰?guī)r已經(jīng)造成初支開裂、局部嚴(yán)重侵限、二襯開裂等病害必須采取行之有效的處治理方案和施工方法，保證泥灰?guī)r隧道施工安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

從國內(nèi)外研究情況來看，關(guān)于泥灰?guī)r地質(zhì)隧道研究較少，可拱參考施工技術(shù)資料極少，為了有效地治理泥灰?guī)r的病害，亟待解決四個(gè)方面的施工問題：

（1）如何系統(tǒng)治理隧道滲水問題，防止泥灰?guī)r遇水膨脹變形。

（2）如何治理初期支護(hù)已施工段泥灰?guī)r造成的開裂（局部嚴(yán)重侵限）問題。

（3）如何治理仰拱未施工段泥灰?guī)r造成的隧底承載力不足的問題。

（4）如何治理二襯已施工段泥灰?guī)r造成的二襯開裂問題。

4 初支開裂成因分析及治理

4.1 初支開裂案例

方山1號隧道某洞段監(jiān)控量測顯示某測點(diǎn)（水平收斂）日變化量為2 mm，同時(shí)在臨近位置線路左邊墻初支變形并沿環(huán)向開裂，裂縫寬度4 mm、長度3 m。鑿孔發(fā)現(xiàn)初支背后圍巖遇水軟化崩解，且監(jiān)控量測斷面水平收斂值持續(xù)增大（圖2、圖3）。

4.2 初支開裂成因分析

開挖、支護(hù)成型后，初期支護(hù)在降雨期出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象，初支背后泥質(zhì)灰?guī)r遇水膨脹，導(dǎo)致初支出現(xiàn)多處開裂，對隧道結(jié)構(gòu)不利。

4.3 隧道膨脹巖地質(zhì)排水裝置的應(yīng)用

在初期支護(hù)施工后，由于泥灰?guī)r遇水膨脹是造成初期支護(hù)及二襯開裂主因，因此，在隧道泥灰?guī)r地質(zhì)洞段，做好泥灰?guī)r的排水設(shè)計(jì)尤為重要。經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)，常規(guī)的排水孔，泥灰?guī)r遇水崩解后，排水孔易被崩解的巖屑堵塞，嚴(yán)重的順著排水通道流入隧道縱向排水管，影響隧道的系統(tǒng)排水。為了有效治理泥灰?guī)r段初期支護(hù)滲水，發(fā)明了一種隧道膨脹巖地質(zhì)排水裝置，裝置主體為鋼管，分為自由排水端和固定端（圖4）。

裝置自由排水端設(shè)置排水孔，排水孔按照梅花形布置，鋼管外包土工布，每1 m采用外繞方式固定，水經(jīng)土工布滲入排水管內(nèi)，而崩解的巖屑被隔離在土工布外側(cè)，既保證了排水，又可以避免崩解的巖屑堵塞排水管。

固定端使用藥包固定，主要考慮泥灰?guī)r遇水膨脹后會(huì)對排水管形成擠壓應(yīng)力，不僅起到了排水作用，同時(shí)可以支撐圍巖、加固圍巖的作用。

最終排水裝置與隧道的整體土工布、防水板、縱向排水盲管等排水結(jié)構(gòu)形成系統(tǒng)排水，引排至隧道側(cè)溝內(nèi)。

4.4 治理效果

在方山1號隧道泥灰?guī)r段初支開裂洞段系統(tǒng)布置了排水孔，全部安裝了排水裝置，同時(shí)加密排水板布置，與系統(tǒng)排水連接后引排至側(cè)溝內(nèi)。安裝了排水裝置的部位初期支護(hù)未再次發(fā)生開裂，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示變形穩(wěn)定，二襯施工后，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

