李萬明

(云南路建集團宏程路橋工程有限公司)

淺埋膨脹巖隧道洞口變形處理方法研究
——玉蒙鐵路新寨隧道案例

李萬明

(云南路建集團宏程路橋工程有限公司)

膨脹巖隧道洞口段施工中變形問題較為多見，整治有一定難度。闡述玉蒙鐵路新寨隧道進口段施工過程中隧道洞口的變形情況、變形處理方案、支護措施及效果監(jiān)測。研究能夠為淺埋膨脹巖隧道洞口段的變形處理提供案例借鑒。

淺埋;膨脹巖隧道;洞口變形;新寨隧道

膨脹巖是指含有較多親水礦物、含水率變化時發(fā)生體積變化的一類特殊巖石。在我國地域分布廣泛，成巖時代早自上二疊統(tǒng)，晚至上第三系甚至早更新統(tǒng)，巖性差異較大，造成膨脹巖的工程性質(zhì)十分復(fù)雜。膨脹巖具有遇水膨脹、軟化，失水收縮、崩解并反復(fù)變形的性質(zhì)。在膨脹巖分布地段，隧道開挖后對圍巖的穩(wěn)定具有極強的破壞作用，容易造成隧道圍巖開裂、內(nèi)擠、坍塌和膨脹等變形現(xiàn)象，且圍巖變形常具有速度快、破壞性大、延續(xù)性大、延續(xù)時間長和整治較困難等特點，特別是隧道洞口段施工，由于埋深較淺，含水率較大，在路基拉槽、刷仰坡時破壞了原土體結(jié)構(gòu)，更容易引起病害。因此，膨脹巖隧道洞口段變形處理的研究具有更重要的實踐意義。以玉蒙鐵路新寨隧道為例，探討淺埋膨脹巖隧道洞口段的變形處理方法，以期為膨脹巖隧道施工提供案例借鑒。

1 新寨隧道概況

新寨隧道位于云南紅河州建水縣境內(nèi)，隧道全長467 m，是昆明—河口鐵路玉溪—蒙自段的難點隧道之一。整個隧道穿越新寨村莊，最大埋深57 m，最小埋深1.2 m。隧道區(qū)域地質(zhì)為低中山剝蝕地貌，上覆四系全新統(tǒng)人工填筑土(Q4ml)、坡殘積(Q4dl+el)黏土(膨脹土);下伏基巖夾砂巖、礫巖及褐煤，三疊系中統(tǒng)個舊組下段(T2g1)灰?guī)r。泥巖膠結(jié)不緊密，質(zhì)軟，隙水，含煤地層地下水多具弱硫酸鹽酸性侵蝕。隧道進口里程DK111+375地層主要為全風(fēng)化、強風(fēng)化及褐煤層，右側(cè)局部見采空區(qū)。經(jīng)過實地取樣試驗，其自由膨脹率為17% ～47%，飽和吸水率為29.8% ～41.2%，自由膨脹力為11.4～18.4 kPa，評定為膨脹巖。

2 新寨隧道洞口段的設(shè)計與施工

2.1 設(shè)計及支護參數(shù)

新寨隧道進口段(DK111+375～DK111+385)設(shè)計采用全環(huán)格柵鋼架及拱部φ89鋼花管作大管棚加強支護，格柵鋼架間距1 m，大管棚長10 m，環(huán)向間距0.5 m，共20根;全隧曲墻復(fù)合式襯砌。DK111+385～DK111+770段采用全環(huán)格柵鋼架及拱部φ42小導(dǎo)管超前支護。格柵鋼架間距1 m，小導(dǎo)管縱向間距2 m，環(huán)向0.5 m，共20根。

2.2 隧道洞口段施工方案

新寨隧道集淺埋、偏壓、膨脹巖、褐煤、瓦斯于一體。為有效控制圍巖的收斂變形，施工方案綜合考慮當?shù)貙嶋H和設(shè)計要求，根據(jù)新奧法，選擇短臺階法施工，施工順序為開挖仰坡→拉槽→施作導(dǎo)向墻→施作大管棚→大管棚注漿→進洞開挖→立架→噴錨等順序進洞。洞身采取小導(dǎo)管注漿超前支護，短臺階法開挖，上部鉆爆法開挖，下部人工配合挖掘機開挖馬口、挖掘機開挖中部，鋼拱架錨噴支護，仰拱快速封閉成環(huán)，汽車運輸?shù)氖┕し桨浮?/p>

