淺埋黃土隧道洞口段施工技術探討

梁建忠

(太原鐵路局建設處質量安全監督站，山西 太原 030013)

1 工程概況

新建呂梁至臨縣(孟門)鐵路位于山西省呂梁市境內，線路自太中銀鐵路呂梁站引出，經大武鎮到三交，線路在此分出岔線，一條向北方向至臨縣縣城，另一條向南方向至臨縣磧口，正線全長38.645 km，橋隧比例53%，全線包含隧道19 813 m/12座，隧道長度占全線長度的41.2%。其中車趕隧道為全線的重難點及控制性工程，隧道全長11.815 km，位于山西呂梁市方山縣大武鎮與臨縣湍水頭鎮之間，起訖里程DK14+630～DK26+430，最大埋深約293.3 m，設計為單線隧道(出口因設置湍水頭車站，設置1 230 m雙線隧道，線間距5 m)，因施工工期的需求，設有4座斜井、9個工作面輔助施工，合同工期36個月。

車趕隧道進口至DK15+207.05位于半徑為800 m的左偏曲線上，DK21+060.96～DK21+923.8位于半徑為1 200 m的左偏曲線上，其余段落位于直線上。隧道進口至DK16+100位于6‰的下坡，DK16+100至隧道出口位于3‰的下坡。車趕隧道施工地質異常復雜，施工過程安全控制任務極重，主要包括新黃土、砂巖、石灰巖、泥巖、泥灰巖及角礫巖等巖體，全隧包含溶腔、富水地層、富煤瓦斯突出地層及鋁土膨脹地層等不良地質，其中Ⅱ級圍巖4 810 m，占隧道全長的40.76%;Ⅲ級圍巖1 865 m，占隧道全長的15.81%;Ⅳ級圍巖3 415 m，占隧道全長的28.94%;Ⅴ級圍巖1 710 m，占隧道全長的14.49%。

車趕隧道出口位于臨縣湍水頭鎮湍水頭村，設計為雙線隧道，洞口段地質條件相當復雜，巖體復雜，軟弱面發育，屬典型的淺埋地質，巖體破碎，裂隙發育。分布新黃土、碎石類土層，新黃土具失陷性，碎石類土開挖時邊仰坡易坍塌，鋁土巖具膨脹性，遇水軟化崩解，洞口附近零星分布鋁土礦開采坑洞。表層植被稀少，水土非常容易流失，洞頂覆蓋層很薄，在洞口15 m范圍覆蓋層約2 m。

2 總體施工方案

車趕隧道出口洞口段覆蓋層薄，巖體較疏松，洞口成型比較困難，進洞難度大，為保證隧道安全進洞，經多方研究論證，采用套拱、地表巖體加固封閉、超前大管棚及超前小導管相結合的施工方案，總體施工方案見圖1。

車趕隧道出口的進洞方案主要以封閉裸露巖體、引導洞頂地表積水、加固隧道施工范圍內的松散巖體、提高洞頂土體的剛度和承載力等幾個方面為施工思路，具體施工過程中，主要包括六個方面的措施，詳細情況如下:

1)對邊仰坡部分山體以及洞口段范圍的洞頂巖體采取整體性防護的措施，噴射 C20混凝土15 cm，掛 φ6.5雙層鋼筋網(20 cm×20 cm)封閉洞口邊仰坡坡面。

2)洞口120°范圍內設30 m超前大管棚，管棚采用φ108 mm無縫鋼管，環向間距40 cm，管棚之間采用焊接連接方式，管棚及管棚周邊注快硬硫酸鋁鹽水泥漿，確保管棚和周圍巖體為一整體，增加拱頂圍巖的剛度，進一步確保疏松巖體的穩定。

3)洞身開挖前，徑向施作2 m長φ25 mm×5 mm中空注漿錨桿，沿隧道縱向，每開挖循環上臺階范圍內施作φ42 mm密排小導管，長2 m，間距40 cm，第一個開挖循環超前小導管和超前大管棚之間要采取梅花形布置的方式，其他循環之間的小導管保持梅花形布置狀態，確保洞口淺埋段形成管棚固結體與超前小導管相輔作用的承載圈。

4)洞身開挖支護過程中，基本采用人工風鎬配合機械的開挖方式，遇堅硬孤石采取局部弱爆破措施，洞口5 m范圍內采用Ⅰ20a剛性支護，拱架間距按0.5 m控制，其余地段按照設計參數進行。

5)洞內開挖采用“快挖、快支、快封閉的原則”，每循環拱架密貼掌子面。

6)利用圍巖監控量測數據指導施工。

3 實施過程

3.1 地表及仰坡加固

車趕隧道出口洞口10 m范圍內埋深僅1 m左右，隧道成型后極易引起拱頂巖層冒頂，或者在局部軟弱爆破工作中因沖擊波影響造成巖體失穩，進洞前必須對洞頂范圍巖體進行封閉、加固，加上噴射混凝土噴射面，形成隔水層，使得地表匯水順著臨時排水排走，不致滲入巖體影響施工安全。

