火山灰地质浅埋段特性及铁路隧道施工技术

刘雪东，陶益胜，谢斌福，田 发

(中国建筑土木建设有限公司，北京 100073)

0 前 言

现阶段，我国隧道施工过程中一旦遇到火山灰地质变形，应制定科学合理的处理技术予以应对。某隧道沿线穿越火山灰地质段，该路段的火山灰遇水出现软化，导致支护体系变形较为严重，施工单位在实际施工过程中出现多次塌方现象，施工难度比较大。本文结合某隧道施工实际情况，对火山灰隧道地段的施工技术展开研究分析，认为采用双层工字钢、锚管注浆的方式进行加固以及弧形模板仰拱施工的方式，可以顺利渡过隧道的大变形地段。此次研究对后续同类型的施工项目具备参照价值。

1 工程概况

本文以某隧道建设工程作为研究案例，该隧道埋深基本上保持在20 m以内，沿线最大埋深为35 m，属于超浅埋隧道，隧道上部覆盖一层火山灰及风化岩石，这种岩石相较之火山灰，其自身的膨胀性不大，但是被风化的差异性比较显著。

结合实际情况而言，该项目所在地的地质条件复杂，同时地下水位较高，隧道的进洞口与出洞口地段的风化岩层较厚，火山灰被夹杂在火山岩中，岩体破碎化现象严重，一旦遇水则会变为泥状，所以隧道施工过程中的膨胀变形、挤压变形现象较为普遍。

2 火山灰地质浅埋段特性

隧道的上覆盖层属于残积层膨胀土；土层的土质不一，岩芯呈现为柱状，土层的膨胀率为Fs=29%～58%，具备显著的弱膨胀性。隧道沿线左侧420 m、右侧1000 m部位均存在火山口，为火山喷发遗留。其中，左侧420 m处的火山口外形为圆形，火山口的直径在200～230 m，火山口顶部标高为82 m，坑底标高大概为73 m；右侧火山口外形呈椭圆形，直径为125 m，火山口顶部标高为90 m，坑底标高大概为88 m，火山口对实际施工的影响不是很大，但是熔岩区域可能会因火山灰的存在而出现坍塌事故，所以在对拱顶部位及边墙部位进行施工时需额外提高重视。

隧道内特殊岩土主要是火山灰膨胀土，多分布在拱顶部位与仰拱部位。膨胀土基本上是玄武岩，由于受风化影响，呈现出灰褐色、黄褐色、棕褐色。玄武岩主要由粉、黏性颗粒构成，并含有一些细砂。区域内的土质不一，膨胀率为Fs=29%～58%，具备显著的弱膨胀性。

火山灰遇水则会变为泥状，丧失了抗剪切强度，所以需要设置强支护体系来承受围岩的变形影响。结合设计图纸来看，原设计采用单层工字钢进行支护，在仰拱施工完成以后，拱架随即发生变形且局部出现折断现象，拱架变形程度比较严重。不但出现垂直方向的变形，还表现出水平方向的变化，拱顶部位喷射的混凝土出现大面积裂缝，并伴有脱落混凝土块现象。为有效抵抗变形，可以在拱脚部位设置临时支撑；边墙初期支护已经影响到二次衬砌，所以需要拆除全部初期支护。假若使用扩大拱脚设置临时横向支撑时，那么在对仰拱部位进行开挖作业时仍然会出现变形现象，同时施工过程中多次出现变形严重现象。

3 隧道施工技术

3.1 总体方案

结合前文研究来看，浅埋暗挖隧道的变形地段治理主要采用排水、加固、截水、强支护相结合的方式进行，简单而言就是将水平方向的挤压力完全释放，适当加固软基地段，设置临时支撑提高围岩自身的强度。

在实际施工过程中，施工单位必须严格遵守“提前预报、导管超前安装、缩短进尺、减小爆破规模、强支护、频繁测量、及时封闭”的基本原则。首先提前对施工区域的地质进行预报，使用钻探法和物探法对隧道区域内的围岩地质条件进行勘察，降低隧道施工过程中的安全风险。掌子面开挖时需要提前设置支护体系，使用小导管完成注浆，并对围岩进行加固处理。

