季节性冻土区膨胀岩隧道掘进与冻害预防技术

张红卫

（中铁二十二局集团有限公司，北京　100043）



季节性冻土区膨胀岩隧道掘进与冻害预防技术

张红卫

（中铁二十二局集团有限公司，北京100043）

摘要吉林至图们至珲春高速铁路东兴隧道位于季节性冻土区，施工期地下水补给充足，水位接近地表，洞内涌水量较大，而且是在强～全风化膨胀岩场地进行CRD法施工，施工安全风险大，同时面临冻害预防问题。本文分析了工程施工难点与设计要点，通过采取提高掌子面稳定性、控制拱部整体下沉、防冻防水与预留施工缝三项技术措施，并坚持“管超前、短进尺、留核心、强拱脚、早封闭、勤量测”原则，显著控制了膨胀围岩的变形，避免了过大的支护压力。东兴隧道已经历了3个完整的冻融循环，隧道排水通畅，二衬混凝土未发生冻胀开裂现象，达到内实外美的预期效果。

关键词季节冻土区；膨胀岩；隧道；人工暗挖；冻害防控；施工技术

1　工程概况

吉林至图们至珲春（简称吉图珲）高速铁路东兴隧道位于吉林省延吉市城区边缘［1］，按照速度250 km/h双线隧道设计，全长1 420 m、开挖跨度12. 22～15. 86 m、拱顶高10. 86～13. 02 m、上覆土层厚度5～37. 8 m、最大埋深47 m。全隧均为Ⅴ级围岩，岩性为第四系人工堆积层杂填土、粉质黏土、全风化～强风化泥质胶结砂岩与泥岩互层。其中，粉质黏土与砂岩膨胀潜势为中～强；泥岩具有强膨胀性，属于典型膨胀岩［2］。东兴隧道处于季节冻土区，冬季漫长寒冷，春季短暂，且春季冻土融化较快，最冷月平均气温- 16. 5℃，极端最低气温- 29. 2℃，最大冻结深度1. 68 m；年平均降水528 mm，最大降水852 mm。地下水丰富且主要为基岩裂隙水，施工期水位接近地表，隧道最大涌水量858 m3/d［2］。

2　施工难点与设计要点

吉图珲高速铁路东兴隧道在施工方面存在以下工程问题：①季节冻融作用，冻结期超过6个月，春季冻土融化速率较快；②施工期水位接近地表，隧道涌水量较大；③围岩为一套膨胀性强、渗水性大、强度低、稳定性差的强～全风化膨胀岩，并且存在松散而强度低、稳定性差的人工杂填土、粉质黏土、砂砾土；④穿越植被发育且地形复杂的山区边缘丘陵地带；⑤浅埋～超浅埋大断面中长隧道，开挖跨度12. 22～15. 86 m、上覆土层厚度5～37. 8 m；⑥人工暗挖施工，易引起上部塌方冒顶。因此，隧道存在2个施工难点：①膨胀岩遇水膨胀、蠕变，易出现掌子面流坍现象并产生很大支护压力，导致初期支护结构过大变形、破坏、失效，造成洞壁塌方、上部冒顶，危及施工安全且影响工程进度。如何采取有效措施有效控制掌子面稳定且限制初期支护变形是施工的一个难点；②针对季节性冻融作用、地下水位浅且丰富、超过6个月长冻结期，建设中如何确保设计的止水防冻措施达到预期效果成为施工的另一难点。

针对上述问题，确定了隧道设计要点：①采用锚喷支护，复合式二次衬砌；②采用“防水板+保温板+防水板”措施，通过二衬背后铺设环向盲管、纵向盲管将水引至中心深埋保温水沟，流至洞外保温出口排出，从而形成有效的止水防冻害体系。具体设计参数见表1。