具體方案如下:

1)采用φ42 mm注漿小導管對洞頂覆蓋層進行注漿加固，同時根據覆蓋層的實際厚度分布狀況，設置加固錨桿，采用Φ22螺紋鋼筋，錨桿與孔壁之間采用M20砂漿注漿填塞密實;

2)錨桿施工結束后，整個坡面及淺埋段地表鋪設雙層φ6.5鋼筋網片，雙層網片與注漿導管采取焊接、綁扎相結合的連接方式，確保連接牢固;

3)采用噴C20噴射混凝土封閉該范圍坡面，而在洞口仰坡坡面初噴一層C25混凝土3 cm～5 cm厚，封閉巖面后掛鋼筋網再次噴射C25混凝土，封閉巖面后持鋼筋網再次噴射C25混凝土，掛第二層鋼筋網且噴射C25混凝土封閉，噴射混凝土厚度不小于30 cm。

3.2 洞口套拱段施工

因為本隧道洞口的覆蓋層極薄，完成仰坡的超前錨桿和小導管后，開始掘進施工，采用套拱+超前大管棚的施工方案，在洞口成型后采用弱爆破與機械開挖相結合的掘進方式，套拱設置效果見圖2。

3.2.1 施工準備工作

1)按設計坡度刷坡，仰坡坡比按照1∶0.75進行控制，邊坡坡比為1∶1.5，邊仰坡開挖線已進行現場放樣，刷坡至明暗分界里程DK26+417，同時設置好拱頂臨時排水系統，避免洞頂較平坦區域積水。

2)邊仰坡刷坡結束后，進行套拱施工段前的準備工作，依據施工放樣標志，在拱頂至拱頂下4.5 m范圍內采取環向開挖預留核心土法進行開挖，兩邊拉槽，槽寬315 cm，槽底開挖寬度適當加大，開挖過程中要做好邊仰坡的監控工作。

3.2.2 拱架架設

1)套拱采用Ⅰ20a型鋼拱架，共4榀，拱架間距嚴格按照50 cm控制，套拱段長2 m，第1，2榀拱架按照正洞凈空加大的基礎上進行控制，第3榀拱架作為預留導向管的關鍵控制點，安裝時標高比第一榀高7 cm，第4榀型鋼拱架緊貼仰坡端面設置。

2)施工過程中，測量儀器架設不動，每架設1榀拱架，均要檢查各部尺寸，特別是拱架的標高，確認準確無誤后開始焊接環向連接筋，采用φ22螺紋鋼筋，內外雙層設置，環向間距1.0 m。

3)為了加強套拱的強度和整體穩定性，拱架間設置縱向加強鋼筋，采用φ22螺紋鋼筋，縱向間距按20 cm控制，內外雙層布設，縱向加強筋與拱架之間、環向連接筋與拱架之間及縱向加強筋與環向連接筋之間均要焊接連接牢固，確保套拱所有的鋼材料之間是一個整體，進一步提高套拱的強度。

3.2.3 導向管設置

1)在拱架外弧設置φ150管棚導向管，預留導向管長度L=1.6 m，采用φ150無縫鋼管，導向管端頭焊接法蘭盤，焊縫必須要達標，不能有漏焊等質量缺陷，法蘭盤上鉆設螺栓孔，以備后期對鉆孔及管棚注漿，并與格柵拱架焊接牢固。

2)導向管環向間距按40 cm控制，方向和角度通過第1榀和第3榀鋼架進行控制，設計管棚外插角度3°，導向管預留過程中，測量放樣工作要緊跟，避免因導向管埋設方向及角度與設計偏離較大，造成超前大管棚的受力狀態下降。

3.2.4 模板施工

1)拱架和導向管安裝完畢后，開始內模架設工作，模板采用小鋼模緊貼拱架內弧掛設，內模支撐結構采用正洞標準鋼拱架，再加設橫縱向支撐，確保支撐封閉、牢固。

2)內模架設牢固后進行外模的安裝工作，外模采用矩形木板拼接，外模距離拱架外弧5 cm～8 cm，確保套拱拱架足夠的保護層，外模加固縱向采用φ22螺紋鋼筋，縱向采用φ42鋼管，縱橫向固定材料之間要焊接連接牢固。

3)立模時，按施工圖尺寸在拱架腳處設置放大基礎，確保套拱穩定，基地寬度1 m，高度1.4 m，且鋪設一層鋼筋網片，放大基礎部位作為混凝土施工過程中的最大受力點，務必要加固牢靠。

4)外模安裝至距離拱頂30 cm左右時，停止外模安裝，該處預留為混凝土澆筑口及振搗口，同時在拱頂下2 m范圍內的外模上留置活動窗口，作為混凝土施工過程中的振搗窗口。

