富水弱胶结地层大断面隧道施工方案优化与工程应用研究

　　摘要：在富水弱胶结地层中，隧道施工极易诱发围岩坍塌或支护结构大变形。以兰渝客运专线桃树坪隧道3#斜井工区正洞段为背景，提出了一种适用于富水砂岩地层的“底部双导洞超前”施工工法。同时采用真空轻型井点+集水井的联合降水方案进行隧道内超前降水，以降低施工难度;采用数值分析和现场监测的方法对方案的合理性和有效性进行分析与评价。监测数据分析表明，隧道在采用“底部双导洞超前”施工法时，拱顶沉降和净空收敛值分别为50mm、32mm;其支护结构上的最大接触压力为135.3kPa;支护结构的变形和受力均在允许范围之内，隧道结构安全、稳定。“底部双导洞超前”的施工工法已成功应用于桃树坪隧道，可为后续富水弱胶结地层或软弱岩层中的超大断面隧道施工提供参考和借鉴。

　　关键词：隧道工程;富水弱胶结地层;底部双导洞超前工法;数值分析;现场监测

　　1引言

　　随着施工技术的不断改进，中国隧道和地下工程的基础设施建设得到了迅速发展。隧道工程数量不断增多地同时，其所处的施工地质环境也愈加复杂，尤其在西北地区软弱岩层的隧道建设中频繁出现围岩坍塌和支护结构大变形等灾害[1,2]。因此，在复杂地质坏境的隧道建设中，需要选择并提出合理的施工方案[3~5]，以解决施工困难、施工安全性差的问题。

　　上世纪50年代Rabcewicz教授提出的“新奥法”是目前软弱围岩隧道的基本施工方法。根据隧道所处的具体地质环境，众多学者和专家对施工方法进行了优化和改进，从而发展出了多种隧道施工方法。朱正国等[6]对三台阶七步开挖法的台阶高度 和开挖进尺进行了优化;Luo等[7]指出三台阶七步开挖法在缩短中、下台阶长度的同时应增加核心土尺寸。Li等[8]提出了环切开挖方法，联合大拱脚、斜锁脚锚杆的三台阶七步开挖法，有效解决了新黄土地层中隧道施工引起的拱顶和地表沉降量大等问题。

　　针对CRD法临时支护拆除困难、机械设备利用率低的问题，姚红伟等[9]提出了核心土代替下部中隔壁以提高施工效率的措施;杨招等[10]提出了设置上台阶核心土，以临时钢管代替下台阶中隔壁及扩大下台阶面积的优化施工措施。Li等[11]对超大断面深埋隧道各部位衬砌的破坏问题进行了模型实验研究，提出了加强隧道边墙和拱顶衬砌强度的施工措施。Wu等[12]、Zhang等[13]利用有限元软件对不同地质条件下的隧道施工工序进行了优化分析，提出了相应的施工措施。

　　陶志刚等[14]对断层地区隧道锚索支护参数进行了优化研究;资晓鱼等[15]对层状千枚岩隧道合理的锚杆布置形式、钢拱架间距等进行了对比分析。由上述分析可见，目前已有研究对复杂地质环境下的隧道施工提出了相应的优化方案和应对措施，但由于富水弱胶结砂岩具有黏聚力低、胶结性差及不能自稳定的特点，目前对该地层的施工方案研究还不够完善，尚需进行进一步研究。

　　本文以兰渝铁路桃树坪隧道3#斜井工区正洞段的施工为工程背景，基于现场实践和数值模拟分析，提出了一种适用于富水弱胶结地层“底部双导洞超前”的隧道施工新工法;针对桃树坪隧道地层富水的特性，根据新工法的特点，制定了轻型真空井点+集水井的洞内联合降水施工措施。对提出的新工法通过数值模拟研究了各施工步序时围岩的变形和支护结构的应力演化特征。跟踪施工进行的施工监测，验证了提出工法的合理、可行性。

　　2工程概况

　　兰渝铁路大致呈南北走向，是连接中国西北至西南区域的铁路大动脉。由北向南经过黄土高原区、秦岭高中山区两大地貌单元，均位于青藏高原隆升区边缘地带，地质环境复杂，尤其是甘肃境内的地质为第三系富水粉细砂层。

　　富水粉细砂地层的大断面隧道施工难度大，稳定性差。兰渝铁路桃树坪隧道位于甘肃省兰州市兰州东站东部，起止里程为DK3+435~DK6+655，全长3220m，从进口段至出口段呈一字坡，进出口相对高差超过200m。桃树坪隧道为单洞双线隧道，断面最大跨度达14.8m，是典型的超大断面隧道。隧道围岩为VI级软岩，其承载力低，自稳性差，极易发生坍塌，被称为中国施工难度最大的隧道之一。