3　关键施工措施

3. 1提高掌子面稳定性措施

1）超前支护

超前支护的常规措施有超前管棚、超前注浆、超前小导管等［3-7］。根据工程经验，通过比较不同超前支护措施的效果，如超前管棚洞内作业的施工角度难以控制、超前注浆的浆液难以扩散等，最终选取了加密超前小导管措施。具体办法：采用φ42 mm超前小导管（钢管），环向间距0. 15～0. 20 m，预留足够搭接长度（不小于3倍开挖进尺），导管内插φ22螺纹钢，螺纹钢与拱架连接成整体，以提高导管刚度。施工时，严格控制小导管角度，尽可能使导管处于水平位置，以减少超挖。

表1　隧道支护与止水防冻害设计参数

2）合理选取开挖方法

采用CRD机械+人工暗挖法，始终坚持“努力保护围岩稳定性，避免对围岩扰动，减少对残留岩体损伤”的施工原则，并综合考虑施工进度、工程效益、安全防护等。开挖机械的选取尤为重要，通过比选，最终选用铣挖机开挖，其具有对围岩扰动小、开挖进尺短而速度快的优点。

3）及早封闭掌子面

开挖后，采用素喷混凝土及时封闭掌子面，喷混凝土厚度一般为5～10 cm；对于局部渗水量较大的砂层地段，先预留排水管且设置锚杆，采用10 cm×10 cm铁丝网片将锚杆焊接牢固连成整体，再喷混凝土，确保喷射混凝土与岩面密贴，减少喷射的混凝土脱落。

3. 2控制拱部整体下沉措施

1）型钢钢架支护

拱脚土体承载力小是引发拱部整体下沉的根本原因，因此提高拱脚土体承载力是支护封闭之前控制拱部整体下沉的关键措施。具体方法：①待机械开挖至拱脚附近，拱脚土体预留20～30 cm，改用人工开挖。②型钢钢架架立之前，对拱脚纵向平铺砂袋（以避免拱架悬空），砂袋上铺设［28a槽钢，将钢架安放在槽钢上，以增加拱架底脚受力面积，纵向通过φ22螺纹钢、槽钢与型钢钢架焊接牢固，形成整体受力结构。③拱架架立之后，采用φ42 mm锁脚锚管定位，严格控制锚管角度（一般以30°～45°为宜），灌浆饱满以使之起到桩基或悬臂梁作用。④为了加强锁脚锚管与拱架之间牢固性，拱脚处锁脚锚管与拱架间采用自制连接板连接（连接板间距控制为15～20 cm，见图1），以使二者共同受力；拱架架立之前先将厚16 mm连接板焊接到拱架上，拱架架立之后将锁脚锚管与连接板焊接牢固，再喷混凝土充填密实。⑤每节拱架连接处也是薄弱环节，在围岩压力下易产生变形，致使喷射的混凝土开裂、掉皮，因此连接板必须与拱架无缝粘贴且用螺栓连接紧密、牢固。⑥预留核心土施工时为解决部分锁脚锚管因作业空间不足而难以及时施作且与拱架连接不牢等问题，在喷混凝土之前采用水泥编织袋等对拱架需要施作锁脚锚管部位进行包裹，待空间满足后立即施作锁脚锚管，并与拱架焊接牢固。

图1　拱架与锁脚锚管连接示意（单位：cm）

2）强化监控量测

成立监控量测小组，施行专人负责、专人量测和专人监控。在上断面、中断面、下断面均严格定时量测，及时分析开挖之前、之后的量测数据，以有效指导施工，及时调整施工方案；详细统计同一里程自上半断面开挖至仰拱封闭的总沉降数据，为后续开挖预留变形量提供依据。本隧道开挖区段的预留变形量为1. 0 m左右。

3）洞内排水

水是膨胀岩的天敌［8］，膨胀岩遇水将发生快速膨胀变形（尤其是强～全风化膨胀岩），对支护结构产生很大的土压力，导致支护破坏、失效且造成拱部塌空、冒顶，而施工期地下水位又接近地表且洞内涌水量较大（最大涌水量达858 m3/d），因此施工中必须严禁洞内积水漫流，通过采取及时开挖临时排水沟及喷混凝土之前预先设置排水盲管等措施，将施工用水和基岩裂隙水通过引水管（沟）引至积水井统一排出。

