孙晋锋
(中铁十七局集团有限公司，山西太原 030001)
0 引言
石楼隧道粉质粘土具有粒度细，粘土矿物含量高的特殊性。其强度与含水率密切相关，随着含水率的增加而减小，当含水率达到塑限(18.2% ～19.0%)后，物理力学指标发生明显变异，强度明显降低，同时在较高应力水平作用下，很快达到急剧流动阶段，土样很快破坏。这说明蠕变变形性状在一定应力水平下才能表现出来。因此对于隧道深埋段，由于应力水平较高，粉质粘土蠕变特性显著，围岩极易因蠕变而产生大变形甚至坍塌。
1 工程概况
山西中南部通道重载铁路石楼隧道位于吕梁山西坡、黄河左岸黄土峁梁区，海拔高程1 039.5 m～1 324 m，相对高差10 m～155 m，本地区长期受水流侵蚀作用，形成了典型的黄土丘陵地貌，黄土梁峁和深切冲沟是本区主要的微地貌类型。地势总体北高南低，坡陡谷深，地形起伏大，冲沟发育。石楼隧道全长12 807 m，其中6 000 m洞身穿越三趾马红土(N2)地层，4 440 m处于地下水位线以下，穿越浅埋、富水、砂层、土石分界等不良地质段。隧道于2010年6月开始施工，2013年5月20日全部贯通。
2 隧道围岩分级和主要支护参数
石楼隧道各段围岩分级和支护参数详见表1和表2。
监控量测断面布置根据围岩级别、隧道断面尺寸及埋深等确定，Ⅴ级围岩地段为5 m，Ⅳ级围岩地段为10 m。水平收敛采用数显收敛仪监测，拱顶下沉采用全站仪测量。
表1 石楼隧道各段围岩分级
表2 石楼隧道各围岩级别支护参数表
石楼隧道粉质粘土段原设计全部采用短台阶法开挖，为了减少开挖过程中对围岩的扰动，根据现场实际部分调整为三台阶七步开挖法。
三台阶七步开挖法是以弧形导坑预留核心土法为基本模式，分上、中、下三个台阶七个开挖面，各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开，平行推进的施工方法。
三台阶七步开挖法施工工序示意图见图1。
图1 三台阶七步开挖法施工工序示意图
3 粉质粘土段多因素作用下施工方法
石楼隧道三粉质粘土段按照原设计围岩级别和初支参数施工时，受围岩裂隙、地下水及不良地质(如浅埋、砂层、土石分界)等多因素影响，开挖过程中出现掉块、坍塌，造成超挖;初支后围岩收敛值较大，导致初支开裂、变形、侵限，甚至坍塌。为此，根据现场实际，及时调整了支护参数和施工方法。
3.1 饱和水+拱部砂层状态下施工方法
石楼隧道施工至DK223+040后，隧道三趾马红土围岩掌子面拱部出现了水平状砂层，砂层中含细圆砾土，交界处出现线状渗水;土体裂隙部位出现渗水现象，含水率达到18%～21.6%。初期支护按照Ⅴ级围岩地段参数进行施工(拱墙、隧底全环设置Ⅰ18拱架，间距1 m/榀，预留变形量10 cm)，隧道水平收敛值6.5 cm～8.5 cm。但施工至DK223+170时，掌子面拱部砂层发生变化，呈细砂状，潮湿、易坍塌;土体裂隙发育呈块状且伴随掉块，含水率进一步增大至21.5%～23%，由潮湿变为饱和;隧道收敛速率加大，累计收敛值由8.5 cm跳跃至11.3 cm(见表3，图2);初期支护表面出现湿渍，后期出现渗水，局部变形或开裂，已完成的初期支护存在一定安全隐患。结合监控量测数据综合判定，我们认为，隧道该段围岩在砂层、水和围岩裂隙的共同作用下，当含水率达到22%以后，需要再次调整初期支护参数来保证施工安全。
表3 土体含水率与累计收敛值关系表(一)
后续施工中将隧道围岩由Ⅴ级调整为Ⅴ级加强，并将钢拱架由Ⅰ18调整为Ⅰ20，间距由1.0 m/榀调整为0.75 m/榀。隧道初期支护参数加强后，监控量测数据显示(见表4，图3)，收敛值得到控制，累计沉降值低于预留沉降量10 cm。后续隧道在施工过程中，按照调整后的围岩级别和初支参数施工，施工安全和进度都得到了保证。
图2 土体含水率与累计收敛值关系曲线（一）
图3 土体含水率与累计收敛值关系曲线（二）
表4 土体含水率与累计收敛值关系表(二)
3.2 潮湿+细砂层+土石分界状态下施工方法
