富水昔格达组软弱易滑地层PBA进洞法实践

王立川， 李志鹏， 刘志强， 王晓兵 ， 罗 荣， 吴 剑， 赵秋实， 匡 亮， 杨 波

(1. 中国铁路成都局集团有限公司， 四川 成都 610082； 2. 中铁十四局集团有限公司， 山东 济南 250014；3. 中铁西南科学研究院有限公司， 四川 成都 611731； 4. 成昆铁路有限责任公司， 四川 成都 610031；5. 中国中铁二院工程集团有限责任公司， 四川 成都 610031)

0 引言

昔格达地层在攀西地区内分布较广，其成分复杂，物理力学物性值离散性大，主要覆盖于第三系之上，分布于川南金沙江、大渡河、雅砻江等河谷及山间宽谷地带[1-3]，地势一般较平坦。

昔格达地层具有强度低、胶结弱、变形大、遇水易软化甚至崩解[4]、受扰动时易沿缓倾硬质界面滑动等特点。国内外学者和工程师对昔格达地层的特性及工程措施开展了相关研究，周平等[5]研究了不同含水率对昔格达地层黏聚力和内摩擦角的影响，对昔格达地层围岩进行了亚分级； 廖珩云[6]通过直剪蠕变试验，获得了相应的蠕变试验参数和长期强度极限； 文献[7-10]针对昔格达地层中隧道施工工法、工艺及处理措施进行研究，提出超短台阶施工、增加管棚注浆压力、加强锁脚锚杆和尽早封闭成环、重视排水及CRD法施工等建议。

文献[11-12] 通过对暗挖车站施工进行总结及数值计算分析，研究了PBA法的受力特点及关键技术； 李皓等[13]通过计算，对比4种开挖方案引发的地表沉降，得出PBA法施工中导洞施作引起的沉降规律，并提出最优施工方法； 韦京等[14]通过监测与计算分析，提出PBA法地铁车站下穿桥梁施工中关键施工阶段对地层和桩基的影响规律； 罗富荣等[15]通过案例总结，认为不同的地层采用PBA法施工所引起的地表沉降相差较大。

综上，现有研究成果主要集中在隧道洞身开挖上，而关于富水昔格达组地层在洞口段相对较硬的岩石界面上滑动导致的不稳定性问题，工程案例及研究较少。本文以成昆铁路扩改工程前家山隧道进口段为工程背景，阐述前2次常规进洞工法失败与第3次PBA工法成功进洞的实践经验，分析PBA进洞法的优势，以期为类似工程提供参考和借鉴。

1 工程概况

前家山隧道长5 115 m(D3K520+425～D2K525+540)，为设计时速160 km的单洞双线长隧道，线路纵坡为4‰(2 475 m)和 3‰(2 640 m)的人字坡； 最大埋深275 m，进出口段为富水昔格达地层，洞身主要通过玄武岩、泥岩夹砂岩、角砾岩、灰岩地层，穿越2条断层。

1.1 地质条件

该隧道进口段覆盖层为0～5 m厚的坡残积层粉质黏土，下伏第三系上统昔格达组泥岩夹砂岩、页岩。该地层以泥岩、页岩、砂岩为主，成岩作用差，结构、致密性、物理力学性能差别较大，属易滑地层，主要特征如下:

1)天然密度与干密度差异显著，失水质轻。

2)岩层倾角平缓，向谷地带及盆地中心微倾，竖向(陡倾)节理发育。

3)水稳性差，浸水易软化甚至崩解，黏聚力比天然状态明显降低。

4)透水性弱，泥页岩常起隔水作用，在地表水下渗、排水不畅情况下，易发生沿昔格达界面滑动问题，以昔格达上的第四系覆盖层或堆积物滑动为主。

在该地层中修建隧道易产生长时程大尺度变形、掉块、坍塌(顶)等病害。

1.2 地表水

该隧道进口段位于山脚下，左侧有明显冲沟，枯水季节无地表水，丰水季节地表水丰富。

1.3 洞口段原施工图设计概况

进口洞门为挡墙式(见图1)。首次进洞时按设计施作如下工程措施:

1)洞口设置4根高为18 m的2.0 m×1.5 m锚固桩。

2)边仰坡坡率均为1∶1.5，临时防护为锚网喷混凝土，φ22 mm×4 m梅花形布置砂浆锚杆，间距1 m×1 m；φ8 mm@25 cm×25 cm钢筋网； C25喷混凝土厚12 cm。

