严寒地区大跨度膨胀岩隧道施工技术分析

文/宋之勇

1 工程概况

民兴隧道位于吉林省延吉市，处于剥蚀丘陵地区，地势起伏较缓，低山地貌，冲沟发育，地形凌乱，多林地，植被茂密。隧道区处于严寒地区，年平均气温6℃，极端最高气温37.7℃，极端最低气温-29.2℃，最冷月平均值为-16.5℃，年最大降水量852mm，年平均降水量528mm，土壤最大冻结深度为1.68m。

根据地勘报告及试验结果显示，全隧道上覆较薄第四系全新统残坡积粉质黏土，其下为白垩系上统龙井组全～强风化泥岩、砂岩，泥质砂岩胶结作用差，岩质较软，岩性产状285°∠35°。根据定测阶段试验结果判定其具有中～强膨胀性。隧道浅埋，遇水易软化，围岩抗外界环境扰动能力极差。隧道最大埋深54m，取前埋深只有8m，平均不过20m，易冒顶、坍塌。

2 膨胀性围岩的基本特性

吸水膨胀。泥质膨胀性围岩的膨胀程度取决于岩石中蒙脱石矿物的含量，含量越高，膨胀量越大。

失水干缩。泥质膨胀性围岩的形状变化主要是由岩石含水量变化引起的。开挖后膨胀性围岩逐渐干燥失水引起干缩开裂，再遇水时便要膨胀崩解，干燥失水越多，遇水后膨胀量就越大。

流变特性和易扰动性，主要表现为围岩的蠕变性和松弛性。泥岩主要成分为蒙脱石，含量8.32%～37.95%，具有膨胀性，遇水易软化，围岩抗外界环境扰动能力极差。隧道断面设计为曲墙有仰拱式衬砌，最大开挖宽度14.5m，最大开挖高度13.1m[1]。

3 隧道施工方法

3.1 确定施工方法的原则

膨胀岩遇水膨胀后的应力是导致隧道开挖后变形的主要因素，所以施工单位在隧道施工的每个工序中应对围岩加强控制，特别是尽量减少人为原因对围岩的干扰，防止围岩的变形松动，采用合理的开挖方式，并通过监控量测及时选择恰当的支护方式。

3.2 方案比选

在前期施工中，我们在进、出口分别采用了CRD法和三台阶临时仰拱法，但是相对于三台阶七步法，CRD 法每步开挖高度过大，虽然通过调整也能改善一些，但是开挖面仍然较大，且对围岩扰动比较大，机械作业效率远低于三台阶七步法；另外，三台阶临时仰拱法虽然能利用挖掘机等设备开挖，但是开挖断面过大，而膨胀岩对卸载松动和施工扰动极为敏感，围岩抗扰动能力极差，所以极易造成坍方和冒顶。

三台阶七步法施工时的七个部位由于分别处于七个不同的里程，因此能够使每一个开挖断面处的围岩所暴露的面积缩减到最小，对围岩的扰动降至最小；形成支护整体并逐步向纵深推进，使支护与围岩共同作用，最大程度保证了施工安全，这对于膨胀岩施工是至关重要的，而这些也正好适应了新奥法的施工理念[2]。

3.3 三台阶七步法技术总结

前期通过进洞三百米的实践，证实了三台阶七步法是成功的，这种开挖支护方法既借鉴了侧壁导坑法的思想又省掉了施工中的临时支护的安装与拆除，同时预留的核心土又起到了支撑稳定的作用，并将预留核心土开挖由两部分为三部，在确保施工安全的前提下，在围岩软、弱过渡段通过调整各工序进尺即可实现理想效果。也就是说，当上台阶落底降低时，中台阶即成为核心土，下台阶开挖降低时，又能转化成台阶法施工。它是一种介于台阶法与双侧壁导坑法之间的施工工法，相对于其他方法而言，在复杂多变的膨胀岩施工中，能够迅速缩短作业调整周期，更适应现场灵活掌握。

3.4 三台阶七步法经济效益

我们在洞口段（原设计CRD 法）Ⅴ级围岩中采取本法施工后，仅临时支护的施作和拆除一项就可节省大量的人力与物力。据测算，节省的喷射砼量达400m3，钢材3051t，加上施工投入的劳动力，合计节约投资500 多万元。更为难得的是，给我们节约了近两个月的施工时间，这在东北可是比黄金还要宝贵的。

4 隧道防排水及防寒保温

4.1 隧道防水

4.1.1 围岩注浆堵水。民兴隧道洞口，土层覆盖较浅，地势较缓平，围岩裂隙发育且破碎，地下水较多，低温时洞口段是洞内发生冻胀的主要地段，设计人员对进出洞500m 范围进行径向注浆设计，填充围岩裂隙空隙，施工注浆深度为2m。浆液配比及布设：注浆孔布置为梅花形，环向间距为200cm，纵向间距为250cm。管采用壁厚3.5mm、φ50mm 的钢管，注浆管埋设牢靠，并在管口做好止浆阀。注水泥浆，根据围岩情况按1∶0.9～1.1 比例调整，压力按0.6～1.0MPa 调整控制[3]。