针对软弱围岩区域，可以使用锚杆、注浆的方式对附近围岩的变形状况进行约束，同时使用双层钢拱架进行支撑，并在表面喷射混凝土形成初期支护体系。对软弱围岩地段的基底采取加固措施，在加固作业完成以后开始挖方作业。对于区域内含水量比较大的地段则采取排水措施，避免地下水对软弱围岩造成侵蚀作用。

3.2 洞口开挖

1)地表处理及截水天沟。隧道进洞口与出洞口施工之前，需要测量放线，通过测量放线确保边坡部位开挖与截水沟施工符合规范要求，进而顺利达到截水、排水的目的，此外，对隧道洞口路段外侧10～15 m区域的漏斗、洼地进行处理，避免地表水深入至隧道内，保证隧道施工过程中仰坡部位的稳定性。

2)洞口开挖及边仰坡防护。隧道洞口部位的开挖作业应该由外向内进行，按自上而下的顺序进行开挖，将洞口部位开挖成台阶状，单层台阶的高度控制在2～3 m。土方及强风化岩石使用挖机进行开挖，人工从旁辅助作业。对于局部比较陡峭的边坡可以使用人工开挖，石方选择采用弱爆破方式进行开挖。渣土使用装载机与渣土车完成外运。

3)边仰坡防护。边仰坡部位的土方开挖完成以后，则可以开始对隧道洞口部位的边仰坡进行防护，保证不会出现坍塌事故。

3.3 超前地质预报及超前支护

超前地质预报的内容主要涉及施工区域的地质条件分析、宏观地质预报、隧道洞身不良地质、重大施工灾害等。利用水平钻、GPS(Global Positioning System，全球定位系统)等物理探测法对施工区域的地质条件进行勘测，并结合地质调查法对掌子面部位的围岩地质情况进行深入分析，结合分析结果合理选择施工工艺。

该项目施工前的超前地质预报结果得出：局部地段在开挖作业之前，需要对掌子面部位的围岩进行加固。假若围岩破碎化程度比较严重，则应该对掌子面前侧的围岩进行注浆加固，不但需要使用小导管进行注浆加固外，同时沿着掌子面垂直方向实施注浆加固处理。

超前小导管注浆支护可将周边一定范围内极破碎围岩加固成整体，形成一道支护壳体，对开挖掘进中减小周边围岩的扰动能起到很大的作用；掌子面锚管注浆对于隧道的涌水现象具有良好的治理效果。针对围岩破碎区域的涌水问题，假若涌水量不是很大，则可以采用小导管注浆的方式加固处理。

超前小导管施工程序如图1所示。超前小导管选择使用钢管加工而成，钢管的规格为Φ42×3.5 mm，单根钢管的长度为3.5 m。为确保小导管顺利进入到土层中，可以将小导管前端加工为锥形，同时应保证浆液不会出现前冲现象。小导管中间部位需要设置10 mm的注浆孔，注浆孔按照梅花形进行布设，注浆孔的间距设置为15 cm。

图1 超前小导管注浆示意图

注浆过程中，施工人员应该频繁检测浆液凝结的时间是否与设计要求相符，假若二者之间存在偏差，则应该及时探寻导致误差出现的成因，并通过妥善的方式处理。注浆量尽量配备充足，以保证固结的效果，同时保证浆液向外围扩散一定的范围。注浆的范围按照开挖断面以外0.3～0.5 m计算。浆液单孔的注浆量Q与孔隙率之间存在紧密的关联性，其具体数值为：

Q=πR2Lη

式中，R为浆液扩散半径，m；L为压浆段长度，m；η为岩层孔隙率，砂土的孔隙率取40%，黏土的孔隙率为20%，断层破碎带的孔隙率为5%。

止浆盘选择使用低压加固注浆方式，止浆盘使用5～10 cm厚的混凝土进行封闭处理，确保不会出现跑浆现象；注浆之前需要检查注浆设备的稳定性，同时检查注浆管道的密实性，确保注浆过程中不会出现漏浆现象。正式注浆过程中不得出现串浆或跑浆现象，一旦发现立即停止作业，并及时探寻导致问题出现的具体原因，并利用妥善的方式进行处理。施工人员详细记录注浆全过程。当注浆作业完成以后，应清洗所有注浆设备并妥善保管，以便于下次使用。

