紅黏土地層淺埋隧道沉降變形控制技術(shù)研究

摘要：柳梧鐵路紫荊瑤山隧道進(jìn)口段穿越紅黏土地層工程因施工期間受較大降雨影響，地表水下滲造成圍巖軟化，施工過(guò)程中出現(xiàn)了初期支護(hù)侵限、地表下沉開裂等問(wèn)題。文章提出通過(guò)地表注漿、洞內(nèi)徑向注漿加固圍巖，同時(shí)加強(qiáng)超前支護(hù)及鎖腳等措施，有效控制并解決了紅黏土地層淺埋隧道開挖后出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)侵限及地表開裂等沉降變形問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：紅黏土；淺埋隧道；沉降變形控制

中圖分類號(hào)：U456.3+3 A 26 085 4

0 引言

我國(guó)紅黏土主要分布在西南、中南和華東地區(qū)，以貴州、云南和廣西最為典型和廣泛。在上述區(qū)域隧道工程建設(shè)過(guò)程中常遇到紅黏土地層，如云南宣曲高速海德隧道、銀西高鐵慶陽(yáng)隧道等。在紅黏土淺埋隧道施工開挖中，因紅黏土具有高塑性、高含水性和低密度等特性，當(dāng)雨季降水量大，地表匯水無(wú)法順利排走快速下滲時(shí)，隧道圍巖紅黏土含水量增大、土質(zhì)變軟。同時(shí)，紅黏土還具有易失水收縮性，失水紅黏土一旦再遇水浸潤(rùn)便濕化崩解，土體含水率的變化會(huì)直接影響隧道的穩(wěn)定性，引起地表沉陷等［1-2］，還會(huì)由于土體力學(xué)性能發(fā)生顯著變化導(dǎo)致自穩(wěn)性變差，對(duì)原設(shè)計(jì)隧道初期支護(hù)影響較大，往往伴隨拱頂出現(xiàn)較大程度的沉降變形［3-6］。因此，分析紅黏土地層淺埋隧道開挖沉降較大的原因及提出沉降控制方案，對(duì)于指導(dǎo)類似地質(zhì)條件下隧道施工沉降變形控制具有重要的借鑒意義。

1 項(xiàng)目概況

柳梧鐵路為時(shí)速 160 km的客貨共線鐵路（滿足雙層集裝箱運(yùn)輸條件），其最長(zhǎng)隧道紫荊瑤山隧道全長(zhǎng) 8 888 m，位于廣西來(lái)賓市武宣縣東鄉(xiāng)鎮(zhèn)至貴港市桂平市紫荊鎮(zhèn)，最大埋深約 682 m，為單洞雙線隧道。

1.1 工程地質(zhì)概況

紫荊瑤山隧道地處中低山丘陵區(qū)，進(jìn)口段埋深較淺（4～ 12 m），表層為全新統(tǒng)殘坡積（Qel+dl）粉質(zhì)黏土，厚度為1～ 3 m，呈硬塑狀，黃褐色、紅棕色，局部夾少量全風(fēng)化砂巖碎屑，巖土施工工程分級(jí)為Ⅱ級(jí)；下部為紅黏土，呈軟塑～硬塑狀，紅褐色、棕紅色，為白云巖及泥灰?guī)r殘余堆積物，局部夾少量巖塊，厚度約為11.5～ 15.7 m，巖土施工工程分級(jí)為Ⅱ級(jí)。進(jìn)口段圍巖總體受風(fēng)化作用、裂隙和埋深等因素影響，圍巖穩(wěn)定性差，易產(chǎn)生拱頂坍塌變形，成洞條件差。如圖1所示。

1.2 原設(shè)計(jì)概況

隧道進(jìn)口段原設(shè)計(jì)采用Ⅴ級(jí)圍巖加強(qiáng)型復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)采用厚 27 cm C25噴射混凝土，全環(huán)設(shè)置I20a型鋼鋼架、間距為 0.6 m/榀；二次襯砌采用C35鋼筋混凝土（拱墻厚 50 cm、仰拱厚 55 cm）；DK95+776～DK95+846段采用 φ108 mm大管棚進(jìn)行超前支護(hù)，DK95+846～DK95+876段采用 φ89 mm中管棚+小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)。該段地層基底承載力不滿足設(shè)計(jì)要求，采用鋼管樁注漿加固處理。該段采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工。如圖2所示。

