嚴(yán)寒地區(qū)大跨度膨脹巖隧道施工技術(shù)分析

文/宋之勇

1 工程概況

民興隧道位于吉林省延吉市，處于剝蝕丘陵地區(qū)，地勢(shì)起伏較緩，低山地貌，沖溝發(fā)育，地形凌亂，多林地，植被茂密。隧道區(qū)處于嚴(yán)寒地區(qū)，年平均氣溫6℃，極端最高氣溫37.7℃，極端最低氣溫-29.2℃，最冷月平均值為-16.5℃，年最大降水量852mm，年平均降水量528mm，土壤最大凍結(jié)深度為1.68m。

根據(jù)地勘報(bào)告及試驗(yàn)結(jié)果顯示，全隧道上覆較薄第四系全新統(tǒng)殘坡積粉質(zhì)黏土，其下為白堊系上統(tǒng)龍井組全～強(qiáng)風(fēng)化泥巖、砂巖，泥質(zhì)砂巖膠結(jié)作用差，巖質(zhì)較軟，巖性產(chǎn)狀285°∠35°。根據(jù)定測(cè)階段試驗(yàn)結(jié)果判定其具有中～強(qiáng)膨脹性。隧道淺埋，遇水易軟化，圍巖抗外界環(huán)境擾動(dòng)能力極差。隧道最大埋深54m，取前埋深只有8m，平均不過(guò)20m，易冒頂、坍塌。

2 膨脹性圍巖的基本特性

吸水膨脹。泥質(zhì)膨脹性圍巖的膨脹程度取決于巖石中蒙脫石礦物的含量，含量越高，膨脹量越大。

失水干縮。泥質(zhì)膨脹性圍巖的形狀變化主要是由巖石含水量變化引起的。開(kāi)挖后膨脹性圍巖逐漸干燥失水引起干縮開(kāi)裂，再遇水時(shí)便要膨脹崩解，干燥失水越多，遇水后膨脹量就越大。

流變特性和易擾動(dòng)性，主要表現(xiàn)為圍巖的蠕變性和松弛性。泥巖主要成分為蒙脫石，含量8.32%～37.95%，具有膨脹性，遇水易軟化，圍巖抗外界環(huán)境擾動(dòng)能力極差。隧道斷面設(shè)計(jì)為曲墻有仰拱式襯砌，最大開(kāi)挖寬度14.5m，最大開(kāi)挖高度13.1m[1]。

3 隧道施工方法

3.1 確定施工方法的原則

膨脹巖遇水膨脹后的應(yīng)力是導(dǎo)致隧道開(kāi)挖后變形的主要因素，所以施工單位在隧道施工的每個(gè)工序中應(yīng)對(duì)圍巖加強(qiáng)控制，特別是盡量減少人為原因?qū)鷰r的干擾，防止圍巖的變形松動(dòng)，采用合理的開(kāi)挖方式，并通過(guò)監(jiān)控量測(cè)及時(shí)選擇恰當(dāng)?shù)闹ёo(hù)方式。

3.2 方案比選

在前期施工中，我們?cè)谶M(jìn)、出口分別采用了CRD法和三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法，但是相對(duì)于三臺(tái)階七步法，CRD 法每步開(kāi)挖高度過(guò)大，雖然通過(guò)調(diào)整也能改善一些，但是開(kāi)挖面仍然較大，且對(duì)圍巖擾動(dòng)比較大，機(jī)械作業(yè)效率遠(yuǎn)低于三臺(tái)階七步法；另外，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法雖然能利用挖掘機(jī)等設(shè)備開(kāi)挖，但是開(kāi)挖斷面過(guò)大，而膨脹巖對(duì)卸載松動(dòng)和施工擾動(dòng)極為敏感，圍巖抗擾動(dòng)能力極差，所以極易造成坍方和冒頂。

三臺(tái)階七步法施工時(shí)的七個(gè)部位由于分別處于七個(gè)不同的里程，因此能夠使每一個(gè)開(kāi)挖斷面處的圍巖所暴露的面積縮減到最小，對(duì)圍巖的擾動(dòng)降至最??；形成支護(hù)整體并逐步向縱深推進(jìn)，使支護(hù)與圍巖共同作用，最大程度保證了施工安全，這對(duì)于膨脹巖施工是至關(guān)重要的，而這些也正好適應(yīng)了新奧法的施工理念[2]。

3.3 三臺(tái)階七步法技術(shù)總結(jié)

