摘要:兰渝铁路隆家门隧道为膨胀性围岩隧道，初支变形起伏较大，经过现场施工总结出一套科学的办法，合理加强初期支护强度提高施工质量，稳定初支变形，同时根据围岩监测结果、地质情况及时调整预留变形量，减少二衬混凝土超方量。
关键词：膨胀性围岩，隧道，初支变形，控制，监控量测，预留变形量
1工程概况
隆家门隧道全长2565m（DK133+635～DK136+200），隧道范围内地层主要为第四系全新统滑坡堆积砂质黄土、块石土，洪积细砂，上更新统风积砂质黄土，下第三系砂岩夹砾岩，白垩系下统泥岩夹砂岩；隧道范围内地下水主要为基岩裂隙水，赋存于基岩风化节理和裂隙中；其中砂岩夹砾岩具弱膨胀性，泥岩夹砂岩具强膨胀性。
2施工状态
由于围岩膨胀性，DK133+750～780段围岩变形较为严重，初期支护表面出现大量环向裂缝，局部钢架扭曲变形，拱脚及边墙处变形较为明显，且有混凝土掉块现象。围岩监测结果统计表1。
表1围岩监测结果统计表
根据统计数据可以看出实际变形量远远大于设计图纸预留变形量，且水平收敛值大于拱顶下沉值。
如何控制及合理预留初期支护变形量是当前的重要任务。
3原因分析
3.1围岩变形
对围岩泥岩进行膨胀性试验，试验结果：膨胀力为13.7kPa，自由膨胀率为41%，由此造成在完成初期支护后，局部初支变形严重。
3.2初期支护不能有效抑制围岩变形
3.2.1钢架强度及刚度不足
隆家门隧道Ⅳ级围岩设计采用格栅钢架，间距1.2m，实际施工中发现部分有水地段格栅纵向扭曲、外侧钢筋外鼓变形严重，从而导致初期支护变形不稳定。
3.2.2锁脚锚杆抗拉力不能满足设计要求
隆家门隧道设计采用两根Φ22水泥砂浆锚杆与钢架连接，单根长度3.5m，单根抗拉力不小于150KN。
现场检查中发现在锚杆长度、锚固质量合格的前提下，大部分锚杆抗拉力仍然不能满足设计要求，不能有效抑制水平收敛。
3.3初期支护预留变形量不合理
现场统计发现初期支护预留变形量均在设计基础上加大了15cm，未根据围岩情况及监控量测结果进行调整，导致二衬混凝土超方严重。
4处理方法
针对该种围岩施工中，主要做了以下几种改进措施：
4.1改变钢架类型，增强初支强度
通过经济比选及受力变形计算，采用工18型钢钢架代替格栅钢架，主要理由如下：
4.1.1经济比选
型钢钢架较格栅钢架每榀增加费用128.68元（具体计算如下）；但是如果能够抑制初期支护有效变形，合理预留初期支护变形量，每延米减少二衬混凝土超方1m3，就可以节省450元，综合计算后，施工成本不升反降。
4.1.1.1一榀格栅钢架费用
Ф22:0.415吨*3820元/吨=1585.3元；Ф12：0.189吨*4046元/吨=764.69元；角钢：0.065吨*4150元/吨=269.75元；钢板：0.015吨*4100元/吨=61.5元，材料费共：2681.24元 ；加工费：0.684吨*570元=389.88元；一榀格栅钢架共计3071.12元。
4.1.1.2一榀型钢钢架费用
I18：0.664吨*4130元/吨=2742.32元；钢板：0.062吨*4100元/吨=254.2元；材料费共：2996.52元；加工费：0.726吨*280元=203.28元；一榀型钢钢架共计3199.8元。
两种钢架对比后相差128.68元。
同时钢架受力与加工质量有密切联系，格栅钢架加工质量不易保证，整体受力效果不稳定，相比之下型钢钢架加工简单，加工质量较易保证，受力效果稳定。
4.1.2受力变形计算
采用大型有限元软件ANSYS建立三维护模型分析，按照拱架实际受载情况，取上拱120度范围内受力较大部分进行三维模拟仿真分析。然后分别提起格栅拱架和型钢拱架数据进行分析对比。
4.1.2.1建模如下：工字钢采用45单元，钢架采用link8单元。
