大跨度隧道軟弱膨脹圍巖段施工技術

劉春生

中交四公局第二工程有限公司

1 工程概況

某大跨度隧道，左線起訖里程ZK158+420～ZK159+750.626，長1330.63m；右線起訖里程YK158+470～YK159+745，長1275m。隧址區巖體組成類型豐富，膨脹性圍巖段為主要的不良地質，分布范圍集中在左幅ZK159+160～ZK159+620 和右幅YK159+190～YK159+580，總長度達850m。針對膨脹性圍巖的諸多不良特性，應當明確其基本特征以及變形機理，進而以正確的方法高效施工，而此方面也為隧道工程中的重難點內容。

2 膨脹性圍巖的基本特性

2.1 吸水膨脹

巖石中的白色石膏灰巖含量較高，對巖石特性的影響較為顯著，隨著其含量的增加，圍巖的膨脹量則隨之加大。

2.2 失水干縮

隨開挖進程的推進，膨脹性圍巖逐步轉為干燥失水狀態，隨之顯現出干縮開裂問題，后續再次遇水后，將有膨脹甭解的現象。

2.3 易擾動性

在隧道施工期間，各項操作將產生不同程度的振動或是其他形式的干擾，而圍巖抵御外部的水平有限，在該條件下容易因干擾而失穩。

3 大跨度隧道軟弱膨脹圍巖段的施工思路

經地質勘察后，初步判斷為石膏質巖，隨后按規范選取樣品并轉至實驗室內做進一步的分析，通過此途徑明確該類圍巖的施工危害性，以便視實際情況采取針對性的二次襯砌支護措施，設置鋼筋混凝土結構，提高材料的綜合性能（抗滲、抗腐蝕等），并配套防排水等輔助設施，進而實現對圍巖的全方面防護，營造安全的施工環境。

4 確定大跨度隧道軟弱膨脹圍巖段施工技術

在開挖過程中，膨脹性圍巖與洞壁有向洞內擠入的變化特點，開挖斷面較之于前期而言明顯減小，不利于施工進程的順利推進，拱頂、側壁、掌子面均有不同程度的位移現象。在采取支護措施并設置襯砌結構后，有助于抑制膨脹性圍巖的變形等問題，但該類結構將承受較大的土壓力，并且隨時間的延長，該土壓力值將有持續增加的特點。針對此情況，應當重點加強對圍巖和襯砌的監測，掌握其在開挖結束后較長一段時間內的實際特點，進而采取相適應的控制措施，保證結構的穩定性[1]。

在本工程中，圍巖具有吸水膨脹的特點，其成分方面則以白色石膏灰巖居多，隨著吸水量的增加，其有愈發明顯的膨脹現象。從此類特性出發，可采用以下五個方面的措施。

4.1 做好超前及徑向注漿作業

切實做好超前及徑向注漿作業，依托于漿液的固結作用，提高圍巖的強度，減小圍巖壓力。

4.2 增設柔性變形層，確定合適的斷面形式

對于膨脹性圍巖地段的施工，于該范圍內加大預留變形量，重點在仰拱底部采取加強措施，即加厚粉煤灰吸水變形墊層，從而減輕圍巖水的干擾，以免因膨脹性圍巖遇水而出現仰拱開裂、底鼓等質量問題。此外，在此類措施落實到位后，還有助于增強襯砌斷面的圓順性，實現對受力條件的優化。

4.3 配套完善的、高效的排水設施

加強對施工用水量的控制，以避免不必要的浪費，具體內容有以下幾點。

①錨桿鉆孔環節推薦采用無水鉆孔的方法，成孔后利用高壓氣深度清理孔內雜物，使其恢復潔凈的狀態；。

在親土種植的“土壤改良、減量增效、品質提升、綜合服務”等一系列措施的背后，是“親土1號”系列產品和相關技術的大力支撐。

②在仰拱下鋪設碎石粉煤灰墊層，對其采取壓實措施，保證壓實度達到95%。

③在整個膨脹圍巖施工地段，存在Ⅳ、Ⅴ級圍巖淺埋段，在該部分施工前先組織勘察，明確地表溝塹、洞穴等部位的具體位置以及實際程度，取適量三七灰土用于回填，通過此舉避免地表水下滲的問題，必要時增設合適尺寸的排水溝，起到輔助排水的作用。

④施工現場圍巖組成中含硫酸根離子，其會持續侵蝕混凝土，因此在二襯混凝土制備過程中采用粉煤灰硅酸鹽水泥，以保證該材料的抗滲等級至少達到S8，從而提高二襯的抗滲性能。