5 初支嚴(yán)重侵限的成因分析及治理

5.1 初支嚴(yán)重侵限案例

方山1號隧道某段圍巖襯砌類型由Ⅲa 、IVa級調(diào)整為Ⅴc級， 初支拱墻采用I22工字鋼，間距0.6 m/榀，初支厚度拱墻30 cm，二襯厚度55 cm。其中小里程側(cè)前期按照采用Ⅳa復(fù)合式襯砌施工，初期支護(hù)發(fā)生嚴(yán)重變形，凈空不能滿足二襯要求，需要進(jìn)行換拱處理。

5.2 初支嚴(yán)重侵限成因分析

初期支護(hù)背后泥質(zhì)灰?guī)r在受到強(qiáng)降雨影響，地下水補(bǔ)給充足，大面積遇水膨脹，導(dǎo)致已經(jīng)施做的初期支護(hù)嚴(yán)重變形，侵入二襯施工界限，對侵限嚴(yán)重部位，必須采取工字鋼套拱等多種措施加強(qiáng)，保證隧道結(jié)構(gòu)安全。

5.3 隧道膨脹巖段擴(kuò)挖換拱施工方法應(yīng)用

以往Ⅳ級圍巖應(yīng)急處理后常采用的換拱方法，對于膨脹巖段施工該換拱方法具有一定的局限性，格柵鋼架間距1.2 m，工字鋼架加固間距1.2 m，由于膨脹巖遇水膨脹的特性，中間間隔的部分膨脹開裂情況嚴(yán)重，為了治理初支嚴(yán)重變形，總結(jié)了一種隧道膨脹巖段擴(kuò)挖換拱施工方法（圖5）。

在膨脹巖段增設(shè)徑向注漿、超前小導(dǎo)管等加固措施;拆除工字鋼架，鑿除兩既有鋼架中部的混凝土，鑿除寬度為1.0 m，噴射混凝土拆除按“先拱后墻”的原則進(jìn)行，最后拆除變形嚴(yán)重的邊墻混凝土;擴(kuò)挖至設(shè)計(jì)斷面后，進(jìn)行初噴支護(hù)，然后安裝新拱架，連接兩側(cè)鋼筋網(wǎng)片，噴射混凝土;后續(xù)鋼架重復(fù)上述步驟。

5.4 治理效果

在浩吉鐵路方山1號隧道、紅土嶺隧道多洞段推廣應(yīng)用了改隧道泥灰?guī)r換拱擴(kuò)挖施工方法，解決了膨脹巖段換拱施工的安全問題，有效控制了圍巖變形。根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示，處理過程未發(fā)生超限情況，該擴(kuò)挖換拱工藝方法操作簡便、安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

6 隧底承載力不足成因分析及治理

6.1 隧底承載力不足

方山1號隧道某洞段圍巖級別為Ⅲ級，襯砌類型為Ⅲa型，由于長期降雨影響，初支面出現(xiàn)裂縫，裂縫部位有滲水現(xiàn)象，初支后背圍巖主要為泥質(zhì)灰?guī)r。仰拱施工至該段后，已開挖段揭示隧底為軟基，強(qiáng)風(fēng)化—全風(fēng)化，局部為泥質(zhì)灰?guī)r，承載力不滿足設(shè)計(jì)要求，鉆孔檢查深度3～3.5 m，推測尚未開挖前方地質(zhì)情況類似。

6.2 地基承載力試驗(yàn)

2016年12月中旬，現(xiàn)場開展動(dòng)力觸探試驗(yàn)，探測深度為1～1.9 m，實(shí)測地基承載力為100～150 kPa，不滿足承載力要求（200 kPa）。