2 施工過(guò)程

隧道進(jìn)口淺埋段按設(shè)計(jì)采用三臺(tái)階施工暗洞至上臺(tái)階掌子面距離洞口約 70 m處，監(jiān)控量測(cè)發(fā)現(xiàn)隧道拱頂初支局部有橫向裂縫，并有圍巖裂隙水滲出。對(duì)沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，拱頂位置有不均勻沉降，且局部沉降量較大，累計(jì)最大沉降量達(dá) 515.6 mm。同時(shí)地表也存在不同程度的沉降，且地表局部出現(xiàn)較大縱向裂縫（見 圖3）。

在連續(xù)觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，單日沉降量及累計(jì)沉降量過(guò)大，超預(yù)警范圍，立即停止掌子面掘進(jìn)施工，撤出人員、機(jī)械，對(duì)沉降超預(yù)警范圍立即采取現(xiàn)場(chǎng)增加補(bǔ)強(qiáng)措施，中臺(tái)階位置增設(shè) φ108 mm鎖腳錨桿（長(zhǎng)度為 6 m，每榀鋼架布置兩根）。施作后沉降速率有所緩解，但沉降較正常值變化依然很大，DK95+811～+816段落累計(jì)沉降量首先達(dá)到 16.8 cm，接著發(fā)現(xiàn)DK95+776～DK95+846段上臺(tái)階初期支護(hù)已不同程度侵限，其中DK95+799～DK95+805段拱部初支侵限7.5～15cm，DK95+813～DK95+844.5段拱部初支侵限10～ 31 cm。如圖4所示。

3 原因分析

3.1 主要原因

主要原因?yàn)榧t黏土地層受地表水下滲影響力學(xué)參數(shù)發(fā)生劣化，隧道進(jìn)口段淺埋段施工期間遭遇幾場(chǎng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的較大降雨，拱頂附近地表較平緩，局部存在坑洼現(xiàn)象，地表降水不能有效快速排出而迅速下滲，造成紅黏土含水率高，圍巖軟弱。經(jīng)進(jìn)行取土試驗(yàn)，結(jié)果顯示，該段紅黏土地層受地表水下滲影響，雖不具有膨脹性，但具有膨脹性的潛勢(shì)，開挖后造成隧道圍巖紅黏土失水收縮，裂隙進(jìn)一步發(fā)展，再遇降雨使地表水下滲更趨嚴(yán)重，土體含水率再次增大，濕化崩解、強(qiáng)度驟降，力學(xué)指標(biāo)變化幅度大。紅黏土圍巖條件劣化導(dǎo)致開挖后圍巖自穩(wěn)能力及成拱條件變差，且松散土壓力增大，進(jìn)而導(dǎo)致初支發(fā)生變形侵限。勘察及施工階段紅黏土參數(shù)對(duì)比如表1所示。

3.2 其他原因

進(jìn)口段開挖處理較大孤石時(shí)爆破裝藥量過(guò)大，較大的爆破振動(dòng)沖擊波對(duì)圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)，加大了地表水下滲量，進(jìn)而加劇了圍巖紅黏土劣化和變形侵限程度。

4 處理措施

通過(guò)原因分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，研究制定了綜合處理措施。

4.1 地層加固措施

4.1.1 地表注漿

對(duì)未開挖淺埋紅黏土段落（DK95+846～DK95+876）進(jìn)行地表注漿固結(jié)地層，以隧道開挖輪廓外 5 m為界，采用 φ50 mmPVC袖閥管注漿。袖閥管自隧道拱部以上 5 m加固至隧道結(jié)構(gòu)底或土巖分界面，采用 1.5 m× 1.5 m梅花形布置，注漿漿液采用水泥漿，漿液配合比宜采用1∶1的純漿液，壓力控制為0.8～ 1.3 MPa，并持壓 10 min。如圖5所示。

4.1.2 洞內(nèi)徑向注漿

已開挖段落（DK95+776～DK95+846）拱墻采取徑向注漿加固。注漿管采用 φ50 mm、壁厚 3.5 mm的熱軋無(wú)縫鋼管，小導(dǎo)管長(zhǎng) 5 m，間距為 1 m× 1 m，梅花形布置，注漿材料選用水泥漿，注漿壓力0.5～ 2 MPa。如圖6所示。

4.2 加強(qiáng)超前支護(hù)及鎖腳

DK95+846～DK95+876段由原設(shè)計(jì)的 φ89 mm管棚+ φ42 mm超前小導(dǎo)管，調(diào)整采用 φ108 mm管棚+ φ42 mm超前小導(dǎo)管加強(qiáng)超前支護(hù)。 φ108 mm管棚為 10 m一節(jié)，環(huán)向間距為 40 cm，搭接長(zhǎng)度為 3 m，超前小導(dǎo)管長(zhǎng)度為 3 m，外插角為60°，間距為 0.4 m× 1.2 m（環(huán)×縱）。 φ108 mm管棚和 φ42 mm小導(dǎo)管均注水泥漿，并采用 φ89 mm鎖腳錨管（長(zhǎng) 4 m）鎖腳，控制地表沉降。如圖7所示。

