无工作室超前大管棚及三洞五步法在膨胀土隧道中的应用

刘砚亮

摘要：膨胀土具有“浸水膨胀，失水收缩”特性，膨胀土围岩将对隧道的稳定和安全产生影响，因此应改善膨胀土隧道的施工技术。结合太兴铁路专线小河沟膨胀土隧道施工实践， 提出了无工作室超前大管棚过塌方段技术及“三洞五步法”施工开挖技术，并通过数值模拟及监控量测数据说明两种技术的可行性，这对维护围岩稳定、支护结构安全、保证施工顺利进行以及缩短工期和节约投资等都有着极其重要的意义，对于同类隧道的施工具有重要的借鉴意义。

关键词：膨胀土隧道；塌方段；无工作室超前大管棚；三洞五步法

中图分类号：U455 文献标识码： A

Application of Non-cavern Advance Large Pipe Roof and Three-hole Five Step Excavation Method in Expansive Soil Tunnel

Liu Yan Liang

(China Railway 14th Bureau Group, Jinan，Shandong 250061，China)

Abstract：Expansive soil is swelling when soaking and shrinkage when losing water, then expansive soil will affect the stability and safety of tunnel, so we must improve the construction technology of expansive soil tunnels. Combined with the construction practice of Xiaohegou tunnel in TAIXING railway, the non-cavern advance large pipe roof is introduced into the collapse of tunnel and the “Three-hole Five-step Excavation Method” is also represented. In addition, the numerical simulation and monitoring are used to support the effectiveness of these technologies. This excavation method is of practical significance for keeping tunnel stability, shortening the construction period and investments. This study is also very significant for construction of simple tunnels.

Key words：expansive soil tunnel; the collapse of tunnel; the non-cavern advance large pipe roof; Three-hole Five-step Excavation Method

0 引言

若干年來，民间一直流传着许多对于膨胀土的形象比喻和称呼。例如，南方诸省广为流传的“晴天一把刀，雨天一团糟”和“天晴张大嘴，雨后吐黄水”，则可以说是对膨胀土强度特性和胀缩特性规律的高度概括和逼真写照[1]。膨胀土隧道施工开挖初期易开裂变形，随时间推移围岩会大量向隧道内塑性挤出或底板大量隆起，使隧道初期支护或衬砌发生严重破坏，严重情况下会发生坍塌冒顶。我国在膨胀土(岩)中修建了不少铁路、公路隧道，如襄渝线的董家沟隧道、七里沟隧道、梅七线的崔家沟隧道、陇海线的吴庄隧道。由于对膨胀土变形破坏机理缺乏深刻认识，施工过程中不能有意识地促使膨胀土从综合机制向单一机制转化，常使之状态恶化，加速物化膨胀效应，致使施工受到影响或投入运营后因病害而停运。虽然膨胀土隧道施工已经引起了国内专家的关注，但总体上讲，我国膨胀土隧道施工技术水平与世界先进国家尚有很大的差距，还没有成熟的膨胀土隧道施工方法指导施工，施工方法落后单调，缺乏应变能力，施工常出现反复，严重影响工程的按时竣工和正常运行，甚至带来巨大经济损失。

小河沟隧道是太兴铁路线上第一长大特殊膨胀性土质隧道，其起止里程为DK73+754～DK75+557，全长1803m，隧道地质条件复杂，表层土体（由细腻的胶体颗粒组成）竖向节理和斜交剪切裂隙密集发育，断口面光滑，隧道纵断面图如图1所示。

图1 小河沟隧道纵断面图

Fig. 1 Longitude section of Xiaohegou tunnel

隧道施工初期膨胀土体多表现为强胀缩性、裂隙性、超固结性、强度衰减、遇水崩解、风化特性。随雨季期强降水，致使膨胀土体吸水至充填土体裂隙，土体膨胀变形，衬砌结构失稳，尤其是洞口段拱脚处渗漏水严重。洞身膨胀土围岩接近甚至超过塑限，部分土体呈硬塑状，大部分呈软塑状，局部流塑状，稳定性差，极易坍塌掉块。针对这种围岩变形大，施工难度高的膨胀土质隧道，施工过程稍有不慎，会严重危及施工安全。

