膨胀性围岩隧道施工工艺及方法

张秉旭

【摘 要】本文主要针对大窑沟2号隧道穿越膨胀性围岩施工，对施工工艺及方法进行总结，探讨膨胀性围岩隧道施工应注意的关键环节和采取的措施，为今后类似工程施工提供一些依据。%Aiming at the construction through swelling surrounding rock in Dayaogou 2# tunnel, the arti-cle sums up construction technology and method, and discusses key links needing attention in construction and the measures taken, which provides a reference for similar project construction.

【期刊名称】《辽宁省交通高等专科学校学报》 【年(卷),期】2014(000)003 【总页数】4页(P13-16)

【关键词】膨胀性围岩隧道;施工工艺;方法 【作 者】张秉旭

【作者单位】辽宁省交通规划设计院，辽宁 沈阳 110166 【正文语种】中 文 【中图分类】U455

1 工程概况

阜朝高速公路大窑沟2号隧道位于辽宁省朝阳市喀左县公营子乡王杖子村与建平

县万寿镇平安地村交界处，设计为分离式双向四车道隧道，左线起讫里程为ZK441+200～+840，长640m；右线起讫里程为YK441+230～+810，长580m。

隧道围岩主要为流纹岩，其次为火山角砾岩，围岩节理裂隙发育，岩体很破碎，呈碎石状、块石状镶嵌碎裂结构，局部为角砾状，围岩完整性、稳定性很差，易坍塌至地表。地下水主要为基岩裂隙水，较贫乏，丰水期地表水易沿节理裂隙及断裂渗入隧道，造成隧道滴水及渗水。膨胀性围岩主要存在于左线隧道ZK441+390～+450段，主要是由粘土矿物组成的膨润土，呈黄绿色、灰白色，质软且有膨胀性，层厚约3m，Vp=1675m/s。 2 膨胀性围岩的特性及对隧道的危害

膨润土系指土中粘土矿物成分主要由亲水性矿物蒙脱石等组成，决定了膨胀性围岩具有以下几点特性：

（1）吸水显著膨胀软化和失水收缩硬裂的特性，具有湿胀干缩往复变形产生胀缩效应。

（2）大多具有原始地层的超固结特性，使土体中储存有较高的初始应力。 （3）发育有各种形态的裂隙，形成土体的多裂隙性。

由于膨胀性围岩的以上几点特性，会造成隧道开挖后产生较大的塑性变形，顶部及两侧围岩普遍开裂、向内挤压、坍塌和膨胀、底部隆起，围岩变形快、持续时间长、整治困难，并随时间的增长，使隧道的支护、衬砌发生严重的变形或破坏。 3 施工工艺及方法 3.1 开挖

膨胀性围岩开挖多采用短台阶法、中央导坑法。

（1）根据大窑沟2号隧道的断面特点，决定采用短台阶法，在上台阶的底部先修筑临时仰拱，待变形基本收敛后，开挖下部台阶，拆除临时仰拱。由于本隧道膨胀

性围岩厚度仅3m左右，且与流纹岩、角砾岩以夹层方式存在，在遇到流纹岩和角砾岩时还必须采用钻爆法，但是应注意减少循环进尺，以1～1.5m为宜，避免对围岩扰动过大。

（2）施工时严格按照 “管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的原则组织施工。按照设计要求上部台阶先行开挖，保持开挖平台15～20m，上台阶开挖后，及时施做初期支护和临时仰拱，以及早封闭。下部开挖时应注意上部支护结构的稳定性，应减少对上部围岩、支护的扰动和破坏。尤其是两侧部位开挖，必须采用两侧交错挖马口施工，避免上部断面两侧拱脚同时悬空。注意对拱脚加固，使上部初期支护与围岩形成整体，可采用扩大拱脚或打拱脚加长锚杆，加强拱部的连接等措施。

下部边墙开挖后应立即喷射混凝土，并按设计规定做好加固和防护。拱脚、墙脚以上1米内严禁欠挖。

（3）根据设计要求，在开挖时将断面半径加大25cm作为预留变形量，为确保衬砌施作后的净空断面，在实际施工时按照加大30cm施作。

（4）由于在开挖到膨胀性围岩处时，正处于丰水期，在施工中还必须注意加强排水，及时将水排出，避免水漫流，浸泡拱脚及边墙脚。

（5）在开挖过程中注意加强通风，以降低洞内的温度和湿度，减少围岩吸水膨胀变形。 3.2 超前支护

膨胀性围岩隧道应当采用先柔后刚、先让后顶、分层支护的方法，宜采用复合式衬砌结构。超前支护采用可缩性刚支架，以抵御膨胀压力，周边全断面设置斜向超前小导管注浆加固塑性区。 3.2.1 超前注浆小导管

