王志杰， 李金宜， 周飛聰， 姜逸帆， 周 平， 鄧宇航， 林嘉勇

(西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031)

0 引言

鹽巖是由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%以上的石鹽和其他常伴生的石膏、芒硝、白鈉鎂礬、雜鹵石、鉀石鹽、光鹵石、黏土、有機(jī)質(zhì)及鐵質(zhì)化合物等混入物所組成的巖石，是由含鹽度較高的溶液或鹵水通過蒸發(fā)濃縮作用形成的化學(xué)沉積巖。

鹽巖的蠕變性與重結(jié)晶性使其在地下能源儲(chǔ)存及核廢料封存上占據(jù)重要地位，其遇水溶解形成的地下空腔已是國(guó)際首選天然氣儲(chǔ)備場(chǎng)所[1]。故目前對(duì)鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)計(jì)[2]、儲(chǔ)氣庫(kù)穩(wěn)定性[3]以及鹽巖蠕變[4-5]的研究較多。

膨脹性圍巖對(duì)隧道的危害不斷凸顯，現(xiàn)已有不少研究者對(duì)膨脹性圍巖進(jìn)行研究。Oldecop等[6]依托西班牙拉里隧道，采用室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)巖體針狀石膏膨脹過程進(jìn)行研究。Zhang等[7]采用X射線衍射分析、電鏡掃描試驗(yàn)，證明蒙脫石膨脹是造成貴州小屯煤礦頂板、井壁變形坍塌的原因。崔蓬勃等[8]通過Ansys對(duì)不同膨脹性工況隧道二次襯砌進(jìn)行受力分析，各工況二次襯砌安全系數(shù)均會(huì)下降。陳有亮等[9]基于濕度應(yīng)力場(chǎng)理論，推導(dǎo)了考慮膨脹應(yīng)力和剪脹的深埋圓形隧道彈塑性解以及濕度擴(kuò)散非穩(wěn)態(tài)解。蒲文明等[10]對(duì)膨脹巖進(jìn)行分類并對(duì)本構(gòu)模型進(jìn)行歸納總結(jié)，指出膨脹巖隧道開挖時(shí)應(yīng)減少對(duì)地層的擾動(dòng)。

鹽巖具有強(qiáng)腐蝕性、強(qiáng)膨脹性以及水溶性，在鹽巖地層中修建隧道極其困難。目前，在交通領(lǐng)域中關(guān)于鹽巖的研究較少，僅有黃東海[11]、于占華[12]對(duì)含鹽地層隧道施工技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述，肖勇剛[13]、劉高金等[14]對(duì)含鹽地層隧道結(jié)構(gòu)損傷的原因進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，關(guān)于鹽巖隧道設(shè)計(jì)施工技術(shù)的研究還處于空白，基本沒有形成較為有效的措施和控制體系。本文依托中老鐵路跨境隧道鹽巖段工程，在考慮地層膨脹壓力的前提下比選變更設(shè)計(jì)斷面、選擇施工方法，并提出隧道支護(hù)防水等新工藝，以期為后續(xù)施工提供指導(dǎo)，為其他鹽巖地層隧道開挖提供新思路。

1 膨脹性鹽巖地層隧道特點(diǎn)

友誼隧道位于中老鐵路磨憨站至磨丁站(老撾境內(nèi))區(qū)間，穿越國(guó)境線，為設(shè)計(jì)時(shí)速160 km的單線鐵路隧道。隧道全長(zhǎng)9 595.407 m，其中，老撾境內(nèi)長(zhǎng)2 425 m，起訖里程為DK0+000～DK2+425，最大埋深243 m，均為Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖。隧道3#斜井進(jìn)入正洞段后，揭示圍巖主要為含硬石膏、泥灰質(zhì)角礫石鹽巖，最大含鹽量超過90%，鹽巖呈條帶狀，寬0.1～1.0 cm。在DK0+730取巖樣，顯微鏡下觀察為中晶—巨晶結(jié)晶粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，成分主要為石鹽(質(zhì)量分?jǐn)?shù)77%～79%)，夾部分泥灰質(zhì)、硬石膏角礫，電鏡下巖塊見圖1。