本文以小河沟膨胀土隧道为工程背景，经过对其施工技术的经验总结，得出了一套适用于膨胀土隧道塌方段施工技术及隧道开挖支护方法。实践证明，采取的施工技术措施是科学合理的，确保了隧道在安全有序的环境下施工。

隧道塌方概述

DK75+193～DK75+262.72011年7月31日凌晨，小河沟隧道DK75+193～DK75+262.7段山体发生坍陷、滑移，坍陷深度达5米以上。山体滑移情况如图2所示。DK75+180～DK75+247段山体（图2黄圆圈部分）由线路左侧向右前方（DK75+247～DK75+252段）坍陷滑移，同时DK75+252～DK75+265段山体（图2红圆圈部分）向右后方（DK75+247～DK75+252段）坍陷。图2中黑色箭线为左线中心线。

坍陷后山体形成大量断裂、陷坑，滑移体呈持续沉降变化，土体涌入隧道造成隧道塌方（图3）。

图2 山体塌陷、滑移情况

Fig. 2The collapse of mountain

图3 土体涌入后洞内情况

Fig. 3The tunnel after influx of soil

无工作室超前大管棚过塌方段技术

2.1 超前管棚方案的确定

由于DK75+193～DK75+262.7段山体发生滑移，所以导致隧道围岩整体受到扰动，为了安全通过塌方段，采用超前大管棚技术。为减少安装超前大管棚对围岩的再次扰动，应用无工作室超前大管棚技术，这样既节省了施工空间又减少了对围岩的扰动，如图4所示。

拱部120°范围内设Φ108超前管棚支护，每环长15m，环向间距0.4m，纵向搭接长度3m，外插角1～3°，注1：1的水泥浆。

图4 无工作室超前大管棚的安装

Fig.4 The install of non-cavern advance large pipe roof

2.2 数值模拟

應用大型数值模拟软件FLAC3D对超前大管棚支护进行数值模拟，理论验算支护效果。

（1）模型参数

模型尺寸为长×宽×高=110m×96m×20m，隧道拱顶埋深33m。初次支护喷射混凝土厚30cm，采用shell单元模拟，锚杆采用cable计算单元模拟，计算模型如图4所示.

图5 数值计算模型

Fig. 5The model of numerical calculation

（2）管棚加固区模拟

注浆完成后，长管棚与注浆加固圈在拱顶形成了稳固可靠的固结壳。在模拟计算中，为了考虑这种壳效应，通过提高管棚与加固围岩形成的厚筒结构的参数来实现，其注浆厚度计算同公式（1）[2]。

(1)

式中：D——注浆厚筒的厚度，m；

R——浆液的扩散半径，m；

S——相邻两注浆孔的间距，m。

计算后所得管棚加固区的有效厚度为60cm，其参数如表1所示，管棚加固区模拟图如图5所示。

表1加固区力学参数

Table 1 Mechanical parameters of reinforcement area

图5 管棚加固区

Fig.5 Reinforcement area of large pipe roof

（3）计算结果

管棚变形受力变形图如图6、图7所示，由图可见管棚和管棚加固的区域的最大最大应力并不是发生在掌子面上，而是发生在掌子面前方未开挖阶段，距掌子面4到5米的范围内，这充分证明了管棚对掌子面前方土体的加固作用，保证掌子面前方土体的稳定性。

图6管棚受力变形图

Fig.6 The deformation of large pipe roof

图7管棚加固区域z向应力图

Fig.7 The z-direction stress of reinforcement area

通过现场实际施工经验及数值模拟计算表明应用超前大管棚技术可以顺利通过膨胀土隧道塌方地段。

三洞五步开挖支护工法

隧道安全快速施工的前提是保证其紧邻围岩的稳定，而围岩的失稳破坏往往是由于围岩应力和变形调整导致的结果，坚硬围岩由于强度高、变形小、稳定性好，对施工的影响小，因此在坚硬围岩隧道施工中更多考虑的是如何方便施工、如何高效的发挥机械的效能，在台阶高度、长度的选取等决策中主要考虑的是方便开挖、出渣和支护[4]。膨胀土隧道, 特别是地下水发育地区或季节性降水量较大区域的膨胀土隧道，应使隧道衬砌尽早形成环向受力。隧道衬砌环向受力的形成是膨胀土隧道施工安全的重要保证[4-6]。

