淺埋偏壓紅砂巖隧道洞口施工技術(shù)

趙洪強(qiáng)

新建蒙華鐵路MHTJ-4標(biāo)位于陜北毛烏素沙漠和黃土高原過(guò)渡區(qū)，地形地貌以邊緣沙漠和侵蝕性梁峁溝谷地貌為主，“V”字型沖溝發(fā)育，呈樹(shù)枝狀分布，支離破碎，地形較為復(fù)雜。大部分隧道洞口位于沖溝兩側(cè)，地形陡峭，場(chǎng)地狹小，洞口多有砂質(zhì)新黃土或全風(fēng)化砂巖覆蓋，部分黃土覆蓋層深達(dá)隧底20m以下。

淺埋砂質(zhì)新黃土、砂層隧道施工稍有擾動(dòng)極易發(fā)生溜塌，結(jié)構(gòu)破壞后對(duì)洞內(nèi)初支壓力增大，造成較大變形；偏壓砂質(zhì)新黃土、砂層隧道施工擾動(dòng)后極易發(fā)生橫向溜塌，對(duì)初支產(chǎn)生較大側(cè)向壓力，改變拱架受力形式；部分砂質(zhì)新黃土隧道洞口淺埋、偏壓同時(shí)存在。因此，如何減少施工擾動(dòng)，維持圍巖自穩(wěn)，控制沉降變形，杜絕發(fā)生溜塌，保證洞口安全是淺埋、偏壓砂質(zhì)新黃土隧道進(jìn)出洞施工的最大難題。

1 工程概況

薛家畔1號(hào)隧道進(jìn)口段位于“牛鼻子”山脊中，洞頂最大覆蓋層厚度17m，拱腰最小覆蓋層厚度6m，屬于超淺埋隧道。進(jìn)口處及仰坡上覆砂質(zhì)新黃土，下伏白堊系砂巖。砂質(zhì)新黃土，具濕陷性，屬中等濕陷性黃土。砂巖，紫紅色，全風(fēng)化，原巖結(jié)構(gòu)已破壞，呈角礫松散狀結(jié)構(gòu)，自穩(wěn)能力差。原工法為三臺(tái)階大拱腳臨時(shí)仰拱法，上導(dǎo)開(kāi)挖后揭示圍巖為散體狀結(jié)構(gòu)的砂質(zhì)新黃土，多數(shù)為破碎帶強(qiáng)風(fēng)化構(gòu)造，自穩(wěn)能力極差，開(kāi)挖后出現(xiàn)溜塌、涌砂現(xiàn)象。

施工過(guò)程中，地表伴隨著出現(xiàn)縱橫向裂縫，裂縫超前掌子面20m左右。完成初期支護(hù)段裂縫較大，數(shù)量較多，橫縫間距約1～2m，最大的橫縫上部基本貫通，寬10cm左右；縱向縫數(shù)量較少，基本伴隨隧道中線，集中在隧道兩側(cè)邊坡部位。裂縫封閉，初支成環(huán)后，裂縫基本穩(wěn)定。

2 主要采取的技術(shù)措施

管棚：洞口超前支護(hù)采用φ108長(zhǎng)管棚，長(zhǎng)40m，一次施做，環(huán)向間距40cm，傾角 0～3°。

密排小導(dǎo)管：拱墻范圍施作φ42mm密排小導(dǎo)管，長(zhǎng)3.5m，環(huán)向間距20cm，縱向搭接不小于 1.0m，外插角 10～15°。

開(kāi)挖：采用四臺(tái)階大拱腳3道臨時(shí)仰拱法開(kāi)挖，微臺(tái)階工藝，1.5倍洞徑成環(huán)。

支護(hù)：初期支護(hù)全環(huán)I20a工字鋼架，間距0.6m，C25噴射混凝土27cm厚，三臺(tái)階均每榀增設(shè)I18臨時(shí)仰拱，上臺(tái)階鎖腳采用4根長(zhǎng)度6mφ42（t-5mm）熱軋無(wú)縫鋼管，中、下臺(tái)階采用 4根長(zhǎng)度 6mφ76（t-5mm）熱軋無(wú)縫鋼管。全環(huán)采用網(wǎng)眼20×20cm的φ8鋼筋網(wǎng)。