圖1 電鏡下巖塊

1.1 水文地質(zhì)情況

隧址區(qū)地勢(shì)低緩，地表水為溝水、河水，水量受大氣降水控制，旱季溝內(nèi)水量減小或干涸。溪溝地表水屬2HCO3-·Cl--Ca2+·Na+型水。地下水主要類型有第四系孔隙水、基巖裂隙水，下伏基巖巖體破碎，基巖裂隙水較發(fā)育，主要受大氣降水及地表水補(bǔ)給。地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有硫酸鹽侵蝕、氯鹽侵蝕及鹽類結(jié)晶破壞侵蝕，正洞DK0+000～+900段及3#斜井環(huán)境作用等級(jí)分為H2、L3、Y3；正洞DK0+900～DK2+425段環(huán)境作用等級(jí)分為H2、Y2。預(yù)測(cè)友誼隧道老撾境內(nèi)正洞正常涌水量為3 000 m3/d，雨季最大涌水量為3 600 m3/d。

1.2 原隧道斷面設(shè)計(jì)參數(shù)

隧道原設(shè)計(jì)斷面如圖2所示。隧道原設(shè)計(jì)為三心圓馬蹄形斷面。根據(jù)圍巖分級(jí)及地質(zhì)構(gòu)造，采用不同的支護(hù)參數(shù)，Ⅳ級(jí)圍巖采用Ⅳb型復(fù)合式襯砌，Ⅴ級(jí)圍巖采用Ⅴb型復(fù)合式襯砌(通過班博騰斷層段采用Ⅴc型襯砌)，各類型襯砌支護(hù)參數(shù)見表1。

圖2 隧道原設(shè)計(jì)斷面(單位： cm)

表1 原設(shè)計(jì)襯砌參數(shù)

1.3 隧道結(jié)構(gòu)損傷形態(tài)

鹽巖屬于易溶化學(xué)沉積巖，具有溶蝕性及化學(xué)侵蝕性，遇水具有強(qiáng)烈的喀斯特巖溶特征，鹽巖地下水對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)具有不同程度的化學(xué)侵蝕。鹽巖遇水溶解后重結(jié)晶體積增大以及硫酸鹽侵蝕造成含鹽地層隧道圍巖具有強(qiáng)膨脹性。膨脹性、腐蝕性導(dǎo)致隧道防水襯砌結(jié)構(gòu)損傷，強(qiáng)度降低，混凝土破損嚴(yán)重，一旦發(fā)生病害，整治的難度將會(huì)很大。

鹽巖引起隧道最直觀的結(jié)構(gòu)損傷即襯砌裂縫、仰拱開裂，如圖3所示。友誼隧道在施工階段出現(xiàn)較嚴(yán)重的襯砌裂縫及仰拱開裂。自2018年7月起，DK0+670～+675兩側(cè)矮邊墻縱向開裂，裂紋寬0.001～0.015 m；DK0+695～+683仰拱縱向開裂，裂紋寬0.005～0.010 m。開裂段為45 cm厚C45素混凝土，裂縫數(shù)量逐漸增多，長(zhǎng)度、寬度逐漸發(fā)展，目前裂縫已有42條。