隧道施工进入DK223+850时，掌子面底部出现泥岩层，到DK223+920时抬升至下台阶;在DK223+850～DK223+920段施工过程中，发现土体含水率增大，细砂层与粉质粘土、粉质粘土与泥岩交界面均出现线状、片状渗水，收敛速度也随之增加。经过对掌子面围岩观察和对土体含水率的测定，我们发现:1)拱部砂层厚度(0 cm～40 cm)对初期支护收敛值有一定影响。2)下部泥岩层抬高造成水位上升，导致洞身土体含水率变大，由16.5%增加至18.5%，土质变差。局部裂隙见明流水，上、中、下台阶呈线状出水。按照原设计方案施工后，初期支护表面出现湿渍，后期出现渗水，局部开裂。监控量测数据对比显示(见表5，图4)，随着含水率的增大，初期支护收敛速度明显加大，收敛值由6.3 cm增大至8.3 cm，超过最大预留变形量8 cm。
表5 土体含水率与累计收敛值关系表(三)
经对现场地质情况及监控量测数据分析，粉质粘土含水率达到18%以上，隧道初期支护收敛值就超过设计预留变形量8 cm。为保证施工安全，后续施工段落隧道围岩由Ⅳ级调整为Ⅴ级，并将隧道初期支护格栅拱架调整为钢拱架。
图5 土体含水率与累计收敛值关系曲线（四）
图4 土体含水率与累计收敛值关系曲线（三）
隧道初期支护参数加强后，监控量测数据显示(见表6，图5)，收敛值得到控制，累计沉降值低于预留沉降量10 cm。
表6 土体含水率与累计收敛值关系表(四)
3.3 过饱和水状态下施工方法
石楼隧道施工至DK231+880后，围岩裂隙发育呈块状、片状，拱部见线形状渗水，中、下导两侧边墙见线状、股状出水，施工过程中伴随坍塌、掉块。土体含水率增加至23.4%，达到过饱和水状态。初期支护完成后，掌子面与二衬间初支两侧边墙出现大面积渗水湿渍，拱部雨滴状滴水;后期出现变形，局部开裂。监控量测数据对比显示(见表7，图6)，随着含水率增大，初期支护收敛速度明显加大，收敛值由8.3 cm增大至10.5 cm，超过最大预留变形量10 cm，已完成的初期支护存在一定安全隐患。
经对现场地质情况及监控量测数据分析，粉质粘土含水率达到23%以上，隧道初期支护收敛值就超过设计预留变形量10 cm。为保证施工安全，后续施工段落隧道围岩由Ⅴ级调整为Ⅴ级加强，并将钢拱架间距由1 m/榀调整为0.75 m/榀。
隧道初期支护参数加强后，监控量测数据显示(见表8，图7)，收敛值得到控制，累计沉降值低于预留沉降量10 cm。
表7 土体含水率与累计收敛值关系表(五)
表8 土体含水率与累计收敛值关系表(六)
4 建议和结论
4.1 建议
1)严格贯彻落实铁建设[2010]120号文《关于进一步明确软弱围岩及不良地质铁路隧道设计施工有关技术规定的通知》中关于隧道开挖、安全步距等各项要求:Ⅴ级、Ⅴ级加强开挖进度不大于1榀钢架间距，Ⅳ级开挖进度不大于2榀;Ⅴ级围岩二衬距掌子面间距不大于90 m，Ⅳ级不大于70 m。
图6 土体含水率与累计收敛值关系曲线（五）
图7 土体含水率与累计收敛值关系曲线（六）
2)要高度重视开挖后初喷的作用，及时封闭，特别是仰拱开挖后要及时封闭，尽量避免围岩因应力重新分布造成工程特性极度降低。工序衔接应紧凑，对于节理、裂隙发育或富水的粘土地层，应及时封闭，尽量减少围岩暴露时间，避免因长时间暴露引起围岩失稳。
3)施工过程中可视围岩具体情况采用增加拱(墙)脚锁脚锚杆(管)、增设钢架拱(墙)脚部位纵向连接筋(或型钢加强)、扩大拱(墙)脚初期支护基础及增设拱(墙)脚槽钢垫板等增强拱(墙)脚承载力等措施控制变形。
4.2 结论
根据围岩裂隙、含水率及不良地质程度，结合石楼隧道施工情况，建议粉质粘土段处于干燥、稍湿状态时，采用常规台阶法施工，台阶长度需根据围岩实际情况动态调整;含水率达到潮湿、饱和、过饱和或兼有其他不良地质情况出现时，宜采用三台阶七部开挖法进行施工，有待于在以后类似地层中检验或完善相应措施。
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