浅埋火山灰隧道大变形段施工技术

裴树林

摘要： 海西环岛高铁颜春岭隧道富水浅埋，隧道全为V级围岩。隧道洞身穿越古火山口膨胀土火山灰挤压变形严重，围岩遇水软化成泥状，本文就膨胀火山灰富水变形段施工技术作以阐述供类似工程参考。

Abstract： The water-rich shallow of Yanchunling tunnel of the rotary island high-speed rail in Haixi is V grade surrounding rock. The tunnel body passes through the ancient crater of expansive soil， and the deformation of the volcanic ash is serious. This paper expounds the construction technology of the expansive water-rich deformation section of the volcanic ash.

关键词： 浅埋；火山灰；大变形；施工

Key words： shallow；cinerite；large deformation；construction

中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）06-0169-03

0 引言

火山灰是一种膨胀岩，目前国内隧道施工领域遭遇火山灰地质变形处治还没有成熟的技术措施。颜春岭隧道穿越的火山灰地质遇水软化导致初支变形非常厉害，过程中多次发生塌方及换拱险情，施工十分艰难。本文通过颜春岭隧道施工案例，对火山灰大变形地段采用双层工字钢支护，锁脚锚管注浆加固，仰拱基底钢管桩加固技术，弧形模板整体施工仰拱等技术的运用，成功地渡过了大变形地段。对今后类似地质工程的隧道有很好的借鉴作用。

1 工程概况

颜春岭隧道位于海南省省海口市老城镇，进口分界里程为D2K14+640，出口分界里程为D2K17+500，隧道全长2860m，其中明洞长420m，暗洞全长2440m围岩设计全部为V级，合同工期2013年10月至2015年2月，工期紧任务重安全风险大，为海南环岛高铁西段唯一的一座II级高风险隧道。隧道大部分埋深在20m之内，最大埋深35m，属于超浅埋隧道，上覆膨胀土火山灰及全风化层（W4）玄武岩具有弱膨胀性，差异风化明显，柱状节理发育。颜春岭隧道地质情况极其复杂，地下水位高，尤其是隧道里程D2K14+400～D2K15+790和2号斜井段里程D2K15+860～D2K16+780段，该段全强风化层厚，膨胀土夹破碎火山岩，岩体极为破碎完整性差，遇水即成泥状，施工中膨胀变形和挤压变形发生明显。

2 工程地质概述

颜春岭隧道上覆地层为第四系全新统坡残积层（Q4d1+e1）膨胀土；岩芯呈土柱状，土质不均，自由膨胀率Fs=29～58%，具有弱膨胀性。D2K15+715～D2K15+860段线路左侧420m及D2K16+900右侧约1000m分别有一古火山口，为晚更新世火山喷发遗留。D2K15+715～D2K15+860段左侧火山口近似圆形，直径200-230m，坑口标高约82m，坑底标高约73m；D2K16+900右侧火山口呈椭圆形，长径125m，短轴约90m，坑口标高约88，坑底标高约81m，火山口对工程无大的影响，但熔岩通道内有火山灰充填易发生突泥坍塌，尤其在拱顶及边墙时影响更大甚至冒顶。

隧区内特殊岩土主要为隧道内拱顶及仰拱部位广泛分布的火山灰膨胀土。膨胀土多为玄武岩风化残积而成呈棕红色、黄褐色、灰褐色，硬塑～半干硬状。主要由粉、黏粒组成，含少量植物根系级粉细砂，多为玄武岩风化而成。土质不均，自由膨胀率Fs=29～58%，具有弱膨胀性。普遍分布于隧道地表并且在隧道洞身内也多次出现，一般厚7～11m，对工程影响较大。如图1所示。

3 大变形地段施工情况综述

颜春岭隧道洞身围岩全为V级，隧道穿过的地段绝大多数岩体成碎裂状，隐含裂隙发育，局部呈网状，造成岩体整体完整程度极差，同时为富水涌水产生了良好的通道，另外隧道地表平缓，海南岛降水丰沛，台风暴雨强度大雨量集中，玄武岩柱状节理贯通性好，施工时也极易发生突水突泥现象。从水文地质特征分析，颜春岭隧道具有大变形的条件。另外火山灰就是一种典型的膨胀岩，膨胀岩实际上是土块与各种裂隙和结构面相互组合形成的膨胀土体。由于膨胀土体在天然原始状态下具有高强度特性，隧道开挖后洞壁土体失去边界支撑而产生胀缩，同时因风干脱水使原生隐裂隙胀弛，使围岩强度急剧率减，同时，裂隙也为水的入侵形成了通道，使围岩强度大大降低。因此，隧道杂在开挖过程中，有初期围岩变形大，发展速度快等现象。洞室开挖后稳定性低，易于产生挤出型变形垮塌。