前期通過(guò)進(jìn)洞三百米的實(shí)踐，證實(shí)了三臺(tái)階七步法是成功的，這種開(kāi)挖支護(hù)方法既借鑒了側(cè)壁導(dǎo)坑法的思想又省掉了施工中的臨時(shí)支護(hù)的安裝與拆除，同時(shí)預(yù)留的核心土又起到了支撐穩(wěn)定的作用，并將預(yù)留核心土開(kāi)挖由兩部分為三部，在確保施工安全的前提下，在圍巖軟、弱過(guò)渡段通過(guò)調(diào)整各工序進(jìn)尺即可實(shí)現(xiàn)理想效果。也就是說(shuō)，當(dāng)上臺(tái)階落底降低時(shí)，中臺(tái)階即成為核心土，下臺(tái)階開(kāi)挖降低時(shí)，又能轉(zhuǎn)化成臺(tái)階法施工。它是一種介于臺(tái)階法與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法之間的施工工法，相對(duì)于其他方法而言，在復(fù)雜多變的膨脹巖施工中，能夠迅速縮短作業(yè)調(diào)整周期，更適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)靈活掌握。

3.4 三臺(tái)階七步法經(jīng)濟(jì)效益

我們?cè)诙纯诙危ㄔO(shè)計(jì)CRD 法）Ⅴ級(jí)圍巖中采取本法施工后，僅臨時(shí)支護(hù)的施作和拆除一項(xiàng)就可節(jié)省大量的人力與物力。據(jù)測(cè)算，節(jié)省的噴射砼量達(dá)400m3，鋼材3051t，加上施工投入的勞動(dòng)力，合計(jì)節(jié)約投資500 多萬(wàn)元。更為難得的是，給我們節(jié)約了近兩個(gè)月的施工時(shí)間，這在東北可是比黃金還要寶貴的。

4 隧道防排水及防寒保溫

4.1 隧道防水

4.1.1 圍巖注漿堵水。民興隧道洞口，土層覆蓋較淺，地勢(shì)較緩平，圍巖裂隙發(fā)育且破碎，地下水較多，低溫時(shí)洞口段是洞內(nèi)發(fā)生凍脹的主要地段，設(shè)計(jì)人員對(duì)進(jìn)出洞500m 范圍進(jìn)行徑向注漿設(shè)計(jì)，填充圍巖裂隙空隙，施工注漿深度為2m。漿液配比及布設(shè)：注漿孔布置為梅花形，環(huán)向間距為200cm，縱向間距為250cm。管采用壁厚3.5mm、φ50mm 的鋼管，注漿管埋設(shè)牢靠，并在管口做好止?jié){閥。注水泥漿，根據(jù)圍巖情況按1∶0.9～1.1 比例調(diào)整，壓力按0.6～1.0MPa 調(diào)整控制[3]。

4.1.2 結(jié)構(gòu)自身防水。二次襯砌全部采用防水鋼筋混凝土，明洞襯砌和暗洞襯砌抗?jié)B等級(jí)分別不低于P12 和P10。

4.1.3 防水層防水。明洞襯砌外鋪設(shè)防水板，回填粘土做隔水層。橫向設(shè)3.5%的排水坡，便于排水。暗洞初支與二襯間鋪設(shè)土工布和雙層EVA 防水板，EVA 防水板1.5mm 厚，土工布重量不小于450g/m2，先用射釘固定土工布與初支面，再采用無(wú)釘熱熔焊接鋪設(shè)防水板。

4.1.4 變形縫、施工縫設(shè)置。二襯拱墻和仰拱施工縫位置均設(shè)置有中埋式橡膠止水帶及背貼式橡膠止水帶，拱墻接縱向接縫處設(shè)置一條鋼板止水帶，兩側(cè)均設(shè)置；二襯變形縫處外側(cè)邊緣及內(nèi)緣（3cm 范圍內(nèi)）均采用聚硫密封膠封堵填塞密實(shí)。

4.1.5 拱頂回填注漿。為減少初支與二襯之間的空隙，且實(shí)現(xiàn)不積水，設(shè)計(jì)人員對(duì)隧道二襯背后水囊進(jìn)行注漿回填。二襯澆筑混凝土前先預(yù)埋φ20mm的PVC 注漿花管，管身溢漿孔梅花形布設(shè)，注微膨脹性水泥砂漿回填密實(shí)。

4.2 洞內(nèi)排水

4.2.1 洞內(nèi)水溝。民興隧道設(shè)計(jì)雙側(cè)全部設(shè)置保溫水溝，隧道中心設(shè)置深埋水溝，檢查井每30m 設(shè)置一口。采用φ500、壁厚12cm 鋼筋混凝土預(yù)制管，預(yù)制管底部回填10cm 厚C20 混凝土墊層，兩邊均回填碎石最為滲水層，頂部采用寬2m、厚10cm 的聚氨酯作為保溫層。

4.2.2 二襯后設(shè)置排水盲管。拱墻初支與二襯之間環(huán)向鋪設(shè)直徑75mm 外包無(wú)紡布單壁打孔波紋管，進(jìn)、出口500m 段落每隔5m 環(huán)向設(shè)置一道，其他地段每隔8m 環(huán)向設(shè)置一道；在初支與二襯之間兩側(cè)邊墻底部縱向設(shè)置φ100mm 雙壁打孔波紋管作為排水盲管，全部導(dǎo)流至中心深埋水溝，最后通過(guò)中心水溝流出洞外排水系統(tǒng)。

