超淺埋膨脹土隧道洞頂防排水技術研究

熊高明，肖海濤

(中國水利水電第七工程局有限公司成水公司，四川 成都 610225)

1 引 言

紅土嶺隧道出口圍巖等級為V級，最小埋深僅為3.93 m，為超淺埋隧道。隧道進洞位置位于膨脹土劇烈影響帶和過渡帶，垂直滲透系數1.6×10-5～1.3×10-3cm/s；水平滲透系數2.8×10-8～2.9×10-5cm/s。隧道出口膨脹土圍巖受大氣影響大，雨水極易垂直滲入土體，土體吸水膨脹，抗剪強度迅速下降，拱頂難以形成自然承載拱，容易出現地表沉陷、落拱塌方、洞口邊坡坍塌滑坡。因此，針對膨脹土、超淺埋圍巖地質條件下的隧道洞頂防排水技術措施進行分析、研究，對保證紅土嶺隧道出口安全進洞有重要意義。

2 工程概況

紅土嶺隧道位于河南省南陽市內鄉縣湍東鎮、師崗境內。隧道全長2 995 m，其中Ⅲ級圍巖2 310 m、Ⅳ級圍巖470 m、Ⅴ級圍巖215 m(含70 m明洞段和145 m洞身段)。隧道采用單洞雙線形式，內設人字坡。隧道位于剝蝕丘陵區，隧道最大埋深204 m，最小埋深3.93 m，大部分基巖裸露，局部地段有殘坡積土層分布。DK914+780～DK914+710為明洞，進洞里程為DK914+710。

紅土嶺隧道出口表層粉質粘土，棕黃色～棕紅色，含少量碎石，硬塑，厚1～10 m，具有膨脹性；膨脹土中蒙脫石含量18.07%～21.8%，自由膨脹率為52%～58%。膨脹土為高塑性粘土，具體有超固結特性、吸水膨脹、失水收縮和反復脹縮變形、浸水承載力衰減、干縮裂隙發育等特性，性質極不穩定。紅土嶺隧道出口膨脹土是以蒙脫石為主，紅蒙脫石含量為18.07%～21.8%，土的脹縮性和抗剪強度由蒙脫石控制;自由膨脹率52%～58%，陽離子交換量為293.13～329.22 mmol/kg，為中膨脹土。膨脹土地層中的大氣劇烈影響帶為地表以下深度2～3.5 m，脹縮裂隙發育，土體通常被裂隙分割成散粒狀。

3 洞頂防排水技術措施

3.1 防排水系統設計方案

(1)防排水系統設計概述

隧道洞頂防排水按照“防、排、堵、截結合，因地制宜，綜合治理”的原則制定技術措施。隧道洞頂防排水措施為：①在明洞臨時邊仰坡開口線以外5 m設排水溝，排水溝底部增設防水涂料、防水卷材防止排水溝中流水下滲，明洞臨時邊仰坡開口線至排水溝之間的部位用M10水泥砂漿封閉防水；②排水溝將匯集的地表水引排至附近天然排水溝渠；③采用超前管棚注漿固結膨脹土土體中的裂隙，截堵地表水，以降低土體滲透系數，控制地表水下滲，確保隧道頂部土體穩定；④在隧道頂四周坡腳處設置截水溝將坡面水集中引排至排水溝，防止坡面水流入洞頂土體。

圖1 紅土嶺隧道出口洞頂防排水系統平面布置圖

(2)防、排水措施

排水溝采用30 cm厚C25鋼筋混凝土，溝底設10 cm厚M10水泥砂漿，溝底砂漿表面涂刷1.5 mm厚聚氨酯防水涂料，再鋪設氯化聚乙烯防水卷材，在防水卷材上設5 cm厚M10水泥砂漿保護防水卷材。通過采取上述防水措施防止排水溝流水下滲下部膨脹土體裂隙中。

在明洞臨時邊仰坡開口線與排水溝之間的部位設M10水泥砂漿防水層，臨時邊仰坡坡面采用掛網、錨噴C25混凝土，防止雨水滲入土體，確保明洞施工期間邊仰坡的穩定、安全。

圖2 排水溝防水結構斷面圖

(3)堵、截水措施

在隧道頂低洼坡腳處設置臨時截水溝將坡面流水截流至截水溝中，引排至明洞頂排水溝，排入附近天然水系，防止坡面流水直接流入洞頂膨脹土中。截水溝采用20 cm厚M10漿砌石，溝底設5 cm厚M10水泥砂漿，溝底砂漿表面涂刷1.5 mm厚聚氨酯防水涂料，鋪設氯化聚乙烯防水卷材。

