中铁五集团第五工程有限公司 湖南省郴州市 423000
摘要：新村二号隧道上覆第四系全新统坡残积层粉质黏土；下伏基岩为第三系（N）砂岩、砾岩、页岩、泥岩且含石膏，围岩呈紫红色~灰绿色，半胶结状，岩质较软，遇水易软化，容易开裂和产生崩塌。结合该隧道岩性分析情况，采用科研引导、稳扎稳打的方针，制定了详细的施工方案，在施工过程中探索、研究出了控制浅埋膨胀岩变形的施工技术与变形管理措施。
关键词：隧道；浅埋；膨胀岩；变形；施工技术；变形管理
1 工程概况
新村二号隧道位于玉磨铁路南溪河站~墨江站区间，全长275.789m。本隧均为双线隧道，左右线线间距为5.0m。隧道线路纵坡：隧道进口段为185m的平坡，其后为11.6‰（90.789m）上坡。线路平面：全隧均位于直线上。隧道洞身最大埋深约36m。隧道按电力牵引时速160km客货共线（通行普通货物列车）双线隧道设计。
隧区上覆第四系全新统坡残积层粉质黏土；下伏基岩为上第三系（N）泥岩夹砂岩、炭质泥岩、页岩，泥岩全风化层，属弱～中等膨胀土。膨胀土具有失水收缩干裂，吸水膨胀破坏的特性。N地层岩质软弱，具膨胀性，围岩稳定性差；下伏基岩含有煤线，局部富有有害气体，工程条件较差。施工过程中洞内初期支护局部多次发生开裂，喷射砼鼓壳等现象，下沉累计最多达35cm,收敛达22.5cm，超过预留变形量，并侵入二次衬砌。
2 施工方案
针对膨胀土软岩大变形的特点，我们制定了“超前支护、初支加固、合理变形、及时封闭、非爆破”的整治原则和总体方案，配合二衬紧跟等辅助方案较好的解决了此项难题。
2.1 总体方案介绍
(1)掌子面采用φ76中管棚进行超前支护；拱墙全环采用I22b工字钢封闭成环；为达到分部开挖临时稳固围岩的目的，上台阶开挖后及时采用I22b临时横撑，中台阶左右错开开挖时也临时采用I22b临时横撑进行加固支护，施工中台阶时拱部采用竖向φ150钢管进行临时支撑。
(2)加大预留变形量。为了防止初期支护变形后侵入二次衬砌的净空，开挖时即加大预留变形量，另外采取了不均衡预留变形量技术。
(3)对于初支施工后部分边墙、拱部变形较大地段采用φ42钢花管径向注浆加固，以稳固后方施工段落。
(4)及时封闭仰拱、特别是仰拱初支，是减小变形、提高围岩稳定性的措施之一。
(5)采用铣挖机开挖，局部采用挖机侧面焊接钢板修整，不采用爆破施工，尽量减少对围岩的扰动。
(6)全过程实施施工地质超前预报工作。
(7)监控量测纳入施工工序管理。
2.2 超前地质预报
(1)超前地质预测的方法
新村二号隧道采用地质调查法、物探法及超前钻探法为主。地质调查法包括隧道地表补充地质调查和隧道内地质素描等方法；物探法只要包括：弹性波反射法、地质雷达法、瞬变电磁法；超前钻探法分为超前地质钻探和加深炮孔探测；同时做好洞内及地表监控量测，通过监控量测数据反分析洞内、地表围岩变化情况，也是超前地质预报的一种间接方法。
(2)超前地质预测预报的重点
根据隧道地质资料新村二号隧道的超前预报的重点是针对下伏基岩含煤层及石膏地段的超前加深炮孔、基底探测。尤其是超前钻孔对软质大变形、膨胀土有很好的揭示以便于在施工时采取强有力的超前地质预报，指导预留变形量值有很好的参考意义。同时将超前地质预报工作纳入施工工序。
2.3 支护结构确定
(1) 地质条件及支护参数
该隧道位于一个平坦的山坡上，中间仅有约70米地段埋深在20-35米之间，其余进口、出口地段均埋深在0-20米之间，地表均为第四系全新统坡残积层粉质黏土，且顶面还有当地居民房屋及地方道路横穿洞顶。洞口30米范围设计为Φ108大官棚及全环I22b型钢钢架，其余地段超前支护为Φ76中管棚及全环I22b型钢钢架，全隧钢架间距均为0.6m。拱部中空注浆锚杆，边墙砂浆锚杆，L=3.5m，间距1.2m×1.0m；网喷混凝土厚29cm。
