火山灰地質淺埋段特性及鐵路隧道施工技術

劉雪東，陶益勝，謝斌福，田 發

(中國建筑土木建設有限公司，北京 100073)

0 前 言

現階段，我國隧道施工過程中一旦遇到火山灰地質變形，應制定科學合理的處理技術予以應對。某隧道沿線穿越火山灰地質段，該路段的火山灰遇水出現軟化，導致支護體系變形較為嚴重，施工單位在實際施工過程中出現多次塌方現象，施工難度比較大。本文結合某隧道施工實際情況，對火山灰隧道地段的施工技術展開研究分析，認為采用雙層工字鋼、錨管注漿的方式進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

本文以某隧道建設工程作為研究案例，該隧道埋深基本上保持在20 m以內，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，但是被風化的差異性比較顯著。

結合實際情況而言，該項目所在地的地質條件復雜，同時地下水位較高，隧道的進洞口與出洞口地段的風化巖層較厚，火山灰被夾雜在火山巖中，巖體破碎化現象嚴重，一旦遇水則會變為泥狀，所以隧道施工過程中的膨脹變形、擠壓變形現象較為普遍。

2 火山灰地質淺埋段特性

隧道的上覆蓋層屬于殘積層膨脹土；土層的土質不一，巖芯呈現為柱狀，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420 m、右側1000 m部位均存在火山口，為火山噴發遺留。其中，左側420 m處的火山口外形為圓形，火山口的直徑在200～230 m，火山口頂部標高為82 m，坑底標高大概為73 m；右側火山口外形呈橢圓形，直徑為125 m，火山口頂部標高為90 m，坑底標高大概為88 m，火山口對實際施工的影響不是很大，但是熔巖區域可能會因火山灰的存在而出現坍塌事故，所以在對拱頂部位及邊墻部位進行施工時需額外提高重視。

隧道內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，由于受風化影響，呈現出灰褐色、黃褐色、棕褐色。玄武巖主要由粉、黏性顆粒構成，并含有一些細砂。區域內的土質不一，膨脹率為Fs=29%～58%，具備顯著的弱膨脹性。

火山灰遇水則會變為泥狀，喪失了抗剪切強度，所以需要設置強支護體系來承受圍巖的變形影響。結合設計圖紙來看，原設計采用單層工字鋼進行支護，在仰拱施工完成以后，拱架隨即發生變形且局部出現折斷現象，拱架變形程度比較嚴重。不但出現垂直方向的變形，還表現出水平方向的變化，拱頂部位噴射的混凝土出現大面積裂縫，并伴有脫落混凝土塊現象。為有效抵抗變形，可以在拱腳部位設置臨時支撐；邊墻初期支護已經影響到二次襯砌，所以需要拆除全部初期支護。假若使用擴大拱腳設置臨時橫向支撐時，那么在對仰拱部位進行開挖作業時仍然會出現變形現象，同時施工過程中多次出現變形嚴重現象。

3 隧道施工技術

3.1 總體方案

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

在實際施工過程中，施工單位必須嚴格遵守“提前預報、導管超前安裝、縮短進尺、減小爆破規模、強支護、頻繁測量、及時封閉”的基本原則。首先提前對施工區域的地質進行預報，使用鉆探法和物探法對隧道區域內的圍巖地質條件進行勘察，降低隧道施工過程中的安全風險。掌子面開挖時需要提前設置支護體系，使用小導管完成注漿，并對圍巖進行加固處理。

針對軟弱圍巖區域，可以使用錨桿、注漿的方式對附近圍巖的變形狀況進行約束，同時使用雙層鋼拱架進行支撐，并在表面噴射混凝土形成初期支護體系。對軟弱圍巖地段的基底采取加固措施，在加固作業完成以后開始挖方作業。對于區域內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范要求，進而順利達到截水、排水的目的，此外，對隧道洞口路段外側10～15 m區域的漏斗、洼地進行處理，避免地表水深入至隧道內，保證隧道施工過程中仰坡部位的穩定性。

2)洞口開挖及邊仰坡防護。隧道洞口部位的開挖作業應該由外向內進行，按自上而下的順序進行開挖，將洞口部位開挖成臺階狀，單層臺階的高度控制在2～3 m。土方及強風化巖石使用挖機進行開挖，人工從旁輔助作業。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行開挖。渣土使用裝載機與渣土車完成外運。

3)邊仰坡防護。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行防護，保證不會出現坍塌事故。

3.3 超前地質預報及超前支護

超前地質預報的內容主要涉及施工區域的地質條件分析、宏觀地質預報、隧道洞身不良地質、重大施工災害等。利用水平鉆、GPS(Global Positioning System，全球定位系統)等物理探測法對施工區域的地質條件進行勘測，并結合地質調查法對掌子面部位的圍巖地質情況進行深入分析，結合分析結果合理選擇施工工藝。

