软弱地层隧道大变形整治技术

王志杰，唐 力，徐海岩，李瑞尧，徐君祥

(西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室,四川 成都 610031)

蒙华铁路是中国继大秦铁路、朔黄铁路和山西中南部铁路后修建的又一运煤铁路。阳城隧道为蒙华铁路一关键性控制工程，地质条件极为复杂[1]。隧道小里程方向开挖揭示岩性呈砂状及砂夹土状，含水率较大，胶结弱，自稳能力差，易发生涌水涌砂等，开挖过程中极易出现初期支护开裂等变形现象。

国内外不少学者采用理论分析、数值模拟、模型试验等手段对隧道围岩大变形进行了研究。李磊等[2]通过试验探究了岩块的传力特性，对陡倾互层千枚岩变形特征及破坏机制进行了分析。李国良等[3]根据相对变形和岩体强度应力比将兰渝铁路软岩隧道挤压大变形分为3个等级，并针对不同等级大变形提出相应的设计方法和施工防治措施。徐国文等[4]将围岩破坏分为结构面滑移、软岩塑性流变、板梁弯曲变形3类，通过现场试验比较了三台阶开挖法和两台阶开挖法，提出三台阶开挖法可有效控制大变形。吴广明等[5]通过数值模拟，将微台阶法与三台阶七步开挖法对千枚岩地层大变形的影响进行对比，得到微台阶法可降低变形量。张彪等[6]研究让压锚杆的力学特性，认为让压锚杆可以控制围岩变形。汪波等[7]通过研究隧道施工方法、支护参数以及不同埋深对隧道变形的影响，提出三台阶施工变形安全控制基准。杨进京[8]结合突变理论提出了炭质泥岩夹砂岩不同埋深隧道的变形控制基准。高美奔等[9]阐述了千枚岩、炭质页岩、变质砂岩等软弱岩体的大变形类型及其支护措施。于天赐[10]通过理论分析和现场试验，提出了非对称预留变形量、长锚杆加固围岩等控制软岩隧道大变形的方法。李术才等[11]基于“先让再抗后刚”理念，研发了针对软弱围岩的核心筒支护结构体系。

以往文献对单一软弱围岩大变形有不少研究，对水平互层围岩大变形也有所研究，但对左右土砂分界地层隧道的大变形研究较少。以蒙华铁路阳城隧道为研究对象，对DK244+906—DK244+895大变形段进行研究，分析其变形机理，提出变形控制及整治措施，为类似地层隧道大变形整治及安全施工提供借鉴。

1 工程概况

阳城隧道位于陕西省榆林市靖边县龙洲乡双城村附近，起止里程为DK249+134—DK242+041，隧道全长 7 093 m，最大埋深约207 m。

隧址区地形受地台抬升及黄土高原水流溯源侵蚀的影响，下切作用明显。V字形冲沟发育，呈树枝状分布，地形较为复杂，为典型的黄土高原侵蚀性梁峁沟谷地貌类型。地层从新至老依次为第四系上更新统风积砂质新黄土及黏质新黄土，第四系中更新统冲洪积中砂，白垩系下统洛河组砂岩。

2 初期支护开裂变形

DK244+906—DK244+895段岩性为全风化砂岩，砂夹块石土。围岩含水率较大且破碎渗水，砂层间胶结弱，自稳能力差。开挖过程中易出现台阶溜垮，边墙涌水涌砂，开挖难以成型等现象。2017年4月5日18:00，开挖过程中发现DK244+898处右侧中台阶初期支护出现长1.5 m，宽约0.3～0.5 cm的环向裂缝。经监测，20:00 DK244+906—DK244+895段拱顶沉降均已超过10 cm。右侧中台阶以下初期支护混凝土表面龟裂、剥落，钢拱架翼缘板外露。20:30 DK244+898裂缝发展到拱部，裂缝最大宽度约5 cm，初期支护钢拱架出现扭曲变形。

初期支护存在大面积变形侵限，不同断面处最大欠挖值为85.2，78.9，112.8，32.7 cm，见图1。

图1 初期支护断面扫描结果(单位：cm)

3 开裂变形原因分析

3.1 隧址区地质条件

隧道围岩结构松散，含水率大。开挖过程中自稳能力差，开挖难以成型。DK244+898处掌子面地质素描见图2。隧道左侧位于古冲沟，为全风化砂岩，右侧为砂夹块石土。围岩节理裂隙发育，地下水发育，隧道容易发生涌水涌砂。

图2 DK244+898处掌子面地质素描

3.2 围岩工程特性

对大变形段掌子面各部位取样进行天然含水率测试、标准固结试验、直剪试验、颗粒密度试验等基本物理力学性能试验。试验结果见表1。

表1 天然含水率和颗粒密度试验结果

由表1可知:大变形段掌子面左侧全风化砂岩与右侧砂夹块石土含水率相差不大，全风化砂岩比砂夹块石土颗粒密度大，孔隙比大。隧道左侧全风化砂岩比右侧砂夹块石土黏聚力和内摩擦角小。围岩力学性能差，隧道初期支护产生的压力大。