1.4 隧道結(jié)構(gòu)損傷機(jī)制分析

隧道結(jié)構(gòu)損傷與鹽巖的膨脹性密切聯(lián)系，膨脹壓力形成機(jī)制如圖4所示。襯砌腐蝕劣化的原因包括物理膨脹和化學(xué)膨脹。物理膨脹是指無水硫酸鈉吸水轉(zhuǎn)換成十水硫酸鈉晶體時(shí)體積膨脹，產(chǎn)生較大結(jié)晶壓力。物理膨脹主要為高礦化度的地下水，通過擴(kuò)散、毛細(xì)管、滲透、電化學(xué)遷移等作用進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)，水分蒸發(fā)并析出結(jié)晶鹽，此時(shí)的結(jié)晶鹽產(chǎn)生膨脹壓力導(dǎo)致混凝土內(nèi)部裂縫發(fā)展。此時(shí)的膨脹壓力主要是由無水硫酸鈉晶體(Na2SO4)吸水轉(zhuǎn)化成十水硫酸鈉晶體(Na2SO4·10H2O)的過程中晶體體積膨脹314%造成的。

圖3 襯砌及仰拱開裂

圖4 膨脹壓力形成機(jī)制

化學(xué)膨脹為地下水進(jìn)入混凝土內(nèi)部后與混凝土組成成分及鋼筋發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生膨脹壓力，最終導(dǎo)致襯砌劣化。作用機(jī)制可分為2個(gè)方面： 1)化學(xué)生成物(如鈣礬石、石膏、碳硫硅鈣石等)體積較反應(yīng)物大，在混凝土孔隙中脹大，產(chǎn)生膨脹壓力，引起襯砌內(nèi)部微裂縫發(fā)展。2)進(jìn)入混凝土內(nèi)部的Cl-會(huì)與鋼筋發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，造成鋼筋銹蝕。鋼筋銹蝕體積會(huì)增大2～4倍，產(chǎn)生銹脹壓力作用于混凝土。同時(shí)，混凝土C-S-H凝膠等成分被反應(yīng)消耗，混凝土內(nèi)部膠結(jié)能力下降，最終導(dǎo)致襯砌耐久性、承載力降低。

1.5 襯砌優(yōu)化

原隧道按三心圓馬蹄形斷面施工，大量裂紋發(fā)展，隧底有空腔發(fā)育。經(jīng)專家討論分析，選定圓形為隧道新斷面，并在仰拱向下擴(kuò)挖1 m施作隔水混凝土，襯砌內(nèi)輪廓預(yù)留30 cm補(bǔ)強(qiáng)空間。襯砌形式分為A、B 2種，A型襯砌用于巖體較完整且干燥無水段，B型襯砌用于圍巖裂隙發(fā)育或地下水發(fā)育段。初期支護(hù)采用“錨網(wǎng)噴+全環(huán)格柵鋼架”，A型襯砌和B型襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)僅在初期支護(hù)上有所區(qū)別，A型襯砌在拱墻設(shè)置3 m長(zhǎng)錨桿，B型襯砌在洞周全環(huán)設(shè)5 m長(zhǎng)注漿錨管。A、B型襯砌結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。

(a) A型襯砌

1.6 施工難點(diǎn)

隧道結(jié)構(gòu)形式特殊，仰拱深、斷面大。為避免地下水向結(jié)構(gòu)內(nèi)滲，造成結(jié)構(gòu)腐蝕和破壞，設(shè)計(jì)采用全包防水，綜合考慮水壓、鹽巖結(jié)晶壓力、圍巖壓力等，隧道結(jié)構(gòu)采用圓形斷面，同時(shí)對(duì)仰拱進(jìn)行加深，開挖斷面達(dá)到142 m2。

隧道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工工序多，施工組織難度大。隧道結(jié)構(gòu)由3層支護(hù)和2層防水組成，由巖面向洞內(nèi)分別為初期支護(hù)、一次防水層、隔水混凝土、二次防水層、二次襯砌。作業(yè)面作業(yè)工序達(dá)到10余個(gè)，作業(yè)工區(qū)長(zhǎng)約260 m，狹長(zhǎng)空間內(nèi)施工干擾大，施工組織難度大。

為提高結(jié)構(gòu)抗?jié)B性和耐腐蝕性，工程采用了大量新材料、新工藝，例如： C25摻納米復(fù)合材料早高強(qiáng)噴射混凝土、C35混凝土隔水層、可維護(hù)式注漿管等。該新材料、新工藝可借鑒的案例較少，工藝要求高。

