季節性凍土區膨脹巖隧道掘進與凍害預防技術

張紅衛

（中鐵二十二局集團有限公司，北京　100043）

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季節性凍土區膨脹巖隧道掘進與凍害預防技術

張紅衛

（中鐵二十二局集團有限公司，北京100043）

摘要吉林至圖們至琿春高速鐵路東興隧道位于季節性凍土區，施工期地下水補給充足，水位接近地表，洞內涌水量較大，而且是在強～全風化膨脹巖場地進行CRD法施工，施工安全風險大，同時面臨凍害預防問題。本文分析了工程施工難點與設計要點，通過采取提高掌子面穩定性、控制拱部整體下沉、防凍防水與預留施工縫三項技術措施，并堅持“管超前、短進尺、留核心、強拱腳、早封閉、勤量測”原則，顯著控制了膨脹圍巖的變形，避免了過大的支護壓力。東興隧道已經歷了3個完整的凍融循環，隧道排水通暢，二襯混凝土未發生凍脹開裂現象，達到內實外美的預期效果。

關鍵詞季節凍土區；膨脹巖；隧道；人工暗挖；凍害防控；施工技術

1　工程概況

吉林至圖們至琿春（簡稱吉圖琿）高速鐵路東興隧道位于吉林省延吉市城區邊緣［1］，按照速度250 km/h雙線隧道設計，全長1 420 m、開挖跨度12. 22～15. 86 m、拱頂高10. 86～13. 02 m、上覆土層厚度5～37. 8 m、最大埋深47 m。全隧均為Ⅴ級圍巖，巖性為第四系人工堆積層雜填土、粉質黏土、全風化～強風化泥質膠結砂巖與泥巖互層。其中，粉質黏土與砂巖膨脹潛勢為中～強；泥巖具有強膨脹性，屬于典型膨脹巖［2］。東興隧道處于季節凍土區，冬季漫長寒冷，春季短暫，且春季凍土融化較快，最冷月平均氣溫- 16. 5℃，極端最低氣溫- 29. 2℃，最大凍結深度1. 68 m；年平均降水528 mm，最大降水852 mm。地下水豐富且主要為基巖裂隙水，施工期水位接近地表，隧道最大涌水量858 m3/d［2］。

2　施工難點與設計要點

吉圖琿高速鐵路東興隧道在施工方面存在以下工程問題：①季節凍融作用，凍結期超過6個月，春季凍土融化速率較快；②施工期水位接近地表，隧道涌水量較大；③圍巖為一套膨脹性強、滲水性大、強度低、穩定性差的強～全風化膨脹巖，并且存在松散而強度低、穩定性差的人工雜填土、粉質黏土、砂礫土；④穿越植被發育且地形復雜的山區邊緣丘陵地帶；⑤淺埋～超淺埋大斷面中長隧道，開挖跨度12. 22～15. 86 m、上覆土層厚度5～37. 8 m；⑥人工暗挖施工，易引起上部塌方冒頂。因此，隧道存在2個施工難點：①膨脹巖遇水膨脹、蠕變，易出現掌子面流坍現象并產生很大支護壓力，導致初期支護結構過大變形、破壞、失效，造成洞壁塌方、上部冒頂，危及施工安全且影響工程進度。如何采取有效措施有效控制掌子面穩定且限制初期支護變形是施工的一個難點；②針對季節性凍融作用、地下水位淺且豐富、超過6個月長凍結期，建設中如何確保設計的止水防凍措施達到預期效果成為施工的另一難點。

針對上述問題，確定了隧道設計要點：①采用錨噴支護，復合式二次襯砌；②采用“防水板+保溫板+防水板”措施，通過二襯背后鋪設環向盲管、縱向盲管將水引至中心深埋保溫水溝，流至洞外保溫出口排出，從而形成有效的止水防凍害體系。具體設計參數見表1。

3　關鍵施工措施

3. 1提高掌子面穩定性措施

1）超前支護

超前支護的常規措施有超前管棚、超前注漿、超前小導管等［3-7］。根據工程經驗，通過比較不同超前支護措施的效果，如超前管棚洞內作業的施工角度難以控制、超前注漿的漿液難以擴散等，最終選取了加密超前小導管措施。具體辦法：采用φ42 mm超前小導管（鋼管），環向間距0. 15～0. 20 m，預留足夠搭接長度（不小于3倍開挖進尺），導管內插φ22螺紋鋼，螺紋鋼與拱架連接成整體，以提高導管剛度。施工時，嚴格控制小導管角度，盡可能使導管處于水平位置，以減少超挖。

表1　隧道支護與止水防凍害設計參數

2）合理選取開挖方法

采用CRD機械+人工暗挖法，始終堅持“努力保護圍巖穩定性，避免對圍巖擾動，減少對殘留巖體損傷”的施工原則，并綜合考慮施工進度、工程效益、安全防護等。開挖機械的選取尤為重要，通過比選，最終選用銑挖機開挖，其具有對圍巖擾動小、開挖進尺短而速度快的優點。

