1、1隧道膨胀岩施工技术第二工程有限公司摘 要: 四角 田 隧 道 围 岩 遇 水 软 化 、 泥 化 ,具 有 膨 胀 性 ,开 挖 过 程 中出 现 数 次 塌 方 ,已 施 作 二 衬 段 出 现 砼 开 裂 、 拱 墙 错 台 、 钢 筋折 断 、 拱 底 鼓 起 等 多 种 病 害 。 真 对 上 述 地 质 情 况 ， 本 方 着 重介 绍 对 该 地 质 所 采 取 的 治 理 措 施 ， 为 在 以 后 该 地 质 隧 道 施 工提 供 了 经 验 。关键词：膨 胀 衬 砌 开 裂 拆 换 施 工 技 术1、工程概况云南大（理）保（山）高速公路四角田隧道位于大理州永平县西南部。该隧
2、道是上下行分离的双车道隧道，上下行线间距最小处为 20m，隧道断面为双曲半圆拱，设计净宽 10.9m，净高 7.2m，其中上行线长 1533m，下行线长 1500m。四角田隧道岩性是以糜棱岩、泥岩、泥岩粉砂岩、石英砂岩为主的膨胀岩，膨胀岩具有很强的亲水性。膨胀岩的特性是：当岩体中水分聚集时，岩体快速膨胀，对隧道已衬砌好的结构物产生强烈的膨胀压力而导致结构破坏；当岩体中水分失掉时，岩体立即收缩，甚至出现干裂，导致自身强度降低或消失，使开挖的洞室极易发生坍塌。该隧道围岩节理裂隙极其发育，风化破碎严重、地下裂隙水极为丰富。由于该隧道的破碎岩体在强烈的地质构造作用中聚集了潜在的应力，随着隧道的开挖，具
3、有很强的膨胀性，膨胀系数一般在 1.5 左右，自稳能力极差，极易造成初期支护大变形2和结构的破坏。2、选取施工方案的原则四角田隧道施工初期采用普通的复合式衬砌支护和台阶法施工，施工中曾出现数次坍方，初支严重开裂变形，甚至多段二衬出现拱部纵向开裂、仰拱开裂、底鼓、二次衬砌变形侵限定等病害。针对以上原因，在充分总结施工方法和分析产生的原因的基础上，提出了以下施工原则：2.1 采取超前注浆等手段,加固隧道周边围岩,稳定隧道周边围岩内的水分,减少围岩压力及应力变化。2.2 尽早封闭暴露围岩，保持围岩干燥，防止围岩吸水崩塌。2.3 加强初期支护，减少围岩变形，防止坍塌。2.4 设置柔性变形层，允许初期支
4、护有一定的变形。2.5 采用加强性钢筋砼二次衬砌，提高二次衬砌的承载力；根据初支变形确定二次施作时机。2.6 注意排水。3、施工方法3.1 理论依据（1） 新奥法施工理论（2） 膨胀性围岩特性3.2 施工技术控制措施（1） 打设超前支护锚杆并注浆，强化前方岩体力学性质，抑制岩体的应力释放，保证开挖顺利进行。（2） 采用钢拱架、喷射钢纤维砼、系统锚杆组成联合支护系统，加强初期支护刚度，打设 12m 长自钻式中空锚杆控制围岩变形松动。3（3） 进行径向中深孔注浆改善围岩力学性质，发挥围岩自稳能力。（4） 及时施作仰拱，使支护封闭成环，整体受力。并在仰拱下及墙脚下打设 12m 长自钻式中空锚杆，拉结
5、仰拱，加强软基承载能力。（5） 严格控制施工用水，完善隧道内排水设施，避免人为造成围岩膨胀软化。（6） 采用挖应力释放槽、仰拱下设柔性变形层等措施释放膨胀压力、围岩应力。（7） 加强监控量测，合理安排施工工序。3.3 工序组织在施工过程中组织劳动力，抓好工序衔接工作。开挖完成后，及时清除欠挖、危岩，同时立即组织支立钢拱架、挂钢筋网、喷钢纤维砼、打设系统锚杆和锁脚锚杆，进行注浆加固围岩，避免因膨胀岩暴露时间过长而产生变形过大，增加施工及治理的难度及费用。适时进行仰拱开挖施作。膨胀性围岩膨胀压力是导致隧道施工困难和引起隧道变形病害的主要原因，因此施工中应尽量减少对围岩产生扰动，开挖宜选用无爆破机械
