摘  要  本文结合临县隧道膨胀性黏土富水地段施工实践，分析了其工程性质和难点，介绍了隧道洞身开   挖、初期支护、二衬仰拱施工技术，提出了局部坍塌、掉拱、大变形的处理举措。
关键词  膨胀性黏土 富水地段 施工技术
1  工程概况
新建铁路山西中南部铁路通道临县隧道位于山西省吕梁市兴县与临县境内，起讫里程为DK50+535～DK61+167，全长10632m。地属黄土高原丘陵地貌，沟壑纵横，地形起伏较大，冲沟发育，海拔高程1100～1334m。DK53+775～DK61+090段7315m地层为第三系（N2）黏性土，具有弱膨胀性。
2  膨胀性黏土的工程性质和施工难点
2.1  工程性质
膨胀性黏土工程性质较复杂，隧道开挖后围岩在短时间内会产生较大变形，地基因地下水浸泡而产生膨胀降低地基承载能力，使洞身的拱部及两侧边墙向内挤入，底部鼓起，随着时间的增长导致围岩失稳，支撑、衬砌变形和破坏。①膨胀性黏土围岩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。当隧道开挖后，引起围岩应力释放，强度降低，产生卸荷膨胀。因此，其围岩常常具有明显的塑性流变特性，开挖后将产生较大的塑性变形。②其黏土中发育有各种形态的裂隙，形成土体的多裂隙性。膨胀性黏土围岩实际上是土块与各种裂隙和结构面相互组合形成的膨胀土体。由于膨胀土体在天然原始状态下具有高强度特性，隧道开挖后洞壁土体失去边界支撑而产生胀缩，同时因风干脱水使原生隐裂隙张弛，使围岩强度急剧衰减。因此，隧道施工开挖过程中，常有初期围岩变形大，发展速度快等现象。③其黏土围岩因吸水而膨胀，失水而收缩，土体中干湿循环产生胀缩效应。一是使土体结构破坏，强度衰减或丧失，围岩压力增大。二是造成围岩应力变化，无论膨胀压力或收缩压力，都将破坏围岩的稳定性，特别是膨胀压力将对增大围岩压力起叠加作用。
2.2  施工难点     
①隧道位于黄土峁梁地区，沟壑纵横，浅埋偏压段落较多，且雨季地表水下渗引起洞内地下水变化，极易造成塌方或大变形。②黏性土，具有弱膨胀性，遇水易产生软化、泥化及膨胀开裂，失水易产生收缩现象，极易造成塌方或大变形。③围岩节理裂隙发育，自稳时间短，收敛变形大，初期支护封闭不及时或刚度不足极易造成塌方。④围岩内夹有水平姜石层、粉细砂层，局部需采取弱爆破，对围岩的稳定性影响较大。⑤仰拱地基承载力受水影响易形成软化区域，致使基底承载能力下降产生沉降而仰拱结构受到破坏。⑥隧道锚段、风机段及各种洞室段落较多，易引起围岩应力集中，产生大变形。
3  施工原则
在施工过程中要严格遵行“重核对，先排水、短进尺、少扰动、早成环、勤量测、快衬砌、工序紧”的原则。(1)施工前要对隧道地表地形、地貌及附着物等进行详细的调查，必要时要对浅埋、偏压、沟谷等特殊地段进行断面测量，并进行风险评估，施工期间要制定专项方案以确保施工安全。(2)要尽可能的减小开挖空间，宜采用多台阶开挖分部法施工，一般采用三台阶七步开挖法、环形开挖预留核心土开挖法、双侧壁导坑法等。(3)充分利用围岩开挖后初期的自稳能力，初期支护应在塑性变形前快速封闭成环。(4)地基基础加固，地基承载力不满足设计要求或有地下水地段，要对基底进行换填三七灰土或灰土挤密桩等加固措施，以免因地基下沉引起结构物变形开裂。(5)将围岩量测纳入工序管理，安排专业的量测工班，对围岩收敛变形和地表沉降进行全方位观测，以指导施工。
4  关键技术控制要点
4.1  膨胀性黏土富水地段隧道施工工艺流程图
如图1所示：


图1  膨胀性黏土蓄水地段隧道施工工艺流程图
4.2  综合地质预报
运用了TGP206预探技术，并将加深炮孔探测与地质素描有机结合、综合应用，发挥各自长处，相互补充、相互验证，从不同方面发现异常、揭示异常，组成地质超前预探完整的技术体系，并坚持将超前地质预报合理纳入工序进行组织管理。
4.3  超前注浆小导管支护
拱部采用超前注浆小导管支护，一方面填充土体内空隙和裂隙，起到加固拱部围岩的作用，抑制围岩变形，为施工创造安全空间；另一方面封堵围岩中孔隙水和地下水，避免因地下水作用引起拱部掉块。
4.4  洞身开挖
