嚴寒地區大跨度膨脹巖隧道施工技術分析

文/宋之勇

1 工程概況

民興隧道位于吉林省延吉市，處于剝蝕丘陵地區，地勢起伏較緩，低山地貌，沖溝發育，地形凌亂，多林地，植被茂密。隧道區處于嚴寒地區，年平均氣溫6℃，極端最高氣溫37.7℃，極端最低氣溫-29.2℃，最冷月平均值為-16.5℃，年最大降水量852mm，年平均降水量528mm，土壤最大凍結深度為1.68m。

根據地勘報告及試驗結果顯示，全隧道上覆較薄第四系全新統殘坡積粉質黏土，其下為白堊系上統龍井組全～強風化泥巖、砂巖，泥質砂巖膠結作用差，巖質較軟，巖性產狀285°∠35°。根據定測階段試驗結果判定其具有中～強膨脹性。隧道淺埋，遇水易軟化，圍巖抗外界環境擾動能力極差。隧道最大埋深54m，取前埋深只有8m，平均不過20m，易冒頂、坍塌。

2 膨脹性圍巖的基本特性

吸水膨脹。泥質膨脹性圍巖的膨脹程度取決于巖石中蒙脫石礦物的含量，含量越高，膨脹量越大。

失水干縮。泥質膨脹性圍巖的形狀變化主要是由巖石含水量變化引起的。開挖后膨脹性圍巖逐漸干燥失水引起干縮開裂，再遇水時便要膨脹崩解，干燥失水越多，遇水后膨脹量就越大。

流變特性和易擾動性，主要表現為圍巖的蠕變性和松弛性。泥巖主要成分為蒙脫石，含量8.32%～37.95%，具有膨脹性，遇水易軟化，圍巖抗外界環境擾動能力極差。隧道斷面設計為曲墻有仰拱式襯砌，最大開挖寬度14.5m，最大開挖高度13.1m[1]。

3 隧道施工方法

3.1 確定施工方法的原則

膨脹巖遇水膨脹后的應力是導致隧道開挖后變形的主要因素，所以施工單位在隧道施工的每個工序中應對圍巖加強控制，特別是盡量減少人為原因對圍巖的干擾，防止圍巖的變形松動，采用合理的開挖方式，并通過監控量測及時選擇恰當的支護方式。

3.2 方案比選

在前期施工中，我們在進、出口分別采用了CRD法和三臺階臨時仰拱法，但是相對于三臺階七步法，CRD 法每步開挖高度過大，雖然通過調整也能改善一些，但是開挖面仍然較大，且對圍巖擾動比較大，機械作業效率遠低于三臺階七步法；另外，三臺階臨時仰拱法雖然能利用挖掘機等設備開挖，但是開挖斷面過大，而膨脹巖對卸載松動和施工擾動極為敏感，圍巖抗擾動能力極差，所以極易造成坍方和冒頂。

三臺階七步法施工時的七個部位由于分別處于七個不同的里程，因此能夠使每一個開挖斷面處的圍巖所暴露的面積縮減到最小，對圍巖的擾動降至最小；形成支護整體并逐步向縱深推進，使支護與圍巖共同作用，最大程度保證了施工安全，這對于膨脹巖施工是至關重要的，而這些也正好適應了新奧法的施工理念[2]。

3.3 三臺階七步法技術總結

前期通過進洞三百米的實踐，證實了三臺階七步法是成功的，這種開挖支護方法既借鑒了側壁導坑法的思想又省掉了施工中的臨時支護的安裝與拆除，同時預留的核心土又起到了支撐穩定的作用，并將預留核心土開挖由兩部分為三部，在確保施工安全的前提下，在圍巖軟、弱過渡段通過調整各工序進尺即可實現理想效果。也就是說，當上臺階落底降低時，中臺階即成為核心土，下臺階開挖降低時，又能轉化成臺階法施工。它是一種介于臺階法與雙側壁導坑法之間的施工工法，相對于其他方法而言，在復雜多變的膨脹巖施工中，能夠迅速縮短作業調整周期，更適應現場靈活掌握。

3.4 三臺階七步法經濟效益

我們在洞口段（原設計CRD 法）Ⅴ級圍巖中采取本法施工后，僅臨時支護的施作和拆除一項就可節省大量的人力與物力。據測算，節省的噴射砼量達400m3，鋼材3051t，加上施工投入的勞動力，合計節約投資500 多萬元。更為難得的是，給我們節約了近兩個月的施工時間，這在東北可是比黃金還要寶貴的。

4 隧道防排水及防寒保溫

4.1 隧道防水

4.1.1 圍巖注漿堵水。民興隧道洞口，土層覆蓋較淺，地勢較緩平，圍巖裂隙發育且破碎，地下水較多，低溫時洞口段是洞內發生凍脹的主要地段，設計人員對進出洞500m 范圍進行徑向注漿設計，填充圍巖裂隙空隙，施工注漿深度為2m。漿液配比及布設：注漿孔布置為梅花形，環向間距為200cm，縱向間距為250cm。管采用壁厚3.5mm、φ50mm 的鋼管，注漿管埋設牢靠，并在管口做好止漿閥。注水泥漿，根據圍巖情況按1∶0.9～1.1 比例調整，壓力按0.6～1.0MPa 調整控制[3]。