3）及早封閉掌子面

開挖后，采用素噴混凝土及時封閉掌子面，噴混凝土厚度一般為5～10 cm；對于局部滲水量較大的砂層地段，先預留排水管且設置錨桿，采用10 cm×10 cm鐵絲網片將錨桿焊接牢固連成整體，再噴混凝土，確保噴射混凝土與巖面密貼，減少噴射的混凝土脫落。

3. 2控制拱部整體下沉措施

1）型鋼鋼架支護

拱腳土體承載力小是引發拱部整體下沉的根本原因，因此提高拱腳土體承載力是支護封閉之前控制拱部整體下沉的關鍵措施。具體方法：①待機械開挖至拱腳附近，拱腳土體預留20～30 cm，改用人工開挖。②型鋼鋼架架立之前，對拱腳縱向平鋪砂袋（以避免拱架懸空），砂袋上鋪設［28a槽鋼，將鋼架安放在槽鋼上，以增加拱架底腳受力面積，縱向通過φ22螺紋鋼、槽鋼與型鋼鋼架焊接牢固，形成整體受力結構。③拱架架立之后，采用φ42 mm鎖腳錨管定位，嚴格控制錨管角度（一般以30°～45°為宜），灌漿飽滿以使之起到樁基或懸臂梁作用。④為了加強鎖腳錨管與拱架之間牢固性，拱腳處鎖腳錨管與拱架間采用自制連接板連接（連接板間距控制為15～20 cm，見圖1），以使二者共同受力；拱架架立之前先將厚16 mm連接板焊接到拱架上，拱架架立之后將鎖腳錨管與連接板焊接牢固，再噴混凝土充填密實。⑤每節拱架連接處也是薄弱環節，在圍巖壓力下易產生變形，致使噴射的混凝土開裂、掉皮，因此連接板必須與拱架無縫粘貼且用螺栓連接緊密、牢固。⑥預留核心土施工時為解決部分鎖腳錨管因作業空間不足而難以及時施作且與拱架連接不牢等問題，在噴混凝土之前采用水泥編織袋等對拱架需要施作鎖腳錨管部位進行包裹，待空間滿足后立即施作鎖腳錨管，并與拱架焊接牢固。

圖1　拱架與鎖腳錨管連接示意（單位：cm）

2）強化監控量測

成立監控量測小組，施行專人負責、專人量測和專人監控。在上斷面、中斷面、下斷面均嚴格定時量測，及時分析開挖之前、之后的量測數據，以有效指導施工，及時調整施工方案；詳細統計同一里程自上半斷面開挖至仰拱封閉的總沉降數據，為后續開挖預留變形量提供依據。本隧道開挖區段的預留變形量為1. 0 m左右。

3）洞內排水

水是膨脹巖的天敵［8］，膨脹巖遇水將發生快速膨脹變形（尤其是強～全風化膨脹巖），對支護結構產生很大的土壓力，導致支護破壞、失效且造成拱部塌空、冒頂，而施工期地下水位又接近地表且洞內涌水量較大（最大涌水量達858 m3/d），因此施工中必須嚴禁洞內積水漫流，通過采取及時開挖臨時排水溝及噴混凝土之前預先設置排水盲管等措施，將施工用水和基巖裂隙水通過引水管（溝）引至積水井統一排出。

3. 3隧道防凍、防水與預留施工縫

1）防凍保溫措施

隧道防凍保溫措施就是施作保溫板、中心保溫水溝、保溫檢查井和保溫出口［9-11］。

保溫板施工。為便于安裝固定選取保溫板規格為長1. 0 m×寬0. 5 m，采用“背帶固定法”掛設。背帶采用防水板現場制作（長75～80 cm、寬5 cm）。掛設保溫板時，在第一層防水板上精確放樣標識，自拱頂向兩側拱腳順序掛設，背帶與第一層防水板焊接緊密（焊接寬度≥10 cm），背帶緊壓保溫板且繞行保溫板正面、再與上排背帶焊接牢固，要求保溫板掛設平整、順直且與防水板密貼，保溫板鋪設方案見圖2。

圖2　保溫板鋪設方案（單位：cm）

中心保溫水溝施工。在仰拱開挖過程中將深埋水溝一次開挖到位，清理干凈基底，施作C25混凝土墊層；待墊層達到一定強度，向水溝中吊裝側壁帶孔的φ60 cm混凝土管，底部采用混凝土填充密實，并鋪設洗凈的碎石。

保溫檢查井施工。檢查井的開挖、立模、澆筑混凝土均按照常規工藝施作，為防止冬季冷空氣進入檢查井而引起井內水結冰，在檢查井井口的四周設置厚2 cm、深2 cm橡膠墊圈預留槽，安裝橡膠墊圈，從而增加檢查井井蓋的密封性。

