富含水膨胀土隧道施工技术研究

摘 要 近年来土质隧道施工常采用CRD法，该工法能够有效控制隧道沉降收敛，但在富含水膨胀土隧道施工时初支沉降收敛仍较大，施工效率低，临时支撑拆除时存在安全隐患。本文以鄂北水利工程纪洪隧道富含水膨胀土段施工为例，利用三台阶开挖、上台阶临时横撑竖撑支护方法，再通过加强支护参数、做好截排水措施、严控安全步距、组织好工序衔接等方法来减小隧道的沉降收敛，达到快速、安全、高效地完成富含水膨胀土隧道施工的目的。

关键词 膨胀土;三台阶;沉降收敛;截排水;安全步距

1工程概述

纪洪隧道全长10.35km，土洞段长4.5km，占隧道全长的43%。土洞断面面积为52.6m2，土洞段地质主要为第四系上更新统琚湾组黏土，该土层具弱膨胀性，夹薄层壤土，含蓝灰色条带状或网纹状高岭土条纹或条带，局部含黑褐色铁锰质氧化物及其结核，局部钙质物含量偏高。土洞段洞径最大处为8.1m，隧道埋深26.0～45.0m。

土洞段原设计为CRD法施工，现场采用此方法施工时，发现掌子面地质情况为：

（1）隧道下台阶及仰拱位置为普通土，但中台阶及上台阶土质中含有中等膨胀土。

（2）掌子面土体湿润，土体表面无线状流水，局部有掉块现象;随着土体暴露时间加长，掌子面出现渗水、掉块、坍塌情况，上台阶部分位置拱脚处有线状流水。

根据揭示的地质情况，该段为典型的富含水膨胀土隧道，膨胀土在无水情况下土质较硬，一旦遇水极易发生软化，遇水后土体自稳能力差，极易发生掉块、坍塌，属于隧道施工中最软弱、稳定性最差的不良地层。由于原设计CRD法每循环施工时间过长，掌子面暴露时间长、掉块严重，每月实际进度只有15m～20m，已无法满足现场施工要求，故对富含水膨胀土隧道施工技术进行研究[1]。

2处理方案比选分析

根据现场施工条件及地质情况，就如何安全高效通过富含水膨胀土地段，提出以下三种施工方案：

方案一：在通过富含水膨胀土段时，未施工临时支撑，三台阶同步开挖，对原状土扰动较大，掌子面及拱顶渗水极为严重，钢架发生扭曲变形，初期支护沉降收敛较大，部分位置已侵入二衬混凝土空间20cm～30cm，见表1。方案二：采用此方法时，将开挖面喷浆封闭可有效控制掌子面掉块现象，临时支撑能起到减小隧道沉降收敛的作用。见表1，第二种方案明显比第一种沉降收敛小。方案三：开挖下台阶前施工临时支撑，下台阶施工完成后再施工仰拱，对隧道拱顶边墙沉降收敛数据进行汇总分析，见表1，表中第三种施工技术方案沉降收敛值为最小。

通过对以上三种施工方案进行对比分析，最终选定三台阶开挖+上台阶临时横撑竖撑支护+开挖面喷浆临时防护，且上中台阶同步施工，完成后再喷浆封闭掌子面及施做上台阶临时支撑，最后开挖下台阶、仰拱。

由于隧道内地质为富含水膨胀土，土体自稳性极差，在采用此方法后隧道沉降收敛虽有明显改善，但表1中十天观测最大累计沉降收敛点仍侵入二衬空间，不满足施工要求。为进一步解决沉降问题，现场通过加强支护参数，采取截、排水措施，严格控制安全步距，组织好工序衔接来缩短初期支护封闭成环时间等措施，来达到控制沉降收敛的目的[2]。

3施工技术方案

三台阶开挖+上台阶临时横撑竖撑支护+开挖面喷浆临时防护，上中台阶同步开挖，开挖至满足一次能够浇筑5～10m仰拱条件后，将掌子面喷浆封闭，然后在上台阶每间隔1米间距，采用工18型钢施做临时横撑，同时在横撑上增加两道临时竖撑，如图1所示。临时支撑施工完毕后再施工下台阶，下台阶左右两侧均开挖支护5～10m，再立即组织人员设备开挖支护仰拱，并绑扎仰拱钢筋及浇筑混凝土，使初期支护尽早封闭成环。

