浅谈膨胀土超浅埋、大断面隧道进洞施工关键技术

唐应鹏，刘代贤

（中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司,成都 611130）

1 引言

红土岭隧道位于河南省内乡县师岗镇境内，为蒙西至华中地区铁路煤运通道单洞双线隧道，全长2995m，开挖直径12m，隧道设进出口两个工作面同时掘进。隧道出口采用正切Ⅱ式洞门，外接路堑，洞顶为弱膨胀土，具有遇水膨胀、失水收缩的特点，最小埋深仅3.93m，围岩强度低、自稳能力差，变形控制和施工难度极大，安全风险高。为此，选择合理的进洞方案，对膨胀土进行隔水封闭，采取切实可行的超前支护、开挖方法、初期支护等措施，是隧道安全进洞的重要技术保障。

2 进洞方案的选择

方案比选阶段，主要提出了两种方案，一是洞口段暗挖法改明洞或暗墙明挖,二是超长大管棚超前支护。

2.1 暗挖改明洞或暗墙明拱

洞口段暗挖法改明洞或暗墙明拱，即延长现有明洞长度，可以解决沉降甚至开挖冒顶的难题。由于洞口上方均为基本农田，改明洞开挖会扩大原始地貌扰动范围，不符合“少刷坡、早进洞”的要求，同时，会增加红线征地，开挖后的边坡临时支护及明洞再回填处理均会产生较大成本，虽然在技术上可行，但经济上不合理。同期考虑到的暗墙明拱法，尽管可以较明洞开挖减少部分地表扰动和征地，但仍然在经济上不合理，且洞口有一定偏压，封顶之后的拱脚开挖亦存在较大施工安全风险。

2.2 超长大管棚超前支护

超长大管棚超前支护，即在洞口边仰坡临时网喷的基础上，设置导向墙，采用长55m，直径108mm的管棚进行超前支护。由于洞口为具有弱膨胀性的黏性土，水平钻孔过长后，钻孔角度和方位的控制异常困难，钻孔偏斜加之钻孔被挤压变形，会造成钢管下设困难，甚至部分管棚侵限或管棚冒顶，无法实现预期的超前加固目的。

2.3 超前支护与初期支护优化

遵循少刷坡、技术上可行、经济上合理的原则，对管棚方案进行优化，将55m长管棚缩短，采用42根108mm，长33m的管棚，大大减少钻孔偏斜的风险。加大预留沉降变形量至30cm，改变原设计型钢支撑，采用H230格栅钢架进行柔性支护，三台阶临时仰拱法短进尺，快封闭，待洞口形成1-2倍洞径锁扣圈后，根据开挖掌子面围岩情况，实时采取在洞身段设置10m长108mm管棚，按有效长度6m循环渐进，安全通过V级围岩浅埋段。

3 方案的实施

3.1 洞口排水系统及黏土层的封闭

完善洞口排水系统，对黏土层进行封闭，防止雨水渗入弱膨胀性黏土层。洞口施工首先施工截水天沟，由于洞顶有一缓坡平台，在洞顶平缓地段与山坡坡脚交界处增设一条浆砌片石临时排水沟，与设计天沟连通。天沟末端设集水坑，采用机械抽排入当地水系。

对洞顶沟、坑等凹处进行回填夯实，红线范围内平缓地段采用5cm厚M10水泥砂浆进行封闭，平台后矮边坡进行临时喷射混凝土封闭。隧道出口进洞段临时边仰坡、出口明挖段边坡均采用喷锚（网）加固，锚杆采用φ22砂浆锚杆，L=4m，间距1.5×1.5m，梅花型布置。喷射混凝土采用10cm厚C25网喷混凝土，钢筋网采用φ8，网格间距25×25cm。沿挡墙1m宽度范围内边仰坡采用M10浆砌片石护坡，厚30cm。

