隧道淺埋段施工技術(shù)

楊文平，劉新立，周大兵

（中交一航局第四工程有限公司，天津 300140）

目前鐵路、公路建設在我國大力發(fā)展，其中隧道施工是較為普遍的建設項目。隧道的淺埋段往往圍巖地質(zhì)條件較差，開挖施工時容易產(chǎn)生較大變形，給工程帶來較大安全隱患。綜合考察隧道施工發(fā)生的一系列塌方、冒頂?shù)劝踩鹿识喟l(fā)生在隧道的淺埋段，對于隧道施工更關注淺埋段的施工，保證其施工的安全和進度是隧道施工的關鍵，對于施工效益和合同工期的保障都有不可低估的作用。本文敘述了山西中南部鐵路通道工程的秦家凹隧道淺埋段施工技術(shù)。

1 工程簡介

新建秦家凹隧道里程為DK370+505～DK374+290，全長3785 m。隧道位于山西省臨汾市古縣與洪洞縣交界處，隧道進口位于古縣舊縣鎮(zhèn)盧家?guī)X村西約500 m，隧道出口位于洪洞縣古邏鄉(xiāng)上峪村邊，交通相對便利。隧道處于太岳山前坳起的低山區(qū)，地勢起伏較大，溝谷深切，多呈U型溝，該段以穿越為主。洞身最大埋深約97.4 m，最小埋深僅約13.1 m。

隧道洞身共通過DK370+780～DK371+030、DK371+350～DK371+400、DK372+310～ DK372+405、DK372+690～DK372+870 、DK373+540～DK373+870、 DK373+800～DK374+165六段不良地質(zhì)淺埋段地段，施工難度較大，易發(fā)生變形，故本隧道的淺埋段施工是關鍵控制點。目前已經(jīng)施工完DK370+780～DK371+030淺埋段，本文對該段施工技術(shù)進行總結(jié)和探討，為后續(xù)淺埋段施工安全和施工技術(shù)積累經(jīng)驗和提供借鑒。

2 超前地質(zhì)預報

在開挖前，為更好地判定該淺埋段的圍巖和水文地質(zhì)情況，獲取詳實可靠的地質(zhì)信息，如圍巖級別、斷層帶和破裂帶位置、性質(zhì)、規(guī)模、富水等，以便施工時采用合適的開挖工藝和支護參數(shù)來保證施工安全和進度，所以在該段開挖前采用了TSP超聲波地質(zhì)探測技術(shù)，對該淺埋段圍巖進行超前地質(zhì)預報工作，通過TSPwin軟件進行處理后。在TSP超前地質(zhì)預報成果解釋中，以P波資料為主對巖層進行劃分，圖像見圖1。

圖1 P波反射偏移剖面

經(jīng)探測發(fā)現(xiàn)，該淺埋段圍巖雖沒有大型不良地質(zhì)構(gòu)造，圍巖風化程度一般，隧道圍巖中裂隙雜亂，節(jié)理密度大于4.61條/m。該段隧道上覆第四系更新世黏質(zhì)黃土和銅川組砂巖的分化層，圍巖巖性主要以三疊紀中統(tǒng)銅川組砂巖為主，下伏圍巖呈灰黃色，碎裂鑲嵌結(jié)構(gòu)，巖石完整性差，孔隙度高、裂隙率大，巖石風化嚴重，巖石力學指標衰減明顯，巖體現(xiàn)場實測平均P波波速為1200～1560 m/s，較易發(fā)生變形，且該段兩側(cè)地勢都較高，工程地質(zhì)條件較差，該段隧道施工時應按照鐵路施工規(guī)范中Ⅴ級圍巖的支護標準進行施工。

通過對超前地質(zhì)預報的地質(zhì)資料分析研究后，決定對該淺埋段開挖工藝采用三臺階臨時仰拱法施工，進行超前小導管配合鋼拱架、錨桿等工藝進行圍巖支護，以確保施工人員及機械安全，防止冒頂事故發(fā)生。

3 超前支護

隧道開挖后拱頂面易發(fā)生沉降變形，在支護施工時，頂部常發(fā)生掉塊、坍塌，會造成超挖嚴重以及支護工人砸傷事故發(fā)生，嚴重時會發(fā)生大面積塌方甚至冒頂事故，為防止此類事件發(fā)生，需在開挖前進行超前支護，經(jīng)研究采用超前小導管工藝。

在該段設計超前小導管支護參數(shù)為拱部140°范圍內(nèi)打設外徑42 mm熱軋無縫鋼管，排距3 m，長度4.5 m，環(huán)距40 cm。為較好控制開挖面圍巖變形和超挖較大現(xiàn)象，使施工速度較快，通過研討后采用了環(huán)距30 cm的小導管支護，這樣雖增加了打設小導管的數(shù)量和時間，卻大大減少了支護時間，并保證了施工安全。