4.1.2 结构自身防水。二次衬砌全部采用防水钢筋混凝土，明洞衬砌和暗洞衬砌抗渗等级分别不低于P12 和P10。

4.1.3 防水层防水。明洞衬砌外铺设防水板，回填粘土做隔水层。横向设3.5%的排水坡，便于排水。暗洞初支与二衬间铺设土工布和双层EVA 防水板，EVA 防水板1.5mm 厚，土工布重量不小于450g/m2，先用射钉固定土工布与初支面，再采用无钉热熔焊接铺设防水板。

4.1.4 变形缝、施工缝设置。二衬拱墙和仰拱施工缝位置均设置有中埋式橡胶止水带及背贴式橡胶止水带，拱墙接纵向接缝处设置一条钢板止水带，两侧均设置；二衬变形缝处外侧边缘及内缘（3cm 范围内）均采用聚硫密封胶封堵填塞密实。

4.1.5 拱顶回填注浆。为减少初支与二衬之间的空隙，且实现不积水，设计人员对隧道二衬背后水囊进行注浆回填。二衬浇筑混凝土前先预埋φ20mm的PVC 注浆花管，管身溢浆孔梅花形布设，注微膨胀性水泥砂浆回填密实。

4.2 洞内排水

4.2.1 洞内水沟。民兴隧道设计双侧全部设置保温水沟，隧道中心设置深埋水沟，检查井每30m 设置一口。采用φ500、壁厚12cm 钢筋混凝土预制管，预制管底部回填10cm 厚C20 混凝土垫层，两边均回填碎石最为渗水层，顶部采用宽2m、厚10cm 的聚氨酯作为保温层。

4.2.2 二衬后设置排水盲管。拱墙初支与二衬之间环向铺设直径75mm 外包无纺布单壁打孔波纹管，进、出口500m 段落每隔5m 环向设置一道，其他地段每隔8m 环向设置一道；在初支与二衬之间两侧边墙底部纵向设置φ100mm 双壁打孔波纹管作为排水盲管，全部导流至中心深埋水沟，最后通过中心水沟流出洞外排水系统。

4.2.3 温度伸缩缝。气温冷热变化会引起混凝土的热胀冷缩，进而可能会引起二衬出现裂缝，因此二衬在施工缝处同时设置温度伸缩缝，进、出口500m地段每30m 设置一处温度伸缩缝，洞内其他段落每隔50m 设置一处。

4.2.4 洞外保温水沟。在冬季，为防止隧道内水排至洞外因低温结冰引起水流堵塞，在处洞口后同样设置保温水沟，同时根据最大冻土深度，洞外深埋保温水沟，埋深在最大冻土基础上加25cm，设置好排水纵坡，坡度控制在5‰以上，利于洞内排水，每隔50m设置一道检查井；选择合适背风向阳的位置作为在排水沟的末端，并做好保温工作，顺接至排水系统。

4.2.5 保温检查井密封。为防止冬季检查井内水遇到冷空气发生结冰，施工人员必须保证检查井的密封性。经多次实践和冬季检验，设置2cm 厚橡胶垫圈作为密封层效果较好。

4.3 保温层施工

初支护和二衬间设置保温层，采用5cm 厚硬质聚氨酯保温板，拱墙设置。通过多次施工实践总结，保温板采用防水板条连接背带进行挂设，在已经挂好的第一层防水板面上采用热熔焊接防水板条，再用热熔办法将保温板固定，第二层防水板挂设时同样采用热熔法将防水板焊接在固定保温板的防水板条上。

5 施工管理

5.1 严格工序组织

在隧道施工中，要严格衔接好各个工序。采用挖机端进尺开挖，立架、挂网、施作系统锚杆、喷射混凝土，避免工序时间过长而导致围岩变形，实现快速封闭，及时成环，二衬紧跟，确保施工安全。

5.2 加强监测工作

对于膨胀性围岩隧道，工作人员要做好洞内监控量测工作，按验标频率及时监测，根据量测信息，必要时提高量测频率和数据的真实性，确保量测信息能真实反映初支变形情况，为及时调整施工方案、支护参数及施作二衬提供准确、及时的参考。

5.3 严格按照施工图做好排水系统，控制施工用水

水是导致膨胀性围岩膨胀的直接原因，因此工作人员应严格按照设计施作洞内防排水，及时排除围岩渗水及施工废水。锚杆钻孔采用长螺旋钻进行钻孔，施工尽可能不用水，同时做好其他工序排水工作。

5.4 做好隧道保温及防水措施

加强围岩注浆止水施工，把围岩渗水控制在初期支护最大冻结深度以外；重点做好防水层及施工缝防水，优化衬砌施工配合比，加强混凝土自身防水等级，通过多种施工措施彻底止水，切实做好衬砌及水沟保温，防止低温造成冻害。

6 结语

民兴隧道的施工现在已经经历了五个冬季和五个雨季的实际检验，在开挖、支护、防排水以及防寒保温方面是比较成功的。另外，在进度方面，采用三台阶七步法比CRD 法快一倍以上，节约了大量的人力物力，也得到了同仁和业主的认可。实践证明，在严寒地区大跨度膨胀岩隧道施工中，这些技术和措施能够确保施工的安全和质量，并且是行之有效的。最主要的是，民兴隧道的施工为今后在寒区类似隧道施工积累了宝贵的施工经验，也培养了一批人才。