3. 3隧道防冻、防水与预留施工缝

1）防冻保温措施

隧道防冻保温措施就是施作保温板、中心保温水沟、保温检查井和保温出口［9-11］。

保温板施工。为便于安装固定选取保温板规格为长1. 0 m×宽0. 5 m，采用“背带固定法”挂设。背带采用防水板现场制作（长75～80 cm、宽5 cm）。挂设保温板时，在第一层防水板上精确放样标识，自拱顶向两侧拱脚顺序挂设，背带与第一层防水板焊接紧密（焊接宽度≥10 cm），背带紧压保温板且绕行保温板正面、再与上排背带焊接牢固，要求保温板挂设平整、顺直且与防水板密贴，保温板铺设方案见图2。

图2　保温板铺设方案（单位：cm）

中心保温水沟施工。在仰拱开挖过程中将深埋水沟一次开挖到位，清理干净基底，施作C25混凝土垫层；待垫层达到一定强度，向水沟中吊装侧壁带孔的φ60 cm混凝土管，底部采用混凝土填充密实，并铺设洗净的碎石。

保温检查井施工。检查井的开挖、立模、浇筑混凝土均按照常规工艺施作，为防止冬季冷空气进入检查井而引起井内水结冰，在检查井井口的四周设置厚2 cm、深2 cm橡胶垫圈预留槽，安装橡胶垫圈，从而增加检查井井盖的密封性。

保温出口施工。必须结合地形合理选取保温出口的位置，保温出口应选在“背风向阳、地势空旷”处，保温出口的引水管必须设在冻层之下且向外的排水坡（坡度≥3％），确保排水畅通。

2）防水措施

隧道防水措施包括围岩注浆堵水、防水板止水和止水带止水［12-14］。

围岩注浆施工。初期支护施作完成之后，采用静压渗透注浆工艺，对距离洞口500 m范围的隧道围岩进行径向注浆，注浆范围为2 m的环形加固圈，注浆孔呈梅花形布置、环向间距1. 8 m、纵向排距2. 6 m，注浆压力为0. 5～1. 5 MPa，通过环形注浆帷幕尽可能有效封堵地下水向隧道洞壁及其邻近围岩渗流。

防水板施工。采用吊挂法施作防水板，必须严格控制第一层防水板挂设的吊点锚固深度、间距。依据保温板、防水板的重量计算确定吊点锚固深度、间距。一般锚固深度以8～10 cm为宜，吊点间距拱部为0. 5 ～0. 6 m，边墙为0. 8～1. 0 m，以承受保温板和第二层防水板的重量。第二层防水板直接焊接至保温板背带上，确保焊接紧密牢固。

止水带施工。纵向钢边止水带采用自制角钢固定模具施工，其安装图见图3。采用∠10 cm×6. 3 cm不等边角钢加工固定卡，仰拱施工时采用固定卡将止水带固定牢固，以保证止水带顺直及预埋位置符合设计要求，浇筑混凝土与角钢底面齐平，振捣密实。钢边止水带纵向搭接时，先将止水带切割成斜面，采用强力胶将止水带粘贴紧密，并在钢边处用铆钉固定。

图3　钢边止水带安装（单位：cm）

3）预留施工缝

为了避免因温度变化引起材料热胀冷缩而造成二衬开裂，需要对二衬合理预留施工缝（即温度伸缩缝）［15］。在二衬施工过程中，距离洞口500 m范围每隔30 m设置1道二衬施工缝，超过500 m范围每隔50 m设置1道二衬施工缝。全环设置施工缝，埋设钢边止水带、背贴式橡胶止水带，对衬砌混凝土内缘、外缘3 cm范围内以聚硫密封胶封堵，其他范围空隙采用填缝料填塞密实。沟槽施工缝的设置方法与二衬施工缝一致，施工后对纵向接地钢筋做防锈处理并采用密封胶封堵密实。施工缝的防水处理布置见图4。

