富含水膨脹土隧道施工技術研究

摘 要 近年來土質隧道施工常采用CRD法，該工法能夠有效控制隧道沉降收斂，但在富含水膨脹土隧道施工時初支沉降收斂仍較大，施工效率低，臨時支撐拆除時存在安全隱患。本文以鄂北水利工程紀洪隧道富含水膨脹土段施工為例，利用三臺階開挖、上臺階臨時橫撐豎撐支護方法，再通過加強支護參數、做好截排水措施、嚴控安全步距、組織好工序銜接等方法來減小隧道的沉降收斂，達到快速、安全、高效地完成富含水膨脹土隧道施工的目的。

關鍵詞 膨脹土;三臺階;沉降收斂;截排水;安全步距

1工程概述

紀洪隧道全長10.35km，土洞段長4.5km，占隧道全長的43%。土洞斷面面積為52.6m2，土洞段地質主要為第四系上更新統琚灣組黏土，該土層具弱膨脹性，夾薄層壤土，含藍灰色條帶狀或網紋狀高嶺土條紋或條帶，局部含黑褐色鐵錳質氧化物及其結核，局部鈣質物含量偏高。土洞段洞徑最大處為8.1m，隧道埋深26.0～45.0m。

土洞段原設計為CRD法施工，現場采用此方法施工時，發現掌子面地質情況為：

（1）隧道下臺階及仰拱位置為普通土，但中臺階及上臺階土質中含有中等膨脹土。

（2）掌子面土體濕潤，土體表面無線狀流水，局部有掉塊現象;隨著土體暴露時間加長，掌子面出現滲水、掉塊、坍塌情況，上臺階部分位置拱腳處有線狀流水。

根據揭示的地質情況，該段為典型的富含水膨脹土隧道，膨脹土在無水情況下土質較硬，一旦遇水極易發生軟化，遇水后土體自穩能力差，極易發生掉塊、坍塌，屬于隧道施工中最軟弱、穩定性最差的不良地層。由于原設計CRD法每循環施工時間過長，掌子面暴露時間長、掉塊嚴重，每月實際進度只有15m～20m，已無法滿足現場施工要求，故對富含水膨脹土隧道施工技術進行研究[1]。

2處理方案比選分析

根據現場施工條件及地質情況，就如何安全高效通過富含水膨脹土地段，提出以下三種施工方案：

方案一：在通過富含水膨脹土段時，未施工臨時支撐，三臺階同步開挖，對原狀土擾動較大，掌子面及拱頂滲水極為嚴重，鋼架發生扭曲變形，初期支護沉降收斂較大，部分位置已侵入二襯混凝土空間20cm～30cm，見表1。方案二：采用此方法時，將開挖面噴漿封閉可有效控制掌子面掉塊現象，臨時支撐能起到減小隧道沉降收斂的作用。見表1，第二種方案明顯比第一種沉降收斂小。方案三：開挖下臺階前施工臨時支撐，下臺階施工完成后再施工仰拱，對隧道拱頂邊墻沉降收斂數據進行匯總分析，見表1，表中第三種施工技術方案沉降收斂值為最小。

通過對以上三種施工方案進行對比分析，最終選定三臺階開挖+上臺階臨時橫撐豎撐支護+開挖面噴漿臨時防護，且上中臺階同步施工，完成后再噴漿封閉掌子面及施做上臺階臨時支撐，最后開挖下臺階、仰拱。

由于隧道內地質為富含水膨脹土，土體自穩性極差，在采用此方法后隧道沉降收斂雖有明顯改善，但表1中十天觀測最大累計沉降收斂點仍侵入二襯空間，不滿足施工要求。為進一步解決沉降問題，現場通過加強支護參數，采取截、排水措施，嚴格控制安全步距，組織好工序銜接來縮短初期支護封閉成環時間等措施，來達到控制沉降收斂的目的[2]。

3施工技術方案

三臺階開挖+上臺階臨時橫撐豎撐支護+開挖面噴漿臨時防護，上中臺階同步開挖，開挖至滿足一次能夠澆筑5～10m仰拱條件后，將掌子面噴漿封閉，然后在上臺階每間隔1米間距，采用工18型鋼施做臨時橫撐，同時在橫撐上增加兩道臨時豎撐，如圖1所示。臨時支撐施工完畢后再施工下臺階，下臺階左右兩側均開挖支護5～10m，再立即組織人員設備開挖支護仰拱，并綁扎仰拱鋼筋及澆筑混凝土，使初期支護盡早封閉成環。