膨胀土围岩由于节理密集、增湿胀缩变形大、遇水崩解、稳定性差，开挖过程极易出现塌方等失稳现象，要实现膨胀土围岩隧道的安全快速施工，则必须更多地考虑施工过程中土体增湿围岩受力的调整以及围岩的变形规律，以确保围岩稳定。

根据膨胀土围岩变形的特征及其场地地质情况，合理选择开挖分部和开挖进尺，适时安排开挖和支护的各个工序，是膨胀土围岩隧道安全快速施工的理论基础。小河沟膨胀土隧道原来采用预留核心土三台阶七步开挖法进行施工，实践证明该施工工法与膨胀土隧道的变形特征不相符合，无法保证隧道开挖时围岩的稳定。因此，结合场地膨胀土围岩的理化特性，采用三洞五步开挖法进行施工。具体施工流程如图7。

图8 膨胀土隧道三洞五步开挖法施工工序简图

Fig. 8 The construction process diagram of the Three-hole Five-step Excavation Method

其详细施工顺序为：

（1）上部弧形导坑①部开挖，在拱部超前支护后进行，环向开挖上部弧形导坑，预留核心土，核心土长度宜为3～5米，宽度宜为隧道开挖宽度的6m。开挖后立即初喷3～5cm砼。及时进行喷、锚、网系统支护,并架设上台阶临时仰拱I20a钢架，喷22cm厚混凝土。

（2）开挖左侧中、下台阶③、④：开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过0.5m，中、下台阶错开2～3m。开挖后及时进行喷、锚、网系统支护，并架立中台阶左半幅临时仰拱，复喷砼至设计厚度。

（3）开挖右侧中、下台阶⑤、⑥ ：按照开挖左侧中、下台阶的方法进行开挖右侧中、下台阶，开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过0.5m，中、下台阶错开2～3m，开挖后及时进行喷、锚、网系统支护，并架立中台阶右半幅临时仰拱钢架，复喷砼至设计厚度。

（4）开挖隧底⑦ ：每循环开挖进尺长度宜为2～3m，开挖后及时施作仰拱初期支护，并及时施作仰拱。

（5）开挖核心土②。

支护技术要点

4.1 支护参数

初支钢架采用I22型钢、主筋Φ32格栅钢架两种，间距50cm，交错设置。钢筋网采用φ8钢筋，网格间距20×20cm。喷C25混凝土，厚度35cm。锁脚锚管采用Φ60无缝钢管，L≥4.5m，拱脚向上30cm，向下倾角35°打设，每处2根。型钢、格栅钢架边墙部位径向注浆采用φ42无缝钢管或φ32自进式中空注浆锚管，管长=5m，环、纵向间距1×0.5m，梅花形布置，注浆量根据现场实际数量确定。

超前小导管采用Φ42无缝钢管，环向间距40cm，纵向3m一环在拱部布设，小导管单根长4.5m，外插角5～10度，注浆量根据现场实际数量确定。

临时仰拱采用I20a型钢，采用C25砼素喷，喷射厚度为22cm，临时仰拱之间采用钢板连接，钢板尺寸240mm×240mm×15m。

4.2保证大锁脚的安装质量

为保证隧道安全施工，防止围岩失稳破坏，在台阶之间转换时必须保证锁脚的安装质量

4.3调整围岩预留变形

隧道内的预留变形量是指围岩荷载引起的下沉量或变形量，也指比设计位置预先提高的量。预留变形量的大小，受地质、开挖方式、支护构造和材质、开挖之后到衬砌之前经过的时间等因素控制，所以宜结合实际情况，采用适合于现场条件的最小预留变形量。隧道总变形以预留变形量控制为主，同时加强肉眼观测，确保洞内施工安全。