該項目施工前的超前地質預報結果得出：局部地段在開挖作業之前，需要對掌子面部位的圍巖進行加固。假若圍巖破碎化程度比較嚴重，則應該對掌子面前側的圍巖進行注漿加固，不但需要使用小導管進行注漿加固外，同時沿著掌子面垂直方向實施注漿加固處理。

超前小導管注漿支護可將周邊一定范圍內極破碎圍巖加固成整體，形成一道支護殼體，對開挖掘進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象具有良好的治理效果。針對圍巖破碎區域的涌水問題，假若涌水量不是很大，則可以采用小導管注漿的方式加固處理。

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

圖1 超前小導管注漿示意圖

注漿過程中，施工人員應該頻繁檢測漿液凝結的時間是否與設計要求相符，假若二者之間存在偏差，則應該及時探尋導致誤差出現的成因，并通過妥善的方式處理。注漿量盡量配備充足，以保證固結的效果，同時保證漿液向外圍擴散一定的范圍。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聯性，其具體數值為：

Q=πR2Lη

式中，R為漿液擴散半徑，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%。

止漿盤選擇使用低壓加固注漿方式，止漿盤使用5～10 cm厚的混凝土進行封閉處理，確保不會出現跑漿現象；注漿之前需要檢查注漿設備的穩定性，同時檢查注漿管道的密實性，確保注漿過程中不會出現漏漿現象。正式注漿過程中不得出現串漿或跑漿現象，一旦發現立即停止作業，并及時探尋導致問題出現的具體原因，并利用妥善的方式進行處理。施工人員詳細記錄注漿全過程。當注漿作業完成以后，應清洗所有注漿設備并妥善保管，以便于下次使用。

針對圍巖破碎比較嚴重且含水量比較大的地段，需要先在掌子面部位設置排水管進行部分排水泄壓，然后在掌子面頂部120°范圍內使用小導管進行注漿；對于局部出現涌水、涌泥現象的地段，需施作中空注漿錨桿對前方破碎巖體進行固結，錨桿的數量根據現場涌水量確定。

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，下層臺階開挖完成以后，應該立即進行鎖腳錨管與錨桿施工；施工工序的安排應具備合理性，確保不同施工工序之間不會產生沖突，確保各工序順利施進，縮短施工工期，迅速形成閉環狀態；應該保證錨桿施工及注漿作業質量，保證注漿加固、錨桿加固能夠對圍巖變形發揮出顯著的效果；仰拱施工及襯砌施工同步進行，仰拱距離掌子面的距離需要控制在30 cm以內，襯砌距離掌子面的距離控制在70 m內。

3.5 加強支護形式

強支護使用的是雙層I18工字鋼拱架，外層支護采用的是工字鋼，內層支護使用的工字鋼需要預留15 cm的變形量。第一層工字鋼需要設置雙層鋼筋網，工字鋼的間距設置為50 cm，并噴射26 cm厚的C25混凝土。第二層工字鋼應該與前一層錯開設置，第二層工字鋼的間距控制為50 cm，使用10 cm厚的鋼板進行搭接。第二層工字鋼需要設置雙層鋼筋網，工字鋼的間距設置為50 cm，并噴射26 cm厚的C25混凝土。利用雙層鋼筋網、雙層連接筋來加強支護結構的強度，促使支護體系形成整體[1]。

3.6 仰拱施工

當隧道底部開挖完成以后，應該及時對仰拱部位進行施工，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。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行施工，但是需要預留一部分的小邊墻，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的時間，同時妥善解決軟弱圍巖變形地段的仰拱施工結構物精準度無法保證的問題，且降低施工人員的作業強度，大幅度縮短施工工期。

3.7 二次襯砌施工

結合圍巖觀測、測量結果信息來看，圍巖及初期支護的變形趨向于穩定以后，則可以開始進行二次襯砌施工，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，長時間無法穩定，需要采取襯砌加固措施，以保證隧道整體結構的穩定性與安全性[2]。二次襯砌使用鋼模板臺車進行作業，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鍵，隧道開挖完成以后，膨脹圍巖遇水其自身的穩定性會大幅度降低，導致初期支護承受的壓力不斷增大，隨之出現變形現象。

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

對于含水量比較大且圍巖破碎現象比較嚴重的堵點，可以利用漿墻進行堵水處理，結合漿液在圍巖中的擴散系數，適當增大錨管的數量，確保注漿作業完成以后該區域可以形成整體結構，擴大結構的穩定性，然后在已經加固部分設置泄水孔，釋放水壓，確保掌子面不會出現涌水、涌泥現象。

4 結束語

在對隧道進行施工過程中，因火山灰屬于膨脹巖，火山灰一旦遇水則會軟化，自身的穩定性大幅度降低，存在較大的安全風險，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，確保施工人員嚴格按照規范要求進行施工，避免變形、塌方事故出現，在保證施工安全的前提下進行施工。

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