3)边坡永久防护为10 m长锚杆框架梁，仰坡永久防护为10 m和8 m长的锚杆框架梁，锚杆间距为3 m×3 m。

4)大管棚超前支护。

图1 进口洞门形式

2 首次进洞措施和问题

2.1 进洞措施

1)锚固桩: 2016年9月17日完成洞口4根高18 m的锚固桩施作，以策应确保洞口段边坡横向稳定性的设计意图。

2)边仰坡开挖和部分临时防护工程平行和交叉施作(未完成)。

3)及时反压回填: 在边仰坡开挖(基本做到持续开挖)中，2016年10月9日发现此前布设在仰坡顶外的地表监测点位出现位移变化，地表开裂，已危及施工安全。现场依据应急机制立即对边仰坡进行临时反压回填，现场观测表明地表位移及地表裂缝变化明显下降，地表活(滑)动暂时稳定。

需说明的是，洞口段防排水系统尚未合格完成。

2.2 施工中呈现的问题

2.2.1 地下水丰富

锚固桩挖孔揭示开挖顶面以下6～20 m内均有水流出(见图2)，多次发生垮塌，自稳性极差。

图2 锚固桩内地下水丰富

边仰坡开挖时洞口段地下水位较高，坡面及地表均有水溢出。山体地下水丰富(见图3)，地下水位高程约为1 240.70 m。

图3 山体地下水丰富且水位高

2.2.2 地表变形大

即使采用了洞口锚固桩、喷锚等防护措施，仰坡顶外地表仍出现3条宽3～5 cm的裂缝(见图4)。地表沉降观测点出现较大位移，平面位移最大值为7.5 cm。相关监测数据见图5和表1。

2.3 首次进洞失败原因分析

2.3.1 围岩自稳性较差

隧道进口围岩主要为残坡积层粉质黏土，下伏昔格达地质，自稳性较差，边仰坡开挖后，残坡体易产生滑动。

图4 洞顶地表裂缝

图5 隧道进口1#、2#、3#、4#平面高程位移曲线(锚固桩)(2016年)

2.3.2 洞口地下水影响

坡面上透水性强的膨胀性土体和昔格达泥岩全风化层间结合较差，极易松动滑移； 下部昔格达泥岩强风化层为相对隔水层，在排水不畅的情况下易在层间界面形成饱和甚至过饱和保水带。受局部地下水重力性渗透影响，使具有膨胀性的土体和全风化泥岩被水浸泡后，饱和自重增加，其抗剪强度等物理力学指标骤降； 边坡横向临空效应引起的横向不稳定和仰坡纵向临空效应引起的纵向不稳定成为蠕动动因，牵引仰坡顶坡面土体出现3条张拉裂缝，并导致已喷护仰坡混凝土变形开裂，同时牵引左侧边坡土体与昔格达地层接触面发生局部土体开裂和位移，在开挖的临空面上出现明显的剪出面，受其影响，开挖直立面时出现蠕动变形现象。

2.3.3 锚杆施工的影响

除受钻孔用水的不利影响外，常规的坡面防护锚杆施工很难做到密实灌浆，也可引起地层压密性沉降，甚至开裂。2种疑似必然的沉降叠加，加剧了施工段落及其牵引区域的开裂和滑移。

注: 表中位移为累计位移。下同。

3 第2次进洞措施和问题

3.1 第2次进洞措施

经建设、设计单位多次踏勘，按设计单位意见实施φ50 cm@1 m×1 m地表高压旋喷桩加固，以稳定滑动体。地表加固纵向范围为自洞门向进洞方向20～35 m，横向范围为洞身主体向外拓展5 m，加固深度为隧道拱顶下1 m(见图6)。

1)旋喷桩加固: 按上述参数施作地表高压旋喷桩加固，于2016年11月18日完成。

2)边仰坡防护: 与旋喷桩基本同步完成。

(a) 横断面图

(b) 平面图

3)大管棚施工(未完成): 2016年11月下旬立即开展大管棚施工，期间多处地表位移监测点数据持续发生频次、幅度差异明显的变化，至12月10日，平面位移最大值为7.5 cm，相关监测数据见表2和图7； 仰坡顶线外地表再现3条裂缝，最大裂缝约长48 m、宽6 cm、深1.2 m； 仰坡开挖立面及大管棚导向墙出现不规则挤压变形裂缝(见图8)； 左侧立面粉质黏土与昔格达地层接触面间蠕动错位明显，位移最大值为12 cm(见图9)。已严重危及施工安全。

