中強膨脹性圍巖隧道施工技術

黃 強

(中鐵十七局集團第四工程有限公司，重慶 401121)

1 工程概況

湖北宜(昌)巴(東)高速公路段界嶺隧道進口位于宜昌市夷陵區(qū)霧渡河鎮(zhèn)，出口位于興山縣水月寺鎮(zhèn)。該隧道采用分離的獨立雙洞雙向四車道公路隧道，其中左洞全長5 653 m，右洞全長5 681 m。界嶺隧道圍巖為云母片巖、片麻巖的全～強風化產(chǎn)物，巖石遇水后迅速軟化呈半巖半土狀，強度極低，手捏即碎，顏色以灰白色為主。母巖中的白云母、鉀長石風化后形成親水礦物——伊利石、蒙脫石，遇水膨脹，失水收縮，體積變化較大，脹縮可反復交替，試驗所測其自由膨脹率Fs=70%，屬中等偏強膨脹，開挖后對圍巖的穩(wěn)定產(chǎn)生極大的破壞。

2 膨脹性圍巖的基本特性

膨脹性圍巖根據(jù)產(chǎn)生的原因可分為三種:吸水膨脹、風化膨脹和由地應力釋放而引起的膨脹。在界嶺隧道施工實踐中，膨脹性圍巖大都是吸水和風化引起的綜合膨脹巖，即在水和空氣的物理、化學作用下，富含云母軟巖、變質(zhì)巖等巖體發(fā)生體積增大。

在隧道施工中，由于鉆爆法開挖使洞壁較遠處裂隙水滲入及施工用水的浸入，使圍巖吸水膨脹，從而對隧道初期支護產(chǎn)生膨脹壓力;開挖外露的變質(zhì)巖遇空氣迅速軟化，圍巖應力得到有效釋放，使用隧道圍巖產(chǎn)生塑性變形，加大了膨脹壓力。

若隧道支護體系處治不當，甚至采用非膨脹性圍巖的剛性支護，則容易產(chǎn)生洞室坍塌、初支侵限、襯砌開裂及仰拱鼓起等不良后果，而地下水往往富集于隧道仰拱部位，故膨脹壓力對仰拱的破壞作用更為顯著。此外，膨脹性圍巖性狀變化主要由巖石含水量變化引起，若能保持開挖前的含水量，通常不具備膨脹特性;開挖后膨脹性圍巖快速失水變干，再遇水就會造成膨脹坍塌。總的來說，干燥失水越多，遇水膨脹變形也越大，圍巖膨脹壓力會增加，同時巖體會軟化，承載力降低。因而，膨脹性圍巖是一種吸水膨脹、失水收縮和反復膨脹變形的圍巖。

3 支護材料性能分析與比選

3.1 U29拱架工作原理

U29型可伸縮性拱架由若干拱架單元組成，節(jié)與節(jié)之間用摩擦連接件連接，當擰緊連接件的螺母后，連接件將拱架單元間搭接的型鋼壓緊。要推動拱架節(jié)間搭接部分滑動必須克服型鋼與連接件之間的摩擦阻力。當隧道開挖后，圍巖發(fā)生變形，壓緊拱架，拱架承受荷載，產(chǎn)生內(nèi)力。圍巖壓力推動拱架節(jié)間搭接型鋼的滑動，鋼架與連接件則阻止其滑動。當圍巖軸力推動型鋼時，連接件將發(fā)生歪斜，受力后產(chǎn)生變形，使連接件與型鋼間的壓力加大，即型鋼搭接部分之間的摩擦阻力增大。當圍巖推動力小于此摩擦阻力時，拱架不縮;若推動力大于摩擦阻力，型鋼之間產(chǎn)生相對滑動，拱架縮短，相應減小了拱架承受的外荷載。也就是說，當推力小于摩擦阻力，型鋼之間出現(xiàn)相對穩(wěn)定，拱架不再縮短，與外荷載力處于相對平衡狀態(tài)。

U形鋼拱架的反復可縮性工作過程，比較符合隧道新奧法設計原理中的圍巖收斂—約束變形的支護理念，充分發(fā)揮了圍巖的自承能力，保證了圍巖的穩(wěn)定。

3.2 拱架材料選擇

在力學性能上工字鋼及H型鋼相對呈剛性，格柵拱架雖然為柔性支護，但同樣與工字鋼及H型鋼一樣，采用法蘭式對接，拱架不能隨圍巖一起收斂變形。拱架在較低的圍巖壓力作用下產(chǎn)生彈性變形和撓曲，當外荷載繼續(xù)增加，拱架內(nèi)力隨之加大，拱架沒有可縮性，則在內(nèi)力大到一定程度以后，拱架就會出現(xiàn)塑性變形，嚴重的時候拱架將遭到破壞因而失去拱撐的能力。在膨脹巖段的拱架支護，對材料的選擇進行了相關的比選，最后選擇U形鋼架支護。

