火山灰地質(zhì)淺埋段特性及鐵路隧道施工技術(shù)

劉雪東，陶益勝，謝斌福，田 發(fā)

(中國建筑土木建設(shè)有限公司，北京 100073)

0 前 言

現(xiàn)階段，我國隧道施工過程中一旦遇到火山灰地質(zhì)變形，應(yīng)制定科學(xué)合理的處理技術(shù)予以應(yīng)對。某隧道沿線穿越火山灰地質(zhì)段，該路段的火山灰遇水出現(xiàn)軟化，導(dǎo)致支護(hù)體系變形較為嚴(yán)重，施工單位在實際施工過程中出現(xiàn)多次塌方現(xiàn)象，施工難度比較大。本文結(jié)合某隧道施工實際情況，對火山灰隧道地段的施工技術(shù)展開研究分析，認(rèn)為采用雙層工字鋼、錨管注漿的方式進(jìn)行加固以及弧形模板仰拱施工的方式，可以順利渡過隧道的大變形地段。此次研究對后續(xù)同類型的施工項目具備參照價值。

1 工程概況

本文以某隧道建設(shè)工程作為研究案例，該隧道埋深基本上保持在20 m以內(nèi)，沿線最大埋深為35 m，屬于超淺埋隧道，隧道上部覆蓋一層火山灰及風(fēng)化巖石，這種巖石相較之火山灰，其自身的膨脹性不大，但是被風(fēng)化的差異性比較顯著。

結(jié)合實際情況而言，該項目所在地的地質(zhì)條件復(fù)雜，同時地下水位較高，隧道的進(jìn)洞口與出洞口地段的風(fēng)化巖層較厚，火山灰被夾雜在火山巖中，巖體破碎化現(xiàn)象嚴(yán)重，一旦遇水則會變?yōu)槟酄?，所以隧道施工過程中的膨脹變形、擠壓變形現(xiàn)象較為普遍。

2 火山灰地質(zhì)淺埋段特性

隧道的上覆蓋層屬于殘積層膨脹土；土層的土質(zhì)不一，巖芯呈現(xiàn)為柱狀，土層的膨脹率為Fs=29%～58%，具備顯著的弱膨脹性。隧道沿線左側(cè)420 m、右側(cè)1000 m部位均存在火山口，為火山噴發(fā)遺留。其中，左側(cè)420 m處的火山口外形為圓形，火山口的直徑在200～230 m，火山口頂部標(biāo)高為82 m，坑底標(biāo)高大概為73 m；右側(cè)火山口外形呈橢圓形，直徑為125 m，火山口頂部標(biāo)高為90 m，坑底標(biāo)高大概為88 m，火山口對實際施工的影響不是很大，但是熔巖區(qū)域可能會因火山灰的存在而出現(xiàn)坍塌事故，所以在對拱頂部位及邊墻部位進(jìn)行施工時需額外提高重視。

隧道內(nèi)特殊巖土主要是火山灰膨脹土，多分布在拱頂部位與仰拱部位。膨脹土基本上是玄武巖，由于受風(fēng)化影響，呈現(xiàn)出灰褐色、黃褐色、棕褐色。玄武巖主要由粉、黏性顆粒構(gòu)成，并含有一些細(xì)砂。區(qū)域內(nèi)的土質(zhì)不一，膨脹率為Fs=29%～58%，具備顯著的弱膨脹性。

火山灰遇水則會變?yōu)槟酄睿瑔适Я丝辜羟袕姸?，所以需要設(shè)置強支護(hù)體系來承受圍巖的變形影響。結(jié)合設(shè)計圖紙來看，原設(shè)計采用單層工字鋼進(jìn)行支護(hù)，在仰拱施工完成以后，拱架隨即發(fā)生變形且局部出現(xiàn)折斷現(xiàn)象，拱架變形程度比較嚴(yán)重。不但出現(xiàn)垂直方向的變形，還表現(xiàn)出水平方向的變化，拱頂部位噴射的混凝土出現(xiàn)大面積裂縫，并伴有脫落混凝土塊現(xiàn)象。為有效抵抗變形，可以在拱腳部位設(shè)置臨時支撐；邊墻初期支護(hù)已經(jīng)影響到二次襯砌，所以需要拆除全部初期支護(hù)。假若使用擴(kuò)大拱腳設(shè)置臨時橫向支撐時，那么在對仰拱部位進(jìn)行開挖作業(yè)時仍然會出現(xiàn)變形現(xiàn)象，同時施工過程中多次出現(xiàn)變形嚴(yán)重現(xiàn)象。

