淺埋砂質新黃土隧道雙層小導管快速進洞施工技術

杜 鵬

(中鐵十七局集團第五工程有限公司，山西 太原 030032)

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淺埋砂質新黃土隧道雙層小導管快速進洞施工技術

杜 鵬

(中鐵十七局集團第五工程有限公司，山西 太原 030032)

結合蒙華鐵路銀山3號隧道的工程概況，制定了雙層小導管快速進洞施工方案，闡述了該方案的施工工藝流程及技術要點，并對隧道洞口段的沉降和收斂進行了監測，結果表明，該方案可減少洞口開挖、避免洞口擾動，實現安全快速進洞。

隧道，小導管，進洞施工，洞口

1 工程背景

蒙華鐵路銀山3號隧道為單洞雙線隧道，最大埋深67.7 m，最大開挖面積112.3 m2，位于黃土高原梁茆區，地形起伏較大，沖溝發育。隧道進口自然坡度約25°，地勢較平坦，與既有道路相距較近；出口自然坡度約55°，位于梁茆半坡上，與橋梁相接。進出口地層巖性為砂質新黃土，褐黃色，稍濕～潮濕，稍密～密實，呈松散狀，成分以粉粒為主，具垂直節理，針孔發育。

由于隧道出口自然坡度大，邊、仰坡開挖后洞口位于半坡上且場地狹小、與橋梁相接，施工干擾大，協調配合難度高，施工安全不確定因素多，不易組織現場施工，決定從隧道進口采取單口掘進開挖。

2 進洞方案比選

洞口管棚超前支護是沿著洞口開挖輪廓周線，用特定的設備把預先加工好的鋼管按照一定的角度打入前方的地層內，再向管內注漿填充鋼管及固結鋼管周圍的圍巖，最終形成一個棚架支護體系，以支撐來自外側的圍巖壓力，防止開挖時圍巖滑塌及沉降變形，保證作業人員的安全。其具有使用范圍廣、支護剛度大、圍巖沉降變形小、安全可靠性高等優點，但對洞口場地要求高、邊仰坡開挖量大、施工周期相對較長等缺點，尤其是長管棚施工工藝要求高、需專用的施工設備，對管棚鉆孔方向的精度要求高，控制不準確很容易發生偏斜及傾界，加大后續施工難度。

洞口小導管超前支護是在洞口開挖斷面拱部施作超前小導管，通過注漿對一定深度范圍內的圍巖進行擠密、粘結加固，形成一個承載環，對圍巖進行預加固，提高圍巖的穩定性。其具有適用范圍較廣；安全可靠性高，針對性強；節省工程成本，節約工期；施工設備簡單、工序清晰易懂、操作便捷，能夠快速進洞。但小導管超前支護只是對局部土層進行加固，開挖后土層不宜長時間暴露，需及時進行支護且各工序銜接緊密，否則沉降變形較大。

銀山3號隧道進口地勢較平坦，采用長管棚進洞，洞口邊仰坡開挖量大，易造成邊仰坡失穩。隧道進口地層巖性為砂質新黃土，管棚施工時精度不易控制，角度太大，前端滿足要求，中間易形成拱形，后續開挖易發生掉落；角度太小，前端侵入支護界限，增大后續開挖難度，安全可靠性低。經技術比選及方案優化，采用“零開挖”超前小導管進洞，消除管棚施工時精度偏差造成的嚴重后果；減少洞口開挖量，避免洞口擾動，最大限度的保持洞口的原平衡體系，確保洞口安全及保護周邊生態環境；簡化施工工藝，方便快速的進洞。

3 施工方案

為保證隧道安全快速進洞施工，避免洞口開挖造成邊仰坡失穩，洞口處施工以少刷或不刷仰坡為原則，測量放樣后，由現開挖斷面DK266+210處進洞，采用φ42超前長導管配合密排小導管預支護，超前長導管拱部120°范圍施作，每根長6 m，環向間距40 cm，縱向每隔7榀鋼架施作一環；每環φ42長導管配合3環φ42小導管為一循環，超前密排小導管拱部150°范圍施作，每根長4 m，環向間距為20 cm，超前長導管和小導管外插角根據現場施工情況確定。導管內壓注水泥單液漿，待漿液形成強度后進行開挖施工。

隧道洞口段位于淺埋段，覆蓋層厚度約1.7 m～12 m，在進洞開挖時采用微臺階法施工，盡量減少擾動。嚴格遵循“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、快封閉、勤量測、早襯砌”的施工原則，及時施作初期支護封閉成環，盡量減少圍巖暴露時間，確保洞口施工安全。施工工藝流程見圖1。

4 主要施工工藝和方案控制要點

4.1 主要施工工藝

1)洞頂截排水溝：

及時完善洞口的截、排水設施，回填處理地表陷穴、坑洞及裂縫等。隧道進口臨近線路右側有一處沖溝，施作洞頂截水溝時，根據現場地形情況，水溝引排段落遠離沖溝，在該沖溝5 m外設置，以截排沖溝外地表水，以防雨水對進洞施工造成較大影響。