4 實施方案

4.1 方案說明

針對界嶺隧道的中強膨脹性圍巖施工，采用“管注漿超前，弱爆破，短進尺、少擾動、強支護、早成環(huán)、二次襯砌緊跟”的技術措施，開挖采用局部鉆爆法與機械配合，初期支護緊隨開挖工作面及時施作，以減少圍巖暴露時間，控制圍巖變形，防止圍巖松馳，其工藝嚴格按照規(guī)范和規(guī)程辦理。二次襯砌根據(jù)初期支護的情況和圍巖量測結果，選擇適當?shù)臅r機進行澆筑。每段模筑混凝土長12 m，均一次完成整體澆筑，在澆筑時注意預留和預埋照明、通風、消防等所需的洞室和線路管、孔、槽。

4.2 施工方法

1)超前支護采用φ42×3.5 mm超前小導管注漿，布設于拱頂150°范圍內(nèi)，導管長L=350 cm，環(huán)向間距40 cm，仰角為10°，縱向搭接長度150 cm，并注入水泥漿固結，在地下水發(fā)育地段則注入水泥—水玻璃雙液漿，注漿壓力1.0 MPa，確保注漿效果良好。小導管采用熱軋無縫鋼管，鋼管前端呈尖錐形，尾部焊接上Φ6加筋箍，管壁四周鉆φ6 mm的壓漿孔，尾部1 m范圍內(nèi)不設壓漿孔。

超前小導管注漿施工工藝流程圖見圖1。

2)圍巖開挖采用上下短臺階法，鉆爆法與機械配合施工，其開挖工序:測量中線、水平，劃出輪廓線(超前支護)→鉆眼→上臺階裝藥、爆破→通風除塵、清除危石→出渣。上臺階開挖完成后立即施作支護。斷面尺寸根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)以及圍巖膨脹情況加大預留變形量20 cm～30 cm。

3)徑向支護采用長L=350 cm的φ42小導管，按照60 cm×80 cm的梅花形來布置，并注入水泥漿;鋼筋網(wǎng)鋪設雙層φ8鋼筋，15 cm×15 cm布置;噴射23 cm厚的C25混凝土，內(nèi)設可伸縮性的U29鋼拱架，拱架縱向間距Δ=60 cm，噴射混凝土層在可伸縮性節(jié)點處設置環(huán)向伸縮縫。對變形量較大的巖面，噴射混凝土層環(huán)向每5 m應該布設一條寬10 m的縱向變形縫如圖2，圖3所示。

圖1 超前小導管注漿施工工藝流程圖

圖2 隧道支護類型圖

4)待初支變形速率趨于穩(wěn)定且小于0.2 mm/d～0.5 mm/d時，及時施作二次襯砌，二次襯砌采用50 cm厚C25防水鋼筋混凝土結構。

5)在初期支護與二次支護之間敷設土工布和PVC防水板組成的防水層外，襯砌采用防水混凝土，并對施工縫、工作縫、沉降縫作專門的防水處理，同時在初期支護與二次襯砌之間視地下水情況，每隔1.5 m～3 m左右設置一環(huán)向盲溝。盲溝與襯砌邊墻底和中墻頂部設置的縱向排水管相連通，同時也在初期支護與二襯之間每隔1.5 m～3 m左右設置一環(huán)“Ω”形排水管，將水引入縱向排水管，并在隧道縱向設置引水管，引水管縱向間距每20 m設置一處。將襯砌背后水引入邊溝排走。

圖3 U29拱架示意圖

6)監(jiān)控量測是隧道施工的重要組成部分，是隧道施工管理中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。通過現(xiàn)場的監(jiān)控量測，為判定圍巖穩(wěn)定性，支護、襯砌可靠性，二次襯砌合理的施工時間，以及修改施工方法，變更支護設計參數(shù)提供依據(jù)，指導日常施工管理，確保施工安全和質(zhì)量。根據(jù)本隧道圍巖特點，過程中選擇了拱頂下沉量測、支護狀態(tài)觀測、周邊位移量測、地質(zhì)超前預報、錨桿抗拔力五個項目。

洞內(nèi)監(jiān)控量測測點布置示意圖見圖4。

圖4 洞內(nèi)監(jiān)控量測測點布置示意圖

5 結語

宜巴高速公路界嶺隧道膨脹巖施工中，經(jīng)過不斷的總結經(jīng)驗和實踐，取得了較好的效果，有效的保證了施工的安全與質(zhì)量。目前，采用該方法已順利通過了膨脹巖地段，通過長期監(jiān)控量測工作，地段處于穩(wěn)定，其施工方法可為以后類似工程提供借鑒，值得推廣應用。

［1］ JTG F60-2009，公路隧道施工技術規(guī)范［S］.

［2］ 朱明亮.膨脹性圍巖隧道施工技術［J］.鐵道建筑技術，2010(11):82-84.

［3］ 倪 昊，孟祥瑞，趙光明.U29型鋼支架的偏載對承載能力的影響分析［J］.煤炭技術，2011(3):99-101.