玉磨铁路膨胀土地层隧道施工及变形控制技术

丁小平

（中铁三局集团有限公司，山西 太原030001）

玉磨铁路（玉溪至磨憨）是云南省融入国家“一带一路”倡议、推进与周边国家互联互通的重大建设项目[1]。其站前工程YMZQ-16标段，起讫里程为DK330+840—DK352+198。西双版纳属于滇西南澜沧江-湄公河国际旅游区，施工时需注意环境保护，力图打造“生态文明示范线”[2]。

西双版纳隧道位于玉磨铁路野象谷站—西双版纳站区间，进口里程为DK348+050，出口里程为DK358+730，最大埋深620m，最小埋深20m，全长10680m。在YMZQ-16标段内，起讫里程为DK348+050—DK352+198，长4148m，其中DK348+094—DK349+306段穿越第三系N2地层，该段土体主要为粉质黏土，硬度极差，具有弱～中膨胀性，有明显吸水膨胀、失水收缩、强度低、易崩解等工程不良特征[3-4]。采用三台阶法加临时仰拱、掌子面预留核心土法开挖施工该膨胀土段时，出现了初支侵限、围岩崩解、塌方等多种施工问题[5-6]。本文重点探究施工中出现问题的原因，结合试验结果、参考总结[7-9]，提出了四台阶法加临时仰拱施工技术[10-11]，解决该膨胀土地段存在的施工问题。

1 膨胀土段施工问题及原因分析

1.1 施工问题

西双版纳隧道DK348+094—DK349+306段穿越第三系N2地层的粉质黏土，该土体具有弱～中膨胀性，施工障碍颇多，严重考验施工技术。西双版纳隧道进口自2016-10-12进洞以来，截至2017-12-17，开挖至DK348+389，开挖完成339m，平均每月进尺24m，膨胀土的存在显著降低了施工效率。

洞口DK348+050—DK348+160段110m埋深约8m，该段地表采用高压旋喷桩加固；DK348+050开始进洞开挖面揭示为粉质黏土，硬塑状，根据现场监控量测情况，初期支护稳定后初支变形在20cm以内。

过了旋喷桩加固地段后，施工至DK348+241—DK348+274段初期支护变形增大，造成初期支护侵限，对该段换拱33m；后期施工过程中因掌子面临空面较大，围岩自稳性极差，尤其掌子面核心土无法预留，多次崩解且掌子面土体多次挤出，最大挤出距离1m以上，掌子面向洞口方向挤出，影响隧道安全生产及施工进度。

1.2 原因分析

根据监控量测、土工试验报告及现场施工情况等，造成初期支护变形大的主要原因有以下2点：①隧道施工段落地层土体主要为粉质黏土，并夹有角砾、碎石、砂层，岩性不均，开挖完成后围岩整体性极差，且粉质黏土具有弱～中等膨胀性，遇水膨胀，由硬塑状到流塑状，围岩的自稳能力减弱，整个围岩的土压力由初期支护结构承受，荷载变大会导致初期支护持续变形收敛；②施工进度较慢，初期支护封闭成环时间较长（约40d），期间初期支护一直持续变形收敛。工序转换期间变形现象尤为明显，沉降速率为20～50mm/d。

2 四台阶法加临时仰拱施工技术

基于膨胀土段三台阶法加临时仰拱、掌子面预留核心土开挖方法施工现存的问题，通过不断试验、总结，在该段落采用四台阶加临时仰拱开挖、增设套拱、土体加固注浆、下锚段端头立设双层拱架、采用工字钢替代部分纵向连接筋等多种方案进行施工。

2.1 四台阶加临时仰拱开挖技术

四台阶加临时仰拱开挖施工如图1所示，主要步骤如下。

图1 四台阶加临时仰拱施工横断面示意图

第一步，一次性开挖①，立即施做初期支护及上台阶临时仰拱。

第二步，左右错开开挖②-1和②-2，开挖完后立即施做初期支护、临时支护及二台阶临时仰拱。

第三步，左右错开开挖③-1和③-2，开挖完后立即施做初期支护、临时支护及三台阶临时仰拱。

第四步，左右错开开挖④-1和④-2，开挖完后立即施做初期支护、临时支护，必要时设置下台阶临时支撑。

第五步，开挖⑤，立即施做仰拱初期支护。

为使仰拱尽快封闭成环，减少初期支护累计变形时间，并根据经验确定膨胀土边坡坡比设计为1∶2时较为稳定，掌子面至下台阶距离不应小于断面高度的2倍，以控制土体正面挤出推移。考虑整体受力稳定性及机械作业空间因素，仰拱步距宜控制在28m左右，各台阶高度及步长如图2所示。施工工序转换时先接长钢架，后拆除临时仰拱，保证临时仰拱平行全覆 盖于仰拱未施做地段，加强各部稳定性。