⑤在膨脹性圍巖段施工中，滿鋪防水板。

4.4 加強初期支護

隧道施工中，設置大厚度的仰拱，其中Ⅳ～Ⅴ膨脹巖地段設二次襯砌，適當加大預留變形量，形成全方位的支護結構體系。

4.5 正確開挖，盡快封閉圍巖

以合理的方式有效縮短膨脹性圍巖的膨脹時間至關重要，為達到此效果，宜采用全斷面開挖的方法，及時采取支護措施，盡快封閉成環。對于局部膨脹性圍巖缺乏穩定性的情況，其不具備全斷面開挖的條件，此時以環形開挖法較為合適。

5 大跨度隧道軟弱膨脹圍巖段施工技術的具體應用

以設計要求為準，利用超前錨桿預支護；通過R32自進式錨桿與Φ22mm 砂漿錨桿的聯合應用，實現對巖體的有效加固處理；掛網，組織混凝土的噴射施工，通過此類措施加強支護。關于襯砌結構組成，如圖1所示。

圖1 膨脹性圍巖段襯砌結構

5.1 超前支護

超前支護所用材料為Φ22砂漿錨桿，按照“環向間距40cm、外插角10°～15°”的標準有序設置到位。錨桿的方向無特定的要求，具體根據巖體節理面產狀而定。考慮到錨桿的穩定性要求，其搭接長度至少需達到1.0m，并將尾端以焊接的方式穩定設置在系統錨桿的尾端，將兩者連接于一體[2]。

5.2 開挖作業

圖2 膨脹性圍巖短臺階開挖

5.3 支護施工

5.3.1 鋼支撐

以I6工字鋼為主要材料，利用螺栓連接于一體，經焊接處理后使工字鋼穩定在鋼板上。焊接采用的是雙面焊的方法，要求焊縫厚度至少達到5mm。在布設鋼支撐時，縱向間距取1.0m，每榀間利用Φ22mm 鋼筋實現穩定的連接。針對拱部與邊墻鋼支撐連接區域采取加強措施，即設置2根長度均為3.0m的Φ22mm藥卷錨桿，將其作為鎖腳錨桿而使用[3]。

5.3.2 系統錨桿

施工所用材料含兩類，即R32自進式錨桿與Φ22mm砂漿錨桿，各自的長度分別為500cm、300cm，布設間距保持一致，即100mm（縱）×240mm（環），兩者交錯布設至指定位置，且均遵循梅花形布置的基本原則。

5.3.3 噴射混凝土

混凝土強度等級C20，厚度22cm，采用水泥裹砂法濕噴工藝，逐層依次施工，加強對各層厚度及其他方面質量的檢查與控制。優先噴射對象為鋼架背后，隨后再將施工對象轉向鋼架之間[4]。

5.4 仰拱施工

仰拱施工采用的是預裂光面爆破的方法。待開挖結束后，隨即按設計圖紙架設鋼架與拱墻初支鋼架連接，配套系統錨桿，噴射混凝土。經過初期支護施工后，若無質量問題則綁扎仰拱鋼筋，隨后澆筑混凝土，以形成完整的仰拱結構。在仰拱下方設置柔性變形層，即鋪設的是碎石粉煤灰墊層，厚度按50cm控制，要求墊層的壓實度至少達到95%，以免出現失穩現象。在仰拱填充上部布設雙層鋼筋網，通過此裝置的應用，提高整體的剛度[5]。

5.5 襯砌施工

襯砌施工對于時間的要求較為嚴格，施工時間提前或延后均會造成不良影響。若施工時間提前，此時圍巖內膨脹應力的釋放量有限，易導致襯砌結構受損；若施工時間延后，則圍巖易出現較大幅度的變形，進而誘發坍塌、支護結構失穩等問題。對此，技術人員重點圍繞“位移-時間曲線”展開分析，從中確定圍巖變形速率從快轉至平緩所對應的轉折點，將其作為襯砌的合適施工時間。

在確定具體的施工時間后，進入正式施工環節，即采用鋼模臺車整體式施工。考慮到結構的穩定性要求，適當增加該部分襯砌的厚度以及配筋率。結構方面，采用的是雙層鋼筋網C25混凝土，厚度按45cm控制。

6 結束語

綜上所述，膨脹性圍巖段的施工條件欠佳，顯著特點在于遇水后易發生膨脹現象，同時在隧道開挖等施工過程中，容易出現圍巖失穩等質量問題。對此，在工程施工中，應當重點采取防排水措施以及支護措施，從而全面維持隧道施工的安全性。