3 隧道施工技術(shù)

3.1 總體方案

結(jié)合前文研究來看，淺埋暗挖隧道的變形地段治理主要采用排水、加固、截水、強支護(hù)相結(jié)合的方式進(jìn)行，簡單而言就是將水平方向的擠壓力完全釋放，適當(dāng)加固軟基地段，設(shè)置臨時支撐提高圍巖自身的強度。

在實際施工過程中，施工單位必須嚴(yán)格遵守“提前預(yù)報、導(dǎo)管超前安裝、縮短進(jìn)尺、減小爆破規(guī)模、強支護(hù)、頻繁測量、及時封閉”的基本原則。首先提前對施工區(qū)域的地質(zhì)進(jìn)行預(yù)報，使用鉆探法和物探法對隧道區(qū)域內(nèi)的圍巖地質(zhì)條件進(jìn)行勘察，降低隧道施工過程中的安全風(fēng)險。掌子面開挖時需要提前設(shè)置支護(hù)體系，使用小導(dǎo)管完成注漿，并對圍巖進(jìn)行加固處理。

針對軟弱圍巖區(qū)域，可以使用錨桿、注漿的方式對附近圍巖的變形狀況進(jìn)行約束，同時使用雙層鋼拱架進(jìn)行支撐，并在表面噴射混凝土形成初期支護(hù)體系。對軟弱圍巖地段的基底采取加固措施，在加固作業(yè)完成以后開始挖方作業(yè)。對于區(qū)域內(nèi)含水量比較大的地段則采取排水措施，避免地下水對軟弱圍巖造成侵蝕作用。

3.2 洞口開挖

1)地表處理及截水天溝。隧道進(jìn)洞口與出洞口施工之前，需要測量放線，通過測量放線確保邊坡部位開挖與截水溝施工符合規(guī)范要求，進(jìn)而順利達(dá)到截水、排水的目的，此外，對隧道洞口路段外側(cè)10～15 m區(qū)域的漏斗、洼地進(jìn)行處理，避免地表水深入至隧道內(nèi)，保證隧道施工過程中仰坡部位的穩(wěn)定性。

2)洞口開挖及邊仰坡防護(hù)。隧道洞口部位的開挖作業(yè)應(yīng)該由外向內(nèi)進(jìn)行，按自上而下的順序進(jìn)行開挖，將洞口部位開挖成臺階狀，單層臺階的高度控制在2～3 m。土方及強風(fēng)化巖石使用挖機進(jìn)行開挖，人工從旁輔助作業(yè)。對于局部比較陡峭的邊坡可以使用人工開挖，石方選擇采用弱爆破方式進(jìn)行開挖。渣土使用裝載機與渣土車完成外運。

3)邊仰坡防護(hù)。邊仰坡部位的土方開挖完成以后，則可以開始對隧道洞口部位的邊仰坡進(jìn)行防護(hù)，保證不會出現(xiàn)坍塌事故。

3.3 超前地質(zhì)預(yù)報及超前支護(hù)

超前地質(zhì)預(yù)報的內(nèi)容主要涉及施工區(qū)域的地質(zhì)條件分析、宏觀地質(zhì)預(yù)報、隧道洞身不良地質(zhì)、重大施工災(zāi)害等。利用水平鉆、GPS(Global Positioning System，全球定位系統(tǒng))等物理探測法對施工區(qū)域的地質(zhì)條件進(jìn)行勘測，并結(jié)合地質(zhì)調(diào)查法對掌子面部位的圍巖地質(zhì)情況進(jìn)行深入分析，結(jié)合分析結(jié)果合理選擇施工工藝。

該項目施工前的超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果得出：局部地段在開挖作業(yè)之前，需要對掌子面部位的圍巖進(jìn)行加固。假若圍巖破碎化程度比較嚴(yán)重，則應(yīng)該對掌子面前側(cè)的圍巖進(jìn)行注漿加固，不但需要使用小導(dǎo)管進(jìn)行注漿加固外，同時沿著掌子面垂直方向?qū)嵤┳{加固處理。

