玉磨鐵路膨脹土地層隧道施工及變形控制技術(shù)

丁小平

（中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西 太原030001）

玉磨鐵路（玉溪至磨憨）是云南省融入國家“一帶一路”倡議、推進(jìn)與周邊國家互聯(lián)互通的重大建設(shè)項(xiàng)目[1]。其站前工程YMZQ-16標(biāo)段，起訖里程為DK330+840—DK352+198。西雙版納屬于滇西南瀾滄江-湄公河國際旅游區(qū)，施工時(shí)需注意環(huán)境保護(hù)，力圖打造“生態(tài)文明示范線”[2]。

西雙版納隧道位于玉磨鐵路野象谷站—西雙版納站區(qū)間，進(jìn)口里程為DK348+050，出口里程為DK358+730，最大埋深620m，最小埋深20m，全長10680m。在YMZQ-16標(biāo)段內(nèi)，起訖里程為DK348+050—DK352+198，長4148m，其中DK348+094—DK349+306段穿越第三系N2地層，該段土體主要為粉質(zhì)黏土，硬度極差，具有弱～中膨脹性，有明顯吸水膨脹、失水收縮、強(qiáng)度低、易崩解等工程不良特征[3-4]。采用三臺(tái)階法加臨時(shí)仰拱、掌子面預(yù)留核心土法開挖施工該膨脹土段時(shí)，出現(xiàn)了初支侵限、圍巖崩解、塌方等多種施工問題[5-6]。本文重點(diǎn)探究施工中出現(xiàn)問題的原因，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果、參考總結(jié)[7-9]，提出了四臺(tái)階法加臨時(shí)仰拱施工技術(shù)[10-11]，解決該膨脹土地段存在的施工問題。

1 膨脹土段施工問題及原因分析

1.1 施工問題

西雙版納隧道DK348+094—DK349+306段穿越第三系N2地層的粉質(zhì)黏土，該土體具有弱～中膨脹性，施工障礙頗多，嚴(yán)重考驗(yàn)施工技術(shù)。西雙版納隧道進(jìn)口自2016-10-12進(jìn)洞以來，截至2017-12-17，開挖至DK348+389，開挖完成339m，平均每月進(jìn)尺24m，膨脹土的存在顯著降低了施工效率。

洞口DK348+050—DK348+160段110m埋深約8m，該段地表采用高壓旋噴樁加固；DK348+050開始進(jìn)洞開挖面揭示為粉質(zhì)黏土，硬塑狀，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測情況，初期支護(hù)穩(wěn)定后初支變形在20cm以內(nèi)。

過了旋噴樁加固地段后，施工至DK348+241—DK348+274段初期支護(hù)變形增大，造成初期支護(hù)侵限，對(duì)該段換拱33m；后期施工過程中因掌子面臨空面較大，圍巖自穩(wěn)性極差，尤其掌子面核心土無法預(yù)留，多次崩解且掌子面土體多次擠出，最大擠出距離1m以上，掌子面向洞口方向擠出，影響隧道安全生產(chǎn)及施工進(jìn)度。

1.2 原因分析

根據(jù)監(jiān)控量測、土工試驗(yàn)報(bào)告及現(xiàn)場施工情況等，造成初期支護(hù)變形大的主要原因有以下2點(diǎn)：①隧道施工段落地層土體主要為粉質(zhì)黏土，并夾有角礫、碎石、砂層，巖性不均，開挖完成后圍巖整體性極差，且粉質(zhì)黏土具有弱～中等膨脹性，遇水膨脹，由硬塑狀到流塑狀，圍巖的自穩(wěn)能力減弱，整個(gè)圍巖的土壓力由初期支護(hù)結(jié)構(gòu)承受，荷載變大會(huì)導(dǎo)致初期支護(hù)持續(xù)變形收斂；②施工進(jìn)度較慢，初期支護(hù)封閉成環(huán)時(shí)間較長（約40d），期間初期支護(hù)一直持續(xù)變形收斂。工序轉(zhuǎn)換期間變形現(xiàn)象尤為明顯，沉降速率為20～50mm/d。