2 數(shù)值模擬計(jì)算分析

2.1 膨脹壓力確定

根據(jù)王超等[15]的研究，含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為97%的CaSO4石膏地層巖樣最大膨脹壓力為330.6 kPa。友誼隧道硫酸鹽含量極高，可將文獻(xiàn)[15]室內(nèi)試驗(yàn)所得的膨脹壓力作為參考。同時(shí)，龐山等[16]基于《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》提出，采用圍巖降級(jí)的方法計(jì)算圍巖松動(dòng)壓力，即膨脹性圍巖膨脹壓力等于無膨脹性圍巖原松動(dòng)壓力。友誼隧道圍巖多為Ⅴ級(jí)圍巖，故膨脹壓力計(jì)算過程如下。

式中：B為隧道寬度；ω為寬度影響系數(shù)；i為隧道寬度每增減1 m時(shí)的圍巖壓力增減率，按規(guī)范取值；γ為圍巖重度；s為圍巖級(jí)別。

由式(1)計(jì)算所得膨脹壓力不超過330.6 kPa，同時(shí)參考友誼隧道設(shè)計(jì)資料，徑向地層膨脹壓力取250 kPa，計(jì)算時(shí)采用的膨脹壓力示意如圖6所示。

(a) 普通支護(hù)斷面 (b) 多層支護(hù)斷面

2.2 計(jì)算工況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，并參考成昆復(fù)線隧道工程等國(guó)內(nèi)含鹽地層隧道，擬定2種開挖工法。為探明徑向地層膨脹壓力的影響以及多層支護(hù)、仰拱加深的作用，用控制變量法共建立5個(gè)計(jì)算工況(見表2)進(jìn)行對(duì)比分析。

表2 計(jì)算工況

各種工法臺(tái)階長(zhǎng)度、開挖進(jìn)尺的不同均會(huì)產(chǎn)生不同的計(jì)算結(jié)果，為保證變量的單一性，故保持各工況開挖進(jìn)尺及臺(tái)階長(zhǎng)度一致。

2.3 模型建立

根據(jù)友誼隧道變更設(shè)計(jì)資料，采用FLAC3D建立隧道開挖模型。圓形斷面隧道開挖直徑為11.5 m，根據(jù)圣維南原理，模型左右、上下邊界均取4倍開挖直徑，開挖長(zhǎng)度取80 m，模型尺寸為103.5 m×104.5 m×80 m，計(jì)算模型如圖7所示。圍巖單元采用摩爾-庫(kù)侖模型，支護(hù)結(jié)構(gòu)單元采用彈性模型。除頂部邊界外，其余各邊界均采用單向固定約束，前后邊界不發(fā)生縱向位移，左右邊界不發(fā)生橫向位移，底面不發(fā)生豎向位移。

D為開挖直徑。

根據(jù)友誼隧道地質(zhì)勘察資料及基本力學(xué)試驗(yàn)，得出圍巖力學(xué)參數(shù)；根據(jù)《混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》取混凝土彈性模量，并將鋼拱架剛度等效折算，模型計(jì)算參數(shù)如表3所示。

表3 數(shù)值模型計(jì)算參數(shù)

鹽巖地層膨脹壓力主要由鹽類重結(jié)晶體積增大造成，故膨脹壓力在仰拱開挖完成后施加于洞周圍巖節(jié)點(diǎn)上。

記錄開挖過程中5種工況下Y=20 m斷面拱頂沉降、拱腳沉降、仰拱隆起、拱腰水平收斂、拱腳水平收斂、墻腳水平收斂等，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置如圖8所示。根據(jù)工況①②及③④，可分析地層膨脹壓力對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全性的影響；根據(jù)工況①③及②④，可分析多層支護(hù)及仰拱加深對(duì)圍巖、結(jié)構(gòu)的影響；根據(jù)工況④⑤，可研究二臺(tái)階法、三臺(tái)階法膨脹性鹽巖地層隧道的適應(yīng)性。