3.1 工藝流程

超前小導管施工工藝流程見圖2所示。

圖2 超前小導管施工工藝流程

3.2 超前小導管加工

超前小導管應和鋼架配合使用，采用外徑42 mm，壁厚3.5 mm的熱軋無縫鋼管加工，鋼管前端宜做成尖錐狀，尾部焊接φ6 mm鋼筋加勁箍，管壁上每隔15 cm交錯鉆直徑10 mm的眼孔。小導管在構(gòu)件加工廠制作，其加工見圖3。

圖3 超前小導管加工圖

3.3 小導管注漿

采用水泥砂漿，注漿參數(shù)如下：

1）水泥砂漿水灰比：0.5～1.0（重量比）。

2）注漿壓力：0.5～1.0 MPa。

3）圍巖空隙率參考值：砂土40%，黏土20%，斷層破碎帶5%。

3.4 施工要求

1）小導管安設采用鉆孔打入法，鉆孔直徑比鋼管大3～5 mm，將小導管穿過鋼架，用錘擊或鉆機頂入，頂入長度不小于鋼管長度的90%，用高壓風將鋼管內(nèi)的砂石吹出。

2）其縱向搭接長度1.25 m；外插角：5°～7°。

3）小導管安設后，用塑膠泥封堵孔口及周圍裂隙，必要時在小導管附近及工作面噴射混凝土，以防止工作面坍塌。

4）隧道的開挖長度小于小導管的注漿強度，預留部分作為下一次循環(huán)的止?jié){墻。

5）注漿前進行壓水實驗，檢查機械設備是否正常，管路連接是否正確，為加快注漿速度和發(fā)揮設備效率，可采用群管注漿（每次3～5根）。

6）注漿量達到設計注漿量及注漿壓力達到設計終壓時結(jié)束注漿。

7）注漿過程中要隨時觀察注漿壓力及注漿泵排漿量的變化，分析注漿情況，防止堵管、跑漿、漏漿。小導管注漿工藝流程見圖4。

圖4 超前小導管注漿工藝流程圖

4 爆破開挖

該淺埋段采用三臺階臨時仰拱法進行開挖作業(yè)，圍巖開挖采用爆破作業(yè)。

4.1 爆破作業(yè)

炮眼鑿孔宜采用鑿巖臺車，炮眼布置應符合下列規(guī)定：

1）周邊眼應沿隧道開挖輪廓線布置，保證開挖斷面符合設計斷面加大5～10 cm。底板和仰拱底面采用預留光爆層爆破。

2）輔助炮眼交錯均勻布置在周邊眼與掏槽眼之間，力求爆破出的石塊塊度適合裝碴的需要。

3）周邊炮眼與輔助炮眼的眼底應在同一垂直面上，掏槽炮眼應加深10 cm。

4）巖石隧道的爆破作業(yè)，應采用光面爆破或預裂爆破。光面爆破和預裂爆破參數(shù)應通過試驗確定。當無試驗條件時，有關參數(shù)可參照表1選用。

表1 爆破作業(yè)有關參數(shù)

4.2 三臺階臨時仰拱法施工工藝

三臺階臨時仰拱法就是對隧道整個斷面分成三個相互錯開臺階進行同時開挖和支護。同時在中臺階采用間隔一榀的方式構(gòu)筑臨時仰拱。上、中、下臺階依次錯開5～10 m左右。開挖施工工序如圖5所示，然后再進入下一循環(huán)。

5 初期支護

5.1 初噴

圖5 三臺階臨時仰拱法開挖示意圖

隧道開挖到設計斷面尺寸后，應立即組織對開挖面進行初噴處理，減少開挖面和空氣的接觸時間，盡早使開挖表面固結(jié)為一整體硬殼，來抵抗圍巖失去平衡后的初期變形，并防止圍巖掉塊發(fā)生，有利于拱架支設和錨桿打設等工作進行，加快施工進度。

5.2 架設拱架

鋼拱架加工要準確，根據(jù)設計斷面尺寸外擴5 cm，在加工棚采用臺車工廠化生產(chǎn)，鋼拱架連接板大小一致，打眼尺寸位置嚴格要求，全部采用機床切割和機械鉆孔，在施工前做好技術(shù)交底，嚴禁工人采用氣焊切割和燒孔處理。并在每榀拱架加工好后在加工區(qū)進行試拼裝，檢驗加工尺寸和連接板拼裝質(zhì)量，做到不小于設計斷面尺寸，連接板結(jié)合緊密，連接孔不發(fā)生錯位現(xiàn)象，方可運往開挖掌子面進行拱架架設工作。并做好鋼拱架之間的縱向連接筋焊接工作，保證數(shù)量和焊接質(zhì)量。