3.3 隧道施工的影响

1)2017年4月3日晚至4月5日凌晨连续下雨导致初期支护背后地下水位升高，围岩重度增大，导致初期支护承受压力增大。下台阶地质条件较差，开挖过程中由于地下水汇集，边墙处发生应力集中。仰拱开挖卸荷诱发了初期支护变形和开裂。

2)上台阶和中台阶施工时间为2016年10月上旬，距下台阶施工已达6个月。施工期间初期支护背后存在空洞，经常流水，伴有泥沙。随着时间推移围岩进一步松散，应力多次重新分布。初期支护承受压力过大，导致在仰拱开挖过程中变形过大而开裂。

隧道左侧围岩结构较松散，不能自稳，对隧道初期支护产生较大的压力。隧道左侧向洞内挤压变形，隧道整体向右偏移，隧道右侧纵向受拉。喷射混凝土抗拉能力较差，所以产生了环向裂缝。随着时间的推移，裂缝扩展，右侧土体挤入洞内。

4 变形整治思路和措施

4.1 整治思路

1)首先DK244+906—DK244+895段采取反压回填、增设临时仰拱、增加扇形支撑、径向注浆加固等措施，预防DK244+895—DK244+889段初期支护变形失稳，防止持续变形造成二次坍塌。

2)加固完成后，为最大限度地减少大变形段仰拱封闭成环过程中的安全风险，先施工DK244+895—DK244+889段初期支护、仰拱及二次衬砌，然后采取措施整治DK244+906—DK244+895段大变形，最后施作二次衬砌。

4.2 整治措施

4.2.1 反压回填、临时仰拱和扇形支撑施工

在大变形段对侵入隧道的土体进行反压回填，见图3。回填过程中分段逐层施工，每层填充用挖机碾压密实后再进行下层填筑，以保证足够反压力。

图3 回填反压(单位：m)

以反压回填渣土顶面为施工平台，在大变形段施作每榀间距为0.75 m的I20a横撑，并与初期支护焊接。钢筋网片采用φ8钢筋，网格间距20 cm×20 cm，纵向连接筋采用φ22螺纹钢筋，间距1.0 m。临时仰拱喷射C25混凝土，厚27 cm。

以临时仰拱为基础，施作I20a横撑。横撑与临时仰拱采用I20a立撑焊接，横撑上设置扇形支撑(每组由3根I20a型钢组成)与初期支护钢架连接牢固。两侧支撑与中间支撑呈45°夹角支撑于拱腰，扇形支撑与初期支护拱架及横撑间焊接牢固。

大变形段临时仰拱及支撑横断面施工示意如图4。

图4 临时仰拱及支撑横断面施工示意

4.2.2 加密降水

将大变形段初期支护开裂处混凝土凿除，并对破损部位进行扫面，喷射10 cm厚C25混凝土。待初期支护变形稳定后进行加密降水，加强疏干力度，实时监测水位，防止地下水位抬升造成二次失稳。

4.2.3 注浆加固

对大变形段进行径向注浆加固，注浆管采用长4 m，厚5 mm的φ42无缝钢管，注浆管间距为2.0 m×2.0 m。浆液采用P.O 42.5水泥单液浆，自下向上间歇式注浆，注浆压力控制在1 MPa以下。

4.3 整治效果

选取DK244+902，DK244+898，DK244+896 3个监测断面对拱顶沉降、水平收敛进行监测。监测结果见图5。

图5 3个监测断面位移时程曲线

由图5可知：在土砂分界地层采取反压回填、临时支撑、扇形支撑、加密降水、注浆加固等措施后，监测断面DK244+898拱顶沉降为5.34 cm，水平收敛拱腰为2.41 cm，拱脚为4.91 cm。断面DK244+902，DK244+896拱顶沉降、水平收敛也得到相应的改善，证明整治措施对控制变形效果显著。

5 结论

1)在大变形段，与隧道右侧砂夹块石土相比，左侧富水全风化砂岩孔隙比大、颗粒密度大、黏聚力和内摩擦角小，土体松散，自稳能力差。因此，隧道左侧发生挤压变形明显。

2)初期支护背后经常流水，上下台阶施工间隔过长，随着时间推移左侧全风化砂岩重度增大，初期支护承受压力增大，隧道扭曲，隧道右侧纵向受拉出现环向裂缝，最终失去承载能力，右侧围岩挤入洞内。

3)土砂分界地层阳城隧道大变形段采取反压回填、增设临时仰拱、增加扇形支撑、加密降水和注浆加固措施，采用设置横撑、勤量测等方法，完成了大变形整治，效果良好。