2)洞口場地清理：

洞口邊、仰坡按1∶1的坡度自上而下分層進行開挖及防護，開挖一層防護一層，防止邊坡失穩。開挖采用人工配合機械進行，每層開挖深度為1.5 m，邊坡處預留30 cm人工清理，臨時防護采用錨桿鋼筋網噴射混凝土。開挖時嚴格控制邊坡坡率，確保邊坡平順。

3)洞口拱架安裝：

洞口位置處安裝雙層Ⅰ20a鋼架，上層鋼架為導向鋼架，施作超前長導管，鋼架拱部120°范圍按照40 cm間距在腹板上鉆孔。下層鋼架為初支鋼架，施作超前密排小導管，鋼架拱部150°范圍按照20 cm間距在腹板上鉆孔。兩層鋼架間距為100 mm，用Φ22鋼筋間距50 cm相連成整體，中間空隙用噴射混凝土噴填密實。鋼架在鋼筋加工廠集中加工及配送，現場拼接安裝，安裝時根據測量人員測定的高程和拱架安裝控制線準確定位，先安裝導向鋼架，定位固定牢靠后再安裝初支鋼架，安裝過程中嚴格檢查拱架的垂直度，確保安裝精度。鋼架連接節點處施作鎖腳錨管2根，采用φ42小導管，長度4 m，按與水平方向30°～45°向下、豎直方向30°～45°向內打設，并與鋼架焊接牢固，管內灌注M30水泥漿。

4)鉆孔及清孔：

洞口段埋深比較淺，根據實際量測的洞口地面標高，用CAD畫圖比對，超前長導管按外插角30°、超前密排小導管按外插角14°布置。鉆孔采用氣腿式鑿巖機，在預留核心土上進行操作，鉆頭通過拱架預留孔洞，按照規定的外插角鉆進，直徑為50 mm，孔深比設計深10 cm～20 cm。鉆孔完畢后，用高壓風把孔內砂石吹出。

5)驗孔：

用儀器檢查鉆孔孔深、孔徑和傾斜度符合要求后，進行小導管安裝。

6)安裝導管：

導管安裝采用頂入法，按照預先鉆孔用鉆機頂入，超前長導管頂入長度不小于5.4 m，超前密排小導管頂入長度不小于3.6 m，導管頂入后用高壓風將導管內的泥土吹出。導管與鋼架焊接形成整體，并在導管口焊接注漿閥門。導管前段加工成錐形，尾部焊接加筋箍，管壁四周每15 cm間隔鉆眼，孔眼直徑8 mm(梅花形布置)，尾部50 cm不鉆眼。

7)噴射混凝土封閉工作面：

用塑料薄膜嚴密包裹注漿閥門后，采用C20噴射混凝土封閉鋼架及洞口直立面，噴射混凝土厚度不小于15 cm且鋼架完全被覆蓋。

8)注漿：

注漿采用水泥漿，水灰比為1∶1(質量比)，注漿壓力0.5 MPa，注漿順序由兩側向拱頂隔孔對稱進行、漿液先稀后濃、注漿量先大后小，壓力由小到大。注漿采用“雙控法”控制，當每根導管的注漿量達到設計量時停止注漿，或當注漿壓力逐漸達到終壓并穩定10 min時可停止注漿。

9)洞身開挖：

采用上、中、下三個臺階同步作業的微臺階開挖方法，上臺階長度3 m～5 m，中臺階長度6 m～8 m，下臺階長度9 m～12 m，三個臺階同步作業。具體流程為：上臺階開挖扒碴→中臺階開挖出碴→上中臺階初噴混凝土→上中臺階立架、下臺階及仰拱開挖→上中臺階噴混凝土、下臺階及仰拱立架→下臺階及仰拱噴射混凝土→下一循環。開挖進尺根據現場實際情況確定，上臺階一般為1榀，中下臺階為1榀～2榀，仰拱初支開挖不超過3 m。

4.2 方案控制要點

超前小導管、鋼架及鎖腳錨管采用工廠化集中加工及配送。施工中嚴格控制小導管的數量、間距、打設角度及鋼架的焊接質量。嚴格按照雙控指標進行注漿量控制，確保注漿效果。注漿發生串漿時，采用分漿器多孔注漿或堵塞串漿孔隔孔注漿。當注漿壓力突然升高時應停機查明原因。當水泥漿進漿量很大，壓力不變時，檢查周邊地表是否有漿液溢出，或調整漿液濃度及配合比，縮短膠凝時間，采用小流量低壓力注漿或間歇式注漿。做好導管注漿記錄，記錄內容應包含注漿時間、最大單根注漿量、最小單根注漿量、總注漿量、注漿控制壓力。注漿結束6 h后方可進行洞身開挖。

