膨胀土条件下大断面隧道初支优化与变形控制

王红亮

(中铁十八局集团第四工程有限公司，天津 300000)

受限于地域性，膨胀土隧道施工仍面临大量需要解决的问题。本文针对西南地区铁路大跨度隧道膨胀土条件下变形控制难题，对施工方案进行优化，最终有效控制了膨胀土施工变形难题，实测效果良好。

1 工程地质概况

双石一号隧道位于重庆市永川区双石镇境内。隧道进口里程为DK229+360，出口里程为DK230+233，隧道全长873m，为Ⅴ级围岩。线路纵坡3‰，采用台阶法施工，台阶长度根据Ⅴ级围岩设置，遇到特殊地层根据实际情况调整施工参数。地层为主要为第四系全新统洪积砂质黄土，滑坡堆积块石土；上更新统风积砂质黄土和细圆砾土；中更新统冲积砂质黄土，下伏第三系泥岩夹砂岩。隧道局部穿越膨胀土地段，根据设计图纸，该项目膨胀土自由膨胀率20%～60%，膨胀力5～40kPa，饱和吸水率12%～29%，为不易崩解的膨胀岩，胀缩性大，易风化剥落，遇水易崩解，对隧道围岩的稳定产生不良影响。

由于膨胀岩土体膨胀机理及工程特性的复杂性，导致目前膨胀性围岩隧道的设计和施工还没有成熟的原则和方法，其仍是隧道工程设计建设中的重大难题之一。

2 膨胀土施工重难点及现场情况分析

2.1 施工难点分析

2.1.1 预留变形量确定困难

膨胀土隧道预留变形量困难是因为膨胀变形预测困难，如预留变形量较小，容易出现初支受较大膨胀变形而出现开裂的现象；但是预留变形量过大，施工时需要增加一定量的二衬混凝土，经济性较差。因此，膨胀土隧道的预留变形量需要综合考虑，既要保证隧道初期支护施工后不因膨胀变形而出现开裂、收敛过大，也要保证增加的二衬混凝土量在合理的范围之内。合理的预留变形量不仅是保证隧道变形后初期支护质量、隧道二次衬砌厚度满足设计要求的需要，也是保证在该特殊地层条件下不返工、进度安全都满足要求的需要，该项目根据前期施工经验，暂定预留变形量为150mm。

2.1.2 支护参数选择困难

尽管不可能从部分已知元素中恢复所有的低秩矩阵，但是可以期望恢复其中的绝大多数矩阵.要恢复一个低秩矩阵，可以先将其转化为求解下面的矩阵秩最小化问题：

目前，铁路隧道常规设计Ⅴ级以下围岩基本上都采用复合式衬砌，初支通常采用锚喷+钢格栅或型钢结构，但是，由于膨胀土的复杂性、特殊性，在该种地质条件下采用的参数需要经过多次试验，所以，准确确定其支护参数比较困难。

2.2 现场施工情况分析

2.2.1 膨胀土段隧道变形情况

该隧道施工至DK133+750～DK133+780段时，遇到膨胀性围岩，围岩的实际膨胀性较勘察报告更大，导致初期支护出现大量的环向裂缝，钢架结构局部扭曲，变墙和拱脚处出现较为明显的变形，局部开裂处混凝土剥落掉块，施工风险极高，给后续施工安全管理带来较大困难。

为准确掌握围岩变形情况，对变形超限段进行加密观测，加密监测点5m设置一道。对膨胀土部分的变形监测结果见图1。

图1 加密监测断面变形量

从图1可以看出，最大收敛变形量达280mm、最大沉降变形量达220mm，收敛变形量远大于拱顶沉降，且二者变形均远超预留变形量最大值150mm。因此，在后续施工中，合理预留变形量及如何有效控制较大的收敛和沉降变形是面临的关键任务。

2.2.2 隧道变形原因初步分析

经加密监测，对取得的数据通过分析，初步认为变形量超标的原因主要有以下几方面：

a.围岩变形。由于实际施工中遇到的围岩与地勘中的有一定差异，为进一步了解该项目围岩的膨胀性，对围岩泥岩进行有荷载膨胀率试验和膨胀力试验，试验结果表明，围岩膨胀力83.7kPa，自由膨胀率为71%，导致初支局部变形严重。

b.初支抑制围岩变形的能力不足。隧道常规Ⅳ级围岩设计采用格栅钢架，间距1.2m，在遇到膨胀性岩层之前一直能够正常施工作业，但是到膨胀性围岩地层时，局部有水地段钢格栅出现明显的纵向扭曲、外侧钢筋严重外鼓凸出，封闭晚的钢格栅接头甚至因尺寸差异大，导致不能准确对接，进一步导致初支不稳定，变形不能有效控制。

隧道设计采用两根φ22水泥砂浆锚杆与钢架连接，单根长度3.5m，单根抗拉力不小于150kN。现场检查中发现在锚杆长度、锚固质量合格的前提下，大部分锚杆抗拉力仍然不能满足设计要求，不能有效抑制水平收敛。

c.初期支护预留变形量不合理。施工时对膨胀性围岩的特性认识不足，在膨胀性断面预留的变形量跟普通段一样，均为150mm，为根据围岩情况及监控量测结果进行及时调整，导致变形控制不能满足要求。