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

2.4.1 洞周圍巖變形

將工況①②③④圍巖變形全過程進(jìn)行對(duì)比，得出Y=20 m斷面洞周圍巖變形時(shí)程曲線圖(如圖9所示)，分析膨脹壓力、多層支護(hù)及仰拱擴(kuò)挖對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。根據(jù)圖9，可得到以下結(jié)論。

1)圍巖仰拱隆起>拱頂沉降；拱腳水平收斂>墻腳水平收斂>拱腰水平收斂。

2)對(duì)比工況①②及③④可知，存在膨脹壓力時(shí)，水平收斂及豎向變形均明顯增大，且水平收斂增長(zhǎng)幅度大于豎向變形。采用普通支護(hù)時(shí)，250 kPa地層膨脹壓力可使隧道拱頂沉降增大22.90%、仰拱隆起增加7.00%、最大水平收斂增大54.25%；當(dāng)采用多層支護(hù)時(shí)，250 kPa地層膨脹壓力使隧道拱頂沉降增大22.33%、仰拱隆起增加7.68%、最大水平收斂增大36.85%。

(a) 拱頂沉降 (b) 拱腳沉降

3)對(duì)比工況①③及②④可知，采用多層支護(hù)可對(duì)洞周圍巖變形起到積極的約束作用。不存在膨脹壓力時(shí)，水平約束效果與豎向約束效果基本一致，采用多層支護(hù)時(shí)較采用普通支護(hù)時(shí)拱頂沉降減小12.99%、仰拱隆起減小11.11%、最大水平收斂減小13.04%。當(dāng)?shù)貙哟嬖?50 kPa膨脹壓力時(shí)，水平收斂約束效果大于豎向變形，采用多層支護(hù)時(shí)較采用普通支護(hù)時(shí)拱頂沉降減小13.40%、仰拱隆起減小10.55%、最大水平收斂減小22.85%。

2.4.2 掌子面縱向擠出變形

整個(gè)計(jì)算模型長(zhǎng)80 m，開挖至50 m時(shí)隧道掌子面縱向擠出變形如圖10所示。由圖可得出以下結(jié)論。

1)各工況最先行掌子面縱向擠出變形最大處位于幾何中心，且與掌子面面積有關(guān)。上臺(tái)階開挖卸荷引起下臺(tái)階表面發(fā)生較大的隆起。由于空間效應(yīng)，下臺(tái)階開挖面頂部縱向擠出變形最大，其擠出量甚至超過最先行掌子面。

2)加荷時(shí)，膨脹地層壓力均處于XOY平面，故無沿隧道縱向的分力。對(duì)比圖10中(a)(b)及(c)(d)可知，250 kPa膨脹壓力對(duì)隧道掌子面縱向擠出變形基本沒有影響。

3)對(duì)比圖10中(a)(c)及(b)(d)，采用多層支護(hù)后，掌子面縱向擠出變形明顯減小。由于對(duì)仰拱進(jìn)行擴(kuò)挖，模筑混凝土更厚，仰拱臺(tái)階開挖面擠出變形減小幅度大于上下臺(tái)階。

2.4.3 初期支護(hù)受力

隧道貫通后，提取Y=40 m斷面初期支護(hù)最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，結(jié)果分別如圖11和圖12所示。由圖11和圖12可得出以下結(jié)論。

1)隧道在拱頂、拱腰處最大主應(yīng)力均為拉應(yīng)力，其余各處最大主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且拱頂處大主應(yīng)力絕對(duì)值最大。隧道最小主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且由于斷面類似圓形，小主應(yīng)力沿?cái)嗝嬷車植驾^均勻，拱腳處最大。

