中强膨胀性围岩隧道施工技术

2013-08-21黄强

山西建筑 2013年12期

黄强

(中铁十七局集团第四工程有限公司，重庆 401121)

1 工程概况

湖北宜(昌)巴(东)高速公路段界岭隧道进口位于宜昌市夷陵区雾渡河镇，出口位于兴山县水月寺镇。该隧道采用分离的独立双洞双向四车道公路隧道，其中左洞全长5 653 m，右洞全长5 681 m。界岭隧道围岩为云母片岩、片麻岩的全～强风化产物，岩石遇水后迅速软化呈半岩半土状，强度极低，手捏即碎，颜色以灰白色为主。母岩中的白云母、钾长石风化后形成亲水矿物——伊利石、蒙脱石，遇水膨胀，失水收缩，体积变化较大，胀缩可反复交替，试验所测其自由膨胀率Fs=70%，属中等偏强膨胀，开挖后对围岩的稳定产生极大的破坏。

2 膨胀性围岩的基本特性

膨胀性围岩根据产生的原因可分为三种:吸水膨胀、风化膨胀和由地应力释放而引起的膨胀。在界岭隧道施工实践中，膨胀性围岩大都是吸水和风化引起的综合膨胀岩，即在水和空气的物理、化学作用下，富含云母软岩、变质岩等岩体发生体积增大。

在隧道施工中，由于钻爆法开挖使洞壁较远处裂隙水渗入及施工用水的浸入，使围岩吸水膨胀，从而对隧道初期支护产生膨胀压力;开挖外露的变质岩遇空气迅速软化，围岩应力得到有效释放，使用隧道围岩产生塑性变形，加大了膨胀压力。

若隧道支护体系处治不当，甚至采用非膨胀性围岩的刚性支护，则容易产生洞室坍塌、初支侵限、衬砌开裂及仰拱鼓起等不良后果，而地下水往往富集于隧道仰拱部位，故膨胀压力对仰拱的破坏作用更为显著。此外，膨胀性围岩性状变化主要由岩石含水量变化引起，若能保持开挖前的含水量，通常不具备膨胀特性;开挖后膨胀性围岩快速失水变干，再遇水就会造成膨胀坍塌。总的来说，干燥失水越多，遇水膨胀变形也越大，围岩膨胀压力会增加，同时岩体会软化，承载力降低。因而，膨胀性围岩是一种吸水膨胀、失水收缩和反复膨胀变形的围岩。

3 支护材料性能分析与比选

3.1 U29拱架工作原理

U29型可伸缩性拱架由若干拱架单元组成，节与节之间用摩擦连接件连接，当拧紧连接件的螺母后，连接件将拱架单元间搭接的型钢压紧。要推动拱架节间搭接部分滑动必须克服型钢与连接件之间的摩擦阻力。当隧道开挖后，围岩发生变形，压紧拱架，拱架承受荷载，产生内力。围岩压力推动拱架节间搭接型钢的滑动，钢架与连接件则阻止其滑动。当围岩轴力推动型钢时，连接件将发生歪斜，受力后产生变形，使连接件与型钢间的压力加大，即型钢搭接部分之间的摩擦阻力增大。当围岩推动力小于此摩擦阻力时，拱架不缩;若推动力大于摩擦阻力，型钢之间产生相对滑动，拱架缩短，相应减小了拱架承受的外荷载。也就是说，当推力小于摩擦阻力，型钢之间出现相对稳定，拱架不再缩短，与外荷载力处于相对平衡状态。

U形钢拱架的反复可缩性工作过程，比较符合隧道新奥法设计原理中的围岩收敛—约束变形的支护理念，充分发挥了围岩的自承能力，保证了围岩的稳定。

3.2 拱架材料选择

在力学性能上工字钢及H型钢相对呈刚性，格栅拱架虽然为柔性支护，但同样与工字钢及H型钢一样，采用法兰式对接，拱架不能随围岩一起收敛变形。拱架在较低的围岩压力作用下产生弹性变形和挠曲，当外荷载继续增加，拱架内力随之加大，拱架没有可缩性，则在内力大到一定程度以后，拱架就会出现塑性变形，严重的时候拱架将遭到破坏因而失去拱撑的能力。在膨胀岩段的拱架支护，对材料的选择进行了相关的比选，最后选择U形钢架支护。

