弱膨脹性圍巖隧道開挖支護施工探索

王玉珍

(華鐵工程咨詢有限責任公司，北京 100026)

1 工程簡介

1.1 概述

太中銀鐵路紅井子隧道位于寧夏鹽池縣境內，進口里程DK550+084，出口里程DK555+226，隧道全長 5 142 m，其中:明挖段422 m(進口明挖段316 m，出口明挖段96 m)，隧道暗挖4 720 m，隧道一般埋深40 m～120 m。在DK551+850設斜井一處，長258 m。

1.2 工程地質

隧道穿過地層主要為白堊系下統泥巖夾薄層砂巖互層(K1)，泥巖以棕紅色為主，棕褐色次之，泥質結構，厚層狀構造;砂巖以磚紅色為主夾少許灰綠色及灰白色，細粒結構為主，少許中粒結構，中厚層狀構造。強風化～微風化，節理較發育。層理產狀進口處113°∠4°，出口處 315°∠3°。經對砂巖、泥巖取樣試驗，砂巖、泥巖具膨脹性，自由膨脹率Fs=40.0%～50.0%，蒙脫石含量10.95%～29.3%，陽離子交換量121.31 mmol/kg～324.02 mmol/kg，飽和吸水率7.76%～28.5%。經試驗證明隧道洞身圍巖巖樣浸水狀態下，崩解形式和速率存在差異，快速崩解巖樣無法測定飽和吸水率，說明隧道區巖石膨脹性不穩定。洞頂(DK551+750～DK554+600)分布第三系漸新統(E3)泥巖(含石膏)夾薄層砂巖、石膏。層理產狀進口處270°∠4°。

隧道區地下水主要為基巖裂隙水，賦水地層主要為白堊系下統(K1)砂巖、泥巖層，補給來源為大氣降水，屬弱富水。隧道開挖后局部地段巖面出現線狀滴水和大面積滲水，取水樣化驗判斷為具有硫酸鹽腐蝕，環境作用等級H3。

根據隧道洞身巖性及地下水發育狀況，隧道洞身圍巖分級:暗挖段Ⅴ級圍巖910 m，占20%，Ⅳ級圍巖3 810 m，占80%。

1.3 設計支護參數

設計參數見表1，表2。

表1 紅井子隧道復合式襯砌設計參數表(原設計)

表2 紅井子隧道復合式襯砌設計參數表

1.4 防水設計

二次襯砌混凝土摻加具有補償混凝土收縮功能的HE型抗裂高效防水劑，摻量為膠凝材料用量的6%。隧道全斷面鋪設表面帶凸型圓粒HDPE排水防水板，形成排水空間。邊墻墻腳縱向設φ150 mm軟式透水管，設在HDPE排水防水板外側。

2 施工方法

2.1 地質預報

TSP203地震波反射法一次預報長度150 m，結合超前鉆孔進行超前地質預報。開挖后認真作好地質素描，對開挖掌子面和洞身周邊綜合分析圍巖的巖性、結構、構造和地下水情況，分析判斷開挖面前方圍巖的工程地質、水文地質特征，并依此提出工程措施建議和進一步預報的方案。

2.2 開挖方法

采用短臺階法。煤電鉆鉆眼，光面爆破，無軌運輸，壓入式通風。采用風鉆有水作業易造成圍巖強度急劇下降和崩解，同時通風時間過長也會加速圍巖風化。

2.3 支護方法

爆破通風后立即進行一次初噴混凝土，出碴后架鋼格柵，掛網，打錨桿，噴混凝土，打下一環超前小導管。錨桿采用藥卷錨固劑，噴混凝土經取芯試壓，C25混凝土需摻入碳塑纖維方可穩定地達到設計強度，濕噴機噴混凝土質量較干噴機穩定，但拱部易掉塊。

2.4 監控量測

1)拱頂下沉:采用精密水準儀，銦鋼板尺，校準鋼卷尺;