2)對(duì)比圖11和圖12中(a)(b)及(c)(d)可知，拱頂處最大主應(yīng)力為正值，即為拉應(yīng)力。膨脹壓力會(huì)減小拱頂處的最大主應(yīng)力，但最小主應(yīng)力會(huì)較大幅度增長(zhǎng)，且仰拱處增長(zhǎng)幅度最大，易造成支護(hù)被壓壞。

3)對(duì)比圖11和圖12中(a)(c)及(b)(d)，多層支護(hù)對(duì)初期支護(hù)最大主應(yīng)力的影響不大。由于墻腳曲率較小，無膨脹壓力時(shí)，多層支護(hù)引起墻腳最小主應(yīng)力突增，其余各處應(yīng)力較為接近。有膨脹壓力時(shí)，除在墻腳有應(yīng)力集中外，多層支護(hù)可減小其他部位的最小主應(yīng)力，尤其是拱頂附近。

(a) 二臺(tái)階普通支護(hù)無膨脹壓力 (b) 二臺(tái)階普通支護(hù)有膨脹壓力 (c) 二臺(tái)階多層支護(hù)無膨脹壓力

(a) 二臺(tái)階普通支護(hù)無膨脹壓力 (b) 二臺(tái)階普通支護(hù)有膨脹壓力 (c) 二臺(tái)階多層支護(hù)無膨脹壓力

2.4.4 工法比選

三臺(tái)階法支護(hù)封閉時(shí)間長(zhǎng)于二臺(tái)階法，圍巖變形時(shí)間長(zhǎng)，變形量大。根據(jù)圖9可知，膨脹性鹽巖地層隧道開挖采用三臺(tái)階法時(shí)，拱頂沉降、仰拱隆起、最大水平收斂值均比采用二臺(tái)階法時(shí)大，分別大5.63%、11.73%、13.24%。由于三臺(tái)階法上臺(tái)階開挖斷面較小，故拱頂沉降增大幅度小于仰拱隆起及水平收斂。同時(shí)，三臺(tái)階法開挖斷面的減小導(dǎo)致最先行掌子面縱向擠出變形小于臺(tái)階法。根據(jù)圖11可知，三臺(tái)階法施工時(shí)，圍巖應(yīng)力釋放時(shí)間長(zhǎng)，拱頂、拱腰初期支護(hù)最大主應(yīng)力略有下降。根據(jù)圖12可知，三臺(tái)階法上臺(tái)階開挖后，臺(tái)階面位于隧道拱腰，拱腰、拱頂最小主應(yīng)力大；二臺(tái)階法上臺(tái)階開挖后，臺(tái)階面位于隧道拱腳，拱腳最小主應(yīng)力大； 2種施工方法下墻腳、仰拱處初期支護(hù)最小主應(yīng)力基本一致。

隧道開挖工法適應(yīng)性比選，不僅需要從圍巖穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)受力方面考慮，還需要與施工速度、施工經(jīng)濟(jì)性相聯(lián)系。二臺(tái)階法開挖工序少，開挖速度快，初期支護(hù)及二次襯砌均較早封閉，洞周圍巖位移小，但圍巖壓力釋放較少，掌子面擠出變形最大，初期支護(hù)壓應(yīng)力承受的最大壓力略大于臺(tái)階法。但由于膨脹壓力及類圓形斷面，其支護(hù)受力均勻，承載能力強(qiáng)，且施工靈活多變，施工斷面較大，可采用大型機(jī)械開挖，工效快。三臺(tái)階法除掌子面擠出變形以外，其余各處圍巖變形均略大于二臺(tái)階法； 同時(shí)，考慮到施工成本及工作段長(zhǎng)度，認(rèn)為二臺(tái)階法較三臺(tái)階法更適用于膨脹性鹽巖地層隧道施工。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證