2.3 隧道洞口段施工方法

(1)超前支護:拱部采用φ42小導(dǎo)管注漿超前支護，小導(dǎo)管縱向間距1.8 m(設(shè)計為2 m，進口段施作時鋼架間距由1 m調(diào)整為0.6 m，為次進尺為3榀)，環(huán)向間距40 cm，每環(huán)20根，每根長3.5 m，外插角3°～7°，管壁四周按間距15 cm，梅花形布設(shè)φ8 mm注漿孔。小導(dǎo)管采用鑿巖機鉆孔推進，小導(dǎo)管以緊靠開挖面的格柵鋼架為支點，小導(dǎo)管打入后即進行注漿，形成小管棚支護環(huán)。超前小導(dǎo)管采用1∶1水泥，注漿壓力一般為0.5～1.0 MPa。

(2)上導(dǎo)坑開挖與支護:上導(dǎo)坑開挖高度為5 m，采用鉆爆法施工，每循環(huán)進尺1.8 m，預(yù)留變形量為10 cm，設(shè)計為5 cm。每次開挖后立即進行初期支護。支護形式采用φ22砂漿錨桿，每根長3 m，環(huán)向與縱向間距分別為0.8 m、0.6 m，全環(huán)格柵鋼架，每榀0.6 m，外設(shè)φ8鋼筋網(wǎng)(25 cm×25 cm)，噴射混凝土厚20 cm。φ22砂漿錨桿采用風(fēng)動錨桿鉆機，利用多功能臺架做施作平臺，鉆至設(shè)計深度后，用錨固劑塞入孔深2/3，打入錨桿，安裝錨桿墊板。格柵鋼架以Ф22螺紋鋼筋作為四支主骨架，按設(shè)計輪廓放樣焊制。鋼架各單元間以螺栓連接牢固，接頭板用12 mm鋼板焊接，縱向φ22鋼筋連接。

(3)下導(dǎo)坑開挖與支護:下導(dǎo)坑與上導(dǎo)坑水平距離為控制在20 m內(nèi)，采用先馬口后核心的順序開挖，左右馬口錯開2榀以上鋼架距離，以人工配合挖掘機開挖。開挖后，施作下臺階格柵鋼架，施作徑向錨桿，噴射混凝土初期支護。

(4)仰拱:仰拱在掌子面鉆孔時進行開挖。每5 m一循環(huán)，上鋪臨時便橋，以滿足出渣車通過，最后澆筑仰拱混凝土。確保上、下導(dǎo)坑、仰拱同時施作。

(5)監(jiān)控量測:現(xiàn)場監(jiān)控量測是隧道施工比較重要的環(huán)節(jié)之一，根據(jù)現(xiàn)場實際，在拱頂、拱腰和拱腳分別布設(shè)量測點，測點在開挖面施工后及時安設(shè)，并盡快取得初讀數(shù)，測點布置應(yīng)牢固可靠、易于識別，并注意保護，拱頂下沉和地表下沉量測基點應(yīng)與洞內(nèi)或洞外水準基點聯(lián)測，每15～20 d校核一次。凈空變化和拱頂下沉點布置在同一斷面上。必測項目監(jiān)控量測頻率:按位移速度≥5 mm/d，測2次/d，在1～5 mm/d，測 1次/d，在 0.5～1 mm/d，測 1次/2～3 d，在 ＜0.5 mm/d，測1 次/7d。

3 新寨隧道洞口段施工中的變形情況

新寨隧道設(shè)計預(yù)留變形量為10 cm，但施工中發(fā)生的變形較設(shè)計變形大得多，經(jīng)觀測整理，25 d累計變形最大達52.3 cm，具體變形量詳見表1，變形曲線見圖1。

表1 新寨隧道監(jiān)控量測資料

圖1 新寨隧道收斂變形曲線

圖2 新寨隧道洞口變形造成的地面裂縫

隧道變形主要特征為:拱頂下沉，洞口截水溝明顯開裂成凹形，地面出現(xiàn)較大裂縫(如圖2所示);洞內(nèi)拱腰收斂激劇，拱腳處出現(xiàn)縱向裂縫達5 cm寬噴射混凝土掉塊，拱架鋼筋外露;橫向出現(xiàn)多處環(huán)向裂縫，地表水滲漏;侵限嚴重，仰坡失穩(wěn)，隧道有坍塌的可能性。

4 新寨隧道洞口段變形的處理

4.1 變形處理措施

施工過程中對于洞口段變形問題主要采取四大措施:洞內(nèi)支撐、洞外加固、做好防水、加強支護。

具體做法是:洞內(nèi)利用直徑325 mm鋼管做橫向支撐，然后利用土體進行回填至拱腳以上1 m，減小洞內(nèi)收斂;其次洞外先做防水覆蓋，然后在線路中線兩側(cè)距隧道開挖輪廓線1.0 m以外，按0.6 m的間距梅花型布置，鉆設(shè)五排φ114鋼管樁(壁厚6 mm，管壁四周按間距50 cm，梅花形布設(shè)φ10 mm注漿孔，長度以伸入仰拱底以下2 m控制)，鉆孔孔徑控制在130～135 mm之間，并注1∶1的純水泥漿，鋼管樁露出地面30 cm，最后進行換拱并加強初期支護。