3.2.5 混凝土澆筑

1)套拱用C30的混凝土澆筑成型，施工過程中加入早強劑或速凝劑，以便加快施工進度，為提高套拱的強度，套拱環向可布兩層20 cm×20 cm鋼筋網。

2)套拱混凝土施工期間，因施工場地還未完全拓開，可考慮使用挖機輔助作業，插入式振搗棒進行搗固，施工結束后，要做好養護。

3)拆模后用C20噴射混凝土噴射拱圈露筋部位，確保與洞內拱頂噴射混凝土外觀一致，不致形成太大反差影響觀感。

4)套拱強度達到設計強度的80%以上后，進行超前大管棚鉆孔、注漿作業。

3.3 超前大管棚施工

1)超前大管棚施作長度30 m，采用108 mm無縫鋼管，壁厚5 mm，環向間距40 cm，拱部120°范圍內布設，外插角3°，見圖3，管棚管前端加工成錐形，管身每隔30 cm梅花形布設溢漿孔，溢漿孔直徑8 mm。

2)根據地表裸露的地質，洞口段的地質有黃土層、碎石膠結層等，綜合考慮施工地質及各種地質鉆機的性能，最終選用TGDQ-200型螺旋麻花地質鉆機作為超前大管棚施工的主鉆機，同時現場配備一臺重慶探礦廠生產的XY-2PC小型地質鉆機，在選取注漿設備時必須是能注高壓、能注雙液漿，同時便于移動、易于操作的注漿設備，因此選用河北生產的KBY-50型高壓注漿泵。

3)鉆孔達到30 m后，安裝超前大管棚，管棚采用鉆機螺旋推進，每節管棚之間采用89 mm鋼管焊接連接，為保證孔底的注漿效果，連接處的焊接質量要嚴格控制。

4)漿液采用快硬硫酸鋁鹽水泥，漿液配比水泥∶水=0.75∶1，注漿壓力的控制是注漿效果的關鍵因素，該地層局部疏松，壓力越大注漿效果越好，但考慮該段覆蓋層薄，壓力太大，可能破壞地表的封閉層，根據類似地質的相關注漿資料揭示，注漿壓力達到3 MPa，即可實現對地層的固結。

5)考慮洞口段巖體局部可能較為疏松，同時夾雜碎石等結構物，鉆孔過程中有可能成孔比較困難，或者成孔后超前大管棚難以推進，因此鉆孔過程由專業地質工程師監控，鉆機司機由經驗豐富的操作工擔任，一旦出現卡鉆等現象，立刻采取分段注漿加固的措施，確保超前大管棚能順利安裝。

3.4 洞身開挖

1)隧道開挖采用“快挖、快支、快封閉”的原則，以挖掘機開挖為主，人工風鎬開挖輔助配合，異常堅硬區域采取局部弱爆破，開挖方式采用三臺階預留核心土開挖法，上臺階開挖高度為4.5 m，采用控制性爆破作業。

2)超前小導管緊貼鋼拱架外弧施作，且與型鋼拱架焊接連接，每開挖循環施作，間距30 cm，長度3 m。

3)開挖每循環炮眼深度控制在0.8 m以內，周邊眼向內移20 cm布設，僅限部分人工風鎬開挖。

4)支護采用Ⅰ20a型鋼拱架，拱架間距按0.75 m～0.8 m控制，拱架之間采用φ22環向連接筋焊接連接，連接筋環向間距1 m，拱架拱腳采用4根φ42鎖腳錨管定位，錨管與拱架之間采用“U”形鋼筋焊接連接，且錨管采用M20砂漿注漿填塞密實;拱部設L=3 m，φ25中空注漿錨桿，邊墻設L=3 m，φ22砂漿錨桿，間距為1.0 m×1.0 m，梅花形布置，全環掛φ6×φ8鋼筋網片(網格尺寸為20 cm×20 cm)、噴射20 cm厚C25混凝土，每循環密貼掌子面。

5)開挖結束后先初噴封閉，避免巖體風化，再進行初期支護。

6)根據實際施工情況，及時跟進下導、仰拱，同時在洞口段施作8 m～10 m二次襯砌。

4 圍巖監控量測

圍巖監控量測是指導施工、確保安全的重要手段之一。車趕隧道出口洞口段的監控量測項目在做好地表監測、拱頂沉降、水平收斂的基礎上，將初期支護及仰坡也納入了監控范圍，同時每日安排專人對拱架連接板處進行目測觀察。

5 結語

隧道洞口段是整個工程項目的進出通道，同時也是隧道施工中的主要風險控制點，如果措施不合理，支護結構軟弱不足，引起的后果是空前絕后的，尤其在淺埋、軟弱圍巖情況下，更要引起高度重視。

車趕隧道出口洞口段采取了套拱、地表巖體加固封閉、超前大管棚、超前小導管及縮小初支拱架相結合的施工措施，確保了安全、快速進洞，同時分析一年的監控結果，洞口段圍巖完全趨于穩定狀態。

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