圖3 截水溝平面布置圖

圖4 截水溝結構斷面圖

在DK914+710處設41根Ф108 mm長33 m長大管棚，通過管棚注漿將隧道頂部膨脹土裂隙固結，形成拱頂截水拱圈，防止地表水下滲，確保隧道安全進洞。管棚采用直徑Φ108 mm，壁厚6 mm熱軋無縫鋼管，鋼管上鉆注漿孔，孔徑10～16 mm，孔間距15 cm，呈梅花形布置，尾部留110 cm不鉆孔的止漿段。鋼管軸線與襯砌外緣夾角1°～3°；注漿采用水灰比為1∶1(重量比)水泥漿液，注漿壓力1.5 MPa。

3.2 施工工藝流程及方法

施工程序：隧道頂四周坡腳截水溝施工→明洞臨時邊仰坡開口線外排水溝開挖→排水溝防水結構施工→排水溝鋼筋混凝土施工→明洞開挖、邊仰坡臨時支護→明洞臨時邊仰坡開口線與排水溝之間的M10水泥砂漿防水層施工→導向墻施工→管棚及注漿施工。

(1)截、排水溝施工工藝流程、方法

截水溝施工工藝流程：開挖→5 cm厚M10砂漿找平層施工→涂刷聚氨脂防水涂料(3遍)→氯化聚乙烯防水卷材鋪設→20 cm厚漿砌片石砌筑。

排水溝施工工藝流程：開挖→10 cm厚M10砂漿找平層施工→涂刷聚氨脂防水涂料(3遍)→氯化聚乙烯防水卷材鋪設→10 cm厚M10砂漿保護層施工→鋼筋制安→C25混凝土澆筑→明洞臨時邊仰坡開口線與排水溝之間的M10水泥砂漿防水層施工。

(2)管棚注漿施工流程、方法、要求

施工流程：鉆孔→鋼管頂進→注漿管、排氣管安裝→注漿→封孔。

由于管棚間距較小，為避免注漿時發生串孔，造成相鄰鋼花管孔堵塞，鉆完一孔、立即頂進鋼管，然后對奇數孔進行注漿，注漿時可以讓漿液在松散的膨脹土層中裂隙進行擴散填充。管棚安裝完成后進行注漿，注漿順序按先兩側后中間進行，漿液采用水灰比為1∶1的水泥漿液。采用單液注漿，通過工藝性試驗，確定注漿壓力為1.5 MPa，注漿結束后采用M10水泥砂漿充填鋼管封孔。

奇數孔管棚注漿結束后，灌注M10水泥砂漿封孔。然后偶數孔鉆孔，根據鉆孔返碴檢查注漿情況，如果注漿效果滿足要求，頂進鋼管，灌注M10水泥砂漿封孔；如果不滿足要求則頂進鋼花管注漿后灌注M10水泥砂漿封孔。

注單孔結束條件：以單孔注漿量控制為主，注漿壓力控制為輔;單孔灌漿量達到單孔設計注漿量的1.0～1.2倍或單孔注漿壓力達到設計注漿壓力并穩定10 min時結束注漿。全段結束條件，所有注漿孔均符合單孔結束條件，無遺漏情況。注漿完畢用鐵錘敲擊鋼管，如響聲清脆，則說明漿液未填充滿鋼管，需采取補注或重注；如響聲低啞，則說明漿液已填充滿鋼管。

4 實施效果

紅土嶺隧道出口洞頂防排水系統、超前大管棚超前固結注漿已施工完成，DK914+780～DK914+710明洞段、DK914+710～DK914+680大管棚暗洞段已施工完成。施工過程未發現地表水下滲，開挖過程中圍巖穩定，未發生溜塌，施工期間監控量測數據穩定。隧道頂防排水技術措施達到預期設計效果，在紅土嶺隧道出口超淺埋膨脹土地層安全、有序進洞起了非常重要的作用。

5 結 語

紅土嶺隧道出口超淺埋、膨脹土軟弱進洞施工時，通過增加“防、排、堵、截”相結合措施，防排水系統達到預期效果。在紅土嶺隧道出口安全、有序進洞施工中起到關鍵作用，具有非常重要的意義；同時也為類似地質情況隧道施工積累寶貴經驗。