5.3 打設錨桿

按設計圖紙要求在隧道拱部打設足夠數(shù)量的組合中空錨桿，在端墻打設不少于設計要求的砂漿錨桿，并安裝好錨墊板。

5.4 掛設鋼筋網(wǎng)片

鋼筋網(wǎng)片加工和掛設，保證搭接尺寸滿足設計規(guī)范要求，不小于1個網(wǎng)格。

5.5 噴射混凝土

采用四川巖峰TK600A型號的濕噴機進行噴漿作業(yè)，每次噴漿厚度不大于10 cm，本段噴漿共分3次進行（設計25 cm），下一次在上一次混凝土初凝后進行，并保證噴漿總厚度不少于設計值。

6 仰拱、仰拱填充施做

為了保證隧道施工滿足安全步距的要求，要及時施做仰拱。為了保證施工進度，決定加工兩幅棧橋，一幅12 m，一幅18 m，分別采用20b和40b工字鋼加工而成。保證了兩版仰拱可以連續(xù)流水施工，縮短了施工周期，可以滿足開挖面進度和安全步距要求。

7 二襯施工

淺埋段和正常段二襯工藝和技術(shù)要求基本一樣，都是要重點控制鋼筋焊接和混凝土澆筑質(zhì)量，保證混凝土外觀質(zhì)量，在施工中保持二襯跟進及時，確保安全步距要求。

8 施工成果和經(jīng)驗總結(jié)

在施工中，配合監(jiān)控量測實時監(jiān)控施工安全，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)及時分析處理后反饋指導施工，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)合理調(diào)整施工、爆破參數(shù)和施工進度控制。將監(jiān)測數(shù)據(jù)及時繪制出監(jiān)測項目變化曲線和回歸曲線，分析變化量和變化趨勢，而后將監(jiān)測結(jié)果反饋到施工中，進一步優(yōu)化施工組織設計和確保施工安全。

在該段施工之初，采用設計間距40 cm打設了超前小導管，開挖后2 h內(nèi)布設好監(jiān)測點并及時讀取了初始觀測值。對監(jiān)測點每天進行及時觀測和分析，發(fā)現(xiàn)在開挖后前期拱頂沉降變化較快，致使變化總量最大值達59 mm，已經(jīng)超過了預留沉降量50 mm，造成隧道凈空被侵占，同時也說明了支護參數(shù)抵抗圍巖變形的能力不足，對于圍巖支護和后期施工及凈空值都留下了安全和質(zhì)量隱患。我們及時分析研討后對超前小導管施工間距進行了調(diào)整，間距調(diào)整為30 cm，打設范圍擴大到拱部的140°范圍（設計為120°）。調(diào)整施工后的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，拱頂沉降變化速率和變化量都得到了較好的控制，較好地控制住了圍巖變形，消除了圍巖支護和后期施工的安全和質(zhì)量隱患。分別以DK370+790和DK370+820兩個監(jiān)測斷面為超前支護參數(shù)調(diào)整前后的監(jiān)測數(shù)據(jù)的代表，拱頂下沉監(jiān)測數(shù)據(jù)變化和回歸曲線圖如圖6～圖7。

圖6 秦家凹隧道進口DK370+790拱頂下沉回歸分析圖

圖7 秦家凹隧道進口DK370+820拱頂下沉回歸分析圖

由圖可表明調(diào)整超前支護參數(shù)后，圍巖變形得到較好控制，施工參數(shù)調(diào)整合理，使后續(xù)施工得到有力保障。

同時，為了加快施工進度和保證仰拱和填充混凝土施工質(zhì)量，采用兩幅棧橋交替使用，使隧道施工仰拱施做及時，完成早封閉，確保了隧道施工安全步距要求，也保證了隧道施工安全。

9 結(jié)語

通過合理施做超前支護、控制開挖爆破效果、及時支護和施做仰拱，遵循短進尺、多循環(huán)等施工原則，該段隧道施工安全質(zhì)量得到較好保證，順利實施了施工風險較大的該淺埋段施工，沒有發(fā)生一起質(zhì)量和安全事故，同時該淺埋段隧道施工的進度基本可以保證在2.25～3 m/d，滿足了施工進度計劃要求，使工程整體施工計劃得到保證，也為施工后續(xù)的淺埋段和同類工程提供了經(jīng)驗和借鑒。

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