保溫出口施工。必須結合地形合理選取保溫出口的位置，保溫出口應選在“背風向陽、地勢空曠”處，保溫出口的引水管必須設在凍層之下且向外的排水坡（坡度≥3％），確保排水暢通。

2）防水措施

隧道防水措施包括圍巖注漿堵水、防水板止水和止水帶止水［12-14］。

圍巖注漿施工。初期支護施作完成之后，采用靜壓滲透注漿工藝，對距離洞口500 m范圍的隧道圍巖進行徑向注漿，注漿范圍為2 m的環形加固圈，注漿孔呈梅花形布置、環向間距1. 8 m、縱向排距2. 6 m，注漿壓力為0. 5～1. 5 MPa，通過環形注漿帷幕盡可能有效封堵地下水向隧道洞壁及其鄰近圍巖滲流。

防水板施工。采用吊掛法施作防水板，必須嚴格控制第一層防水板掛設的吊點錨固深度、間距。依據保溫板、防水板的重量計算確定吊點錨固深度、間距。一般錨固深度以8～10 cm為宜，吊點間距拱部為0. 5 ～0. 6 m，邊墻為0. 8～1. 0 m，以承受保溫板和第二層防水板的重量。第二層防水板直接焊接至保溫板背帶上，確保焊接緊密牢固。

止水帶施工。縱向鋼邊止水帶采用自制角鋼固定模具施工，其安裝圖見圖3。采用∠10 cm×6. 3 cm不等邊角鋼加工固定卡，仰拱施工時采用固定卡將止水帶固定牢固，以保證止水帶順直及預埋位置符合設計要求，澆筑混凝土與角鋼底面齊平，振搗密實。鋼邊止水帶縱向搭接時，先將止水帶切割成斜面，采用強力膠將止水帶粘貼緊密，并在鋼邊處用鉚釘固定。

圖3　鋼邊止水帶安裝（單位：cm）

3）預留施工縫

為了避免因溫度變化引起材料熱脹冷縮而造成二襯開裂，需要對二襯合理預留施工縫（即溫度伸縮縫）［15］。在二襯施工過程中，距離洞口500 m范圍每隔30 m設置1道二襯施工縫，超過500 m范圍每隔50 m設置1道二襯施工縫。全環設置施工縫，埋設鋼邊止水帶、背貼式橡膠止水帶，對襯砌混凝土內緣、外緣3 cm范圍內以聚硫密封膠封堵，其他范圍空隙采用填縫料填塞密實。溝槽施工縫的設置方法與二襯施工縫一致，施工后對縱向接地鋼筋做防銹處理并采用密封膠封堵密實。施工縫的防水處理布置見圖4。

圖4　施工縫的防水處理布置

4　結語

吉圖琿高速鐵路于2015年10月全線通車運行。截止2015年8月，東興隧道已經歷了3個完整的凍融循環考驗。

通過對2012—2013年（施工期）、2013—2014年、2014—2015年3個凍融循環的現場監測與觀察，排水通暢，二襯混凝土未發生凍脹開裂現象，達到內實外美的預期效果。證明本工程所采取的措施行之有效。

參考文獻

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（責任審編葛全紅）

Driving of Tunnel in Swelling Rock at Seasonally Frozen Soil Area and Its Frost-Damage Prevention Technology

ZHANG Hongwei
（China Railway 22nd Bureau Group Co.，Ltd.，Beijing 100043，China）

AbstractDongxing tunnel，located in seasonally frozen soil area on Jilin-T umen-Hunchun high speed railway，faces the problem of water inflow in its construction，induced by adequate recharge of groundwater and fairly shallow groundwater level. Given that the swelling rocks in the areas are either heavily or completely weathered，the application of CRD engineering approach may brings about safety and frost concerns. In this context，the paper analyzed the engineering difficulties and design priorities，and proposed three approaches，namely better stability of working face，tighter control over arch settlement，as well as anti-frost and anti-inflow measures combined with the reservation of construction joint. All the approaches were carried out under the principle that ensures advance duct，short distance of excavation advancement，reservation of core soil，enhanced arch springing，early sealing of working face and measurement on a regular basis. T he efforts helped avoid the deformation of surrounding rocks and the excessive pressure on supportings. After three complete freezing-thawing cycles，Dongxing tunnels promised great performance in water drainage and no concrete crack on the secondary lining，standing as a solid and elegant piece.

Key wordsSeasonally frozen soil area；Swelling rock；T unnel；M anual subsurface excavation；Frost-damage prevention；Construction technology

中圖分類號U455. 4

文獻標識碼A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 26

文章編號：1003-1995（2016）05-0116-05

收稿日期：2015-10-12；修回日期：2016-01-15

基金項目：中鐵二十二局集團有限公司科技計劃（GT13718-1）；國家自然科學基金（41430634）；國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）（2012CB026104）

作者簡介：張紅衛（1981—），男，高級工程師。