2 四臺(tái)階法加臨時(shí)仰拱施工技術(shù)

基于膨脹土段三臺(tái)階法加臨時(shí)仰拱、掌子面預(yù)留核心土開挖方法施工現(xiàn)存的問題，通過不斷試驗(yàn)、總結(jié)，在該段落采用四臺(tái)階加臨時(shí)仰拱開挖、增設(shè)套拱、土體加固注漿、下錨段端頭立設(shè)雙層拱架、采用工字鋼替代部分縱向連接筋等多種方案進(jìn)行施工。

2.1 四臺(tái)階加臨時(shí)仰拱開挖技術(shù)

四臺(tái)階加臨時(shí)仰拱開挖施工如圖1所示，主要步驟如下。

圖1 四臺(tái)階加臨時(shí)仰拱施工橫斷面示意圖

第一步，一次性開挖①，立即施做初期支護(hù)及上臺(tái)階臨時(shí)仰拱。

第二步，左右錯(cuò)開開挖②-1和②-2，開挖完后立即施做初期支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)及二臺(tái)階臨時(shí)仰拱。

第三步，左右錯(cuò)開開挖③-1和③-2，開挖完后立即施做初期支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)及三臺(tái)階臨時(shí)仰拱。

第四步，左右錯(cuò)開開挖④-1和④-2，開挖完后立即施做初期支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)，必要時(shí)設(shè)置下臺(tái)階臨時(shí)支撐。

第五步，開挖⑤，立即施做仰拱初期支護(hù)。

為使仰拱盡快封閉成環(huán)，減少初期支護(hù)累計(jì)變形時(shí)間，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定膨脹土邊坡坡比設(shè)計(jì)為1∶2時(shí)較為穩(wěn)定，掌子面至下臺(tái)階距離不應(yīng)小于斷面高度的2倍，以控制土體正面擠出推移。考慮整體受力穩(wěn)定性及機(jī)械作業(yè)空間因素，仰拱步距宜控制在28m左右，各臺(tái)階高度及步長如圖2所示。施工工序轉(zhuǎn)換時(shí)先接長鋼架，后拆除臨時(shí)仰拱，保證臨時(shí)仰拱平行全覆 蓋于仰拱未施做地段，加強(qiáng)各部穩(wěn)定性。

圖2 四臺(tái)階加臨時(shí)仰拱施工縱斷面示意圖

2.2 加強(qiáng)超前支護(hù)技術(shù)

考慮到膨脹土段隧道圍巖強(qiáng)度低、易崩解，與非膨脹土段相比，開挖時(shí)掌子面越不穩(wěn)定，應(yīng)用于非膨脹土段的超前支護(hù)措施必須得到加強(qiáng)方可應(yīng)用于該膨脹土段，保證開挖過程中掌子面的穩(wěn)定性。

加強(qiáng)后的超前支護(hù)主要采用Φ76mm超前中管棚加Φ42mm大外插角小導(dǎo)管，如圖3所示。Φ76mm超前中管棚采用“鋸齒形”無洞室施工方案施做，既保證拱部開挖輪廓穩(wěn)定性，又避免了洞室施做工序煩瑣，加快了施工進(jìn)度。

圖3 超前支護(hù)縱斷面示意圖

2.3 加強(qiáng)初期支護(hù)技術(shù)

四臺(tái)階法加臨時(shí)仰拱開挖后，立即施做初期支護(hù)和一些臨時(shí)支護(hù)措施，該膨脹土段主要采取以下幾個(gè)方面的措施來加強(qiáng)初期支護(hù)。

拱墻初期支護(hù)相鄰鋼架連接板節(jié)點(diǎn)位置增設(shè)I18工字鋼縱向連接，如圖4所示，加強(qiáng)初支鋼架整體性，控制局部荷載過大造成初期支護(hù)變形或開裂。

