大跨度隧道软弱膨胀围岩段施工技术

刘春生

中交四公局第二工程有限公司

1 工程概况

某大跨度隧道，左线起讫里程ZK158+420～ZK159+750.626，长1330.63m；右线起讫里程YK158+470～YK159+745，长1275m。隧址区岩体组成类型丰富，膨胀性围岩段为主要的不良地质，分布范围集中在左幅ZK159+160～ZK159+620 和右幅YK159+190～YK159+580，总长度达850m。针对膨胀性围岩的诸多不良特性，应当明确其基本特征以及变形机理，进而以正确的方法高效施工，而此方面也为隧道工程中的重难点内容。

2 膨胀性围岩的基本特性

2.1 吸水膨胀

岩石中的白色石膏灰岩含量较高，对岩石特性的影响较为显著，随着其含量的增加，围岩的膨胀量则随之加大。

2.2 失水干缩

随开挖进程的推进，膨胀性围岩逐步转为干燥失水状态，随之显现出干缩开裂问题，后续再次遇水后，将有膨胀甭解的现象。

2.3 易扰动性

在隧道施工期间，各项操作将产生不同程度的振动或是其他形式的干扰，而围岩抵御外部的水平有限，在该条件下容易因干扰而失稳。

3 大跨度隧道软弱膨胀围岩段的施工思路

经地质勘察后，初步判断为石膏质岩，随后按规范选取样品并转至实验室内做进一步的分析，通过此途径明确该类围岩的施工危害性，以便视实际情况采取针对性的二次衬砌支护措施，设置钢筋混凝土结构，提高材料的综合性能（抗渗、抗腐蚀等），并配套防排水等辅助设施，进而实现对围岩的全方面防护，营造安全的施工环境。

4 确定大跨度隧道软弱膨胀围岩段施工技术

在开挖过程中，膨胀性围岩与洞壁有向洞内挤入的变化特点，开挖断面较之于前期而言明显减小，不利于施工进程的顺利推进，拱顶、侧壁、掌子面均有不同程度的位移现象。在采取支护措施并设置衬砌结构后，有助于抑制膨胀性围岩的变形等问题，但该类结构将承受较大的土压力，并且随时间的延长，该土压力值将有持续增加的特点。针对此情况，应当重点加强对围岩和衬砌的监测，掌握其在开挖结束后较长一段时间内的实际特点，进而采取相适应的控制措施，保证结构的稳定性[1]。

在本工程中，围岩具有吸水膨胀的特点，其成分方面则以白色石膏灰岩居多，随着吸水量的增加，其有愈发明显的膨胀现象。从此类特性出发，可采用以下五个方面的措施。

4.1 做好超前及径向注浆作业

切实做好超前及径向注浆作业，依托于浆液的固结作用，提高围岩的强度，减小围岩压力。

4.2 增设柔性变形层，确定合适的断面形式

对于膨胀性围岩地段的施工，于该范围内加大预留变形量，重点在仰拱底部采取加强措施，即加厚粉煤灰吸水变形垫层，从而减轻围岩水的干扰，以免因膨胀性围岩遇水而出现仰拱开裂、底鼓等质量问题。此外，在此类措施落实到位后，还有助于增强衬砌断面的圆顺性，实现对受力条件的优化。

4.3 配套完善的、高效的排水设施

加强对施工用水量的控制，以避免不必要的浪费，具体内容有以下几点。

①锚杆钻孔环节推荐采用无水钻孔的方法，成孔后利用高压气深度清理孔内杂物，使其恢复洁净的状态；。

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②在仰拱下铺设碎石粉煤灰垫层，对其采取压实措施，保证压实度达到95%。

③在整个膨胀围岩施工地段，存在Ⅳ、Ⅴ级围岩浅埋段，在该部分施工前先组织勘察，明确地表沟堑、洞穴等部位的具体位置以及实际程度，取适量三七灰土用于回填，通过此举避免地表水下渗的问题，必要时增设合适尺寸的排水沟，起到辅助排水的作用。

④施工现场围岩组成中含硫酸根离子，其会持续侵蚀混凝土，因此在二衬混凝土制备过程中采用粉煤灰硅酸盐水泥，以保证该材料的抗渗等级至少达到S8，从而提高二衬的抗渗性能。

