玉磨鐵路膨脹土地層隧道施工及變形控制技術

丁小平

（中鐵三局集團有限公司，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、推進與周邊國家互聯(lián)互通的重大建設項目[1]。其站前工程YMZQ-16標段，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)，施工時需注意環(huán)境保護，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標段內，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、強度低、易崩解等工程不良特征[3-4]。采用三臺階法加臨時仰拱、掌子面預留核心土法開挖施工該膨脹土段時，出現了初支侵限、圍巖崩解、塌方等多種施工問題[5-6]。本文重點探究施工中出現問題的原因，結合試驗結果、參考總結[7-9]，提出了四臺階法加臨時仰拱施工技術[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地層的粉質黏土，該土體具有弱～中膨脹性，施工障礙頗多，嚴重考驗施工技術。西雙版納隧道進口自2016-10-12進洞以來，截至2017-12-17，開挖至DK348+389，開挖完成339m，平均每月進尺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開始進洞開挖面揭示為粉質黏土，硬塑狀，根據現場監(jiān)控量測情況，初期支護穩(wěn)定后初支變形在20cm以內。

過了旋噴樁加固地段后，施工至DK348+241—DK348+274段初期支護變形增大，造成初期支護侵限，對該段換拱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，影響隧道安全生產及施工進度。

1.2 原因分析

根據監(jiān)控量測、土工試驗報告及現場施工情況等，造成初期支護變形大的主要原因有以下2點：①隧道施工段落地層土體主要為粉質黏土，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，整個圍巖的土壓力由初期支護結構承受，荷載變大會導致初期支護持續(xù)變形收斂；②施工進度較慢，初期支護封閉成環(huán)時間較長（約40d），期間初期支護一直持續(xù)變形收斂。工序轉換期間變形現象尤為明顯，沉降速率為20～50mm/d。

2 四臺階法加臨時仰拱施工技術

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

2.1 四臺階加臨時仰拱開挖技術

四臺階加臨時仰拱開挖施工如圖1所示，主要步驟如下。

圖1 四臺階加臨時仰拱施工橫斷面示意圖

第一步，一次性開挖①，立即施做初期支護及上臺階臨時仰拱。

第二步，左右錯開開挖②-1和②-2，開挖完后立即施做初期支護、臨時支護及二臺階臨時仰拱。

第三步，左右錯開開挖③-1和③-2，開挖完后立即施做初期支護、臨時支護及三臺階臨時仰拱。

第四步，左右錯開開挖④-1和④-2，開挖完后立即施做初期支護、臨時支護，必要時設置下臺階臨時支撐。

第五步，開挖⑤，立即施做仰拱初期支護。

為使仰拱盡快封閉成環(huán)，減少初期支護累計變形時間，并根據經驗確定膨脹土邊坡坡比設計為1∶2時較為穩(wěn)定，掌子面至下臺階距離不應小于斷面高度的2倍，以控制土體正面擠出推移?？紤]整體受力穩(wěn)定性及機械作業(yè)空間因素，仰拱步距宜控制在28m左右，各臺階高度及步長如圖2所示。施工工序轉換時先接長鋼架，后拆除臨時仰拱，保證臨時仰拱平行全覆 蓋于仰拱未施做地段，加強各部穩(wěn)定性。

圖2 四臺階加臨時仰拱施工縱斷面示意圖

2.2 加強超前支護技術

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

加強后的超前支護主要采用Φ76mm超前中管棚加Φ42mm大外插角小導管，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，加快了施工進度。

圖3 超前支護縱斷面示意圖

2.3 加強初期支護技術

四臺階法加臨時仰拱開挖后，立即施做初期支護和一些臨時支護措施，該膨脹土段主要采取以下幾個方面的措施來加強初期支護。

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

圖4 工字鋼加強縱向連接

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

圖5 土體加固注漿

對后方初期支護滲水或局部開裂部位進行拱墻初期支護徑向注漿，如圖6所示，保證施工安全。

圖6 拱墻徑向注漿

嚴格控制各臺階臨時仰拱施做，且臨時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，組成較好的受力結構。下錨段截面變化處初期支護采用雙層拱架加強支護，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 臨時仰拱斜支撐

圖8 上臺階雙層拱架支護

加強鎖腳施工：拱腳采用Φ76mm鎖腳錨管，每拱腳4根，長6m/根，設置于相鄰縱向I18連接工字鋼上下位置，采用割孔鋼板與初期支護鋼架焊接連接，并采用托架式方式打設，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

采用四臺階開挖加臨時仰拱施工技術作業(yè)后，立即對變形較大段圍巖進行了監(jiān)控量測，生成了為期1個多月的監(jiān)測記錄，其中選取DK348+360—DK349+392段拱頂沉降曲線進行分析，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)測曲線對比分析得出如下結論：①DK348+360拱頂沉降2017-10-08—11-07監(jiān)控量測累計沉降值為489.2mm，2017-11-04—11-06進行下部臺階開挖時監(jiān)控初期支護沉降明顯，2017-11-08臨時仰拱施做完成后初期支護變形速率明顯減小。②根據監(jiān)控量測DK348+370—DK348+392拱頂沉降速率明顯減小，至初期支護封閉成環(huán)初支變形穩(wěn)定后，拱頂累計沉降至均在300mm以內。根據監(jiān)控量測數據分析，隨著變更支護措施范圍的不斷增大，初期支護整體受力體系逐步增強，初期支護變形得到有效控制。

4 結語

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

該技術成功應用于玉磨項目YMZQ-16標西雙版納隧道進口微膨脹粉質黏土地層段，有效解決了微膨脹粉質黏土地段掌子面自穩(wěn)困難、正面擠出嚴重、初期支護完成后初期支護持續(xù)沉降收斂及開挖易坍塌等問題，避免了采用CRD或雙側壁工法施工復雜、難度大、拆除臨時支撐復雜等問題，保證了現場施工安全，提高了施工效率。該技術為類似地質隧道施工提供技術參考與借鑒，具有廣泛的應用前景。