图4　施工缝的防水处理布置

4　结语

吉图珲高速铁路于2015年10月全线通车运行。截止2015年8月，东兴隧道已经历了3个完整的冻融循环考验。

通过对2012—2013年（施工期）、2013—2014年、2014—2015年3个冻融循环的现场监测与观察，排水通畅，二衬混凝土未发生冻胀开裂现象，达到内实外美的预期效果。证明本工程所采取的措施行之有效。

参考文献

［1］金龑.吉图珲高铁东兴隧道冻害防治技术研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

［2］罗军.吉图珲高铁东兴隧道膨胀岩场地预留土柱施工方法研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

［3］刘钟，柳建国，张义，等.隧道全方位高压喷射注浆拱棚超前支护新技术［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（1）：59-65.

［4］杨哲峰，高诗明，王双超，等.低渗透性地层隧道超前加固改进研究［J］.铁道工程，2015，32（1）：99-103.

［5］周艺.隧道掌子面稳定性分析及其控制技术研究［D］.成都：西南交通大学，2010.

［6］李斌.隧道掌子面稳定的判定方法研究［J］.路基工程，2010（4）：88-90.

［7］王小军.膨胀岩的判别与分类和隧道工程［J］.水文地质工程地质，1995，22（2）：44-48.

［8］崔旭，张玉.膨胀岩的判别分级与隧洞工程［J］.甘肃水利水电技术，2000，36（3）：186-191.

［9］张剑.高寒地区铁路隧道防冻排水设计探讨［J］.铁道建筑，2014（10）：16-21.

［10］苏彦鸿，黄振明.城市道路隧道防水措施与对策［J］.长安大学学报（自然科学版），2002，22（4）：37-38.

［11］宋顺德.寒冷地区铁路隧道防排水设施冻害浅析［J］.铁道建筑，2011（7）：63-65.

［12］董新平.铁路膨胀岩隧道施工技术研究［J］.铁道工程学报，2001（1）：58-61.

［13］陈建.浅埋膨胀岩隧道支护变形特征及变形异常处理［J］.西部探矿工程，2003，15（5）：74-76.

［14］刘以文.严寒地区膨胀岩隧道施工技术［J］.中国科技信息，2013（11）：67-68.

［15］张胜，黄玲珂.衬砌施工缝防水技术在隧道施工中的应用［J］.山西建筑，2002，28（12）：68-69.

（责任审编葛全红）

Driving of Tunnel in Swelling Rock at Seasonally Frozen Soil Area and Its Frost-Damage Prevention Technology

ZHANG Hongwei
（China Railway 22nd Bureau Group Co.，Ltd.，Beijing 100043，China）

AbstractDongxing tunnel，located in seasonally frozen soil area on Jilin-T umen-Hunchun high speed railway，faces the problem of water inflow in its construction，induced by adequate recharge of groundwater and fairly shallow groundwater level. Given that the swelling rocks in the areas are either heavily or completely weathered，the application of CRD engineering approach may brings about safety and frost concerns. In this context，the paper analyzed the engineering difficulties and design priorities，and proposed three approaches，namely better stability of working face，tighter control over arch settlement，as well as anti-frost and anti-inflow measures combined with the reservation of construction joint. All the approaches were carried out under the principle that ensures advance duct，short distance of excavation advancement，reservation of core soil，enhanced arch springing，early sealing of working face and measurement on a regular basis. T he efforts helped avoid the deformation of surrounding rocks and the excessive pressure on supportings. After three complete freezing-thawing cycles，Dongxing tunnels promised great performance in water drainage and no concrete crack on the secondary lining，standing as a solid and elegant piece.

Key wordsSeasonally frozen soil area；Swelling rock；T unnel；M anual subsurface excavation；Frost-damage prevention；Construction technology

中图分类号U455. 4

文献标识码A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 26

文章编号：1003-1995（2016）05-0116-05

收稿日期：2015-10-12；修回日期：2016-01-15

基金项目：中铁二十二局集团有限公司科技计划（GT13718-1）；国家自然科学基金（41430634）；国家重点基础研究发展计划（973计划）（2012CB026104）

作者简介：张红卫（1981—），男，高级工程师。