洞身宜采用多台阶分部开挖法施工，一般采用三台阶七步开挖法。开挖循环进尺以1榀拱架为宜，依据设计参数一般为75～120cm；开挖台阶高度3～3.5m，台阶长度为3～5m，预留核心土长度亦为3～5m，宽度为隧道开挖宽度的1/3～1/2；中下台阶左、右侧马口错开开挖，错开2～3榀钢架；开挖后立即初喷3～5混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护；隧底开挖每循环开挖长度宜为2～3榀钢架，开挖后及时施作仰拱初期支护，完成两个隧底开挖、支护循环后，及时施作仰拱，仰拱分段长度宜为4～6m。
隧道周边土体开挖，常规做法是采取人工配合机械开挖模式，边墙及拱部施工中预留20～30cm由人工风镐开挖至标准断面，其缺点是劳动强度大、工效低、施工延续时间长，不利于围岩的稳定。临县隧道施工中，利用了挖掘机铲斗，在其铲斗背平面末端分布焊接三组直径为60mm的“楔形钢柱”，高度25cm（见图2、3），通过挖掘机的大小臂及铲斗之间的液压系统来完成对隧道周边围岩的开挖，其优点是机械化程度高、工效高、施工持续时间短，利于围岩的稳定。
姜石层开挖，姜石层层厚一般为50cm左右，呈水平分布。姜石层位于拱部时人工风镐凿除或采用液压冲击锤破除；位于洞身范围内时采用弱爆破；位于仰拱范围内时，采用弱爆破，人工风镐修整开挖线形。
粉细砂层，胶结差、结构松散、极易坍塌，位于拱部或洞身周边时尽量采用人工开挖。

  
4.5  初期支护
膨胀性黏土开挖后（尤其富水地段），围岩会产生较大的收敛变形和沉降，部分段落甚至能够达到30cm以上的变形，中台阶部位变形最大。随着变形的发展会引起初期支护开裂、扭曲变形、掉拱、坍塌。为此施工中要高度重视初期支护质量控制，控制要点如下。
(1)要本着“宁强勿弱”的原则，严格按照设计的初期支护参数进行施工，初期支护必须在隧道开挖后及时施作，及时封闭成环；特别是下部（边墙）开挖后钢架及时落底接长，及时封闭成环。(2)初期支护由喷射混凝土、锚杆（管）、钢筋网和钢架等组成，各部分联合受力，各个环节要严格把控，尤其要重视锁脚锚管和系统锚杆的施做，施做效果的好坏直接影响围岩的收敛变形，通过围岩量测准确分析围岩收敛变形情况，必要时适当增加锁脚锚管和系统锚杆。(3)拱脚承载力要满足要求，拱脚地层较差时，需采用扩大拱脚、拱脚加垫砼预制块或槽钢等措施来加强。(4)在浅埋、偏压、富水等自稳性较差的地层中，要加强初期支护强度，不宜使用格栅钢架，宜用型钢钢架。(5)富水段不宜采用湿喷工艺，宜潮喷工艺。
4.6  仰拱施工
仰拱是隧道结构的主要组成部分之一，它是隧道结构的基础。它一方面要将隧道上部的地层压力通过隧道边墙结构或将列车的动荷载有效的传递到地下，而且还有效的抵抗隧道下部地层传来的反力。实际上它是能承受地层永久荷载和列车动荷载的一种地基梁。仰拱的受力状态比较复杂。从国内外的交通隧道工程病害的实例来看，由于隧道仰拱结构的设计、施工原因，而出现隧道结构失稳，路面沉降开裂，翻浆冒泥病害的实例不在少数。为此在施做仰拱结构时必须精细，其结构物一定要符合规范和设计要求。
(1)仰拱开挖
应安排专人指挥，Ⅴ级及以上围岩仰拱距开挖掌子面距离≤20m（洞口段）、≤25米（洞内），Ⅳ级围岩仰拱距开挖掌子面距离≤35m。隧底开挖应采用全幅分段施工，上面铺设仰拱栈桥，每循环开挖长度宜控制在2～3m。仰拱开挖线形要严格按照设计要求控制，严禁因线形与设计不符导致受力结构发生变化，使仰拱遭到破坏。
(2)仰拱排水
富水地段要设集水井安排专人抽排水，下坡隧道施工需分段设集水井将地下水分级抽出洞外（集水井间距宜为100m），不得长时间浸泡仰拱基底。仰拱开挖后在仰拱基底设置集水井采用潜水泵不间断的抽排。
(3)仰拱地基加固