3.1 加強支護參數

隧道原設計初期支護采用工18工字鋼，間距50cm，Φ10mm鋼筋網片20×20cm間距，拱腳位置采用鎖腳錨管連接，每處拱腳2根4.0m長Φ42無縫鋼管，25cm厚噴射混凝土。按原設計支護參數在富含水膨脹土隧道段施工，發現初支內鋼架已嚴重發生扭曲變形及沉降，鋼架剛度已完全無法滿足要求。通過與設計溝通，現場鋼架間距已足夠小，故采用增加鋼架型號，將工18型鋼變更為工22型鋼，噴射混凝土由設計的25cm增大至30cm，將原設計每處2根鎖腳錨管數量增加至6根，增大拱腳受力面積，將下臺階拱腳連接板尺寸由原設計的20cm×22cm增大至25cm×30cm。

通過加強支護參數后，現場再次對沉降觀測數據進行分析，在開挖過程中鋼架扭曲變形及沉降得到有效控制，十天最大沉降收斂值控制在60mm以內，但在滲水位置處，沉降觀測數據變化仍較為明顯。為減少變形情況，須進一步改善洞內截排水措施。

3.2 截排水措施

初支施工期間，在初支上自拱頂向兩側每間隔兩米利用Ф42無縫鋼管布設泄水孔，使初支背后滲水從泄水孔排出，在仰拱端頭設立臨時集水井。開挖過程中，做好各項排水措施，在離兩側拱腳外1m位置開挖截水溝，將水流引向下臺階開挖的臨時集水井中，再使用污水泵將水抽排出洞外，如圖2所示。

支護參數加強并采取截排水措施后，初支表面滲水情況得到改善，表面不再大面積滴水，富含水膨脹土段拱頂邊墻沉降收斂值基本控制在50mm以內。

3.3 嚴控安全步距

掌子面開挖要嚴格控制仰拱、二襯安全步距，通過對監控量測數據統計，見表2，當仰拱安全步距小于20m時，仰拱施工操作空間狹窄，施工效率低，每月實際完成進度在30m以內;將安全步距拉大到30m至35m時，隧道沉降收斂值較大，存在安全隱患;故根據沉降觀測數據情況，仰拱安全步距宜控制在25m左右。仰拱步距滿足要求后，二襯安全步距控制在70m以內時，初支監控量測數據無明顯變化。

3.4 組織好工序銜接

由于該水利隧道內空間狹窄，仰拱面為弧形面，施工通道行車極為不便，在富含水膨脹土地段施工時完全無法使用仰拱棧橋，仰拱混凝土澆筑后，必須等待混凝土達到通車條件后才能行車，混凝土等強時間在12～24h之間;二襯混凝土采用地泵澆筑時，地泵將二襯前方施工通道完全堵塞，掌子面也無法施工，每次二襯澆筑時間為8～10h。綜合以上情況考慮，仰拱澆筑完畢后，立即組織工人對二襯混凝土施工，利用仰拱混凝土凝固等強時間澆筑二襯混凝土，提高了施工效率，同時二襯安全步距能夠及時跟上。掌子面開挖、支護、噴漿各道工序也須緊密連接，不得上道工序完成后，下道工序人員設備材料還未就位，致使開挖臨空面暴露時間過長，造成掌子面掉塊、塌方等情況發生。所以在人員組織、工序銜接上要提前籌劃，合理安排[3]。

4結束語

紀洪隧道富含水膨脹土段通過實施以上施工技術方案后，隧道內沉降收斂值已控制在規范允許范圍內，避免了初期支護侵入二襯造成換拱返工損失，保證了施工安全，同時現場每月實際進度提高到40m～50m，確保了4.5km土洞按工期安全順利貫通，也為類似隧道工程施工提供借鑒。

參考文獻

[1] 劉佳.論述鐵路隧道施工技術常見問題及改進措施[J].工程建設與設計，2017，（6）：134-135.

[2] 杜亞江，賽玙璞，李丹.礦山法隧道CRD工法施工步序調整研究[J].現代交通技術，2017，（1）：58-60.

[3] 唐敏程.V級圍巖隧道施工初期支護變形控制研究[J].四川水泥，2017，（2）：72.

作者簡介

路騰（1987-），男，湖南津市人;學歷：本科，現就職單位：中鐵二十五局集團第三工程有限公司，研究方向：主要從事隧道施工技術。