6.3 隧底承載力不足成因分析

泥灰?guī)r段隧底承載力不足主要有兩個(gè)方面原因：

（1）泥灰?guī)r遇水或者遇到潮濕空氣崩解。

（2）泥灰?guī)r在受到重型機(jī)械碾壓后破碎。

崩解和破碎后隧底的承載力達(dá)不到重載鐵路隧道底承載力200 kPa的要求。

6.4 隧底承載力不足治理

目前主要有兩種方法進(jìn)行治理：

（1）采用樁基增加地基的承載能力（適用于隧道明挖段）。

（2）采用換填仰拱同等級混凝土進(jìn)行處理（適用于隧道暗挖段）。

在方山1號隧道采取了隧底1～2 m范圍換填C20的混凝土的方式進(jìn)行治理。

6.5 治理效果

方山1號隧道該洞段治理后，隧底承載力（不低于200 kPa）滿足設(shè)計(jì)要求，二襯仰拱及仰拱填充施工后，未發(fā)生沉降、錯(cuò)臺、開裂等質(zhì)量問題，處理效果良好。

7 二襯開裂成因分析及治理

7.1 二襯開裂情況

方山1號隧道某洞段原設(shè)計(jì)為Ⅲ級圍巖、襯砌類型為Ⅲa。施工期間已變更為Ⅳ級圍巖，其中該段落小里程襯砌類型為Ⅳa、大里程襯砌類型為Ⅳb+。二襯施工后，經(jīng)過一段時(shí)間沉降，在該段落中間位置已施工拱墻二襯的部位出現(xiàn)一條環(huán)向裂縫，裂縫貫穿整個(gè)二襯拱墻和仰拱。據(jù)測量數(shù)據(jù)顯示，縫寬1～3 mm，頂拱部位縫面兩側(cè)錯(cuò)位約3.5 mm，邊墻及仰拱暫無錯(cuò)臺。

7.2 二襯開裂成因分析

在考慮二襯施工縫分縫時(shí)，未考到泥灰?guī)r與凝灰?guī)r、白云巖互層，泥灰?guī)r產(chǎn)生不均勻沉降是導(dǎo)致二襯開裂的主要原因。

7.3 二襯開裂治理

目前能用于治理泥灰?guī)r段二襯開裂的技術(shù)較少，開裂較輕的洞段加強(qiáng)本段及相鄰段二襯觀測，沉降穩(wěn)定后對裂縫進(jìn)行封堵加固處理，嚴(yán)重裂縫部位拆除二襯后，調(diào)整支護(hù)類型后重新施做二襯。在后續(xù)的施工中，遇圍巖軟硬互層時(shí)，建議在圍巖分界位置設(shè)置施工縫。

7.4 治理效果

浩吉鐵路泥灰?guī)r病害發(fā)現(xiàn)較早，二襯尚未全面施做，僅有部分二襯造成病害，建議在揭示泥灰?guī)r地質(zhì)時(shí)，應(yīng)在二襯施工前治理完成，避免對二襯造成嚴(yán)重的質(zhì)量問題。

8 結(jié)束語

本文就隧道高膨脹泥灰?guī)r治理問題，試驗(yàn)研究了泥灰?guī)r的性質(zhì)，對隧道泥灰?guī)r段選擇復(fù)合式襯砌類型提供地質(zhì)依據(jù)。研制了一種隧道膨脹巖地質(zhì)排水裝置，解決了隧道泥灰?guī)r段的排水問題，降低了泥灰?guī)r遇水膨脹后對隧道的危害?？偨Y(jié)了一種隧道膨脹巖段換拱擴(kuò)挖施工方法（自由膨脹率最高65 %），解決了膨脹巖應(yīng)急處理時(shí)拱頂嚴(yán)重變形侵限的問題，確保了膨脹巖洞段換拱施工時(shí)的結(jié)構(gòu)安全。

本文技術(shù)成果成功應(yīng)用于浩吉鐵路方山1號隧道、紅土嶺隧道等工程，專項(xiàng)技術(shù)為所在工程應(yīng)急加固洞段排除險(xiǎn)情5次，節(jié)約施工成本120余萬元。形成的高膨脹泥灰?guī)r施工技術(shù)進(jìn)一步補(bǔ)充和完善了鐵路、公路等隧道工程特殊地質(zhì)施工技術(shù)，對今后類似工程施工具有參考價(jià)值。

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