(2)施工情况
全隧按三台阶加临时仰拱法施工。由于开挖过程中地表雨水下渗、膨胀土变形，导致初期支护开裂，裂缝宽度在3～5cm左右，拱部及边墙均存在。喷射混凝土发生翘起、空鼓现象，型钢钢架扭曲。拱顶沉降最大25cm，收敛最大35cm，超过预留变形量，并侵入部分地段二次衬砌。
(3)设计优化
由于施工变形较大，超过预留变形量，并侵入二次衬砌，为此必须制定合理的支护参数和施工方案、工艺方法。并对变形较大和侵限部位进行加固和处理。
根据围岩实际和监控量测数据，及时将预留变形量调整为40～50cm，从节约成本及针对不同部位变形不一致的情况考虑，拱部预留变形量按照40cm预留，边墙按照50cm预留，仰拱钢架按照15cm预留，同时针对初支开裂地段采用Φ42注浆小导管进行双液注浆加固。开挖不采用爆破，而是采用铣挖机进行开挖，局部采用在挖掘机侧面焊接钢板进行修整至设计断面。左右两侧边墙开挖需错开3-4m，导致设计的临时仰拱对于超前地段无法实施的情况，采用局部临时仰拱支撑。同时将下台阶紧跟中台阶不预留下台阶直接施工仰拱的方法。如图1所示。
2.4 开挖施工工艺
针对该隧道的膨胀岩施工采用三台阶铣挖机开挖+加大预留变形量+局部临时仰拱+仰拱紧跟中台阶+边墙钢花管双液注浆加固+二衬紧跟的施工工艺。其特点是：适用于膨胀岩遇水膨胀造成边墙开裂的地质条件，根据围岩变化可通过调整预留沉降量等措施，有效控制拱顶沉降、净空收敛；通过合理台阶高度划分，不用钻孔台架，减少架搭、拆台架时间；及时进行临时支护，尽早封闭仰拱等工序可有效达到控制变形的目的。同时各种工序稳步推进、同时施工，及时支护保证结构安全，可尽量减少工序循环时间。如图2所示。
为防止初期支护变形后侵入二次衬砌的净空，根据掌子面后方监控量测反馈的数据，开挖时及时调整预留变形量；根据隧道不同部位变形量不同的特点，采取了不均衡预留变形量技术。这样既能够节约整体放大造成的局部浪费，又能达到足够变形保证不侵入净空造成换拱的麻烦。但这种不均衡预留变形设计的钢拱架必须在CAD中严格计算每段钢拱架的长度及弧度，不能采用整体放大的钢拱架进行强行拼凑施工，避免接头部位不能够很好的连接,反而人为造成不安全隐患。
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图1
软弱围岩开挖如果采用爆破施工，势必会进一步加剧围岩整体的破坏，针对该特点，该隧道采用铣挖机进行中台阶及部分上台阶的开挖，上台阶大部分直接采用人工进行开挖，该开挖方式不仅减少了对围岩的扰动，而且采用机械直接开挖达到了加快开挖速度的目的。针对局部铣挖机开挖会造成碰撞钢拱架的地方，采用在挖机斗侧焊接钢板进行局部修整，达到断面开挖线性顺畅，避免由于爆破开挖造成的超挖，而且很不利于围岩的稳定。
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图2
上台阶开挖进尺严格控制，必须按照开挖一榀钢拱架、支护一榀；同时为便于上台阶好架立钢拱架，免去拆搭开挖、安装拱架台架的时间，采取上台阶预留核心土的方式，另外预留核心土还可以保证拱部加速变形时，可直接在台阶上铺设垫槽钢，垫槽钢往拱部进行倒扇形钢管支撑进行临时加固，控制拱部变形。上台阶边墙脚收敛也可以直接采取钢管搭设横撑的方式，即快速，而且横撑较短受力又好。中台阶左右侧必须错开开挖，不得对开马口进行施工，这样设计的临时仰拱无法施工的情况，可采取左右侧错开3榀钢架进行开挖支护，但为了防止边墙收敛变形，可在靠近中间的边墙部位设置横向垫槽钢，垫槽钢与边墙钢架之间设置临时仰拱，这样既能保证左右侧错开开挖，又能保证每榀中台阶钢架都进行了临时仰拱支护。待左右侧支护施工完毕向前掘进后，再采用左右侧边墙全环临时仰拱支撑。