4.3 監控量測

監控量測項目有洞內外觀察、地表沉降觀測和洞內拱頂下沉、水平收斂，采用全站儀配合反光膜片進行數據采集。地表沉降觀測點沿隧道縱向5 m、橫向2 m～5 m的間距布設，在開挖前布設完成并進行數據采集；拱頂下沉和水平收斂沿隧道縱向5 m布設，且在同一斷面上，測點埋設在鋼架上。監測按照每天一次進行，出現異常情況時，加大監測頻率。監測管理值采用變形總量、變形速率、初期支護表觀現象和變形時態曲線進行綜合等級管理。變形總量、變形速率控制在管理等級范圍內，及時巡視初支表面有無異常，同時結合變形時態曲線形態進行綜合分析處理。

隧道洞口段地表沉降觀測共計布設9個斷面77個點，洞內拱頂下沉、水平收斂13個斷面，觀測時間為6月25日～10月20日，各測點變形總量數值見表1。從各測點的變形總量數值可以看出，隧道通過范圍內地表沉降累計值較大，但數值差異不是很大、較均勻，屬黃土特性的正常沉降；拱頂下沉、水平收斂累計值分析圍巖變形小，都趨于穩定。從監控量測日常資料表明，變形速率小于1 mm/d，且持續一個月以上了，初期支護表現正常，變形時態曲線已收斂。根據監控量測軟件進行監控量測回歸分析，初期支護的各斷面日變化值都趨于穩定。由此說明在淺埋砂質新黃土鐵路隧道進洞施工中，采用雙層小導管輔助施工措施、微臺階施工方法可行。

表1 監控量測點累計數值表 mm

5 其他注意事項

1)做好施工人員的技術交底及安全教育培訓，能夠熟練掌握各施工要點，確保各工序、各工種、人員與機械的協調配合。

2)高度重視監控量測，每天及時進行數據采集，并上傳至監控量測管理信息平臺，各級管理人員均能查看相關數據，若出現預警情況，能夠及時進行原因分析，制定處理措施。

3)注漿液采用拌合站集中拌合，罐車運輸到施工現場，確保漿液配比準確，避免現場拌合污染環境。

4)根據實際揭示圍巖情況、監控量測變形情況、超前地質預報情況，合理確定開挖進尺，樹立以加快循環時間保證進度的理念，改變以加大進尺保證進度的錯誤觀念。

5)開挖支護過程中突出強調一個“快”字，各臺階施工做到“快挖、快支、快封閉”，同時噴射混凝土要保證早期強度達到要求，以形成受力體系。始終保持安全步距，掌子面至初支封閉距離不大于2倍洞徑。

6)嚴格執行“上下緊跟、左右緊墊”的安全措施，即上臺階拱架頂緊掌子面不留空隙，仰拱初支緊跟下臺階封閉成環，各臺階拱架左右拱腳采用強度高、輕便耐用、可循環使用的墊板支墊結實，不能落在虛土上。

7)采用濕噴機械手噴射混凝土，外加劑摻量實現自動化控制，降低了人為影響因素，提高了噴射混凝土的質量；回彈量顯著降低，減少浪費；噴射混凝土的密實度增大，強度高。

6 結語

蒙華鐵路銀山3號隧道目前已施工310 m，通過對監控量測數據分析，洞口段沉降和收斂均在可控范圍，洞內初支穩定，未發現變形、開裂等現象。洞外地表、邊坡仰坡均穩定，未發現開裂等現象，說明在淺埋砂質新黃土隧道進洞中采用雙層小導管技術是完全可行的。該方法能保證“零開挖”進洞，操作簡單，方便快速，是一種安全、環保、有效的進洞方案。同時配合微臺階開挖工法，快速封閉成環，保證施工安全。該方法可以在隧道施工中推廣使用，尤其適用于西北地區黃土地質隧道的進洞施工。隨著該技術的不斷完善，相信在以后類似隧道工程施工中將會得到廣泛的應用。

[1] 王曉州.大斷面黃土隧道建設技術[M].北京：中國鐵道出版社，2009.

[2] 趙 勇，李國良，喻 渝.黃土隧道工程[M].北京：中國鐵道出版社，2011.

[3] 肖廣智.鐵路隧道施工新技術[M].北京：人民交通出版社股份有限公司，2016.

[4] 蒙西華中鐵路隧道施工監控量測實施方案(試行)[Z].2015.

[5] 蒙西華中鐵路隧道施工監控量測實施方案[Z].2016.

The double layer small duct quickly face excavationconstruction technology of shallow buried sandy loess tunnel

Du Peng

(Fifth Engineering Limited Company, China Railway 17th Bureau Group, Taiyuan 030032, China)

Combining with the engineering situation of Yinshan Mongolia and China Railway No.3 tunnel, developed the double layer small duct quickly face excavation construction scheme, elaborated the construction process and technical key points of the scheme, and measured the settlement and convergence of tunnel ladit section, the results showed that the scheme could reduce the tunnel ladit excavation, to avoid the tunnel ladit disturbance, realized the safe and fast face excavation.

tunnel, small duct, face excavation construction, tunnel ladit

1009-6825(2016)34-0180-03

2016-09-23

杜 鵬(1980- )，男，工程師

U455

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