考虑到膨胀土体吸湿后其体积的变化与土体内部吸力的丧失、衬砌结构的受力变化，施工场地的预留变形量不能只是针对钢支撑做保险计算，在衬砌施工时，为防备模板与衬砌结构的整体下沉或内挤，需要将预留量做适当放大。

4.4强化工序流程衔接

膨胀土隧道施工过程中, 应做好各工序间的有效衔接工作。开挖完成后宜及时组织钢架、超前支护、钢筋网、喷射混凝土、系统锚杆、锁脚锚管施工，避免因膨胀土围岩暴露时间过长或浸水膨胀而导致变形过大，增加治理的难度与费用。同时，考虑到膨胀土围岩的变形是随时间变化的一个过程，膨胀应力是这种变化的根本原因，施工过程宜加强工序的有效衔接，缩短土体增湿膨胀变形破坏所需时间，即要突出体现一“快”字，规范施工管理，强化流程衔接。

4.5加强围岩变形监控

监测量测是“新奥法”施工的核心技术之一，尤其是在软弱围岩及特殊性土施工地段，通过现场监控量测，监视围岩变化状态，了解初期支护受力情况，确保施工安全，同时掌握围岩变形规律，确认或修改支护设计参数与施工顺序，合理安排施工工艺。

图8、9分别是采用三台阶七步开挖法和三洞五步法开挖隧道时的监控量测数据，图中表明按照三台阶七步开挖法施工时拱顶下沉最大能达到380mm,而采用三洞五步法施工时拱顶下沉最大才130mm，这说明了我们所采取的支护参数和创新性施工工艺是科学合理的。

图9 隧道洞内改进工法前监控量测

Fig.9The monitoring results before changing construction technology

图10 隧道洞内改进工法后监控量测

Fig.10The monitoring results after changing construction technology

结论

膨胀土“浸水膨胀，失水收缩”的特性，给膨胀土隧道的施工带来了巨大的安全难题，尤其在膨胀土隧道关键段的施工，必须改善施工技术，加强支护对策。

（1）对于膨胀土隧道塌方段，建议采用无工作室超前大管棚技术，既节省了工作空间减少对围岩的扰动又对前方土体进行支护，防止塌方产生。

（2）实践证明，采用三台阶七步开挖法不能保证隧道的安全施工，因此，结合场地膨胀土围岩的理化特性，采用三洞五步开挖法进行施工。

（3）施工中应加强围岩含水量检测，防止含水量过大，另外调整围岩预留变形量，确保洞内施工安全。

总而言之，膨胀土为我国较特有的土质，工程中有着广泛的地质灾害[7]。为了保证隧道结构的使用性能，在施工期间需要注意对“关键段位置”问题的处理，通过合理的施工技术与快速支护方案来增强隧道的使用性能。

参考文献：

[1] 谢磊.富水膨胀土地质條件下柳城隧道的施工技术[D].西南交通大学[D],2009,5

[2] 孙士成，杨钊，姜安龙.小相寨隧道进口段管棚支护参数优化分析[J].南昌航空大学学报,2009,23(1):79-83.

[3] 黎锡贵. 浅谈膨胀性土隧道洞口段快速施工技术[J]. 河北企业, 2007: 72-72.

[4] 郝中海,李文杰. 膨胀土隧道施工技术要点[J]. 公路交通科技, 2002, 19 (6): 102-104.

[5] 翟建国. 膨胀土隧道施工技术[J]. 铁道建筑技术, 2009(1): 149-152.

[6] 宋磊. 膨胀土隧道塌方成因分析及其技术处理[J]. 长沙铁道学院学报:社会科学版, 2011, 12(3): 211-212.

[7] 刘建友，赵勇. 软弱围岩隧道安全快速施工技术研究其技术处理[J]. 隧道建设, 2011(31): 381-387.