图118工字钢拱架分网模型 图2格栅拱架分网模型
建模分网立完成后，对模型施加载荷,在隧道开挖中，由于地质情况、轮廓平顺度及其它方面的的影响，现对施加集中力和压力这两种形式的载荷，（如图3、图4所示）然后进行对比。
图3集中力载荷模型 图4压力载荷模型
施加载荷大小相等，位置相同，集中力载荷分别为：20000N,5000N,40000N；压力载荷分别为
524525，1049050，5245257pa。结果图形如下：
图5型钢分析结果模型图 图6拱架分析结果模型图
经过计算，分别提起最大变形量数据见表2。
表2格栅与型钢受力情况对比表
同时根据调整后的预留变形量重新进行钢架尺寸设计，确保钢架与开挖断面相匹配，钢架设计图见图1：
改用工18型钢钢架进行支护，效果明显，钢架未出现明显变形，监测结果显示，改用型钢钢架后初期支护变形量小于采用格栅钢架时的变形量。具体数据见表2。
4.2改变锁脚锚杆类型，增强初支水平抵抗力
采用两根Φ42钢花管注浆锚杆代替Φ22水泥砂浆锚杆，单根长度4.5m，透浆孔直径6mm，孔间距15cm。
钢花管与水平成15~30°布设，焊接注浆嘴，压力注浆，注浆完毕后采用Φ22螺纹钢筋将钢花管安装完毕后与钢架可靠连接，具体布设见图2，使用检查，钢花管注浆锚杆抗拉力均能满足设计要求。
监控量测统计数据显示：拱脚及墙脚位置收敛值明显好与前段施工，效果明显，较好的控制了收敛变形，达到预期效果。初期支护变形具体数据见表1。
表2初期支护变形统计表
4.3加强监控量测及分析处理
监测项目包括：洞内观察、净空收敛、拱顶下沉，监控量测程序见下图
洞内观察分为开挖工作面观察和已施工地段观察两部分。其内容如下：
开挖工作面观察在开挖后进行，及时绘制地质素描图、围岩级别判定卡，与勘察资料进行对比。对已施工地段进行观察，记录喷射混凝土、锚杆和钢架的的变形状况。
及时对原始观测数据进行分析和处理，及时调整支护参数、预留变形量、施工工艺、施工方法，确保初期支护变形稳定，减少二衬混凝土超方量。
4.4合理预留初期支护变形量
由于地质复杂，围岩遇水膨胀等因素影响，变形量起伏较大，规律性较差，预留变形量较难合理预留。经过综合分析，按照下列步骤进行处理：
1、加大测量频次，对有水地段、无水地段、不同类别围岩地段初期支护变形量分类统计；
2、根据分类统计结果，初步确定预留变形量；
3、对预留变形量及初期支护变形量进行再分析，校正预留变形量；
4、根据前期试验结果，对预留变形量进行再调整。
经过不断试验和调整，归纳和总结出针对膨胀性黄土隧道的预留沉降值，拱顶预留18cm，拱脚及边墙预留26cm。
通过以上措施，有效的控制了膨胀性围岩地段初期支护的变形，同时总结出不同部位预留变形量，减少了二衬混凝土超方量。
5、结语
膨胀岩隧道施工过程中，必须加强监控量测工作，对量测数据进行分析处理，以此作为指导，对施工方案参数、支护形式相关参数、衬砌形式相关参数进行修正。对于设计支护形式比较薄弱地段，及时采用加强措施，保证初支变形稳定，确保后续施工安全顺利进行。
在遇到膨胀性围岩时，在施工过程中主要注意以下几点：
1、“短进尺，弱爆破，强支护”。
2、及时的施作支护、仰拱、二衬。
及时支护能够有效的限制开挖部位的围岩的松脱变形，从而确保该部位的暂时稳定；
及时封闭仰拱，可以使初支整体稳定受力，有效抑制初支变形。
初期支护只能保证围岩暂时稳定，及时施作二衬才能从根本上保证施工安全，二衬跟的越紧，就越安全。
3、膨胀土在遇水的情况下才会膨胀，所以加强施工现场排水工作是关键。
4、人是施工的主体，加强现场施工人员和管理人员的质量意识、安全意识才是根本。
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