图2 四台阶加临时仰拱施工纵断面示意图

2.2 加强超前支护技术

考虑到膨胀土段隧道围岩强度低、易崩解，与非膨胀土段相比，开挖时掌子面越不稳定，应用于非膨胀土段的超前支护措施必须得到加强方可应用于该膨胀土段，保证开挖过程中掌子面的稳定性。

加强后的超前支护主要采用Φ76mm超前中管棚加Φ42mm大外插角小导管，如图3所示。Φ76mm超前中管棚采用“锯齿形”无洞室施工方案施做，既保证拱部开挖轮廓稳定性，又避免了洞室施做工序烦琐，加快了施工进度。

图3 超前支护纵断面示意图

2.3 加强初期支护技术

四台阶法加临时仰拱开挖后，立即施做初期支护和一些临时支护措施，该膨胀土段主要采取以下几个方面的措施来加强初期支护。

拱墙初期支护相邻钢架连接板节点位置增设I18工字钢纵向连接，如图4所示，加强初支钢架整体性，控制局部荷载过大造成初期支护变形或开裂。

图4 工字钢加强纵向连接

为了确保后期开挖临空面的稳定性，需加固预筑砂层和角砾土部位，施做临时仰拱时，需加固浇筑各台阶拱脚处土体，如图5所示，增强拱脚基底承载力，控制初期支护沉降。

图5 土体加固注浆

对后方初期支护渗水或局部开裂部位进行拱墙初期支护径向注浆，如图6所示，保证施工安全。

图6 拱墙径向注浆

严格控制各台阶临时仰拱施做，且临时仰拱钢架与拱墙初支钢架采用工字钢斜撑焊接加固，如图7所示，组成较好的受力结构。下锚段截面变化处初期支护采用双层拱架加强支护，如图8所示，并采用纵向工字钢支撑保证截面稳定性。

图7 临时仰拱斜支撑

图8 上台阶双层拱架支护

加强锁脚施工：拱脚采用Φ76mm锁脚锚管，每拱脚4根，长6m/根，设置于相邻纵向I18连接工字钢上下位置，采用割孔钢板与初期支护钢架焊接连接，并采用托架式方式打设，控制初支沉降及收敛，如图9所示。

图9 锁脚锚管布置示意图

3 监控量测情况及分析

采用四台阶开挖加临时仰拱施工技术作业后，立即对变形较大段围岩进行了监控量测，生成了为期1个多月的监测记录，其中选取DK348+360—DK349+392段拱顶沉降曲线进行分析，如图10所示。

图10 DK348+360—DK349+392段拱顶沉降曲线（单位：mm）

通过上述监测曲线对比分析得出如下结论：①DK348+360拱顶沉降2017-10-08—11-07监控量测累计沉降值为489.2mm，2017-11-04—11-06进行下部台阶开挖时监控初期支护沉降明显，2017-11-08临时仰拱施做完成后初期支护变形速率明显减小。②根据监控量测DK348+370—DK348+392拱顶沉降速率明显减小，至初期支护封闭成环初支变形稳定后，拱顶累计沉降至均在300mm以内。根据监控量测数据分析，随着变更支护措施范围的不断增大，初期支护整体受力体系逐步增强，初期支护变形得到有效控制。

4 结语

本文以玉磨铁路西双版纳隧道膨胀土段施工中出现的问题为切入点，提出了适用于该膨胀土段的四台阶法加临时仰拱施工技术，经过监控量测对比分析，发现该技术有助于解决施工问题。

该技术成功应用于玉磨项目YMZQ-16标西双版纳隧道进口微膨胀粉质黏土地层段，有效解决了微膨胀粉质黏土地段掌子面自稳困难、正面挤出严重、初期支护完成后初期支护持续沉降收敛及开挖易坍塌等问题，避免了采用CRD或双侧壁工法施工复杂、难度大、拆除临时支撑复杂等问题，保证了现场施工安全，提高了施工效率。该技术为类似地质隧道施工提供技术参考与借鉴，具有广泛的应用前景。