3.2 加固效果

地表加固后的开挖结果表明采取的措施收效甚微，开裂和变形持续发展。

3.3 第2次进洞失败原因分析

3.3.1 大管棚施工的影响

在软弱地层条件下施工的常规大管棚的“群孔联孔”效应可引起地层在管棚密实灌浆前发生前置压密性沉降，附加钻孔用水的不利影响，加剧了施工段落及其牵引区域的开裂和滑移。

表2 前家山隧道进口地表位移监测数据(大管棚)

图7 隧道进口1#、2#、3#、4#平面高程位移曲线(大管棚) (2016年)

3.3.2 滑动未制止

由图8和图9可见，膨胀性土体和昔格达地层的滑动面处于隧道开挖拱顶下约2.5 m，而地表高压旋喷桩的加固深度并未穿越此滑动面，仅起到将滑动面上膨胀性土体整体化的作用，且增加了滑动动力； 同时未采取任何排水措施或阻滞地下水下渗措施，层间保水带状况丝毫未改善； 未采取任何主动抵抗纵向不稳定措施，并未制止滑动。

3.3.3 无纵向平衡措施

未采取任何工程措施(诸如抗滑桩或回填等平衡或制约坡面滑动措施)，坡面纵向下滑力未改变。

4 第3次进洞措施及效果

笔者对成昆峨米段重点隧道进行例行检查时，应建设指挥部和施工单位项目部之约增加该工点巡查，于2016年12月11日在现场听取相关介绍和分析后，基于对PBA工法特点的经验认知[11-13]，及文献[14-15]等对PBA工法在各类地铁工况中的成功应用，提出“基槽适度回填+PBA法加长明洞+拱顶回填”的综合工程措施，设计单位以此进行深化设计。

(a) 仰坡开挖直立面蠕动

(b) 大管棚导向墙裂缝

4.1 进洞措施

PBA进洞法的工程设计见图10—12，现场施作主要步序照片见图13。施工措施顺序如下。

(a) 错位整体图

(b) 错位部位详图

图10 增加明洞

1)防排水系统: 完善洞口段防排水系统，力保地表水较充分引排，以确保施工安全。

2)在仰坡脚回填基槽至滑动面上约1.0 m时，坡面趋稳，以平行和(或)交叉作业方式，完成剩余大管棚和边仰坡防护工作量。

3)钻孔桩P(pile): 在明洞结构水平投影外缘，按直径150 cm 、长20 m、间距(4.5 m+3.5 m+4.5 m)施作左右2排钻孔桩灌注桩，以桩作为坡面纵横抗滑和明洞部分自重的支承。桩顶标高在轨面上2.27 m。

4)冠(托)梁B(beam): 在桩顶沿隧道纵向施作16 m×0.8 m×1.5 m的冠(托)梁。

5)护拱A(arch): 以冠梁为拱座，以“型钢钢架+钢筋网+喷混凝土”先形成薄拱，再以此为内模和承力架、外扎钢筋形成模架系统，模筑 80 cm 厚C35钢筋混凝土护拱。

6)明洞回填: 护拱混凝土达设定龄期后，采用C20混凝土及土石进行反压回填，顶部最小回填厚度为2 m，顶面纵坡6%。

7)暗洞施工: 挖除明洞腔体内土石并实施结构闭合，按设计参数以三台阶临时仰拱法(上台阶预留核心土、中台阶设临时仰拱)进行暗洞施工，至2017年4月3日暗洞完全进入。

8)明暗洞分界处理: 为防止分界处发生衬砌结构裂损，除在明暗分界处全环设置2 cm沉降缝外，同时加强隧道变形和沉降监测； 直至2017年5月9日研判暗洞初期支护及明洞护拱回填变形均趋稳后，顺序施作了洞口段衬砌。

9)差异沉降监测: 衬砌后，自2017年6月1日开始对明暗结构分界处进行差异沉降专项监测； 至6月28日分界处达到同步微量沉降，7月12日沉降稳定，累计差异沉降3.1 mm。