超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)可將周邊一定范圍內(nèi)極破碎圍巖加固成整體，形成一道支護(hù)殼體，對開挖掘進(jìn)中減小周邊圍巖的擾動能起到很大的作用；掌子面錨管注漿對于隧道的涌水現(xiàn)象具有良好的治理效果。針對圍巖破碎區(qū)域的涌水問題，假若涌水量不是很大，則可以采用小導(dǎo)管注漿的方式加固處理。

超前小導(dǎo)管施工程序如圖1所示。超前小導(dǎo)管選擇使用鋼管加工而成，鋼管的規(guī)格為Φ42×3.5 mm，單根鋼管的長度為3.5 m。為確保小導(dǎo)管順利進(jìn)入到土層中，可以將小導(dǎo)管前端加工為錐形，同時應(yīng)保證漿液不會出現(xiàn)前沖現(xiàn)象。小導(dǎo)管中間部位需要設(shè)置10 mm的注漿孔，注漿孔按照梅花形進(jìn)行布設(shè)，注漿孔的間距設(shè)置為15 cm。

圖1 超前小導(dǎo)管注漿示意圖

注漿過程中，施工人員應(yīng)該頻繁檢測漿液凝結(jié)的時間是否與設(shè)計要求相符，假若二者之間存在偏差，則應(yīng)該及時探尋導(dǎo)致誤差出現(xiàn)的成因，并通過妥善的方式處理。注漿量盡量配備充足，以保證固結(jié)的效果，同時保證漿液向外圍擴(kuò)散一定的范圍。注漿的范圍按照開挖斷面以外0.3～0.5 m計算。漿液單孔的注漿量Q與孔隙率之間存在緊密的關(guān)聯(lián)性，其具體數(shù)值為：

Q=πR2Lη

式中，R為漿液擴(kuò)散半徑，m；L為壓漿段長度，m；η為巖層孔隙率，砂土的孔隙率取40%，黏土的孔隙率為20%，斷層破碎帶的孔隙率為5%。

止?jié){盤選擇使用低壓加固注漿方式，止?jié){盤使用5～10 cm厚的混凝土進(jìn)行封閉處理，確保不會出現(xiàn)跑漿現(xiàn)象；注漿之前需要檢查注漿設(shè)備的穩(wěn)定性，同時檢查注漿管道的密實性，確保注漿過程中不會出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象。正式注漿過程中不得出現(xiàn)串漿或跑漿現(xiàn)象，一旦發(fā)現(xiàn)立即停止作業(yè)，并及時探尋導(dǎo)致問題出現(xiàn)的具體原因，并利用妥善的方式進(jìn)行處理。施工人員詳細(xì)記錄注漿全過程。當(dāng)注漿作業(yè)完成以后，應(yīng)清洗所有注漿設(shè)備并妥善保管，以便于下次使用。

針對圍巖破碎比較嚴(yán)重且含水量比較大的地段，需要先在掌子面部位設(shè)置排水管進(jìn)行部分排水泄壓，然后在掌子面頂部120°范圍內(nèi)使用小導(dǎo)管進(jìn)行注漿；對于局部出現(xiàn)涌水、涌泥現(xiàn)象的地段，需施作中空注漿錨桿對前方破碎巖體進(jìn)行固結(jié)，錨桿的數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場涌水量確定。

3.4 開挖方法

土方開挖采用三臺階七步方式施工，單層臺階的長度控制在3～5 m，3個臺階的總長度控制在15 m以內(nèi)，下層臺階開挖完成以后，應(yīng)該立即進(jìn)行鎖腳錨管與錨桿施工；施工工序的安排應(yīng)具備合理性，確保不同施工工序之間不會產(chǎn)生沖突，確保各工序順利施進(jìn)，縮短施工工期，迅速形成閉環(huán)狀態(tài)；應(yīng)該保證錨桿施工及注漿作業(yè)質(zhì)量，保證注漿加固、錨桿加固能夠?qū)鷰r變形發(fā)揮出顯著的效果；仰拱施工及襯砌施工同步進(jìn)行，仰拱距離掌子面的距離需要控制在30 cm以內(nèi)，襯砌距離掌子面的距離控制在70 m內(nèi)。