2)水平收斂:采用數顯收斂計;

3)布點:Ⅳ級圍巖每20 m一組，Ⅴ級圍巖每10 m一組，漏水段局部加密;

4)量測頻率按規范要求;

5)數據分析:位移/時間實測曲線+位移/時間回歸分析曲線。

3 支護試驗段

由于Ⅳ級圍巖原設計支護參數僅采用噴錨網，但開挖后不能保證圍巖穩定，拱部掉塊嚴重，因此除按噴錨網支護外，增設拱部格柵剛架支護進行20 m試驗段，按圖1布置進行圍巖壓力和鋼筋應力測試。

圖1 圍巖壓力和鋼筋應力測試圖

3.1 測試數據分析結果

1)圍巖壓力測試。

通過安裝壓力表測試并分析實測圖，判明開挖后3 d內壓力增長較快，約7 d趨于穩定，下臺階開挖后快速增加，不收斂。

2)鋼筋應力測試。

通過安裝壓力表測試并分析實測圖，判明鋼筋應力變化趨勢與圍巖壓力變化情況相對應。

3.2 支護參數評價

通過對圍巖壓力和鋼筋應力測試，以及對圍巖拱頂下沉和水平收斂量測，下臺階開挖后其測量值均直線增加不收斂。支護不足，不能滿足安全施工要求。

3.3 試驗結果

20 m試驗段在開挖15 d后變形異常，停止施工撤出人員2 d后，全段坍塌，并牽連已采用拱墻全格柵掛網噴混凝土段5 m支護破壞。

4 合理支護參數

4.1 Ⅳ級圍巖按表2支護參數進行施工情況

1)無滲水段。

開挖進尺1.5 m，開挖后圍巖基本穩定，可不設超前小導管，格柵間距1.5 m，變形收斂;不設格柵剛架支護，變形不收斂。設超前小導管，開挖進尺2.4 m，格柵間距1.2 m，開挖后有時出現掉塊，支護變形收斂。

2)滲水段。

開挖進尺1.5 m，開挖后圍巖掉塊，需設超前小導管，格柵間距1.5 m，變形不收斂。增加超前小導管數量，開挖進尺2.4 m，開挖后掉塊嚴重，有時局部坍塌，柵間距1.2 m，有時會出現支護噴混凝土剝落，甚至格柵變形嚴重，變形不收斂;開挖進尺1.2 m相同支護參數開挖后基本穩定，支護變形收斂。

3)漏水段。

需將開挖進尺和格柵間距調整為1 m，方可安全施工。

4)支護不足時的補救措施。

量測不收斂和發現噴混凝土剝落，采用注漿加固兼止水，同時補打錨桿(加部分預應力)和噴混凝土，可短期穩定，而后進行二次混凝土襯砌。

4.2 合理支護參數

根據上述施工實踐，可以看出變更后的支護參數仍然偏弱，合理支護參數和實際施工中的格柵間距為1.2 m，滲漏水地段應采用Ⅴ級圍巖支護參數。

5 結語

對于膨脹巖隧道施工應該注意以下幾點:

1)圍巖暴露后，極易風化，有水狀態下，強度急劇下降，經過一個干濕循環后，強度喪失，浸水崩解;

2)隧道開挖中排水溝宜設隧道中心，防止滲漏水積存浸泡拱腳，墻腳;

3)開挖應采用短進尺，快循環，并采用適當的支護參數，初期支護宜強不宜弱;

4)在初期支護與二次襯砌間利用凹凸防水板預留變形空間;

5)防止初期支護背后不密實，杜絕初期支護背后空洞;

6)滲漏水應通過注漿，解決在初期支護階段;

7)因地制宜在施工中采用針對性方法和措施。

［1］GB 50108-2008，地下工程防水技術規范［S］.

［2］惠彬永，劉建鎖.特殊地段隧道開挖施工技術研究［J］.山西建筑，2010，36(7):323-324.