火山灰遇水后成即成泥状，丧失抗剪切强度，必须采用强支护来抵抗围岩的变形，原设计单层Ⅰ18工字钢支护时，一般在仰拱施工完毕后，位于拱部或拱腰处拱架即发生扭曲，个别地段甚至发生折断，拱架不仅发生垂直方向的扭曲，特别是I18工字钢由于水平方向翼缘较窄，致使水平方向上的拱架强度不足而变形现象严重，亦发生水平方向的扭曲，拱部的喷射混凝土产生龟裂并大块剥落，为了抑制大变形，在隧道拱脚处临时架设的水平横向支撑亦全部压弯；大部分边墙初期支护侵入二次衬砌净空，需进行拆换。当采用扩大拱脚并增设临时横撑时，在中、下导，仰拱开挖时变形仍然抑制不住，多次发生变形险情（如图2所示）。

通过上述理论分析现场研究，浅埋颜春岭隧道大变形地段的施工处治方案主要采用排水、堵水、加固與支护相结合，即对水平挤压力段要释放充分、对变形量大的地段要让的适度、对软弱地段要加固调整，及时支护以保持围岩的自承强度。做到：先让后抗、先柔后刚、以支为主、以让为辅、支让结合的既有足够支撑力，满足一定的变形量，确定大变形段主要的处理措施如下：①采用8m自进式长锚杆和4m智能中空注浆锚杆主动约束洞周变形。②扩大开挖断面，加大预留变形量，以适应围岩变形确保衬砌净空。③加深仰拱，改善仰拱受力。④采用C25喷钢纤维混凝土双层工字钢构成初期支护体系。⑤加强二次模筑混凝土衬砌支护承载力，二次衬砌采用50cm厚C35钢筋混凝土，主筋采用￠25螺纹钢外层采用双根捆绑。⑥基底位于膨胀火山灰地层，层厚在2～8米，层厚大于2米的地段（弱膨胀性），采用微型钢管桩进行基底加固，￠219微型桩加固基底，桩间距1.5m*1.5m（边墙底范围加密至1.2m），交错布置，加固深度嵌入弱风化层内0.5m；D2K15+040～D2K15+095和D2K15+125～D2K15+460复合衬砌段基底位于玄武岩全风化层，层厚小于2m的采用C25混凝土换填，换填深度至弱风化层内0.2m，基底换填段，开挖基底时需将边墙钢架延长至换填底面，再灌注混凝土。

4 施工工艺

4.1 施工方案

该段施工时总体遵循：“早预报、管超前、短进尺、弱爆破、强支护、紧封闭、勤量测”的原则。超前地质预报和超前探孔相结合（超掌子面6m以上）分析围岩情况，采用三台阶七步开挖法扩大拱脚施工并预留核心土，辅助工法采用超前中导管和径向小导管注双液浆，中导管超前注浆加固范围为拱部120°，系统锚杆采用8m自进式和4m组合中空锚杆支护并及时封闭仰拱。在采用三台阶七步开挖法时，应综合考虑机械施工作业空间、便于支护作业和确保施工安全，上导坑开挖高度3.6m，中导坑3.5m，下导坑2.9m。上、中、下台阶总长度控制在15m内，每循环进尺控制在0.5m也就是一榀拱架间距。根据施工方案，挤压变形段监测及支护参数、预留变形量确定施工工艺流程图以及变形段施工工艺流程如图3所示。

4.2 超前预支护及预加固

根据综合超前地质预报结果，在开挖前，需采取一些有效措施对掌子面围岩进行预支护及预加固。具体措施为：①在围岩极其破碎的情况下，必须在掌子面处施作超前小导管注浆和智能中空注浆锚杆，对围岩进行预支护及预加固。②在圍岩极其破碎且涌水量较小的地方，首先估算涌水量的大小，在掌子面处施作超前小导管和径向小导管注双液浆，其中小导管超前注浆加固范围为拱部120°，对围岩进行预支护及预加固。③在围岩极其破碎且涌水量较大的地方，首先估算涌水量的大小，其次在掌子面顶部，周边埋设一定数量的大直径PVC管进行部分排水，然后在掌子面处施作超前小导管进行注浆，注浆小导管数量根据涌水量大小调整，对围岩进行预支护及预加固。