3.2 长管棚与导向墙施作

超前支护采用“导向墙+超前长大管棚”。导向墙采用C30混凝土，在开挖轮廓线以外拱部150°范围内施作，断面尺寸为1.0×1.0m，导向墙内埋设2榀I18工字钢架支撑，导向墙两拱脚在设计基础上，扩大60cm，以避免或减小由于地基沉降而造成导向墙失稳。导向墙完成后，在拱圈及空口周边采用10cm厚C25喷射混凝土对周围仰坡面进行封闭，以防止注浆时向开挖面跑浆。

隧道顶部设42根长33m大管棚，导向墙浇筑前，在工字钢架外缘设φ140壁厚5mm导向钢管，采用φ12加劲箍筋固定导向管，导向钢管及加劲箍筋与钢架焊接，防止浇筑混凝土时产生位移，以此保证管棚钻孔孔向准确。

在膨胀土地层采用普通钻杆钻孔施工时，返碴困难、卡钻，钻孔施工效率非常低，通过探索，采用对螺旋钻杆、钻头进行改进。在钻头上加焊薄钢板，将通气、通水孔正面遮挡，采用侧面通气通水，确保钻进时不堵孔；将钻杆的螺旋片切割掉1/3,确保返渣有充分的通道。彻底解决的堵孔和不返碴难题，工效大大提高。

管棚环向间距40cm。采用直径Φ108mm，壁厚6mm热轧无缝钢管，钢管上钻注浆孔，孔径10～16mm，孔间距15cm，呈梅花形布置，尾部留110cm不钻孔的止浆段。钢管轴线与衬砌外缘夹角 1°～3°；注浆采用水灰比为 1：1（重量比）水泥浆液，注浆压力 0.5～2MPa。

3.3 超前地质预报与监控量测

3.3.1 加强超前地质预报

隧道开挖前，根据边仰坡开挖情况，结合管棚钻孔施工，对洞口30m范围内围岩情况已较充分了解，在开挖之前，进一步采用地质雷达进行超前地质预报，通过多方位印证和掌握了进洞地质条件与预判基本一致，洞顶浅埋弱膨胀土，洞身下部为强风化泥质页岩。

3.3.2 重视监控量测

监控量测工作纳入工序管理，所有监测数据传入监控量测管理系统，建立预警预报机制，发现数据异常，必须根据预警机制采取相应措施，查明原因。设置地表沉降观测、洞内拱顶下沉和水平收敛观测点，及时了解和掌握隧道支护结构变形情况，保障施工安全，为调整施工方法，指导二衬施作时机，进行动态设计提供可靠依据。

3.3.2.1 地表沉降测点

①在隧道开挖前布设地表沉降观测点，横向间距为2～5m，在隧道中线附近测点应适当加密。②隧道中线两侧监测范围不应小于隧道埋深+隧道宽度。③基准点应设置在隧道施工影响范围以外稳定处，并设置复核性测点，保证其数据可靠性。

当变形处于初期匀速变形阶段和平稳发展阶段时，隧道处于相对安全的状态；围岩变形过程中，在围岩不失稳的正常情况下，在量测断面附近进行开挖施工时，受施工扰动，存在一定的变形加速现象，属于正常加速，其余变形加速属于异常加速。异常加速是围岩失稳的征兆，隧道施工安全存在威胁，应进行预警。

3.3.2.2 拱顶下沉和水平收敛测点

在开挖支护过程中，洞口段在洞内拱顶布设1个工点下沉检测点，拱墙布设两条水平收敛观测线，洞内观测断面与地表沉降观测点在同一桩号。初支与围岩密贴，测点埋设在格栅钢架、栅格等初期支护上。测点在初支支护后立即埋设，初始读数在测点埋设12h内读取。

3.4 三台阶临时仰拱法

3.4.1 调整预留沉降量

红土岭隧道出口段围岩为Ⅴ级，洞口33m长管棚施工完成后，隧道按新奥法原理设计与施工采用三台阶临时仰拱法施工，设计V级围岩预留沉降量8-12cm，施工阶段洞口30m调整为30cm，以防止变形较大后初支侵入隧道设计净空。

