富水軟巖淺埋三線大跨隧道雙側壁導坑法施工技術

羅寧寧，宋貴明，李傳富，印建文，周躍峰

(1.中鐵五局集團成都工程有限責任公司，四川成都610073;2.成蘭鐵路有限責任公司，四川成都610000; 3.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都610000)

富水軟巖淺埋三線大跨隧道雙側壁導坑法施工技術

羅寧寧1，宋貴明1，李傳富2，印建文2，周躍峰3

(1.中鐵五局集團成都工程有限責任公司，四川成都610073;2.成蘭鐵路有限責任公司，四川成都610000; 3.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都610000)

新建成都—蘭州鐵路重點工程楊家坪隧道出口地處龍門山斷裂帶后山斷裂附近。圍巖為千枚巖，軟弱破碎，節理發育，自穩性差。隧道出口的三線大跨段埋深淺，地下水豐富，開挖寬度21 m，施工難度大，安全風險極高。本文闡述隧道出口采用雙側壁導坑法施工控制要點，以及軟巖淺埋富水段的處治方法。

鐵路 軟巖 富水 淺埋大跨 雙側壁導坑法

1 工程概況

楊家坪隧道位于四川省茂縣光明鄉境內，是成蘭鐵路的重點工程之一，巖質軟弱破碎、構造復雜，與龍門山斷裂帶后山斷裂相距很近，附近有與隧道基本平行的F10-1斷層。楊家坪倒轉背斜、楊家坪向斜與隧道小角度相交。隧道出口三線車站段跨度大，埋深淺，地下水豐富，施工難度大。

楊家坪隧道全長12 815 m，屬于高風險鐵路隧道。出口455 m長為車站隧道段，其中190 m為三線大跨段，為1‰的上坡。三線大跨段包括7 m明洞和183 m暗洞，埋深10～80 m。三線大跨段凈寬17.4 m，凈高10.37 m，開挖寬度21.07 m，開挖高度13.99 m，采用雙側壁導坑法施工。該段上覆第四系全新統堆積卵石土、塊石土的堆積體，內夾漂石，圍巖松散，整體性和自穩性差。基巖為志留系中上統茂縣群千枚巖和炭質千枚巖，圍巖強度5～15 MPa，受構造影響，巖體極為軟弱破碎，易崩解剝落。該段地下水豐富，以孔隙水、基巖裂隙水和構造裂隙水為主，地表發育沖溝，地表水下滲嚴重。施工中地下水呈線狀和股狀，在DK123+ 898—DK123+940段有一寬25 m、與隧道呈45°夾角的破碎帶，出水量大，仰拱開挖后底部滲水。基巖遇水軟化成泥，圍巖成拱性及自穩性差，隧道施工難度大。

2 施工工藝與難點分析

2.1 雙側壁導坑法施工工藝

針對楊家坪隧道出口段圍巖軟弱、埋深淺、洞身大跨度的特點，按雙側壁導坑法的標準工藝流程進行三線大跨隧道開挖支護施工，分9步開挖，雙側導坑、中槽依次錯開約3～5 m距離，同步向前推進。施工工藝流程和工序分別如圖1、圖2所示。

圖1 楊家坪隧道出口段雙側壁導坑法施工工藝流程

圖2 施工工序示意(單位:cm)

2.2 各開挖工序的內力分析

根據楊家坪隧道出口的地質情況、斷面尺寸、開挖步序等情況，采用“AutoCAD—ANSYS—FLAC3D步步導入”的方法建模分析了單側壁導坑開挖后、雙側壁導坑開挖后、中槽開挖后三種條件下圍巖內力和塑性區分布情況，如圖3所示。

圖3 圍巖主應力和塑性區分布

由圖3可以看出:①各分部開挖時，圍巖應力分布隨之發生變化。單側壁導坑開挖后拱頂應力較大，初支閉環后，主應力值減少。施工中主要表現為拱頂下沉量大，閉環后變形速率減少并趨于穩定。②塑性區隨各分部開挖而擴大。施工中應控制好各分部的距離，盡快使初支閉環以減少塑性區和圍巖的松動范圍，充分發揮圍巖的自穩能力。