对地基承载了无法满足设计要求地段，采取换填三七灰土或灰土挤密桩等措施进行加强，换填三七灰土或灰土（水泥土）挤密桩加固等措施，能够有效提高地基承载力、封堵地下水、改善地下环境。①三七灰土采用路拌的方式在洞内由挖掘机搅拌，随伴随用；换填深度宜为50cm，分段长度宜为2～3m；采用小型冲击夯机夯实，分层厚度15～20cm；换填时要保证地基处于干燥状态，且基底无软弱、松散土层，换填完成后应迅速将仰拱初期支护封闭成环。②灰土（水泥土）挤密桩一般桩径40cm、桩长8～10mm，间距1m×1m，梅花形布置，现场组织要紧凑，工序转换要迅速，在仰拱开挖前分段施做。水泥土挤密桩用土料中有机质含量不得超过5%，不得含有冻土或膨胀土，使用时应过10mm～20mm筛，混合料含水量应满足最优含水量，允许偏差不得大于±2%,土料与水泥应拌合均匀，水泥用量不得大于设计及试验确定的用量。桩施工前，场地应平整，必须清除地上、地下一切障碍物，根据设计要求，将桩位用白灰定位。夯填桩孔时应选用机械分段夯实。夯锤直径不宜小于0.3m，落距和填料厚度应根据现场试验确定。成孔时地基应接近最佳含水量，当土的含水量低于10%时应对处理范围地基土进行增湿处理。向孔内填料前孔底必须夯实。桩顶夯填高度应大于设计仰拱基底位置0.3m，施工中应有专人监测成孔及回填质量，并做好施工记录。
(4)仰拱初支施工
隧底开挖后，及时清除虚碴、杂物、泥浆、积水，立即初喷3～5cm厚混凝土封闭岩面，按照设计要求安装仰拱钢架，复喷射混凝土至设计厚度，使初期支护及时闭合成环。
(5)仰拱混凝土施工
完成两个隧底开挖、支护循环后，及时施作仰拱。仰拱开挖施做初期支护钢架（或格栅），Ⅴ级围岩不得超过2m，Ⅳ级围岩不得超过3m，仰拱每次施工长度宜为4～6m，基底承载力特别差的地段每次仰拱施工长度不得大于3m。仰拱采用浮放模板支架成型。仰拱混凝土分段全幅浇筑，一次成型，不留纵向施工缝。
(6)仰拱填充
仰拱填充混凝土在仰拱混凝土终凝后浇筑，浇筑前清除仰拱表面的杂物和积水，连续浇筑，一次成型，不留纵向施工缝。填充混凝土强度达到5MPa后允许行人通行，达到设计强度的100％后允许车辆通行。
4.7  二衬施工
二衬是确保运营安全的一种结构，同时也是作为安全储备的一种工程措施。它在软弱围岩中承受围岩蠕变压力、膨胀性地压或浅埋隧道受力的附加荷载。
黏性土隧道，地层应力重新分配在短时间内无法完成，二衬完成后很长一段时间内仍在变化，增加二衬受荷负担。为此软弱围岩地段及浅埋、偏压、沟谷地段，二衬必须及时跟进，应尽量缩短开挖和二衬之间的距离（Ⅳ级围岩二衬距开挖掌子面的距离≤70m，Ⅴ、Ⅵ级围岩二衬距开挖掌子面的距离≤50m，），以减少暴露时间。特殊段落，应考虑单工序作业。
4.8  附属洞室及变截面地段施工
施工中，附属洞室位置处初期支护按照正常段落施工，喷射砼可适当减薄。其中小避车洞可以在二衬施工到达时割除钢架做好防护和防水，与二衬同时施做；大避车洞或其他设备洞室须在二衬完成后，单独另行开挖、支护和衬砌；对称附属洞室开挖应错开。
变截面地段要加强支护措施，支护参数至少要比设计提高一级，在进入和完成变截面施工前后要采用型钢并排2～3榀进行加强。
4.9  隧道局部坍塌、掉拱、大变形处理措施
隧道施工过程中，由于施工不当、措施不到位或地质突变等原因，常会出现局部坍塌、掉拱、大变形的状况，特别是软弱地层中甚至会出现冒顶的事故，不仅给企业带来经济损失，也给工程留下了安全隐患。遇到上述问题时，要本着不留隐患、彻底整改的原则进行处理，具体处理措施如下。(1)出现险情，立即撤离人员及设备，分析评估事故类型和发展态势，并留影像资料，初步制定相应的处理方案。(2)立即对事故段落进行洞碴反压回填。(3)对靠近二衬侧未变形初期支护进行套拱加固处理，避免事态扩大。(4)对坍塌和掉拱背后空腔部分压注泵送砼或水泥浆液，避免坍塌范围扩大。(5)采用液压冲击锤逐榀更换钢拱架，更换的拱架间距宜为原设计的1/2，钢架刚度大于原设计。(6)换拱完成后将初支后空隙注浆填充密实，同时二衬施工要紧跟掌子面。
5  量测
依据隧道地形、地貌特点采用洞内外综合量测手段准确掌握围岩变化至关重要。
在初期支护施工中埋设钢筋观测点，并贴设薄铝板反射靶标，运用全站仪观测。该技术它具有快速、准确、灵活方便等优点。
地表量测，对地形地貌及地表附作物进行详细调查并做好记录；纵横断面测量，绘制断面图，分析埋深及偏压情况；按规定布设纵横断面观测点；及时整理分析、反馈监测数据。
6结束语
综上所述，通过对膨胀性黏土工程性质和施工难点分析研究，总结出了隧道开挖、支护及仰拱二衬施工中关键控制技术，提出了隧道局部坍塌、掉拱、大变形的处理措施，对于同类地质条件隧道施工有一定的参考价值。