6、开挖，如采用挖掘机、风镐、液压镐等开挖。开挖方法宜采用正台阶法、留核心土环向开挖法、全断面开挖法。尽量减少分部次数，保证支护尽快合成环，整体受力。3.4 加强围岩量测及超前调查工作在穿越膨胀性围岩时，应制订详细的量测计划，观测频率应比正常围岩情况下高，以确保及时掌握围岩变形状态，制订相应的支护参数。同时应加强围岩预报工作，根据打超前锚杆判别前方围岩状况，勤作试验，查4明膨胀岩体的性质，以便指导施工。3.5 严格控制施工用水膨胀性围岩湿度的变化会引起围岩体积变化，产生胀缩效应，造成对初支和结构物的破坏。因此必须完善洞内排水系统，勤检修施工用水管道有无滴漏现象，炮眼及锚杆孔打眼时严禁用水钻孔，严格
7、控制注浆浆液水灰比，保证洞内湿度保持在一定范围内。3.6 超前支护3.6.1 由于岩体破碎，易坍孔，四角田隧道拱部沿设计开挖线采用 12m长的 R51 自进式中空锚杆做超前支护，锚杆间距比正常隧道小，正洞环向间距为 50cm，加宽带布设间距为 40cm。锚杆利用普通气腿式风钻进行钻设，高压压风排碴。一般超前注水泥浆，有水地段注 C.S 浆液。3.6.2 为保证开挖过程围岩稳定，在每排超前导管附近环向打设一排 6m长的 42 钢管，进行补充超前注浆，钢花管间距 50cm。注浆同超前锚杆，一般注水泥浆液，浆液水灰比采用 0.5，注浆压力根据围岩情况不小于1.0Mpa，保证达到劈裂注浆效果，使在开挖
8、线外侧进一步形成厚约0.51m 的保护壳体。3.7 隧道开挖四角田隧道膨胀性围岩为泥岩、泥质粉砂岩，岩体风化破碎，炭化严重，挖出的碴体基本呈黑色炭质粉末状，遇水泥化膨胀，根据这一围岩特征，采取留核心土环向开挖法。除特殊情况均挖至墙脚，严格控制进尺，每循环进尺不超过 100cm，开挖方法采用挖掘机成洞，人工修整。开挖完成后立即对掌子面和洞壁喷 2cm 厚 C20 钢纤维砼进行封闭。掘进不超过530m，开始进行仰拱开挖，仰拱按全幅开挖，每次长度不超过 300cm。3.8 初期支护3.8.1 钢拱架为保证初期支护刚度，初期支护采用 I20b（加宽带用 I22b）工字钢加工的钢拱架。纵向间距 50cm
9、，并用环向间距 50cm22 螺纹钢进行纵焊接，在工字钢架后铺设一层 8 钢筋网，网格间距 20cm。在钢拱架墙脚部设置 505018cm 的 C20 钢筋砼垫块，对于台阶开挖段在钢拱架拱脚设临时 505018cm 的 C20 钢筋砼垫块，避免拱架下沉，在边墙上钢拱架每侧设两排锁脚锚杆，锁脚锚杆采用 32 的药卷锚杆，长 350cm，锁脚锚杆用短钢筋焊接在钢拱架上。3.8.2 C20 钢纤维砼钢拱架支立好后即进行喷射砼，为提高砼喷层的抗拉和抗剪强度，在喷射砼内按 60kg/m3 的掺量加入钢纤维，喷层厚 24cm（紧急停车带厚30cm） 。喷射砼用干式喷射机按潮喷工艺施作。3.8.3 系统锚杆