洞身周边采用φ50×5热轧钢管 （见图1）注浆预支护进行超前支护。施工时严格

按照 “管超前、严注浆”的原则组织施工。钻孔时由高孔位向低孔位进行，导管与开挖周边有向外的20°，孔径比钢管直径大2～3cm，孔长按每节钢管长度确定，环距50cm。每节钢管长4.5m，纵向搭接长度不小于1m，同一环导管中相邻接头位置应相互错开不小于1m。施工时钻机立轴方向必须准确控制，每钻完一孔，就顶进一根钢管。钢管接头应采用厚壁管箍，上满丝扣，丝扣长度不小于15cm，接头应在隧道横断面上错开。

超前钢管周壁预注浆对围岩加固，管壁上每隔15cm交叉钻直径为6～8mm的眼。水泥浆液采用水泥玻璃双液浆，比例为水泥：水玻璃=1∶0.5，注浆初始压力为0.5～1MPa，终压为2～2.5 MPa。注浆进浆量一般为20～30L/min，注浆结束标准为压力逐步升高，达到设计终压并继续注浆10分钟以上。注浆后管口应用止浆塞塞紧，止浆塞最好使用配套阀门，若采用木楔时，应注意顶紧。 图1 小导管构造图 3.2.2 可缩性钢拱架支护

超前支护 （见图2）采用可缩性刚支架以抵御膨胀压力，钢拱架采用25号U型钢，每榀钢架设置4个可缩接头，每个接头可缩10厘米，可缩接头的滑动阻力按照钢架支撑承受轴向力的1/2进行计算。可缩性接头处设置纵向伸缩缝，尺寸以便于处理可缩性接头为宜，最后用喷射混凝土封闭。

钢拱架由四个C单元、二个B单元，一个A单元构成，D节点采用可缩性接头，不能用混凝土喷死，E节点用混凝土喷死。钢拱架半径及长度按中心线计算，考虑5cm的预留变形量。

钢拱架在初喷4cm混凝土后架设，架设完毕后再喷混凝土，保护层不小于2cm。钢拱架应与系统锚杆间隔等距布置，纵向相邻两钢拱架采用φ20钢筋连接，沿钢拱架内外缘交错布置，并与钢拱架焊接牢固，焊缝厚度为5mm，该钢筋单根长103.4cm。安装钢架垂直度允许偏差为±2°，中线及高差允许偏差为±50mm。

在上下台阶交界处外侧拱架端部采用Φ25锁脚锚杆，每处设置两根，对拱架端部进行临时支撑。钢架应按设计位置架设，拱脚必须放在牢固的基础上，钢架应尽可能多的与锚杆露头及钢筋网焊接，以增强联合支护效应。围岩与钢拱架之间的空隙充填紧密，空隙过大时，应设垫块，可用钢楔或混凝土楔块顶紧，点数单侧不少于8个。

图2 S5p超前支护设计图 3.3 初期支护

初期支护 （见图3）采用锚喷挂网形式，喷射混凝土采用C25钢纤维混凝土，最大厚度不宜超过25cm，预留纵向变形缝，宽度30cm，环向间距2.5m，同时加密、加长高强度锚杆，包括墙角附近及仰拱位置，并进行注浆加固，以增强岩体的强度和整体性，减少膨胀压力和底鼓。 3.3.1 系统锚杆

在起拱线以上采用HBC22N组合式注浆锚杆，起拱线以下采用RD25-5中空注浆锚杆，锚杆长度均为7m。钻孔方向应尽量与岩层主要结构面垂直杆体插入孔内的长度不得短于设计长度的95%，实际粘结长度也不应短于设计长度的95%。水泥砂浆强度等级不低于M20，注浆必须饱满。 3.3.2 喷射钢纤维混凝土

喷射混凝土采用C25湿喷钢纤维混凝土，厚22cm，混凝土里掺RC-65/35-BN钢纤维，掺量为50Kg/m3混凝土。主洞在喷射2.5cm混凝土后铺设一层钢筋网，然后架设钢拱架，钢筋网事先必须与锚杆、钢支撑等充分固定好后再喷射钢纤维混凝土，保护层不小于2cm。

图3 支护衬砌结构设计图及锚杆布置图

钢筋网片搭接长度不小于20cm，与锚杆尽可能多点连接，以减少钢筋网松动现象，确保连接牢固、稳定。开始喷射混凝土时，应保证钢筋网 （见图4）背面混凝土

达到密实。喷射作业应严格掌握速凝剂、钢纤维等掺量，钢纤维抗拉强度不低于 380MPa，直径 0.3～0.5mm，长度 20～25mm，钢纤维在混合料中应分布均匀，不得结成团，搅拌时间不小于3分钟。严格控制水灰比，使喷层表面平整光滑，无干斑或滑移流淌现象。喷射混凝土支护应与围岩紧密粘结，结合牢固，厚度符合要求，不能有空洞，在已喷射的混凝土表面上，不允许混凝土开裂、漏水，也不允许钢筋、锚杆外露和混凝土侵占隧道净空。 图4 初期支护钢筋网

