軟弱圍巖隧道淺埋段施工研究

楊 文 平

(神華包神鐵路集團有限責任公司,內蒙古 鄂爾多斯 017000)

1 概述

軟弱圍巖淺埋隧道，施工難度大，常容易發生變形、坍塌、冒頂等險情，因此在施工前應制定切實可行的施工方案，將監控量測和超前預報等施工措施納入正常的施工工序中，“動態設計、動態施工”，有效降低施工風險，確保軟弱圍巖淺埋隧道施工安全和質量。

塔韓鐵路是神華集團為開發“三西”煤炭基地東勝煤田塔然高勒礦區而配套修建的運煤專用線，鐵路自既有包神線韓家村車站接軌，向西經過色連、李家、泊江海子三個車站后終到塔然高勒車站，線路全長78.06 km。塔韓鐵路控制性工程張家渠隧道起訖里程GDK71+475～GDK72+870，全長1 395 m，單線隧道。Ⅵ級圍巖40 m，其余均為Ⅴ級圍巖1 304 m，最小埋深僅7.3 m，最大埋深27 m，采用臺階法施工。經實地勘察發現GDK72+220～GDK72+350段地表有3條天然沖溝，隧道從溝底穿過，與沖溝成約80°交角，最小埋深僅約7.3 m。

2 超前地質預報

超前地質預報是在隧道開挖時，采用地質調查、物探、超前地質鉆探和超前導坑等手段，對掌子面前方及其周邊的圍巖與地層情況做出超前預報的一種地質探明手段，是現代隧道設計、施工必不可少的可及時提供隧道掘進方向前方的地質及含水性情況，進行圍巖工程級別劃分的先進技術手段，可為設計、施工單位制定設計方案、施工方案和防范措施提供詳實可靠的依據。

張家渠隧道圍巖主要為細砂巖，巖性單一，強風化，黃色、青灰色，節理層理發育，結合性差，巖質軟弱，遇水泥化，V級圍巖。基巖裂隙水較發育，接受大氣降水及地表水的下滲補給。

根據《鐵路隧道超前地質預報技術指南》(鐵建設[2008]105號)規定和地質災害對隧道施工安全的危害程度，張家渠隧道地質復雜程度分級可定為中等復雜，隧道超前地質預報主要采用地質雷達法、地質分析法和紅外探測法。

2.1 地質雷達

地質雷達探測是基于電磁波遇到不同反射界面其反射振幅和相位不同來判斷前方傳播介質的變化，推測前方圍巖巖性、構造、風化程度及其含水量的變化。

本次地質探測采用美國SIR-3000型地質雷達和100 MHz天線，為準確掌握淺埋段隧道地層巖性分層情況，更好地預報隧道淺埋段圍巖情況，根據現場實際情況，在隧道(GDK72+220～GDK72+350)地表中線附近布置了測線，連續測試。在隧道洞內掌子面前方15 m～30 m設置“井”字形測線。采集參數為：連續測量，每掃描采樣數為512，采集時窗為500 ns，采用64次迭加。

超前預報表明：張家渠隧道淺埋段范圍內電磁波反射較明顯，振幅較大，同向軸錯亂，特別是埋深10 m以下。在深度范圍內未有明顯的反射同向軸，表明巖體介電常數差異較小，圍巖巖性變化連續，差異小，推測隧道里程GDK72+320～GDK72+270范圍圍巖主要為全～強風化細砂巖，巖質軟弱，節理裂隙發育，破碎，完整性差，見圖1。

根據預報結果建議施工過程：堅持短進尺，弱爆破或者不爆破，同時必須提高超前支護能力，開挖后及時施作支護及錨噴，確保噴層質量和鎖腳錨管施工質量，杜絕虛焊。開挖過程預防拱頂掉塊和局部坍塌，必要時改變施工工法，確保安全。

2.2 紅外探水

紅外探測是根據紅外輻射原理，即一切物質都在向外輻射紅外電磁波的原理，通過接收和分析紅外輻射信號進行超前預報的一種物探方法。紅外探測適用于定性判斷隧道前方有無水體存在及其方位，但其不能定量給出水量大小等參數。

本次探測采用HW-304型紅外探測儀，沿隧道掘進方向在初期支護上左右邊墻、左右拱腰、拱頂和仰拱布置6條探測線，同時在掌子面水平布置4條測線，探測每個測點的場強值。紅外探測表明：掌子面測點中最大場強和最小場強的能量差為9<10，不存在含水構造體；初期支護紅外探測曲線斜率隨掘進掌子面的推進基本不變，可以推斷前方不存在含水構造體。因此結合掌子面地質調查，可以推定：張家渠隧道淺埋段范圍內不存在大含水構造體，但由于施工過程處于鄂爾多斯高原雨季，受大氣降水及地表水的下滲補給影響，基巖裂隙水較發育。

2.3 地質探孔

在GDK72+340隧道拱頂位置人工挖直徑1 m的探孔，校核地質雷達預報成果，探孔表明隧道上伏基巖為強～全風化細砂巖，層理發育，薄～中層狀，直立性好，未見發育基巖裂隙水，與地質雷達和紅外探水超前預報成果一致。同時該探孔可以兼做隧道施工通風、排水孔。