2.3 雙側壁導坑法施工控制重點

①施工各分部步序的設計和控制是重點。控制好各導坑施工步距，各工序須均衡推進。要監控好各導坑仰拱閉合的位置，盡早施作中槽仰拱型鋼，使整個隧道盡早封閉成環。②三線大跨軟巖富水段突發情況的預防和處置方法是施工難點。③施工安全的管理是施工重點和難點。根據楊家坪隧道特定的地質情況，做好監控量測，根據變形情況及時調整預留變形量和支護措施。通過長短距離預報結合、物探鉆探對比分析等手段綜合預報預測掌子面前方地質情況。④施工中突發的塌方、涌水突泥、崩塌等不良地質處治是施工難點，選擇合適的支護措施是施工的重點。

3 施工控制

3.1 分部設計與步序控制

雙側壁導坑法按左中右分成3個導坑分部開挖，每個導坑寬度約為總寬的1/3，先側壁后中槽，3個導坑掌子面錯開一定距離，側壁導坑拱腰設鋼橫撐。要控制好各工序步距，及時施作襯砌，加強變形監測，盡早封閉成環。步序如下:

1)將洞外土體開挖至雙側壁導坑斷面的中部，邊開挖邊進行隧道洞口正面(直立面)防護及靠山側的山體邊坡防護。

2)隧道洞口正面、山體邊坡防護完成后，隧道的山體外側導坑、山體內側導坑、中槽按先后順序分別往暗洞方向進行開挖支護施工(依次錯開約5 m距離)。

3)導坑、中槽施工一定距離后，將洞外土體開挖至隧道底部位置，邊開挖(每層3 m)邊進行隧道洞口正面防護及靠山側的山體邊坡防護。

4)隧道洞口正面、山體邊坡防護完成后，隧道的山體外側導坑、山體內側導坑下斷面(下斷面再分為上下兩個小臺階)按先后順序分別往暗洞方向開挖、支護(依次錯開約3 m距離)。雙側導坑的下斷面開挖、支護逐步推進，向導坑上斷面跟進，直到相距約3 m處。

5)按雙側壁導坑法的標準工藝流程進行后續的三線大跨隧道開挖支護施工，雙側導坑、中槽依次錯開約3～5 m距離，同步向前推進。

3.2 信息采集及反饋

3.2.1 超前地質預報

采用地質調查法、地質雷達法、TSP和超前鉆探法等方法分別進行探測，綜合各種方法的探測結果對掌子面前方的地質情況和地下水情況進行綜合判識。結果表明，三線大跨段為Ⅴ級圍巖，主要為碎石土、殘坡積碎石土，碎屑結構、碎裂狀結構，結構松散。圍巖破碎～極破碎，穩定性很差，加之地下水豐富，施工中圍巖易垮塌。

3.2.2 監控量測

根據規范要求，楊家坪隧道出口洞頂共布設3個地表沉降觀測斷面，縱向間距10 m，橫向間距5 m。

洞內監測點按縱向每5 m 1個斷面布設，每個斷面的監測點根據開挖臺階情況和開挖分部情況布置，用來監測每個分部的拱部下沉和每個臺階的水平收斂變化值、變形速率。斷面各測點布置如圖4所示。

圖4 洞身監控量測點布置(單位:cm)

地表沉降監控量測結果:最大沉降量在靠中線處，在上臺階掌子面開挖時、臺階往下開挖時、仰拱開挖時、中隔壁豎撐拆除時沉降量比較大，其余時間變化不大。

拱頂下沉、水平收斂情況和圍巖的變形規律:最大沉降量發生在靠中槽拱頂處;側壁導坑拱頂在下臺階往下開挖時、仰拱開挖時沉降量比較大，其余時間變化不大;側壁導坑上臺階的收斂值大于下臺階收斂值，可能是由于受到下臺階開挖的影響。在下臺階往下挖、仰拱開挖和拆除豎撐時圍巖變形比較大，施工時應及時做好支護措施，盡早施作橫撐，盡早將初期支護閉合成環，并加強觀測。當變形發生突變時應采取增加橫撐、減慢掌子面掘進速度、加強支護等措施。