　　为缩短工期，桃树坪隧道设置5座斜井以提高施工效率，其中3号斜井工区正洞段长度为590m，里程为DK5+040~DK5+630。隧道开挖揭露该段隧道围岩为富水粉细砂层，在正洞底部有厚度不一的钙质结核层存在。在隧道开挖初期，采用CRD法施工，因隧道内施工环境差，围岩工程性质较差，地下水位高等，隧道施工中多次出现突涌砂问题，隧道突涌水灾害情况如图2所示。前期施工存在的问题如下：

　　(1)在正洞底部存在不透水的钙质结核层，且富水粉细砂层底部含有大量孤石，导致常规降水方法施工困难，效率低。(2)在钙质结核层之上的超细粉细砂含水量大，并在结核层处聚集，导致隧道边墙脚处易出现涌水、涌砂现象，造成初期支护悬空、下沉，甚至变形开裂。

　　(3)第三系粉细砂颗粒细、孔隙比低，造成岩层的透水性与可注性极差。采用注浆法加固时浆液不易扩散，导致初期支护背后土体流动，形成局部的流砂变形，诱发初期支护悬空，产生大变形。(4)隧道断面开挖跨度大，围岩成拱困难。粉细砂岩变形周期较长，一般为20～30d。

　　3施工方案

　　3.1施工方案优化

　　由于前期的CRD开挖方法无法有效解决隧道上部土体降水困难以及降水效果极差的问题，富水砂层隧道基底软化，施工中不断涌水、涌砂，造成初期支护悬空、下沉、变形甚至开裂等现象频发。在吸取前期施工经验教训基础上，充分利用底部存在的 钙质结核层隔水、强度高的特点，在双侧壁导坑工法基础上，提出了一种适用于弱胶结富水粉细砂地层的隧道施工新工法——“隧道底部双导洞超前”法。

　　该工法拱顶处采用弧形导坑一次开挖成型，初期支护拱架一次性拼接完成，成环速度快，符合不良地质隧道快开挖、快支护的理念;在正洞下部保留大尺寸的核心土，有利于减少掌子面的持续变形;初期支护拱架架设完成后，通过径向回填注浆进行空洞回填和围岩固结，以最大限度的控制围岩的变形，避免初期支护变形过大造成侵限换拱问题。基于现场不同含水状态下隧道施工稳定性的分析，在隧道开挖过程中当粉细砂岩的含水率较低，无明显渗水时，围岩稳定性较好;当含水率达到12%后，弱胶结砂岩失去自稳能力，呈流塑状，围岩工程性质迅速恶化，从而导致隧道初期支护大变形及坍塌等。

　　因此，地下水处理是隧道施工的关键。考虑到降水方案的工法适用性，结合地层特点和施工难点，提出了轻型真空井点+集水井的联合降水措施，以降低富水砂层的含水量，提高围岩的稳定性。由于正洞底部结核层抗压强度为弱胶结砂层的3倍，将导洞设在底部，有利于导洞围岩稳定。同时导洞施工破坏了结核层的完整性，利用导洞设置降水设备，有效利用重力效应实现上部富水砂层的高效降水。

　　3.2优化方案施工要点

　　该工法的施工顺序及技术要点如下所示：

　　(1)底部上导洞开挖(1、3部)：采用钢筋骨架加混凝土封闭掌子面，预留核心土，确保隧道工作面稳定。同时，为确保初期支护受压后不会因基底支撑力不足而造成初期支护下沉、变形甚至开裂等问题，将上导洞钢拱架伸入导洞底部30～50cm。

　　(2)底部下导洞开挖(2、4部)：为保证施工稳定性，下导洞分左、右两侧开挖，间隔2~3m(先外后内)。导洞施工完成后，初期支护形成了一个封闭的环形结构;在导洞侧壁设置锁脚锚杆，提高支护结构稳定性，防止支护结构沿洞壁滑动，出现下沉变形。

　　(3)隧道降水：降水设备设置在导洞内，对前方土体进行降水。在设备的真空力和地下水的重力作用下，地下水不断从井管中抽出。井管材质为ϕ32mm的PPR(无规共聚聚丙烯)。

　　(4)上断面弧形导坑开挖(5部)：为保证降水范围，减少导洞施工对围岩的扰动，待导洞开挖10m后，开挖弧形导坑。弧形导坑沿正洞拱部中心至两侧呈弧形开挖，开挖高度为1m。隧道开挖后喷射3~5cm厚C25混凝土封闭围岩表面，并架立型钢拱架，放置双层钢筋网。

　　(5)回填注浆：待初期支护完成后，对支护结构全环注浆。将松散砂体、超前导管和初期支护钢架固结成混凝土壳，增强支护结构的整体性，形成围岩-支护结构承载环。由于浆液流动扩散影响掌子面的开挖以封闭结构的稳定性，回填注浆应拖后5部掌子面5～10m施工。

　　(6)分两步开挖，上下台阶高度别为2.4m、2.0m。利用下部核心土架立临时仰拱和中隔壁。

　　(7)下部核心土开挖(8部)：下部大核心土待上半断面围岩稳定后，分多台阶开挖完成。

　　(8)仰拱开挖(9部)：当隧道围岩变形稳定后，拆除上断面临时支护，按左、右、中顺序开挖仰拱，开挖进尺为3m。开挖完成后施作初期支护，完成初期支护的封闭成环。最后，对仰拱进行混凝土浇筑和填充层的回填。