3.1 加强支护参数

隧道原设计初期支护采用工18工字钢，间距50cm，Φ10mm钢筋网片20×20cm间距，拱脚位置采用锁脚锚管连接，每处拱脚2根4.0m长Φ42无缝钢管，25cm厚喷射混凝土。按原设计支护参数在富含水膨胀土隧道段施工，发现初支内钢架已严重发生扭曲变形及沉降，钢架刚度已完全无法满足要求。通过与设计沟通，现场钢架间距已足够小，故采用增加钢架型号，将工18型钢变更为工22型钢，喷射混凝土由设计的25cm增大至30cm，将原设计每处2根锁脚锚管数量增加至6根，增大拱脚受力面积，将下台阶拱脚连接板尺寸由原设计的20cm×22cm增大至25cm×30cm。

通过加强支护参数后，现场再次对沉降观测数据进行分析，在开挖过程中钢架扭曲变形及沉降得到有效控制，十天最大沉降收敛值控制在60mm以内，但在渗水位置处，沉降观测数据变化仍较为明显。为减少变形情况，须进一步改善洞内截排水措施。

3.2 截排水措施

初支施工期间，在初支上自拱顶向两侧每间隔两米利用Ф42无缝钢管布设泄水孔，使初支背后渗水从泄水孔排出，在仰拱端头设立临时集水井。开挖过程中，做好各项排水措施，在离两侧拱脚外1m位置开挖截水沟，将水流引向下台阶开挖的临时集水井中，再使用污水泵将水抽排出洞外，如图2所示。

支护参数加强并采取截排水措施后，初支表面渗水情况得到改善，表面不再大面积滴水，富含水膨胀土段拱顶边墙沉降收敛值基本控制在50mm以内。

3.3 严控安全步距

掌子面开挖要严格控制仰拱、二衬安全步距，通过对监控量测数据统计，见表2，当仰拱安全步距小于20m时，仰拱施工操作空间狭窄，施工效率低，每月实际完成进度在30m以内;将安全步距拉大到30m至35m时，隧道沉降收敛值较大，存在安全隐患;故根据沉降观测数据情况，仰拱安全步距宜控制在25m左右。仰拱步距满足要求后，二衬安全步距控制在70m以内时，初支监控量测数据无明显变化。

3.4 组织好工序衔接

由于该水利隧道内空间狭窄，仰拱面为弧形面，施工通道行车极为不便，在富含水膨胀土地段施工时完全无法使用仰拱栈桥，仰拱混凝土浇筑后，必须等待混凝土达到通车条件后才能行车，混凝土等强时间在12～24h之间;二衬混凝土采用地泵澆筑时，地泵将二衬前方施工通道完全堵塞，掌子面也无法施工，每次二衬浇筑时间为8～10h。综合以上情况考虑，仰拱浇筑完毕后，立即组织工人对二衬混凝土施工，利用仰拱混凝土凝固等强时间浇筑二衬混凝土，提高了施工效率，同时二衬安全步距能够及时跟上。掌子面开挖、支护、喷浆各道工序也须紧密连接，不得上道工序完成后，下道工序人员设备材料还未就位，致使开挖临空面暴露时间过长，造成掌子面掉块、塌方等情况发生。所以在人员组织、工序衔接上要提前筹划，合理安排[3]。

4结束语

纪洪隧道富含水膨胀土段通过实施以上施工技术方案后，隧道内沉降收敛值已控制在规范允许范围内，避免了初期支护侵入二衬造成换拱返工损失，保证了施工安全，同时现场每月实际进度提高到40m～50m，确保了4.5km土洞按工期安全顺利贯通，也为类似隧道工程施工提供借鉴。

参考文献

[1] 刘佳.论述铁路隧道施工技术常见问题及改进措施[J].工程建设与设计，2017，（6）：134-135.

[2] 杜亚江，赛玙璞，李丹.矿山法隧道CRD工法施工步序调整研究[J].现代交通技术，2017，（1）：58-60.

[3] 唐敏程.V级围岩隧道施工初期支护变形控制研究[J].四川水泥，2017，（2）：72.

作者简介

路腾（1987-），男，湖南津市人;学历：本科，现就职单位：中铁二十五局集团第三工程有限公司，研究方向：主要从事隧道施工技术。