全周边挂网锚喷支护、超前小导管预注浆及可缩性25U型钢拱架联合支护体系，既加强围岩的自承能力，又允许围岩有一定的变形而不失稳。这种联合支护体系能够承受较大的围岩应力和膨胀压力，但是在施工时必须注意尽可能迅速闭合，使围岩尽早受到约束。 3.4 二次衬砌及防排水 3.4.1 防排水

防水工程：在二次衬砌与喷射混凝土之间设置ECB复合土工防水板；衬砌结构自身要求密实 （抗渗标号不低于S8），采用有压泵送衬砌混凝土；沉降缝和施工缝采用LB500型背贴式止水带及LB300-Ⅰ型橡胶止水带。

排水工程：在喷射混凝土与防水卷材之间环向设置MF12塑料盲沟，使水能排到衬砌墙角处，在墙角处有纵向Φ10HPDE排水管，再用引水管将纵向排水管里的水引到隧道中心保暖沟内；在隧道路面较低侧设排水边沟，将隧道内清洗、消防水及渗水收集到边沟排到洞外；洞口设置截水沟；明洞顶部夯填50cm粘土隔水层防水。 3.4.2 二次衬砌

（1）二次衬砌施作时机

确定二次衬砌的最佳施作时机，如果围岩变形不充分，过早施作二次衬砌，衬砌可

能被围岩的膨胀压力压坏；过晚施作二次衬砌，则变形过大，围岩松弛，造成塌方。根据实际情况，一般在共同满足以下几点要求后即可施作二次衬砌混凝土： ①围岩变形基本稳定，隧道周边位移速率有明显减缓趋势； ②周边位移速率小于0.2mm/天，拱顶下沉速率小于0.15mm/天； ③收敛量已达总收敛量的80%以上； ④初期支护表面无再发展的明显裂缝。 （2）二次衬砌施工

隧道衬砌采用45cm等厚度的C30钢筋混凝土结构，下部设置仰拱衬砌及铺底混凝土，使支护衬砌结构闭合，增加整体承载力，控制边墙变形，防止底鼓现象。 膨胀性围岩隧道开挖后，围岩向内挤压变形一般是在四周内同时发生，所以要求衬砌采用封闭式结构。从构造力学角度讲，拱部、边墙、仰拱同时完成，形成整体结构，其受力状态最佳，但受施工条件影响，一般先施工仰拱，再采用模板台车同时施工边墙与拱部衬砌，二次衬砌内设双层钢筋骨架，钢筋保护层为7.5cm，混凝土防水等级不得低于S8，衬砌模板采用9m整体式模板台车，模板接缝应进行特殊处理，衬砌混凝土一次浇筑成型。 4 施工注意事项

（1）开挖时必须尽可能的减少对围岩的扰动，同时加强防排水工作，尽量避免围岩受到水的浸泡。

（2）必须严格按照设计施工超前小导管预注浆，开挖后及时进行钢拱架及初期支护施工，缩短围岩暴露时间。

（3）严格按照设计加工安装可缩性支架的D、E接头，避免因可缩性接头不能正常工作造成支架承受过大膨胀变形压力而失稳。

（4）系统锚杆为加密加强注浆长锚杆，必须确保钻入围岩长度及注浆效果，确保锚固围岩、提高围岩自稳能力的效果。

（5）及时将支护闭合成环，确保联合支护体系的效果。在台阶开挖中，上台阶开挖后设置临时仰拱使上部支护先闭合，开挖下部时在挖除临时仰拱，下部开挖后及时施作永久仰拱。

（6）加强监控量测工作，根据量测结果对围岩变形做出准确判断，找出施作二次衬砌施作的合理时机及准确的预留变形量。

（7）通过深部位移量测结果确定塑性区范围，确定锚杆的合理长度。

（8）在围岩变化无收敛趋势时，必须采取有效补强措施，使围岩－初期支护体系有一定的安全系数，然后立即施作二次衬砌，同时适当加强衬砌参数。 5 结束语

对于穿过不良地质路段隧道而言，考虑到隐蔽工程地质变化较快，个人认为宜适当加强支护参数，并重视信息化设计与施工。经测算通过支护参数加强隧道每延米造价增加不到15%，确保了施工过程中安全通过膨胀土路段。

本隧道现已通车六年，通过运营养护反馈情况来看该隧道目前运营状况良好，表明该膨胀土路段设计时所确定支护方案，包括锚杆长度、预留变形量、联合支护体系均较为合理，同时施工单位严格按照设计图纸及规范施工，确保了工程质量及运营安全。 参考文献

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