4.1.2 結構自身防水。二次襯砌全部采用防水鋼筋混凝土，明洞襯砌和暗洞襯砌抗滲等級分別不低于P12 和P10。

4.1.3 防水層防水。明洞襯砌外鋪設防水板，回填粘土做隔水層。橫向設3.5%的排水坡，便于排水。暗洞初支與二襯間鋪設土工布和雙層EVA 防水板，EVA 防水板1.5mm 厚，土工布重量不小于450g/m2，先用射釘固定土工布與初支面，再采用無釘熱熔焊接鋪設防水板。

4.1.4 變形縫、施工縫設置。二襯拱墻和仰拱施工縫位置均設置有中埋式橡膠止水帶及背貼式橡膠止水帶，拱墻接縱向接縫處設置一條鋼板止水帶，兩側均設置；二襯變形縫處外側邊緣及內緣（3cm 范圍內）均采用聚硫密封膠封堵填塞密實。

4.1.5 拱頂回填注漿。為減少初支與二襯之間的空隙，且實現不積水，設計人員對隧道二襯背后水囊進行注漿回填。二襯澆筑混凝土前先預埋φ20mm的PVC 注漿花管，管身溢漿孔梅花形布設，注微膨脹性水泥砂漿回填密實。

4.2 洞內排水

4.2.1 洞內水溝。民興隧道設計雙側全部設置保溫水溝，隧道中心設置深埋水溝，檢查井每30m 設置一口。采用φ500、壁厚12cm 鋼筋混凝土預制管，預制管底部回填10cm 厚C20 混凝土墊層，兩邊均回填碎石最為滲水層，頂部采用寬2m、厚10cm 的聚氨酯作為保溫層。

4.2.2 二襯后設置排水盲管。拱墻初支與二襯之間環向鋪設直徑75mm 外包無紡布單壁打孔波紋管，進、出口500m 段落每隔5m 環向設置一道，其他地段每隔8m 環向設置一道；在初支與二襯之間兩側邊墻底部縱向設置φ100mm 雙壁打孔波紋管作為排水盲管，全部導流至中心深埋水溝，最后通過中心水溝流出洞外排水系統。

4.2.3 溫度伸縮縫。氣溫冷熱變化會引起混凝土的熱脹冷縮，進而可能會引起二襯出現裂縫，因此二襯在施工縫處同時設置溫度伸縮縫，進、出口500m地段每30m 設置一處溫度伸縮縫，洞內其他段落每隔50m 設置一處。

4.2.4 洞外保溫水溝。在冬季，為防止隧道內水排至洞外因低溫結冰引起水流堵塞，在處洞口后同樣設置保溫水溝，同時根據最大凍土深度，洞外深埋保溫水溝，埋深在最大凍土基礎上加25cm，設置好排水縱坡，坡度控制在5‰以上，利于洞內排水，每隔50m設置一道檢查井；選擇合適背風向陽的位置作為在排水溝的末端，并做好保溫工作，順接至排水系統。

4.2.5 保溫檢查井密封。為防止冬季檢查井內水遇到冷空氣發生結冰，施工人員必須保證檢查井的密封性。經多次實踐和冬季檢驗，設置2cm 厚橡膠墊圈作為密封層效果較好。

4.3 保溫層施工

初支護和二襯間設置保溫層，采用5cm 厚硬質聚氨酯保溫板，拱墻設置。通過多次施工實踐總結，保溫板采用防水板條連接背帶進行掛設，在已經掛好的第一層防水板面上采用熱熔焊接防水板條，再用熱熔辦法將保溫板固定，第二層防水板掛設時同樣采用熱熔法將防水板焊接在固定保溫板的防水板條上。

5 施工管理

5.1 嚴格工序組織

在隧道施工中，要嚴格銜接好各個工序。采用挖機端進尺開挖，立架、掛網、施作系統錨桿、噴射混凝土，避免工序時間過長而導致圍巖變形，實現快速封閉，及時成環，二襯緊跟，確保施工安全。

5.2 加強監測工作

對于膨脹性圍巖隧道，工作人員要做好洞內監控量測工作，按驗標頻率及時監測，根據量測信息，必要時提高量測頻率和數據的真實性，確保量測信息能真實反映初支變形情況，為及時調整施工方案、支護參數及施作二襯提供準確、及時的參考。

5.3 嚴格按照施工圖做好排水系統，控制施工用水

水是導致膨脹性圍巖膨脹的直接原因，因此工作人員應嚴格按照設計施作洞內防排水，及時排除圍巖滲水及施工廢水。錨桿鉆孔采用長螺旋鉆進行鉆孔，施工盡可能不用水，同時做好其他工序排水工作。

5.4 做好隧道保溫及防水措施

加強圍巖注漿止水施工，把圍巖滲水控制在初期支護最大凍結深度以外；重點做好防水層及施工縫防水，優化襯砌施工配合比，加強混凝土自身防水等級，通過多種施工措施徹底止水，切實做好襯砌及水溝保溫，防止低溫造成凍害。

6 結語

民興隧道的施工現在已經經歷了五個冬季和五個雨季的實際檢驗，在開挖、支護、防排水以及防寒保溫方面是比較成功的。另外，在進度方面，采用三臺階七步法比CRD 法快一倍以上，節約了大量的人力物力，也得到了同仁和業主的認可。實踐證明，在嚴寒地區大跨度膨脹巖隧道施工中，這些技術和措施能夠確保施工的安全和質量，并且是行之有效的。最主要的是，民興隧道的施工為今后在寒區類似隧道施工積累了寶貴的施工經驗，也培養了一批人才。