洞外采用鋼管樁施工方法，選擇淺孔鉆和地質(zhì)鉆兩種設(shè)備進行鉆孔施工，淺孔鉆在0～6 m孔深成孔較快，之后由于遇到膨脹巖含水，垂直向外排渣困難，鉆孔不易超過6 m;地質(zhì)鉆需要帶水作業(yè)，對膨脹巖隧道不利;最后采取兩機聯(lián)合施工(淺孔鉆開孔，地質(zhì)鉆加深的施工方法)加快進度，減少施工用水量。成孔后，利用挖機代替吊裝設(shè)備，把鋼管垂直安裝在孔內(nèi)，然后進行注漿(如圖3所示)。

洞外鋼管樁施作完成，轉(zhuǎn)入洞內(nèi)換拱施工。首先調(diào)整加強變形段初期支護參數(shù):在DK111+375～DK111+419范圍內(nèi)，采用I18工字鋼進行環(huán)向加強支護，縱向間距0.6 m，代替格柵鋼拱架，以增強初期支護的剛性;在每榀鋼架C單元拱腳處，向下傾斜15°打設(shè)4根5 m長的φ32中空注漿錨桿，鎖住拱腳;DK111+419～DK111+450段預(yù)留變形量調(diào)整為12 cm。然后挖除回填土，拆除橫向支撐鋼管，按照上述施工工藝逐一對變形段進行拆除鋼拱架，安裝Ⅱ8工字鋼架，噴射混凝土22 cm。

圖3 注漿后的地面鋼管樁

4.2 隧道洞口段變形處理后的監(jiān)測

隧道洞口段變形處理過程中及時監(jiān)測反饋，利用Ⅱ8工字鋼拱架代替格柵鋼拱架并調(diào)整間距換拱施工后，按照隧道施工規(guī)范布設(shè)監(jiān)控量測點，測得的收斂數(shù)據(jù)比處理前大大減小，25 d收斂量測最大值為6.89 cm，具體監(jiān)測數(shù)據(jù)詳見表2，變形曲線見圖4，圍巖收斂得到有效控制，對隧道和結(jié)構(gòu)安全起到很好的保護作用，為二襯施工創(chuàng)造了有利條件。

5 結(jié)語

膨脹巖的性質(zhì)受多種因素的影響，隧道洞口段施工中的膨脹或變形各地不一，膨脹巖地段圍巖與支護變形收斂在新寨隧道的地表有明顯表現(xiàn)，而有些隧道則沒有裂紋、掉塊等痕跡顯現(xiàn)，不易被發(fā)現(xiàn)。在施工中要加強監(jiān)測，及時掌握圍巖動態(tài)變化情況，有效反饋，驗證和修正支護參數(shù)，確定各支護層的設(shè)置時間，盡量減少隧道洞口變形。對于已經(jīng)發(fā)生變形的隧道洞口，應(yīng)查明變形原因，根據(jù)變形速率，制定行之有效處理措施，確保結(jié)構(gòu)安全。

總之，在膨脹巖隧道洞口段施工過程中，要按設(shè)計和隧道施工規(guī)范制定符合實際和有效的施工方案，科學(xué)施工，加強管理，減少隧道洞口段的變形，同時加強變形監(jiān)測，采取積極有效措施修正變形，高質(zhì)量完成膨脹巖隧道洞口段的施工。

表2 新寨隧道監(jiān)控量測資料

圖4 新寨隧道加強處理后收斂曲線

［1］范秋雁.膨脹巖與工程［M］.北京:科學(xué)出版社，2008.

［2］侯雪梅.膨脹巖的基本特性和快速防護材料研究［D］.長江科學(xué)院碩士學(xué)位論文，2009.

Research on Deflection Processing Methods of Tunnel Portal in Shallow Buried Swelling Rock:a Case Study of Xinzhai Tunnel on Yuxi-Mengzi Railway

LI Wan-ming

(Hong Cheng Road＆ Bridge Engineering Co.，LTD.of Yunnan Highway Construction Group)

The problem of deflection of tunnel portal in shallow buried swelling rock is very common and there is some difficulty in dealing with it.This paper describes deflection situation，processing program of the deflection，supporting measures and effect monitoring in the construction process of the tunnel portal entrance of Xinzhai tunnel on Yuxi-Mengzi railway.This research provides a case study and make reference to deflection processing methods of tunnel portal in shallow buried swelling rock.

shallow buried;tunnel in swelling rock;tunnel portal deflection;Xinzhai tunnel

U455.4

C

1008-3383(2012)04-0043-03

2011-12-11

李萬明(1969-)，男，工程師，研究方向:公路及鐵路施工方法。