4.3 對(duì)侵限段落的處理

DK95+799～DK95+805段及DK95+813～DK95+846段進(jìn)行換拱并加強(qiáng)鎖腳。拱架采用I20a工字鋼，0.6m/榀，每鋼架接頭處均設(shè)置2根 φ89 mm管棚（長(zhǎng) 4 m）鎖腳，管棚與鋼架間采用U型筋雙面焊接牢固，焊接長(zhǎng)度 ≥10 cm，管棚注漿密實(shí)。超前支護(hù)采用 φ42 mm小導(dǎo)管，長(zhǎng) 4.5 m，間距為 0.4 m× 1.2 m（環(huán)×縱），注漿材料為水泥漿，水灰比1∶1。拆換拱過(guò)程中，每次開挖拆換一榀鋼架，確保施工安全。

4.4 地表加強(qiáng)排水處理

將隧道洞口DK95+800～DK95+820段右側(cè)地表洞頂土坑內(nèi)的水疏干，采用不透水的土體回填，并分層夯實(shí)，壓實(shí)系數(shù)≥0.8，回填面距線路左線 ≤25 m部分的坡率≥2％，距離線路左線 ＞25 m部分的坡率≥1%?；靥蠲鎽?yīng)平順，將地表水引排至遠(yuǎn)離隧道處。隧道洞口其余地表坑洼、鉆孔等處采用不透水土體回填，并分層夯實(shí)，回填面應(yīng)平順，坡率≥1％，將地表水排至遠(yuǎn)離隧道處。同時(shí)用防水薄膜覆蓋地表，防止地表水繼續(xù)下滲。

5 處理效果

5.1 地表注漿效果

通過(guò)地表防水處理，有效阻斷了地表水的下滲通道，減少了紅黏土地層因吸水飽和致物理力學(xué)參數(shù)發(fā)生劣化的外部條件。通過(guò)對(duì)未開挖段進(jìn)行地表注漿，現(xiàn)場(chǎng)抽樣鉆探檢驗(yàn)注漿質(zhì)量顯示，漿液填充系數(shù)達(dá)到80%以上，芯樣完整性較好，密實(shí)情況及強(qiáng)度均有較大提升，極大地改善了圍巖條件。

5.2 侵限段變形控制情況

通過(guò)對(duì)侵限段采取洞內(nèi)徑向注漿、換拱處理，以及加強(qiáng)鎖腳、增設(shè)鋼架間連接等措施后，隧道拱頂沉降得到有效控制，沉降速率明顯下降，最終穩(wěn)定在 138.4 mm。

5.3 未開挖段變形控制情況

對(duì)于未開挖段，通過(guò)洞外地表注漿、洞內(nèi)加強(qiáng)超前支護(hù)及鎖腳等措施處理后，隧道開挖后變形收斂穩(wěn)定值均滿足設(shè)計(jì)要求。

針對(duì)紫荊瑤山隧道進(jìn)口穿越紅黏土地層淺埋地段，通過(guò)采用上述綜合處理措施后，有效控制了沉降變形的進(jìn)一步發(fā)展，現(xiàn)隧道二次襯砌已通過(guò)該地段，經(jīng)過(guò)一個(gè)雨季觀測(cè)，未再發(fā)現(xiàn)地表變形開裂情況，隧道圍巖與初支及二襯已趨于穩(wěn)定。如圖8所示。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）紅黏土具有高塑性、高含水性和低密度特性，遇水后含水量增大，失水后易收縮，土質(zhì)變軟，土體自穩(wěn)性變差，淺埋隧道雨季施工地表排水不暢極易造成變形過(guò)大、初支侵限，地表開裂等問(wèn)題。

（2）針對(duì)紅黏土地層遇水、失水后自穩(wěn)性變差的特性，當(dāng)?shù)貙訜o(wú)自穩(wěn)能力時(shí)，可采取地表或洞內(nèi)注漿措施改善圍巖，提高自承拱能力；同時(shí)做好地表的防排水工作，防止地表積水下滲后劣化圍巖。此外，還應(yīng)注意隧道強(qiáng)超前支護(hù)，制定科學(xué)開挖工序工藝，初期支護(hù)盡早封閉成環(huán)，嚴(yán)格控制隧道沉降變形。

（3）在施工過(guò)程中還應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，及時(shí)調(diào)整工程措施，做到信息化動(dòng)態(tài)施工，確保安全、快速通過(guò)紅黏土地層。

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收稿日期：2022-12-20