3 設計方案

3.1 原設計方案

張家渠隧道為單線隧道，圍巖整體性較好，僅局部發育裂隙水，根據前期設計勘察階段地質調查情況，設計淺埋段施工采用上下短臺階法。按Ⅴ級圍巖復合式加強襯砌斷面設計，初期支護參數為：Ⅰ16型鋼拱架支護，間距80 cm/榀，噴射混凝土(C25)厚度23 cm，單層鋼筋網片(φ8，間距20 cm×20 cm)，拱部系統錨桿采用φ25中空注漿錨桿,邊墻φ22砂漿錨桿,L=3 m(環1.2 m×縱1.0 m)，超前支護采用φ42×3.5 mm雙層小導管，L=4.5 m，環向間距為25 cm,縱向水平投影搭接長度不小于150 cm，外插角為40°和10°交錯布置。二襯厚度40 cm，C35鋼筋混凝土結構。

3.2 設計變更

在隧道開挖即將進入淺埋段(GDK72+358，埋深約13 m)時，施工期間連續降雨，致使隧道洞內出現大量滲漏水，掌子面土體受水影響變得泥化，巖質軟化較嚴重。經業主、設計、監理、施工單位現場聯合調查，認為淺埋段施工正值雨季，雖土體本身不存在含水構造體，但受降雨影響，地表水下滲嚴重，造成隧道掌子面及初支滲水嚴重，有坍塌、冒頂等安全隱患，因此將原設計淺埋段GDK72+250～GDK72+320段鋼架間距由0.8 m調整為0.6 m，并隨之將錨桿間距調整為環1.2 m×縱0.8 m，鎖腳位置增加1組砂漿錨桿，同時在隧道淺埋段地表作防排水處理。

4 施工方案

隧道淺埋段施工時間在7月～9月份，根據鄂爾多斯地區的氣象特征降雨多集中在7月，8月，日最大降水量為284.2 mm。地下水類型為基巖孔隙、裂隙水，主要含水地層為基巖風化層，地下水主要儲存于巖石孔隙及裂隙內。

張家渠隧道在GDK72+255～GDK72+320淺埋段內有三條不規則沖溝，順線路方向地形為左低右高，為避免雨季雨水下滲，軟化圍巖破壞圍巖和支護的穩定性，將隧道淺埋段地表順線路中心左右各25 m內土體進行整平，使其形成1條較大的“U”形沖溝，將多余土方外運至隧道出口棄碴場。在“U”形沖溝表面施作20 cm厚C15混凝土保護層(長65 m，寬50 m)，并在四周施作0.3 m×0.6 m混凝土垂裙，防止水流沖刷鋪砌底部，使沖溝匯水能夠快速通過混凝土面排向沖溝下游，減少匯水對地表的沖刷及滲透。

為保證安全順利通過淺埋段，施工前根據超前預報和既有監控量測成果確定淺埋段施工方案，嚴格執行“管超前、短開挖、嚴注漿、不爆破、強支護、勤量測、早封閉、快襯砌”的施工原則，掌子面開挖停止爆破，改用機械開挖方式進行，上臺階單榀掘進，邊墻每循環開挖進尺不大于2榀，嚴格控制開挖進尺速度。采用雙層超前小導管，嚴格注漿，確保預加固效果及作用。另，隧道開挖完成后初期支護及時施作并封閉成環，嚴格控制安全步距，仰拱每循環不大于3 m，淺埋段仰拱封閉位置距離掌子面不大于20 m，二襯距離掌子面不大于50 m。嚴格控制每道施工工序，加強各工序間的銜接保證施工安全、質量。

為防止滲漏水將圍巖浸泡軟化，在施工完仰拱的部位靠近邊墻一側預留積水井，將掌子面滲水及時引排至積水井后排出，對于邊墻的出水點在初支噴射混凝土時預埋排水管進行引排。并在洞內儲備抽水設備，以防抽水設備損壞時能夠及時更換，保證掌子面圍巖及初支底部無積水，確保安全。

5 監控量測

張家渠隧道洞身巖體屬極軟巖，Ⅴ級圍巖，而且淺埋段施工時間正值雨季，施工過程極易產生掉塊、塌方甚至冒頂事故。因此在隧道淺埋段的施工進程中，須加強隧道監控量測，對可能出現的失穩、冒頂、大變形等安全事故及時進行預警，提供及時、可靠的信息用以評定淺埋段施工期間圍巖和支護結構的穩定性、安全性，避免事故的發生。監控量測的重點內容為：1)根據隧道開挖情況緊跟開挖面埋設測點；2)重點對上臺階水平收斂測線和拱頂下沉進行重點量測；3)密切關注監測斷面相對應的下臺階及仰拱開挖對收斂和拱頂下沉的影響。