⑤在膨胀性围岩段施工中，满铺防水板。

4.4 加强初期支护

隧道施工中，设置大厚度的仰拱，其中Ⅳ～Ⅴ膨胀岩地段设二次衬砌，适当加大预留变形量，形成全方位的支护结构体系。

4.5 正确开挖，尽快封闭围岩

以合理的方式有效缩短膨胀性围岩的膨胀时间至关重要，为达到此效果，宜采用全断面开挖的方法，及时采取支护措施，尽快封闭成环。对于局部膨胀性围岩缺乏稳定性的情况，其不具备全断面开挖的条件，此时以环形开挖法较为合适。

5 大跨度隧道软弱膨胀围岩段施工技术的具体应用

以设计要求为准，利用超前锚杆预支护；通过R32自进式锚杆与Φ22mm 砂浆锚杆的联合应用，实现对岩体的有效加固处理；挂网，组织混凝土的喷射施工，通过此类措施加强支护。关于衬砌结构组成，如图1所示。

图1 膨胀性围岩段衬砌结构

5.1 超前支护

超前支护所用材料为Φ22砂浆锚杆，按照“环向间距40cm、外插角10°～15°”的标准有序设置到位。锚杆的方向无特定的要求，具体根据岩体节理面产状而定。考虑到锚杆的稳定性要求，其搭接长度至少需达到1.0m，并将尾端以焊接的方式稳定设置在系统锚杆的尾端，将两者连接于一体[2]。

5.2 开挖作业

图2 膨胀性围岩短台阶开挖

5.3 支护施工

5.3.1 钢支撑

以I6工字钢为主要材料，利用螺栓连接于一体，经焊接处理后使工字钢稳定在钢板上。焊接采用的是双面焊的方法，要求焊缝厚度至少达到5mm。在布设钢支撑时，纵向间距取1.0m，每榀间利用Φ22mm 钢筋实现稳定的连接。针对拱部与边墙钢支撑连接区域采取加强措施，即设置2根长度均为3.0m的Φ22mm药卷锚杆，将其作为锁脚锚杆而使用[3]。

5.3.2 系统锚杆

施工所用材料含两类，即R32自进式锚杆与Φ22mm砂浆锚杆，各自的长度分别为500cm、300cm，布设间距保持一致，即100mm（纵）×240mm（环），两者交错布设至指定位置，且均遵循梅花形布置的基本原则。

5.3.3 喷射混凝土

混凝土强度等级C20，厚度22cm，采用水泥裹砂法湿喷工艺，逐层依次施工，加强对各层厚度及其他方面质量的检查与控制。优先喷射对象为钢架背后，随后再将施工对象转向钢架之间[4]。

5.4 仰拱施工

仰拱施工采用的是预裂光面爆破的方法。待开挖结束后，随即按设计图纸架设钢架与拱墙初支钢架连接，配套系统锚杆，喷射混凝土。经过初期支护施工后，若无质量问题则绑扎仰拱钢筋，随后浇筑混凝土，以形成完整的仰拱结构。在仰拱下方设置柔性变形层，即铺设的是碎石粉煤灰垫层，厚度按50cm控制，要求垫层的压实度至少达到95%，以免出现失稳现象。在仰拱填充上部布设双层钢筋网，通过此装置的应用，提高整体的刚度[5]。

5.5 衬砌施工

衬砌施工对于时间的要求较为严格，施工时间提前或延后均会造成不良影响。若施工时间提前，此时围岩内膨胀应力的释放量有限，易导致衬砌结构受损；若施工时间延后，则围岩易出现较大幅度的变形，进而诱发坍塌、支护结构失稳等问题。对此，技术人员重点围绕“位移-时间曲线”展开分析，从中确定围岩变形速率从快转至平缓所对应的转折点，将其作为衬砌的合适施工时间。

在确定具体的施工时间后，进入正式施工环节，即采用钢模台车整体式施工。考虑到结构的稳定性要求，适当增加该部分衬砌的厚度以及配筋率。结构方面，采用的是双层钢筋网C25混凝土，厚度按45cm控制。

6 结束语

综上所述，膨胀性围岩段的施工条件欠佳，显著特点在于遇水后易发生膨胀现象，同时在隧道开挖等施工过程中，容易出现围岩失稳等质量问题。对此，在工程施工中，应当重点采取防排水措施以及支护措施，从而全面维持隧道施工的安全性。