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针对边墙及拱部初支开裂地段，及时采用φ42钢花管进行注浆，由于该隧道为膨胀岩隧道，如果采用单一的水泥净浆，浆液与膨胀岩混合，不仅达不到固结的效果，反而还会造成变形加剧，故采用水玻璃双液注浆，注浆钢花管长度5m，间距环向按照1m,纵向按照钢架间距布置。先采用φ45钻头钻孔，然后采用风钻将钢花管送入孔内，注浆时间根据现场试配波美度的浆液注入管道到达孔内的时间再加上约10S最后最后实际注浆的波美度。钢管在钢构厂加工，管壁按照梅花型布置φ5钻孔，间距30cm。根据现场实际情况来看注浆压力终压按照不超过0.3Mpa为宜。
2.5 仰拱施工
软岩大变形地段，必须及时封闭仰拱、特别是仰拱初支，已利钢架整体受力达到减小变形、提高围岩稳定性。以往的隧道施工中，对于类似V级围岩设计均采用三台阶开挖，为便于出碴均设计有下台阶，但下台阶再短都有约4m长，这样就造成仰拱与上台阶的距离最少约8m，真正的初支紧跟还是不理想。而该隧道施工中，直接取消下台阶采用仰拱紧跟中台阶进行初期支护，再施工上台阶及中台阶的时候又将中台阶及上台阶的弃碴翻至仰拱内作为仰拱出碴设备的通道以及搭设仰拱栈桥的基础，虽然施工仰拱二衬时候还需要再次挖除仰拱内的弃碴，但是对仰拱及时封闭控制变形很有效果。
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2.6二次衬砌
一般情况下在围岩量测稳定后施做二次衬砌，但该隧道膨胀土大变形是一个缓慢的蠕变过程，即便量测数据稳定，但由于受地表降雨雨水下渗导致膨胀土膨胀变形仍缓慢不断向支护施加，因此除了加大开挖预留变形量之外，还应适根据量测和工程实际，发现地质异常，必要时及时施做二次衬砌。
3 变形管理措施
3.1 项目部制定“安全生产管理办法、工程质量管理办法、超前地质预报管理办法、监控量测管理办法、隧道超欠挖考核办法、变更设计管理办法”等管理措施，明确各层级、岗位的职责和责任，组建架子队管理架构，配备组织指挥、技术保障、资源配置、安质监督四个系统管理人员，各司其职，定期检查考核。
3.1超前综合地质预报，需要纳入施工工序管理，通过物探与钻探相结合，发现前方工程地质和水文地质，确定开挖方法与支护措施。
3.2 监控量测应纳入施工工序管理，通过量测数据预测和分析预留变形量，初支钢架各部位预留变形量分别设置，避免过大超挖和初期支护二次拆除，指导二次衬砌施做时机。
3.3 采用例如铣挖机进行开挖而不采用爆破施工，可以有效避免围岩扰动，减少变形的可能；短台阶取消下台阶施工，及早施作仰拱，结构的及时封闭是抑制膨胀土大变形的主要措施之一，是膨胀土大变形隧道较为合理的施工方法。
3.4 初期支护背后注浆应采用水玻璃-水泥浆双液注浆加固，避免膨胀岩发生膨胀挤压初支。
3.5 严格执行“先探测、后超前、短进尺、少扰动、强支护、早治水、快成环、速衬砌”施工要点。
4 结论
综上所述，新村2号隧道275.789m浅埋段下伏基岩为上第三系（N）泥岩夹砂岩、炭质泥岩、页岩，泥岩全风化层，属弱～中等膨胀土,N地层岩质软弱，具膨胀性，围岩稳定性差.经过8个月的施工，该隧道后续未发生初期支护结构变形超限，超挖控制在68%以内，二次衬砌结构稳定，实践证明采用三台阶临时仰拱施工工法+地表径流改迁+中管棚注浆预支护措施处理浅埋膨胀岩变形隧道是安全可行的。