5.1 監控量測項目及測點布置

5.1.1洞內、外觀察

淺埋段施工過程中洞內觀察分成開挖工作面觀察和已施工地段觀察兩部分進行。初期支護施工完成后要及時對噴射混凝土的表面裂縫及其發展情況、支護滲水及變形情況進行觀察和記錄。洞外觀察重點記錄地表開裂、地表變形、地表水滲漏情況等。

5.1.2周邊收斂

周邊收斂與拱頂下沉及地表沉降布置在同一斷面。每個臺階布設1條測線。

5.1.3拱頂下沉

拱頂下沉量測主要用于確認圍巖和初期支護的穩定性，拱頂下沉量測在開挖后盡早進行，每個量測斷面設置1個量測點，初讀數在開挖12 h內取得，最遲不得大于24 h且在下一循環開挖前讀取。

5.1.4地表沉降

地表沉降量測斷面與隧道中心線垂直，將沉降監測中心測點設在隧道中線對應的地表位置，其他測點以隧道中線為軸對稱分布，測點間距由中心測點開始至距隧道中線最遠一點由密至疏(按2 m～5 m原則)布置。W(測點寬度范圍)=B(隧道開挖寬度)+H/2(隧道埋深的一半)。

5.2 監控量測周期

監控量測按照《關于進一步明確軟弱圍巖及不良地質鐵路隧道設計施工有關技術規定的通知》(鐵建設[2010]120號)要求，軟弱圍巖隧道每隔5 m設置一個監控量測斷面，量測頻率按照TB 10121—2007鐵路隧道監控量測技術規程規定執行。量測中嚴格執行既定的位移管理等級、信息反饋和報告制度。

5.3 隧道穩定性判別標準

根據規范和設計文件確定隧道穩定性判別標準。

1)實測最大值或回歸預測值最大值應不大于允許值或設計最大值，根據設計文件Ⅴ級、Ⅵ級圍巖預留變形量為8 cm～12 cm。2)根據位移速率判別：當周邊位移速率小于0.10 mm/d～0.20 mm/d時或拱頂下沉速率小于0.07 mm/d～0.15 mm/d時，則認為圍巖位移達到基本穩定；當周邊位移或拱頂下沉速率大于1.0 mm/d時，表明位移不穩定，應加強觀測；當周邊位移或拱頂下沉速率大于5.0 mm/d時，圍巖處于急劇變化狀態，應報警，進行加固[1]。

5.4 監控監測方法

為提高量測效率，減少對施工的干擾，周邊位移和拱頂下沉監測采用全站儀非接觸量測方法，在測點位置粘貼反光片，測量中強光手電配合全站儀快速捕捉測點目標。周邊收斂采用對邊測量模式，每次記錄對邊長度，相減后獲得周邊收斂值。拱頂下沉隨隧道開挖進洞，在洞內不斷引入后視點，后視點一般設置在仰拱上，定期與洞外絕對高程點校核。測量時采用絕對高程測量方法，通過比較測點絕對高程的變化，確定拱頂下沉值。比較斷面實測絕對高程和設計初支輪廓線測點位置的絕對高程，可以確定該斷面是否侵陷。

5.5 監控量測結果

監測表明：淺埋段施工中上臺階L1測線累計收斂值為-16.50 mm～-44.75 mm，下臺階L2測線累計收斂值為-3.90 mm～-22.90 mm，其中GDK72+330(L1)測線收斂速度最大為-2.94 mm/d，GDK72+330(L1)測線累計收斂值最大為-44.75 mm。拱頂下沉累計值為-10.4 mm～-37.0 mm，其中GDK72+315斷面拱頂下沉速度最大為-2.64 mm/d，GDK72+315斷面累計下沉值最大為-37.0 mm。地表下沉累計值為-13.2 mm～-40.3 mm，其中GDK72+300斷面中樁D4點下沉速度最大為-1.63 mm/d，GDK72+280斷面中樁D4點累計下沉值最大為-40.3 mm，量測數據累計值和變形速率未超過規范允許值。監控量測中發現，掌子面區域和下臺階開挖階段周邊收斂數據變化大，但隨著仰拱閉合初期支護成環后，量測數據變化又顯著減小，圖2為GDK72+300斷面量測數據隨時間變化曲線和速度值曲線，可以明顯看出上下臺階開挖過程累計值—時間曲線斜率變化大，累計值增長快，速度—時間變化曲線量測速度均超過-1.00 mm/d，由此可見施工過程必須堅持短進尺及仰拱及時閉合的原則，同時應確保鎖腳錨管施工質量達到設計要求。

洞內、外觀察表明：初期支護和地表未發現結構性裂縫。

6 結語

塔然高勒礦區配套鐵路運煤專用線(塔韓鐵路)張家渠隧道淺埋段，圍巖軟弱、遇水泥化、施工風險等級高，施工前超前預報圍巖情況，并根據施工季節及現場情況及時調整設計，預先對地表進行加固處理，施工中根據既定的施工方案嚴格施工，縮小鋼架間距，嚴控安全步距，將超前預報和監控量測納入整個施工管理全過程，大大降低了淺埋段隧道施工安全風險，有力地保障了隧道施工的安全和質量。

[1] TB 10121—2007,鐵路隧道監控量測技術規程[S].