弱膨胀性围岩隧道开挖支护施工探索

王玉珍

(华铁工程咨询有限责任公司，北京 100026)

1 工程简介

1.1 概述

太中银铁路红井子隧道位于宁夏盐池县境内，进口里程DK550+084，出口里程DK555+226，隧道全长 5 142 m，其中:明挖段422 m(进口明挖段316 m，出口明挖段96 m)，隧道暗挖4 720 m，隧道一般埋深40 m～120 m。在DK551+850设斜井一处，长258 m。

1.2 工程地质

隧道穿过地层主要为白垩系下统泥岩夹薄层砂岩互层(K1)，泥岩以棕红色为主，棕褐色次之，泥质结构，厚层状构造;砂岩以砖红色为主夹少许灰绿色及灰白色，细粒结构为主，少许中粒结构，中厚层状构造。强风化～微风化，节理较发育。层理产状进口处113°∠4°，出口处 315°∠3°。经对砂岩、泥岩取样试验，砂岩、泥岩具膨胀性，自由膨胀率Fs=40.0%～50.0%，蒙脱石含量10.95%～29.3%，阳离子交换量121.31 mmol/kg～324.02 mmol/kg，饱和吸水率7.76%～28.5%。经试验证明隧道洞身围岩岩样浸水状态下，崩解形式和速率存在差异，快速崩解岩样无法测定饱和吸水率，说明隧道区岩石膨胀性不稳定。洞顶(DK551+750～DK554+600)分布第三系渐新统(E3)泥岩(含石膏)夹薄层砂岩、石膏。层理产状进口处270°∠4°。

隧道区地下水主要为基岩裂隙水，赋水地层主要为白垩系下统(K1)砂岩、泥岩层，补给来源为大气降水，属弱富水。隧道开挖后局部地段岩面出现线状滴水和大面积渗水，取水样化验判断为具有硫酸盐腐蚀，环境作用等级H3。

根据隧道洞身岩性及地下水发育状况，隧道洞身围岩分级:暗挖段Ⅴ级围岩910 m，占20%，Ⅳ级围岩3 810 m，占80%。

1.3 设计支护参数

设计参数见表1，表2。

表1 红井子隧道复合式衬砌设计参数表(原设计)

表2 红井子隧道复合式衬砌设计参数表

1.4 防水设计

二次衬砌混凝土掺加具有补偿混凝土收缩功能的HE型抗裂高效防水剂，掺量为胶凝材料用量的6%。隧道全断面铺设表面带凸型圆粒HDPE排水防水板，形成排水空间。边墙墙脚纵向设φ150 mm软式透水管，设在HDPE排水防水板外侧。

2 施工方法

2.1 地质预报

TSP203地震波反射法一次预报长度150 m，结合超前钻孔进行超前地质预报。开挖后认真作好地质素描，对开挖掌子面和洞身周边综合分析围岩的岩性、结构、构造和地下水情况，分析判断开挖面前方围岩的工程地质、水文地质特征，并依此提出工程措施建议和进一步预报的方案。

2.2 开挖方法

采用短台阶法。煤电钻钻眼，光面爆破，无轨运输，压入式通风。采用风钻有水作业易造成围岩强度急剧下降和崩解，同时通风时间过长也会加速围岩风化。

2.3 支护方法

爆破通风后立即进行一次初喷混凝土，出碴后架钢格栅，挂网，打锚杆，喷混凝土，打下一环超前小导管。锚杆采用药卷锚固剂，喷混凝土经取芯试压，C25混凝土需掺入碳塑纤维方可稳定地达到设计强度，湿喷机喷混凝土质量较干喷机稳定，但拱部易掉块。

2.4 监控量测

1)拱顶下沉:采用精密水准仪，铟钢板尺，校准钢卷尺;

2)水平收敛:采用数显收敛计;

3)布点:Ⅳ级围岩每20 m一组，Ⅴ级围岩每10 m一组，漏水段局部加密;

4)量测频率按规范要求;

5)数据分析:位移/时间实测曲线+位移/时间回归分析曲线。

3 支护试验段

由于Ⅳ级围岩原设计支护参数仅采用喷锚网，但开挖后不能保证围岩稳定，拱部掉块严重，因此除按喷锚网支护外，增设拱部格栅刚架支护进行20 m试验段，按图1布置进行围岩压力和钢筋应力测试。

图1 围岩压力和钢筋应力测试图

3.1 测试数据分析结果

1)围岩压力测试。

通过安装压力表测试并分析实测图，判明开挖后3 d内压力增长较快，约7 d趋于稳定，下台阶开挖后快速增加，不收敛。

2)钢筋应力测试。

通过安装压力表测试并分析实测图，判明钢筋应力变化趋势与围岩压力变化情况相对应。

3.2 支护参数评价

通过对围岩压力和钢筋应力测试，以及对围岩拱顶下沉和水平收敛量测，下台阶开挖后其测量值均直线增加不收敛。支护不足，不能满足安全施工要求。

3.3 试验结果

20 m试验段在开挖15 d后变形异常，停止施工撤出人员2 d后，全段坍塌，并牵连已采用拱墙全格栅挂网喷混凝土段5 m支护破坏。

4 合理支护参数

4.1 Ⅳ级围岩按表2支护参数进行施工情况

1)无渗水段。

开挖进尺1.5 m，开挖后围岩基本稳定，可不设超前小导管，格栅间距1.5 m，变形收敛;不设格栅刚架支护，变形不收敛。设超前小导管，开挖进尺2.4 m，格栅间距1.2 m，开挖后有时出现掉块，支护变形收敛。

2)渗水段。

开挖进尺1.5 m，开挖后围岩掉块，需设超前小导管，格栅间距1.5 m，变形不收敛。增加超前小导管数量，开挖进尺2.4 m，开挖后掉块严重，有时局部坍塌，栅间距1.2 m，有时会出现支护喷混凝土剥落，甚至格栅变形严重，变形不收敛;开挖进尺1.2 m相同支护参数开挖后基本稳定，支护变形收敛。

3)漏水段。

需将开挖进尺和格栅间距调整为1 m，方可安全施工。

4)支护不足时的补救措施。

量测不收敛和发现喷混凝土剥落，采用注浆加固兼止水，同时补打锚杆(加部分预应力)和喷混凝土，可短期稳定，而后进行二次混凝土衬砌。

4.2 合理支护参数

根据上述施工实践，可以看出变更后的支护参数仍然偏弱，合理支护参数和实际施工中的格栅间距为1.2 m，渗漏水地段应采用Ⅴ级围岩支护参数。

5 结语

对于膨胀岩隧道施工应该注意以下几点:

1)围岩暴露后，极易风化，有水状态下，强度急剧下降，经过一个干湿循环后，强度丧失，浸水崩解;

2)隧道开挖中排水沟宜设隧道中心，防止渗漏水积存浸泡拱脚，墙脚;

3)开挖应采用短进尺，快循环，并采用适当的支护参数，初期支护宜强不宜弱;

4)在初期支护与二次衬砌间利用凹凸防水板预留变形空间;

5)防止初期支护背后不密实，杜绝初期支护背后空洞;

6)渗漏水应通过注浆，解决在初期支护阶段;

7)因地制宜在施工中采用针对性方法和措施。

［1］GB 50108-2008，地下工程防水技术规范［S］.

［2］惠彬永，刘建锁.特殊地段隧道开挖施工技术研究［J］.山西建筑，2010，36(7):323-324.