10、四角田隧道系统径向锚杆采用 R51、R32 自进式中空锚杆混合布设，并布设 42 径向注浆管进行补充劈裂注浆。在初支喷射砼完成，即施作 L=600cm 的 R32 自进式中空锚杆，采用气腿式凿岩机打设，并打设长 L=450cm 的 42 注浆花管进行注浆，改善围岩力学性质，加固围岩，减少围岩变形量。在仰拱开挖前后施作 L=1200cm 的 R51 中空锚杆，采用 CLG-100 露天凿岩钻车打设。R51 中空锚杆主要在墙脚、拱腰集中布置，在拱顶及仰6拱下亦对称布置。系统锚杆纵向两根一组用槽钢跨过钢拱架进行联锚，实现对钢拱架强行拉锚。3.9 仰拱3.9.1 一般施作方法：仰拱开挖仍采用挖掘机直接
11、开挖、人工修整。挖好后，立即安设钢拱架，紧抵住初支钢拱架，然后喷射 C20 钢纤维砼封闭。再进行锚杆打设、仰拱钢筋绑扎、仰拱及充填砼的施作。3.9.2 对于膨胀系数大于 1.3 的围岩地段在仰拱底下铺设 50cm 厚的碎石垫层作为柔性变形层。并在仰拱充填上部加设双层钢筋网，加强仰拱刚度。3.10 二次衬砌按照新奥法原理，隧道二次衬砌只是做为受力的安全储备，但因膨胀地段围岩内应力高，围岩膨胀变形具有长期性，所以二次衬砌应比正常围岩段厚，含筋量高，二次衬砌施作时间应严格按照初支量测结果来确定，若初支变形无减弱趋势，应采取措施加强初支，决不能立即施作二次衬砌，这极易造成二衬开裂，更加难以治理。3.1
12、1 监控量测在膨胀地段施工，监控量测工作变得极其重要，应严格制订量测计划，一般应 5m 长就设置测点，测设工作应从隧道开挖好后一直持续到二衬完工围岩变形稳定下来。监控量测间隔时间见下表，若变形较大时应缩短量测时间间隔。7隧道现场量测项目及时间间隔量测间隔时间序号 项 目 布 置115d 16d1 个月 13 个月 3 个月以 上1 地质和支护 状况观察 开挖后及初期支护后进行 每次爆破后进行2 周边位移 每 5m 一个断面,每断面 23对测点 12 次/天 1 次 /2 天 12 次/周 13 次 /月3 拱顶下沉 每 5m 一个断面 1 次/天 1 次 /2 天 1 次/周 1 次/月4 地
13、表下沉 每 5m 一个断面,每断面 3个测点 12 次/天 1 次/天 2 次/周 1 次/周4体会膨胀性围岩因其遇水膨胀、泥化，失水干缩的特性造成围岩失稳，高地内应力、开挖后变形长期性造成加在支护上的荷载为围岩松驰荷载和围岩膨胀应力的合力，荷载计算较为复杂，对支护参数的确定造成不便，引起施工困难，所以稍有不慎极易发生已建好的初支、二衬开裂变形，仰拱底鼓。在四角田隧道施工中，我们深切地体会到：4.1 加强膨胀岩前期预报至关重要，它是指导安全施工的首要条件；4.2 采取中深孔自钻式中空锚杆、中深孔注浆等新材料新技术加强对膨胀岩的超前支护，使洞室形成一个封闭的圆，控制围岩发生应力改变；4.3 隧道开挖后要加强初期支护，对膨胀岩体要勤测量，发现围岩有变形趋势及早采取措施；4.4 加强安全防护措施，每个工班都设一名安全检查员，保证施工安全和人身安全。8通过不断地总结施工经验和教训，按照以上施工方法进行施工处理，不但加快了工程进度，保证了工程质量，而且也取得了良好的社会效益和经济效益，目前四角田隧道下行线已通车。得到了上级领导及甲方的肯定。