4.2 处理效果

坡脚回填后坡面滑动明显减速，明洞回填后坡面已处于稳定，暗洞进洞100 m以后，地表和隧道变形量值和速率均在规范可接受范围内。

1)地表沉降变形环比最大值为0.70 mm，累计最大值为29.30 mm，地表沉降已稳定。

2)明洞拱顶(D3K520+425)沉降累计值为31.30 mm，日速率最大值为3.00 mm，上、中、下台阶累计收敛值依次为36.35、31.96、17.30 mm； 暗洞拱顶(D3K520+430)沉降累计值为37.10 mm，日速率最大值为3.70 mm，上、中、下台阶累计收敛值依次为33.10、22.12、8.50 mm； 初期支护闭合成环后洞口段逐渐趋于稳定。

3)虽有预判，也采取了针对性措施，但明暗交界处仍出现了最大缝宽约10 mm的初期支护环向裂损和3.10 mm的结构差异沉降。

(a) 正面(1∶200)

(b) 锚固桩平面布置图(1∶200)

4.3 效果初步分析

在该隧道富水昔格达地层进口浅埋段连续遭遇进洞失败时，作者执念将已广泛运用于地铁超大断面暗挖工程中的PBA工法移植到该工程的主要原因如下:

1)完善防排水系统，减少地表水入侵和(或)滞留导致的土层软化滑动。

2)根据浅埋段西格达地层的滑动面位置和附近地表变化，洞察和把握了该滑动的动因和机制。

3)采用桩P、梁B、拱A组成的结构体系，巧妙地从三维角度对边仰坡的纵、横向不稳定和可能的竖向承载力不足予以响应，解决了地层的稳定性、明洞结构及回填荷载的支承，有利于上部结构与回填层的尽早稳定； 既能为构建稳定安全的明洞创造条件，又能使新构建的明洞与将建的洞口结构在位移上具有一定的协调性。

4)足够长度的明洞结构及其回填物所禀赋的平衡和支承作用，富有余地克服了以纵向滑动为主的不稳定性，使明洞结构、回填物、原有滑动地层构架成一个综合稳定体。

图12明洞护拱及反压回填(单位： cm)

Fig. 12 Protective arch and backpressure backfilling of open-cut tunnel (unit： cm)

(a) 灌注桩

(b) 托梁

(c) 护拱

5)明暗交界处衬砌待初期支护及回填物稳定后施作，减少或防止初期支护差异沉降向衬砌传递集中形变荷载。

6)明暗交界处产生的3.10 mm结构差异沉降，对有碴轨道尚可接受； 对无碴轨道而言，则须再研究。

4.4 相关事项说明

1)桩型选择: 设计方曾习惯性地坚持采用挖孔方桩，而忽视了此地质条件下挖孔桩的施工风险和施工期长的弊端，在笔者一再阐明钻孔灌注桩同时具有抗滑功能后才勉强接受。

2)回填取舍: 笔者现场明确主张，先回填压实坡脚下基槽，待桩(P)、梁(B)结构完成即回填压夯土石形成拱的内胎模，但变更设计时仍坚持采用双层拱结构，是明洞变形较大的主要原因。

3)PBA进洞法的推广: 设计方已悄然将此法推广到颇具类似特征的杨家湾隧道进口。

5 结论与讨论

对前家山隧道富水昔格达地层进洞的3种工法实践总结，得到如下结论和建议:

1)锚固桩、旋喷桩工法均导致地表开裂、大尺度变形，平面位移最大值为7.5 cm，未能解决前家山隧道进洞的问题。

2)隧道洞口采用PBA法后，地表及拱顶沉降最大值分别为29.3 mm和31.3 mm，初期支护闭合成环后洞口段逐渐趋于稳定。

3)边仰坡开挖时须实施足够的工程措施以平衡或抵抗其不稳定性，包含洞口切槽引起的纵、横向临空不稳定性，且在昔格达地质条件下纵向不稳定影响要大于横向不稳定，PBA法处置隧道进洞纵向不稳定性的力学基础明确，实践验证该工法是颇具针对性的有效措施。

4)本文案例中PBA法参数均按经验类比法确定,结构能力存在过度和冗余再所难免, 类似案例可通过补勘获得洞口段必要和全面的地质参数,经力学分析和量化研究以获得针对性和具体的参数。

5)PBA法应用于昔格达地层的作用机制值得进一步深入分析与探讨。