针对围岩破碎比较严重且含水量比较大的地段，需要先在掌子面部位设置排水管进行部分排水泄压，然后在掌子面顶部120°范围内使用小导管进行注浆；对于局部出现涌水、涌泥现象的地段，需施作中空注浆锚杆对前方破碎岩体进行固结，锚杆的数量根据现场涌水量确定。

3.4 开挖方法

土方开挖采用三台阶七步方式施工，单层台阶的长度控制在3～5 m，3个台阶的总长度控制在15 m以内，下层台阶开挖完成以后，应该立即进行锁脚锚管与锚杆施工；施工工序的安排应具备合理性，确保不同施工工序之间不会产生冲突，确保各工序顺利施进，缩短施工工期，迅速形成闭环状态；应该保证锚杆施工及注浆作业质量，保证注浆加固、锚杆加固能够对围岩变形发挥出显著的效果；仰拱施工及衬砌施工同步进行，仰拱距离掌子面的距离需要控制在30 cm以内，衬砌距离掌子面的距离控制在70 m内。

3.5 加强支护形式

强支护使用的是双层I18工字钢拱架，外层支护采用的是工字钢，内层支护使用的工字钢需要预留15 cm的变形量。第一层工字钢需要设置双层钢筋网，工字钢的间距设置为50 cm，并喷射26 cm厚的C25混凝土。第二层工字钢应该与前一层错开设置，第二层工字钢的间距控制为50 cm，使用10 cm厚的钢板进行搭接。第二层工字钢需要设置双层钢筋网，工字钢的间距设置为50 cm，并喷射26 cm厚的C25混凝土。利用双层钢筋网、双层连接筋来加强支护结构的强度，促使支护体系形成整体[1]。

3.6 仰拱施工

当隧道底部开挖完成以后，应该及时对仰拱部位进行施工，仰拱的长度控制为2～3 m，单次开挖的最大长度控制在3 m以内。为确保软弱围岩地段的仰拱施工效率提高，可以使用大断面仰拱浇筑工艺进行施工，但是需要预留一部分的小边墙，借助仰拱弧形模板降低人工接缝工作量。使用仰拱弧形模板可以保证闭环的时间，同时妥善解决软弱围岩变形地段的仰拱施工结构物精准度无法保证的问题，且降低施工人员的作业强度，大幅度缩短施工工期。

3.7 二次衬砌施工

结合围岩观测、测量结果信息来看，围岩及初期支护的变形趋向于稳定以后，则可以开始进行二次衬砌施工，简单而言就是拱脚水平波动不超过0.2 mm/d，拱顶下沉的速度低于O.15 mm/d。但是围岩地段的变形速度增快，长时间无法稳定，需要采取衬砌加固措施，以保证隧道整体结构的稳定性与安全性[2]。二次衬砌使用钢模板台车进行作业，单次衬砌的长度为12 m，混凝土全部使用商品混凝土，使用泵车将混凝土运输至施工现场。

3.8 治水措施

软弱围岩隧道施工过程中治水比较重要。其中以膨胀岩地段尤为关键，隧道开挖完成以后，膨胀围岩遇水其自身的稳定性会大幅度降低，导致初期支护承受的压力不断增大，随之出现变形现象。

结合该项目的实际情况而言，隧道内的火山岩遇水会不断软化，所以对于火山岩地段应该采取“以封堵为主，适量排放”的治理原则。假若围岩破碎化比较严重，且围岩自身的稳定性较低时，则应该对地下水进行排放，降低水压，同时应该保证地下水不会将地层结构中的填充物冲出地表，促使塌方事故出现。

对于含水量比较大且围岩破碎现象比较严重的堵点，可以利用浆墙进行堵水处理，结合浆液在围岩中的扩散系数，适当增大锚管的数量，确保注浆作业完成以后该区域可以形成整体结构，扩大结构的稳定性，然后在已经加固部分设置泄水孔，释放水压，确保掌子面不会出现涌水、涌泥现象。

4 结束语

在对隧道进行施工过程中，因火山灰属于膨胀岩，火山灰一旦遇水则会软化，自身的稳定性大幅度降低，存在较大的安全风险，所以实际施工过程中需要予以重视，加强对各个施工工序的管理，确保施工人员严格按照规范要求进行施工，避免变形、塌方事故出现，在保证施工安全的前提下进行施工。

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