洞內(nèi)徑向注漿加固：地表有裂縫段洞內(nèi)拱部采用φ42mm小導(dǎo)管注漿加固，導(dǎo)管采用4.5m、3.5m二種，長(zhǎng)短交錯(cuò)布置，間距1.2×1.2m。漿液采用1：1普通水泥漿，注漿壓力按0.5MPa控制。

地表注漿加固：地表開(kāi)裂縫段，先灌漿封閉裂縫，再采用φ42mm小導(dǎo)管注漿固結(jié)，小導(dǎo)管長(zhǎng)6m，間距1.5×1.5m，漿液采用1：1普通水泥漿，注漿壓力按0.5～1.0MPa控制。

3 施工方法

3.1 施工步驟

（1）上臺(tái)階弧形導(dǎo)坑開(kāi)挖，拱部超前支護(hù)完成后，完成上臺(tái)階閉合，即上臺(tái)階臨時(shí)仰拱。

（2）上臺(tái)階封閉成環(huán)后，進(jìn)行中臺(tái)階上斷面兩側(cè)開(kāi)挖，左右側(cè)錯(cuò)開(kāi)2～3m，待上臺(tái)階與中臺(tái)階上斷面錯(cuò)開(kāi)3～5m后，完成中臺(tái)階上斷面封閉，即中臺(tái)階上斷面臨時(shí)仰拱。同時(shí)拆除部分上臺(tái)階臨時(shí)仰拱以減輕自重。要求上臺(tái)階臨時(shí)仰拱與中臺(tái)階上斷面臨時(shí)仰拱搭接長(zhǎng)度不小于兩榀拱架間距，確保同一橫斷面始終處于封閉成環(huán)狀態(tài)。

（3）中臺(tái)階上斷面封閉成環(huán)后，進(jìn)行中臺(tái)階下斷面兩側(cè)開(kāi)挖，左右側(cè)錯(cuò)開(kāi)2～3m，待中臺(tái)階上斷面與中臺(tái)階下斷面錯(cuò)開(kāi)3～5m后，完成中臺(tái)階下斷面封閉，即中臺(tái)階下斷面臨時(shí)仰拱。同時(shí)拆除部分中臺(tái)階上斷面臨時(shí)仰拱以減輕自重。要求中臺(tái)階上斷面臨時(shí)仰拱與中臺(tái)階下斷面臨時(shí)仰拱搭接長(zhǎng)度不小于兩榀拱架間距，確保同一橫斷面始終處于封閉成環(huán)狀態(tài)。

（4）中臺(tái)階下斷面封閉成環(huán)后，進(jìn)行下臺(tái)階兩側(cè)開(kāi)挖，左右側(cè)錯(cuò)開(kāi)2～3m，待中臺(tái)階下斷面與下臺(tái)階錯(cuò)開(kāi)3～5m后，完成下臺(tái)階封閉，即仰拱初期支護(hù)。同時(shí)拆除部分中臺(tái)階下斷面臨時(shí)仰拱以減輕自重。要求中臺(tái)階下斷面臨時(shí)仰拱與下臺(tái)階仰拱搭接長(zhǎng)度不小于兩榀拱架間距，確保同一橫斷面始終處于封閉成環(huán)狀態(tài)。

3.2 施工要點(diǎn)

（1）開(kāi)挖：上臺(tái)階一次開(kāi)挖不超過(guò)一榀。

（2）錨桿：邊墻采用φ22藥包錨桿，長(zhǎng)度3.5m，間距環(huán)向1.0m×縱向1.0m。

（3）鋼筋網(wǎng)：φ8×φ8，間距 20cm×20cm。

（4）鋼拱架：鋼拱架采用I20a工字鋼，縱向間距60cm，拱架連接鋼板240×220×14mm，采用4個(gè)M27高強(qiáng)螺栓連接，鋼拱架之間采用φ22鋼筋連接，每根連接筋長(zhǎng)0.808m，連接筋縱向連接長(zhǎng)度單面焊10d，雙面焊5d（d為鋼筋直徑）。連接鋼筋環(huán)向間距1m，單排交錯(cuò)布置；拱架安裝允許偏差：橫向和高程偏差均為+50mm，垂直度偏差為+2°，鋼架間距允許偏差為+100mm，鋼架保護(hù)層厚度允許偏差為-5mm。