3 膨胀土化学成分分析

膨胀土有其复杂的成因，其形成和演化过程很复杂，不同的母岩经过各类物理化学作用改造后被水流带到不同的地方，然后遇到不同的地质时代与沉积环境。导致膨胀土类型很多，处理难度较大。但是考虑到膨胀土的主要矿物成分是类似的，主要有高岭石、蒙脱石和伊利石，只是其不同物质的含量不同，才导致了膨胀土的特性各不相同。

为查明该工程膨胀土特性，为后期控制变形措施提供支撑参数，该项目利用X射线能谱(EDX)等手段对场地内膨胀土的化学成分进行了分析，结果表明，土样中SiO2、Al2O3、Fe2O3的含量分别为61.12%、19.18%、9.76%，三者含量之和超过了90%。

4 膨胀土隧道方案优化

对膨胀土的化学成分有了初步了解，加上对隧道围岩变形原因进行了初步分析，为后续施工方案的拟定提供了有效的参考资料。

4.1 方案拟定

考虑侵限是由膨胀土的膨胀变形、钢架承载力、预留变形量的不足综合引起的，经过多方讨论及设计单位变更设计，拟采用Ⅰ20型钢钢架代替格栅钢架，隧道预留变形量调整为250mm。

型钢代替原设计格栅具有如下优点：型钢较原设计格栅钢架具有更强的刚度，能够有效地抵抗膨胀土膨胀力，减少隧道变形；相对于格栅钢架，型钢钢架加工更加方便，施工效率更高；钢架受力与加工质量有密切联系，格栅钢架加工质量不易保证，整体受力效果不稳定，相比之下型钢钢架加工简单，加工质量较易保证，受力效果稳定；采用型钢如果能够有效地控制隧道变形，隧道初支预留变形量保持在原设计较小的水平，能够大量减少二衬混凝土超方量，具有良好的经济效益。

综合以上优点，最终确定采用Ⅰ20型钢钢架代替格栅钢架。

4.2 钢架受力性能分析

确定隧道采用工字钢替代原设计格栅钢架后，为准确掌握型钢的受力性能，采用数值模拟软件建立三维模型对钢架和原设计钢格栅进行受力分析。

数值模拟主要取隧道上拱部120°范围内受力较大的部分进行分析，模拟时的荷载按照钢拱架实际受力施加，并考虑一定的膨胀力的作用。分别建立了采用原设计钢格栅和优化后的型钢支护模型(见图2、图3)。

图2 格栅拱架分网模型

图3 工字钢拱架分网模型

根据实际情况，模型施加荷载时考虑到隧道开挖过程中受地质情况、轮廓的平顺情况及其他影响，模拟过程中考虑集中力和分布荷载两种情况进行分析(见图4、图5)，然后再进行对比。

图4 集中力载荷模型

图5 压力载荷模型

施加载荷大小相等，位置相同，集中力载荷分别为20000N、5000N、40000N；分布压力载荷分别为524525Pa、1049050Pa、5245257Pa(见图6、图7)。

图6 型钢分析结果

图7 拱架分析结果

为方便数据分析，对格栅、型钢在集中力和分布力作用下的变形量进行对比分析(见图8、图9)。

图8 集中力作用下格栅、型钢变形对比

图9 分布力作用下格栅、型钢变形对比

4.3 优化后现场施工

根据调整的250mm的预留变形量，对钢架尺寸进行了重新设计，确保钢架与新的开挖断面相匹配。

原设计两根φ22水泥砂浆锚杆不能有效控制围岩变形，后续施工将锁脚锚杆改为两根φ42钢花管注浆锚杆，单根长度4.5m，透浆孔直径6mm，孔间距15cm，以有效增强初支水平抵抗力。

钢花管与水平成15°～30°布设，焊接注浆嘴，压力注浆，注浆完毕后采用φ22螺纹钢筋将钢花管安装完毕后与钢架可靠连接，施工后检查，钢花管注浆锚杆抗拉力均能满足设计要求。

优化后的施工监控量测统计数据显示，拱脚及墙脚位置收敛值明显好与前段施工，效果明显，较好地控制了收敛变形，达到了预期效果。初期支护变形检测见图10。

图10 优化后初期支护变形统计

5 结 论

膨胀土隧道变形控制一直较为困难，但是控制不好很容易使隧道出现超大变形甚至塌方冒顶，本文对原设计施工情况下隧道膨胀土段大变形进行分析，然后以钢格栅替代钢拱架、增大预留变形量进行后期施工取得了良好效果，得到了如下结论：膨胀土地段隧道变形过大是膨胀变形、隧道合理预留变形量及初支承载力不足多重因素作用下的综合结果；采用钢拱架替代钢格栅可以有效控制隧道拱顶变形和洞周收敛，变形量平均减少了35%；预留合理变形量和加强锁脚锚杆对膨胀土地段隧道变形量控制至关重要，在该地质情况下，预留25mm变形量既能保证隧道变形侵限，又能减少二衬超方量，综合经济效益良好。