4.2.3 溫度伸縮縫。氣溫冷熱變化會(huì)引起混凝土的熱脹冷縮，進(jìn)而可能會(huì)引起二襯出現(xiàn)裂縫，因此二襯在施工縫處同時(shí)設(shè)置溫度伸縮縫，進(jìn)、出口500m地段每30m 設(shè)置一處溫度伸縮縫，洞內(nèi)其他段落每隔50m 設(shè)置一處。

4.2.4 洞外保溫水溝。在冬季，為防止隧道內(nèi)水排至洞外因低溫結(jié)冰引起水流堵塞，在處洞口后同樣設(shè)置保溫水溝，同時(shí)根據(jù)最大凍土深度，洞外深埋保溫水溝，埋深在最大凍土基礎(chǔ)上加25cm，設(shè)置好排水縱坡，坡度控制在5‰以上，利于洞內(nèi)排水，每隔50m設(shè)置一道檢查井；選擇合適背風(fēng)向陽(yáng)的位置作為在排水溝的末端，并做好保溫工作，順接至排水系統(tǒng)。

4.2.5 保溫檢查井密封。為防止冬季檢查井內(nèi)水遇到冷空氣發(fā)生結(jié)冰，施工人員必須保證檢查井的密封性。經(jīng)多次實(shí)踐和冬季檢驗(yàn)，設(shè)置2cm 厚橡膠墊圈作為密封層效果較好。

4.3 保溫層施工

初支護(hù)和二襯間設(shè)置保溫層，采用5cm 厚硬質(zhì)聚氨酯保溫板，拱墻設(shè)置。通過(guò)多次施工實(shí)踐總結(jié)，保溫板采用防水板條連接背帶進(jìn)行掛設(shè)，在已經(jīng)掛好的第一層防水板面上采用熱熔焊接防水板條，再用熱熔辦法將保溫板固定，第二層防水板掛設(shè)時(shí)同樣采用熱熔法將防水板焊接在固定保溫板的防水板條上。

5 施工管理

5.1 嚴(yán)格工序組織

在隧道施工中，要嚴(yán)格銜接好各個(gè)工序。采用挖機(jī)端進(jìn)尺開(kāi)挖，立架、掛網(wǎng)、施作系統(tǒng)錨桿、噴射混凝土，避免工序時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致圍巖變形，實(shí)現(xiàn)快速封閉，及時(shí)成環(huán)，二襯緊跟，確保施工安全。

5.2 加強(qiáng)監(jiān)測(cè)工作

對(duì)于膨脹性圍巖隧道，工作人員要做好洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)工作，按驗(yàn)標(biāo)頻率及時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)量測(cè)信息，必要時(shí)提高量測(cè)頻率和數(shù)據(jù)的真實(shí)性，確保量測(cè)信息能真實(shí)反映初支變形情況，為及時(shí)調(diào)整施工方案、支護(hù)參數(shù)及施作二襯提供準(zhǔn)確、及時(shí)的參考。

5.3 嚴(yán)格按照施工圖做好排水系統(tǒng)，控制施工用水

水是導(dǎo)致膨脹性圍巖膨脹的直接原因，因此工作人員應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施作洞內(nèi)防排水，及時(shí)排除圍巖滲水及施工廢水。錨桿鉆孔采用長(zhǎng)螺旋鉆進(jìn)行鉆孔，施工盡可能不用水，同時(shí)做好其他工序排水工作。

5.4 做好隧道保溫及防水措施

加強(qiáng)圍巖注漿止水施工，把圍巖滲水控制在初期支護(hù)最大凍結(jié)深度以外；重點(diǎn)做好防水層及施工縫防水，優(yōu)化襯砌施工配合比，加強(qiáng)混凝土自身防水等級(jí)，通過(guò)多種施工措施徹底止水，切實(shí)做好襯砌及水溝保溫，防止低溫造成凍害。

6 結(jié)語(yǔ)

民興隧道的施工現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)歷了五個(gè)冬季和五個(gè)雨季的實(shí)際檢驗(yàn)，在開(kāi)挖、支護(hù)、防排水以及防寒保溫方面是比較成功的。另外，在進(jìn)度方面，采用三臺(tái)階七步法比CRD 法快一倍以上，節(jié)約了大量的人力物力，也得到了同仁和業(yè)主的認(rèn)可。實(shí)踐證明，在嚴(yán)寒地區(qū)大跨度膨脹巖隧道施工中，這些技術(shù)和措施能夠確保施工的安全和質(zhì)量，并且是行之有效的。最主要的是，民興隧道的施工為今后在寒區(qū)類似隧道施工積累了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)，也培養(yǎng)了一批人才。