隧道施工現(xiàn)場(chǎng)斷面如圖13所示。在變更隧道斷面形式、支護(hù)類型前后對(duì)隧道變形進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。本文選取變更設(shè)計(jì)前后含鹽量接近的4個(gè)斷面進(jìn)行變形分析，馬蹄形斷面為DK0+690、DK0+700，圓形斷面為DK1+240、DK1+250。將隧道4個(gè)斷面拱頂沉降及拱腳水平收斂繪制成圖，并用指數(shù)函數(shù)(y=a×e(-x/t)+y0)對(duì)圓形斷面變形曲線進(jìn)行擬合。拱頂沉降及拱腳水平收斂變化曲線分別如圖14和圖15所示。通過擬合方程預(yù)測(cè)其變形穩(wěn)定值，最終與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

由圖14和圖15可知： 1)隧道采用二臺(tái)階法開挖時(shí)，馬蹄形斷面隧道開挖27 d后拱頂平均沉降達(dá)115 mm，拱腳收斂超過85 mm； 2)圓形斷面隧道開挖變形量顯著減小。通過擬合公式可預(yù)測(cè)DK1+240及DK1+250拱頂平均下沉穩(wěn)定值為37.9 mm，拱腳最大水平收斂平均穩(wěn)定值為55.8 mm。實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表4所示。由表4可知，采用多層支護(hù)后，隧道水平收斂較豎向變形能更快穩(wěn)定。拱頂及拱腳預(yù)測(cè)變形量均大于數(shù)值計(jì)算結(jié)果，但最大差值率不超過20%，計(jì)算結(jié)果基本可信。

圖13 隧道施工現(xiàn)場(chǎng)斷面

圖14 拱頂沉降變化曲線

圖15 拱腳水平收斂變化曲線

表4 實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4 其他施工技術(shù)

4.1 洞身開挖工序

隧道洞身開挖流程復(fù)雜，工序繁多，具體工序如圖16所示。首先，采用自制鑿巖臺(tái)架配合手持風(fēng)鉆鉆孔，弱爆破上臺(tái)階及下臺(tái)階①部； 通風(fēng)排煙20 min后，檢查爆破效果，排查有無盲炮等； 確認(rèn)無誤后，初噴4 cm厚噴射混凝土，施作上臺(tái)階及下臺(tái)階初期支護(hù)Ⅰ，復(fù)噴C25混凝土至設(shè)計(jì)厚度，施作臺(tái)階徑向注漿Ⅱ。下臺(tái)階開挖完成后，進(jìn)行仰拱開挖②及檢底，檢底完成后，施作仰拱初期支護(hù)Ⅲ、隧底徑向注漿Ⅳ。隧底注漿施工完成后，鋪設(shè)第1層防水，施作換填隔水層混凝土Ⅴ，再鋪設(shè)第2層防水，后澆筑仰拱混凝土Ⅵ及填充C20混凝土Ⅶ。仰拱施工支護(hù)完成后，鋪設(shè)拱墻初期支護(hù)第1層防水，利用臺(tái)車施作拱墻隔水層混凝土Ⅷ、拱墻隔水層混凝土第2層防水，澆筑拱墻二次襯砌混凝土Ⅸ。最后施工水溝、電纜槽等附屬工程Ⅹ。

圖16 洞身開挖工序

4.2 注漿參數(shù)

超前小導(dǎo)管采用熱軋鋼花管，鋼管內(nèi)壁采用普通單層環(huán)氧粉末進(jìn)行防腐，厚度≥300 μm，外層采用加強(qiáng)雙層環(huán)氧粉末，厚度≥500 μm，且應(yīng)具有抗劃傷耐磨性能。A型襯砌全環(huán)采用PVC鋼花管進(jìn)行注漿，單根長(zhǎng)度為0.5 m，拱墻間距為1.5 m×1.5 m，隧底間距為1 m×1 m。注漿配合比為普通P·O 42.5水泥質(zhì)量∶水質(zhì)量=2∶1。進(jìn)漿壓力一般為2～3 MPa，注漿終壓為4 MPa。B型襯砌全環(huán)采用φ42 mm環(huán)氧涂層鋼花管對(duì)5 m范圍內(nèi)的圍巖進(jìn)行加固、堵水，環(huán)向間距×縱向間距為1 m×1 m，交錯(cuò)布置。漿液按照超細(xì)水泥質(zhì)量∶水質(zhì)量=1∶0.5進(jìn)行拌制。