4.3 开挖

由于软弱围岩条件下挤压变形段围岩极其破碎，稳定性极差，开挖后易失稳坍塌。因此，在施工中采用三台阶七步开挖法开挖。如图4所示。

①采用三台阶七步开挖法施工，每个台阶长度控制在3～5m，三个台阶总长度控制在15m以内为宜，中下台阶马口错开且不能少于5榀钢架，锁脚锚管和长锚杆是关键。②施工支护遵循“先柔后刚，先放后抗、刚柔并济”的原则，初期支护能适应大变形的特点且必须要有一定的刚度。③尽量减少工序间相互干扰，使各工序平行作业，缩短施工时间，加快进度迅速封闭成环，二衬紧跟。④系统锚杆采用8m长自进式锚杆和4m组合锚杆间隔施作，锚杆注浆应在每一循环中施作，保证注浆效果，控制隧道变形。⑤仰拱和衬砌必须紧跟掌子面施作，仰拱距掌子面距离不得大于25m，必要时跟至下台阶，衬砌控制在60m内。

4.4 支护

采用双层I18工字钢拱架，外层工字钢采用比原设计半径加大35cm加工，内层工字钢预留变形15cm。第一层工字钢挂双层钢筋网，工字钢间距50cm，喷射C25钢纤维混凝土26cm厚。第二层工字钢与第一层工字钢错开设置，间距为50cm，用10cm厚钢板沿环向每100cm边接一次。第二层支护挂双层钢筋网，喷射C25素混凝土26cm厚，在超前小导管预注浆的支护下，同时施作加长锚杆和锁脚锚管，抑制围岩塑性区的发展，并使钢架受力趋于均匀，避免局部的应力集中；综合应用双层钢筋网及双层纵向连接筋，加强锚网喷支护结构的整体性，从而与钢架等支护措施共同承担控制变形的任务（如图5所示）。

4.5 仰拱施工

隧底开挖后，必须及时施作仰拱，仰拱长度宜为2～3m全幅施工，最大一次开挖长度不超过3m。如图6所示。为加快软弱围岩挤压变形段仰拱施工，及时抑制软弱围岩变形，采用了大断面隧道仰拱整幅浇筑并一次性预留小边墙，通过仰拱弧形模板的采用，减少了人工接缝。该仰拱弧形模板的使用很大程度上保证了封闭成环的时间，解决了软弱围岩挤压变形段隧道仰拱施工时人工立模影响结构物精度的难题，降低了作业人员的劳动强度，提高了施工效率。

4.6 二次衬砌施工

根据围岩监控量测数据，在围岩和初期支护变形基本稳定后进行二次衬砌，即拱脚水平相对净空变化速度小于0.2mm/d，拱顶相对下沉速度小于0.15mm/d。但在围岩变形速度加快，长期不能稳定，出现安全隐患的情况下，采取衬砌紧跟、加强衬砌的措施，以确保隧道结构与施工安全。衬砌采用整体式钢模板台车，一次衬砌长度12m，混凝土采用拌合站集中拌合，混凝土搅拌运输车运输，泵送入模。混凝土灌注采用HBT60A型混凝土输送泵。

4.7 施工效果

通过在D2K15+680～D2K15+860大变形段采用加大预留变形量和试验段确定的双层工字钢初期支护参数后，施工效果良好，初支稳定有效抑制了膨胀土围岩的变形，最大变形量18.5cm，未发生钢架扭曲和明显的混凝土掉快现象，施工方案是成功可行的。

5 结束语

①软弱围岩隧道施工治水是前提。膨胀岩都很怕水，遇水膨胀失稳，给施工带来安全隐患。在硬岩富水地段坚持“以排为主或以排为主，限量排放”的原则；在软岩富水地段坚持“以堵为主，限量排放”的原则，并辅助注浆支护的施工方法，也必须要倡导适当排放的原则，否则水压太大即使侥幸堵住，会在后续开挖及二衬时带来很大水害隐患，甚至于产生更大崩塌式突水塌方。当围岩较破碎且稳定性较差时，必须对地下水进行限量排放，释放水压，避免大量的地下水将各种填充物冲出，导致围岩间摩阻力降低发生塌方；当围岩极度破碎、稳定性极差时，在施工过程中采用对围岩相对软弱的位置进行超前注浆加固，也就是向地层中压注双液浆，固结围岩将松散的根本成不了块状的土体，通过双液浆进行固化，加大围岩的稳定性，然后再在已固结部位打设泄水孔，释放水压，进行限量排放。同时对围岩要进行强加固，然后将地下水由初支表面进行引排。②合理安排工序及人工与机械的配合是控制软弱围岩施工循环时间长短的关键，围岩软弱最怕多次扰动。③“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”是浅埋富水软弱围岩施工的原则。④围岩监控量测是浅埋软弱围岩施工的眼睛，也是安全施工的手段。⑤软弱围岩隧道施工，仰拱及时跟进并封闭成环是确保安全、质量及快速施工的根本。

参考文献：

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[3]王明生.浅埋隧道施工浅谈[J].山西建筑，2009（36）.