3.4.2 机械开挖设备改进

进洞30m主要为弱膨胀土和强风化泥质页岩，采用机械开挖的方式，避免爆破引起围岩失稳，常规挖机和开挖设备在隧道周边较困难，需要采用人工，安全风险高，施工效率低，在此基础上，改装一种新型隧道土质区域开挖辅助设备，在挖机斗背面两侧按照开挖钢叉，确保周边和拱顶开挖到位。

3.4.3 三台阶临时仰拱法施工工序

①先施作超前支护（管棚）；开挖拱顶；施作上台阶周边的初期支护，并设锁脚钢管；施作上台阶临时仰拱，铺设H230格栅钢架，喷23cm厚混凝土；封闭掌子面8cm；复喷混凝土至设计厚度。

②在滞后于上台阶一段距离（不大于10m）后，开挖中台阶；台阶周边初喷混凝土，施作中台阶临时仰拱，及掌子面封闭。

③在滞后于中台阶一段距离（不大于15m）后，开挖下台阶；初期支护并设锁脚钢管。

3.5 初期支护

初期支护在开挖后立即施作，以保护围岩的自然承载力。初期支护由喷射混凝土、锚杆（管）、钢筋网和格栅钢架等组成，各部分联合受力。将原设计I22工字钢型钢支撑改为H230格栅钢筋，以适应围岩变形，充分发挥支护结构的柔性支护作用。

格栅钢架采用H230格栅钢架，每榀间距0.6m。拱墙采用φ22砂浆锚杆，锚杆长3.5m，间距1.0m×0.8m；钢筋网采用φ8，网眼间距20×20cm；湿喷机械手喷射C25喷射混凝土。

完善洞内临时防排水系统，严禁积水浸泡拱（墙）脚及在施工现场漫流，防止基底承载力降低。

3.6 短进尺，及时封闭成环，形成锁口圈

3.6.1 开挖进尺控制

台阶开挖循环进尺应根据围岩地质条件和初期支护格栅钢架间距合理确定，上台阶每循环开挖支护进尺不应大于0.6m，边墙每循环开挖支护进尺不得大于1.2m，仰拱每循环开挖进尺不得大于3m。

3.6.2 台阶高度、长度控制

应根据围岩条件，合理确定台阶长度和高度。各部台阶长度不宜过长，上台阶长度不得大于5m。中台阶长度不得大于15m。下台阶开挖左、右侧应错开3m拱架的距离。

3.6.3 及时封闭成环

初期支护仰拱设置格栅钢架地段应及时封闭成环，仰拱紧跟下台阶施工（特殊情况仰拱距离掌子面的极限距离：三台阶施工时按2倍洞径控制，两台阶施工时按1倍洞径控制）。3.6.4尽早形成洞口锁口圈

红土岭隧道出口为Vc级围岩，采用三台阶临时仰拱法施工。为保证施工质量安全，进洞后应及时形成锁口圈（锁口圈长度不得小于1倍洞径）。

进洞12m（红土岭隧道出口Vc类围岩开挖洞径为11.52m）内按上台阶3m、中台阶4m开挖，当中台阶形成4m的台阶后下台阶即可开挖，下台阶开挖后及时封闭成环。最终形成上台阶3m，中台阶4m，下台阶5m的格局，确保进洞12m范围内能以最快的速度封闭成环，形成锁口圈。

4 总结

红土岭隧道出口段进洞前，施作洞顶排水系统，封闭黏土层，防止雨水渗入，避免了膨胀土软化变形；加强超前地质预报、地表沉降观测和洞内监控量测，为施工决策提供了科学依据。采用“导向墙+超长管棚注浆”加强超前支护，顺利成拱；采用三台阶临时仰拱法进行开挖，格栅钢架小间距进行柔性初期支护，并及时封闭成环，尽早形成洞口锁口圈，实现了施工安全；适当加大预留变形量，确保了初支断面不侵限。实践证明，采取上述措施和工法，能够实现膨胀土地层超浅埋、大断面隧道顺利进洞。