4.3 阻水榫施工

為抑制含鹽地下水在隧底的縱向流動(dòng)，減少仰拱脫空、底鼓，在鹽巖襯砌段設(shè)置隧底阻水榫，間距50 m，尺寸為1 m(高)×1 m(厚)，與隧底隔水層結(jié)構(gòu)一起整體澆筑，混凝土材料與隔水結(jié)構(gòu)一致。另外，在鹽巖含量變化較大、地下水變化較大處增設(shè)阻水榫。

隧道開挖后，阻水榫附加斷面及時(shí)施作錨噴網(wǎng)，采用人工風(fēng)鎬擴(kuò)挖。阻水榫范圍內(nèi)不設(shè)鋼架，不設(shè)土工布+EVA防水板。阻水榫橫斷面和縱斷面如圖17所示。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，隧道變更為圓形斷面并采用多層支護(hù)、向下擴(kuò)挖仰拱，同時(shí)采用“四新”開挖技術(shù)、注漿技術(shù)及隧道阻水榫等施工防水技術(shù)后，襯砌表面無裂縫發(fā)展，無鹽類結(jié)晶析出，仰拱底鼓情況得到有效控制。

(a) 橫斷面圖

5 結(jié)論與討論

本文依托中老鐵路友誼隧道工程鹽巖特殊段，采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、數(shù)值模擬、監(jiān)控量測(cè)等手段，對(duì)膨脹性鹽巖地層工程特性、隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工方法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論。

1)鹽巖具有腐蝕性、膨脹性，含鹽地下水對(duì)混凝土的侵蝕引起的膨脹壓力是原馬蹄形隧道襯砌開裂的根本原因之一。

2)250 kPa的地層膨脹壓力可大幅度增大圍巖變形，尤其是最大水平收斂，但其對(duì)隧道掌子面縱向擠壓變形基本沒有影響。膨脹壓力可減小拱頂處的最大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)，但會(huì)大幅度增大仰拱處最小主應(yīng)力，易造成仰拱被壓壞。

3)采用多層支護(hù)可對(duì)洞周圍巖變形起到積極的約束作用，存在地層膨脹壓力時(shí)，多層支護(hù)對(duì)水平收斂的約束效果大于對(duì)豎向變形的約束效果。多層支護(hù)也可使掌子面縱向變形明顯減小，仰拱臺(tái)階開挖面擠出變形減小幅度大于上下臺(tái)階。多層支護(hù)對(duì)初期支護(hù)最大主應(yīng)力基本無影響。無膨脹壓力時(shí)，會(huì)引起墻腳最小主應(yīng)力突增；有膨脹壓力時(shí)，可減小其他部位的最小主應(yīng)力。

4)綜合考慮圍巖穩(wěn)定性、支護(hù)受力、施工效率及工程經(jīng)濟(jì)性等，膨脹性鹽巖地層多層支護(hù)隧道施工宜采用二臺(tái)階法。

5)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)證明隧道結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化效果明顯，通過指數(shù)函數(shù)擬合的圍巖變形預(yù)測(cè)值與數(shù)值計(jì)算值誤差不超過20%。

6)隧道結(jié)構(gòu)采用3層襯砌、2層防水，在富水段全環(huán)注漿并施作隧底阻水榫后，襯砌開裂、仰拱底鼓得到控制。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，隧道結(jié)構(gòu)仍有一定變形，因此，需進(jìn)一步研究鹽巖的膨脹性和其蠕變性的關(guān)系，以保障鹽巖地層隧道結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期健康服役功能。