3.5 加強支護(hù)形式

強支護(hù)使用的是雙層I18工字鋼拱架，外層支護(hù)采用的是工字鋼，內(nèi)層支護(hù)使用的工字鋼需要預(yù)留15 cm的變形量。第一層工字鋼需要設(shè)置雙層鋼筋網(wǎng)，工字鋼的間距設(shè)置為50 cm，并噴射26 cm厚的C25混凝土。第二層工字鋼應(yīng)該與前一層錯開設(shè)置，第二層工字鋼的間距控制為50 cm，使用10 cm厚的鋼板進(jìn)行搭接。第二層工字鋼需要設(shè)置雙層鋼筋網(wǎng)，工字鋼的間距設(shè)置為50 cm，并噴射26 cm厚的C25混凝土。利用雙層鋼筋網(wǎng)、雙層連接筋來加強支護(hù)結(jié)構(gòu)的強度，促使支護(hù)體系形成整體[1]。

3.6 仰拱施工

當(dāng)隧道底部開挖完成以后，應(yīng)該及時對仰拱部位進(jìn)行施工，仰拱的長度控制為2～3 m，單次開挖的最大長度控制在3 m以內(nèi)。為確保軟弱圍巖地段的仰拱施工效率提高，可以使用大斷面仰拱澆筑工藝進(jìn)行施工，但是需要預(yù)留一部分的小邊墻，借助仰拱弧形模板降低人工接縫工作量。使用仰拱弧形模板可以保證閉環(huán)的時間，同時妥善解決軟弱圍巖變形地段的仰拱施工結(jié)構(gòu)物精準(zhǔn)度無法保證的問題，且降低施工人員的作業(yè)強度，大幅度縮短施工工期。

3.7 二次襯砌施工

結(jié)合圍巖觀測、測量結(jié)果信息來看，圍巖及初期支護(hù)的變形趨向于穩(wěn)定以后，則可以開始進(jìn)行二次襯砌施工，簡單而言就是拱腳水平波動不超過0.2 mm/d，拱頂下沉的速度低于O.15 mm/d。但是圍巖地段的變形速度增快，長時間無法穩(wěn)定，需要采取襯砌加固措施，以保證隧道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性[2]。二次襯砌使用鋼模板臺車進(jìn)行作業(yè)，單次襯砌的長度為12 m，混凝土全部使用商品混凝土，使用泵車將混凝土運輸至施工現(xiàn)場。

3.8 治水措施

軟弱圍巖隧道施工過程中治水比較重要。其中以膨脹巖地段尤為關(guān)鍵，隧道開挖完成以后，膨脹圍巖遇水其自身的穩(wěn)定性會大幅度降低，導(dǎo)致初期支護(hù)承受的壓力不斷增大，隨之出現(xiàn)變形現(xiàn)象。

結(jié)合該項目的實際情況而言，隧道內(nèi)的火山巖遇水會不斷軟化，所以對于火山巖地段應(yīng)該采取“以封堵為主，適量排放”的治理原則。假若圍巖破碎化比較嚴(yán)重，且圍巖自身的穩(wěn)定性較低時，則應(yīng)該對地下水進(jìn)行排放，降低水壓，同時應(yīng)該保證地下水不會將地層結(jié)構(gòu)中的填充物沖出地表，促使塌方事故出現(xiàn)。

對于含水量比較大且圍巖破碎現(xiàn)象比較嚴(yán)重的堵點，可以利用漿墻進(jìn)行堵水處理，結(jié)合漿液在圍巖中的擴(kuò)散系數(shù)，適當(dāng)增大錨管的數(shù)量，確保注漿作業(yè)完成以后該區(qū)域可以形成整體結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，然后在已經(jīng)加固部分設(shè)置泄水孔，釋放水壓，確保掌子面不會出現(xiàn)涌水、涌泥現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

在對隧道進(jìn)行施工過程中，因火山灰屬于膨脹巖，火山灰一旦遇水則會軟化，自身的穩(wěn)定性大幅度降低，存在較大的安全風(fēng)險，所以實際施工過程中需要予以重視，加強對各個施工工序的管理，確保施工人員嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行施工，避免變形、塌方事故出現(xiàn)，在保證施工安全的前提下進(jìn)行施工。

[ID:013941]