4 实施方案

4.1 方案说明

针对界岭隧道的中强膨胀性围岩施工，采用“管注浆超前，弱爆破，短进尺、少扰动、强支护、早成环、二次衬砌紧跟”的技术措施，开挖采用局部钻爆法与机械配合，初期支护紧随开挖工作面及时施作，以减少围岩暴露时间，控制围岩变形，防止围岩松驰，其工艺严格按照规范和规程办理。二次衬砌根据初期支护的情况和围岩量测结果，选择适当的时机进行浇筑。每段模筑混凝土长12 m，均一次完成整体浇筑，在浇筑时注意预留和预埋照明、通风、消防等所需的洞室和线路管、孔、槽。

4.2 施工方法

1)超前支护采用φ42×3.5 mm超前小导管注浆，布设于拱顶150°范围内，导管长L=350 cm，环向间距40 cm，仰角为10°，纵向搭接长度150 cm，并注入水泥浆固结，在地下水发育地段则注入水泥—水玻璃双液浆，注浆压力1.0 MPa，确保注浆效果良好。小导管采用热轧无缝钢管，钢管前端呈尖锥形，尾部焊接上Φ6加筋箍，管壁四周钻φ6 mm的压浆孔，尾部1 m范围内不设压浆孔。

超前小导管注浆施工工艺流程图见图1。

2)围岩开挖采用上下短台阶法，钻爆法与机械配合施工，其开挖工序:测量中线、水平，划出轮廓线(超前支护)→钻眼→上台阶装药、爆破→通风除尘、清除危石→出渣。上台阶开挖完成后立即施作支护。断面尺寸根据监控量测数据以及围岩膨胀情况加大预留变形量20 cm～30 cm。

3)径向支护采用长L=350 cm的φ42小导管，按照60 cm×80 cm的梅花形来布置，并注入水泥浆;钢筋网铺设双层φ8钢筋，15 cm×15 cm布置;喷射23 cm厚的C25混凝土，内设可伸缩性的U29钢拱架，拱架纵向间距Δ=60 cm，喷射混凝土层在可伸缩性节点处设置环向伸缩缝。对变形量较大的岩面，喷射混凝土层环向每5 m应该布设一条宽10 m的纵向变形缝如图2，图3所示。

图1 超前小导管注浆施工工艺流程图

图2 隧道支护类型图

4)待初支变形速率趋于稳定且小于0.2 mm/d～0.5 mm/d时，及时施作二次衬砌，二次衬砌采用50 cm厚C25防水钢筋混凝土结构。

5)在初期支护与二次支护之间敷设土工布和PVC防水板组成的防水层外，衬砌采用防水混凝土，并对施工缝、工作缝、沉降缝作专门的防水处理，同时在初期支护与二次衬砌之间视地下水情况，每隔1.5 m～3 m左右设置一环向盲沟。盲沟与衬砌边墙底和中墙顶部设置的纵向排水管相连通，同时也在初期支护与二衬之间每隔1.5 m～3 m左右设置一环“Ω”形排水管，将水引入纵向排水管，并在隧道纵向设置引水管，引水管纵向间距每20 m设置一处。将衬砌背后水引入边沟排走。

图3 U29拱架示意图

6)监控量测是隧道施工的重要组成部分，是隧道施工管理中不可缺少的重要环节。通过现场的监控量测，为判定围岩稳定性，支护、衬砌可靠性，二次衬砌合理的施工时间，以及修改施工方法，变更支护设计参数提供依据，指导日常施工管理，确保施工安全和质量。根据本隧道围岩特点，过程中选择了拱顶下沉量测、支护状态观测、周边位移量测、地质超前预报、锚杆抗拔力五个项目。

洞内监控量测测点布置示意图见图4。