3.2.3 信息反饋與應對

根據對超前地質預報情況和圍巖量測情況的分析，對掌子面前方易坍塌和可能發生大變形的段落，采取了提前增加中管棚、徑向注漿、型鋼支撐腳下墊槽鋼等加強支護措施，并對地下水進行集中預排放，使得圍巖變形速率明顯減少并趨于穩定，有效地避免了塌方事故。

3.3 注重對圍巖的保護

施工中通過超前支護、注漿堵水、機械非爆破開挖、弱爆破等方式最大限度地減少了對圍巖的擾動，充分發揮了圍巖的自穩能力。

4 不良地質處治

施工過程中出現了掌子面失穩、小型涌泥砂、初支下沉開裂等現象，給施工帶來了巨大困難，采用了特殊加強支護措施進行了處理，效果理想。

1)殘坡積碎石土段掉塊嚴重，掌子面失穩溜塌，在拱部上方形成倒立漏斗，影響施工安全。為了防止掌子面溜塌過多，加密加強超前支護，增設φ76中管棚注漿處理，最大限度保護了圍巖。

2)炭質千枚巖破碎富水段，巖體極破碎，遇水則軟化失穩，施工中出現管道水攜夾沙石流出，掏蝕側壁圍巖，形成空腔。對此設置了集中排水孔，采用徑向注漿加固周邊圍巖，同時增設φ76中管棚并配合使用大外插角φ42超前小導管加強超前支護，對初支背后空洞亦注漿填充。

3)開挖后基底承載力低，初支鋼架沉降量大，影響施工和結構安全。對此，在鋼架底部增加了縱向槽鋼，在中隔壁鋼架下增加了“十”字形槽鋼，以減少鋼架的下沉量。此外，及時排干地下水來防止基底軟化，并對基底采用注漿加固堵水措施。

4)圍巖富水地段軟化嚴重，對此，將各臺階的滲水用獨立水管排放至已襯砌的中央排水溝內，防止地面水進一步軟化鋼拱架底腳，同時采用徑向注漿堵水來減少滲水量。

5)中隔壁臨時鋼架在側壁導坑和中槽仰拱未閉合之前，容易出現側壁導坑底部圍巖難以支撐中隔壁型鋼的側壓力而出現擺動的情況，使得中隔壁與正洞鋼架連接處松動扭斷。對此，施工中應保持側導坑支擋中隔壁的填土高度，在仰拱開挖時開挖長度不得大于2 m，以防開挖過長使中隔壁失穩。

5 結語

1)施工步序、超前支護、減震開挖、注漿施工等是施工關鍵。

2)施工中注重信息采集和反饋，根據超前地質預報和圍巖量測結果，提前采取了相應的預支護措施，有效防止了大塌方事件的發生。

3)將機械施工與人工施工相結合。工藝要求嚴格的部位采用人工開挖，其他采用機械和人工配合施工，減少了開挖震動。根據機械作業要求合理調整施工工藝，掌子面10 m范圍內以錨代撐，減少了中橫撐對機械作業空間的限制。

4)雙側壁導坑施工中應嚴格控制各分部錯開距離和各步臺階開挖長度。臨時橫撐應與鋼架連接，應緊跟設置，以便及時封閉成環。鋼架鎖腳錨管應規范施作，與鋼架連接要牢固。應防止中槽開挖過程中挖除臨時豎撐的錨腳時中隔壁鋼架失穩。側壁底部在仰拱型鋼閉合前應防止鋼架懸空使鋼架失穩。各分部同一里程的鋼架應準確定位，確保對接牢固，臨時鋼架拆除長度不得過長，洞口第1環二襯應盡早施作。

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(責任審編李付軍)

U455.41+1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.12

1003-1995(2015)12-0043-04

2015-05-31;

2015-10-26

羅寧寧(1971—)，男，高級工程師，工程碩士。