　　4数值模拟

　　为探究“底部双导洞超前”工法施工引起的围岩变形特性和应力特征，采用MidasGTSNX对桃树坪3#斜井工区正洞段DK5+241断面(埋深175m)进行数值分析。分析该工法的合理性，预测开挖薄弱部位。

　　4.1数值模型

　　由于3#斜井工区正洞段埋深均超过70m，根据隧道弹塑性分析理论，确定模型尺寸为110m(宽)×60m(长)×113m(高)。

　　5现场施工

　　为评价方案的有效性，选取典型断面进行施工监测，采用全站仪监测DK5+241、DK5+292、DK5+394断面的拱顶沉降和净空收敛，分析隧道围岩的变形规律;采用土压力盒量测DK5+292断面的初期支护接触压力，以评价隧道支护结构的安全性。监测位置分别为：拱顶、拱腰、最大跨度处。

　　5.1变形监测结果及分析

　　由于现场测量设备无论在时间上还是空间上，总是迟于土体开挖，导致一些变形发生在观测之前。拱顶沉降与净空收敛监测值均在第5部土体开挖后进行，隧道第5部开挖与模拟结果第39步对应。对比现场监测数据和数值模拟结果可知：

　　模拟断面沉降值为36.5mm，监测结果最终稳定值为50.0mm，峰值相差13.5mm;模拟断面净空收敛变形值为29.6mm，监测结果最终稳定值为32.0mm，峰值相差2.4mm，监测结果稍大于模拟结果，这主要是由于岩土的构成非常复杂，数值模型对土体进行了一定简化。但通过数值模拟与现场监测结果对比可知，模拟数据与监测数据变形发展规律一致，证明了数值模拟结果的合理、可行性。

　　5.2接触压力监测结果及分析

　　接触压力整体呈“急剧上升→波动下降→趋于稳定”的变化状态;围岩压力在支护结构上分布不均，拱顶处接触压力最大，最大跨度处压力最小，拱腰处适中，这与模拟结果相符。

　　监测结果分析表明，隧道拱顶处接触压力在35d内呈急剧上升趋势，压力值迅速达到最大值的65%; 由监测数据可知，前方导洞开挖时沉降较小，5部土体开挖后，围岩变形速率较大，随着掌子面的不断推进，拱顶沉降、净空收敛变形持续增大，变形速率呈不断减小的趋势;在45d后目标断面初期支护封闭成环并完成二次衬砌的施作，围岩变形受到抑制，拱顶沉降、净空收敛变形趋于稳定;监测断面拱顶沉降最终稳定在50mm，净空收敛变形值稳定在32mm左右，满足设计预留变形量大于55mm的要求。根据《铁路隧道监控量测标准化管理实施意见》可知，Ⅵ级围岩变形量小于75mm时，围岩变形处于正常变化范围之内，说明该方案在富水弱胶结砂地层中的应用是合理、可行的。

　　6结论

　　基于兰渝铁路桃树坪隧道富水粉细砂地层的工程特性提出了适用该地层的“底部双导洞超前”施工工法及适应于该工法的洞内联合降水施工措施;采用数值模拟和现场监测相结合的方法，分析和评价了该施工工法的合理、可行性。研究可以得到以下结论和建议：

　　(1)“底部双导洞超前”施工工法采取先行开挖底部两侧导洞，利用重力实现隧道上部超粉细砂的超前降水，有效降低了围岩的含水率，实现了高效快速降水;该工法具有降水效率高、支护结构步步封闭，初期支护封闭成环距离短等优势，能有效防止围岩的坍塌和支护结构的过大变形。

　　(2)结合“底部双导洞超前”施工工法采用的“轻型真空井点降水+集水井降水”的联合降水措施可解决正洞底部不透水钙质结核层降水困难的技术难题，增加围岩的自稳性，保障了隧道施工的安全。

　　(3)“底部双导洞超前”施工工法的上部弧形导坑开挖对围岩的变形影响显著，该部开挖引起的隧道拱顶沉降、拱腰下沉和收敛变形的量值分别占总变形量的39.1%、56.7%和30.3%。因此，施工时应加强第5部土体开挖处支护的结构强度;此时隧道拱顶及边墙处的支护结构应力变化较大，建议加强拱顶及边墙处支护强度，适量增加锁脚锚杆数量。

　　(4)隧道开挖引起的拱顶沉降和净空收敛变形的稳定值分别为50mm、32mm，满足《铁路隧道监控量测标准化管理实施意见》规范要求小于75mm的规定;支护结构最大接触压力为135.30kPa，衬砌最大轴向应力为6.71MPa，满足《铁路隧道设计规范》支护结构极限抗压强度值小于22.5MPa的要求。

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　　作者：王怀正1宋战平1,2张学文3田小旭1,2潘红伟