圖4 工字鋼加強(qiáng)縱向連接

為了確保后期開挖臨空面的穩(wěn)定性，需加固預(yù)筑砂層和角礫土部位，施做臨時(shí)仰拱時(shí)，需加固澆筑各臺(tái)階拱腳處土體，如圖5所示，增強(qiáng)拱腳基底承載力，控制初期支護(hù)沉降。

圖5 土體加固注漿

對(duì)后方初期支護(hù)滲水或局部開裂部位進(jìn)行拱墻初期支護(hù)徑向注漿，如圖6所示，保證施工安全。

圖6 拱墻徑向注漿

嚴(yán)格控制各臺(tái)階臨時(shí)仰拱施做，且臨時(shí)仰拱鋼架與拱墻初支鋼架采用工字鋼斜撐焊接加固，如圖7所示，組成較好的受力結(jié)構(gòu)。下錨段截面變化處初期支護(hù)采用雙層拱架加強(qiáng)支護(hù)，如圖8所示，并采用縱向工字鋼支撐保證截面穩(wěn)定性。

圖7 臨時(shí)仰拱斜支撐

圖8 上臺(tái)階雙層拱架支護(hù)

加強(qiáng)鎖腳施工：拱腳采用Φ76mm鎖腳錨管，每拱腳4根，長6m/根，設(shè)置于相鄰縱向I18連接工字鋼上下位置，采用割孔鋼板與初期支護(hù)鋼架焊接連接，并采用托架式方式打設(shè)，控制初支沉降及收斂，如圖9所示。

圖9 鎖腳錨管布置示意圖

3 監(jiān)控量測情況及分析

采用四臺(tái)階開挖加臨時(shí)仰拱施工技術(shù)作業(yè)后，立即對(duì)變形較大段圍巖進(jìn)行了監(jiān)控量測，生成了為期1個(gè)多月的監(jiān)測記錄，其中選取DK348+360—DK349+392段拱頂沉降曲線進(jìn)行分析，如圖10所示。

圖10 DK348+360—DK349+392段拱頂沉降曲線（單位：mm）

通過上述監(jiān)測曲線對(duì)比分析得出如下結(jié)論：①DK348+360拱頂沉降2017-10-08—11-07監(jiān)控量測累計(jì)沉降值為489.2mm，2017-11-04—11-06進(jìn)行下部臺(tái)階開挖時(shí)監(jiān)控初期支護(hù)沉降明顯，2017-11-08臨時(shí)仰拱施做完成后初期支護(hù)變形速率明顯減小。②根據(jù)監(jiān)控量測DK348+370—DK348+392拱頂沉降速率明顯減小，至初期支護(hù)封閉成環(huán)初支變形穩(wěn)定后，拱頂累計(jì)沉降至均在300mm以內(nèi)。根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析，隨著變更支護(hù)措施范圍的不斷增大，初期支護(hù)整體受力體系逐步增強(qiáng)，初期支護(hù)變形得到有效控制。

4 結(jié)語

本文以玉磨鐵路西雙版納隧道膨脹土段施工中出現(xiàn)的問題為切入點(diǎn)，提出了適用于該膨脹土段的四臺(tái)階法加臨時(shí)仰拱施工技術(shù)，經(jīng)過監(jiān)控量測對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)有助于解決施工問題。

該技術(shù)成功應(yīng)用于玉磨項(xiàng)目YMZQ-16標(biāo)西雙版納隧道進(jìn)口微膨脹粉質(zhì)黏土地層段，有效解決了微膨脹粉質(zhì)黏土地段掌子面自穩(wěn)困難、正面擠出嚴(yán)重、初期支護(hù)完成后初期支護(hù)持續(xù)沉降收斂及開挖易坍塌等問題，避免了采用CRD或雙側(cè)壁工法施工復(fù)雜、難度大、拆除臨時(shí)支撐復(fù)雜等問題，保證了現(xiàn)場施工安全，提高了施工效率。該技術(shù)為類似地質(zhì)隧道施工提供技術(shù)參考與借鑒，具有廣泛的應(yīng)用前景。