（5）臨時(shí)仰拱：每臺(tái)階每1榀鋼架施做一道臨時(shí)仰拱，臨時(shí)仰拱采用I18工字鋼，采用濕噴噴射C25混凝土24cm。

（6）拱部鎖腳錨桿采用φ42無(wú)縫鋼管，壁厚5mm，長(zhǎng)度6m，每個(gè)拱腳施作四根，斜向下45°，鎖腳錨管采用φ22“L”型螺紋鋼筋與鋼拱架焊接，鋼筋與鋼拱架翼緣采用雙面焊接，焊接飽滿、牢固。中臺(tái)階與下臺(tái)階采用φ76無(wú)縫鋼管，每個(gè)拱腳施作四根斜向下45°，鎖腳錨管采用φ22“L”型螺紋鋼筋與鋼拱架焊接，鋼筋與鋼拱架翼緣采用雙面焊接，焊接飽滿、牢固，無(wú)縫鋼管鎖腳錨管注入砂漿，砂漿采用M20水泥砂漿，注漿飽滿。

（7）超前小導(dǎo)管為φ42熱軋無(wú)縫鋼管，壁厚3.5mm，環(huán)向間距30cm，鋼管長(zhǎng)3.5m，外插角10～15°，搭接長(zhǎng)度≥1.0m，壓注水泥漿液。施作范圍拱部120°，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工中由于邊墻垮塌現(xiàn)象嚴(yán)重，邊墻位置也施作超前小導(dǎo)管。

4 取得效果

通過(guò)采取洞內(nèi)、洞外一系列措施，薛家畔1號(hào)隧道進(jìn)口實(shí)現(xiàn)了安全進(jìn)洞，施工中逐步調(diào)整工法，落實(shí)兩緊跟，快速封閉成環(huán)，有效控制了沉降變形。采用洞內(nèi)、洞外相結(jié)合注漿，對(duì)圍巖進(jìn)行了固結(jié)，增強(qiáng)整體受力性能，有效控制了洞內(nèi)、地表開(kāi)裂。

通過(guò)方案優(yōu)化，將淺埋、偏壓砂質(zhì)新黃土隧道進(jìn)口段原設(shè)計(jì)三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法優(yōu)化為四臺(tái)階三道臨時(shí)仰拱法，配合洞內(nèi)圍巖注漿及地表注漿加固同步施工，能有效解決了淺埋、偏壓且圍巖極差環(huán)境下的隧道施工問(wèn)題，大大減小了該段洞內(nèi)施工安全風(fēng)險(xiǎn)，為隧道順利進(jìn)洞以及最終的順利貫通會(huì)起到關(guān)鍵性作用。

薛家畔1號(hào)隧道進(jìn)口進(jìn)洞施工由于前期對(duì)圍巖特性認(rèn)識(shí)不足，施工中出現(xiàn)了較大沉降、地表開(kāi)裂等問(wèn)題，通過(guò)工法調(diào)整、注漿得以有效解決。淺埋、偏壓不良地質(zhì)隧道進(jìn)洞“先加固后進(jìn)洞”原則非常重要，在今后施工中應(yīng)引起重視。

這種采用多臺(tái)階開(kāi)挖多臨時(shí)仰拱支護(hù)的隧道施工技術(shù)不僅適用于淺埋、偏壓且圍巖極差環(huán)境下的隧道施工，對(duì)于一般軟弱圍巖、或者偏壓隧道施工同樣適用。

5 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

根據(jù)淺埋偏壓隧道的施工情況，我認(rèn)為紅砂巖隧道施工主要控制以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：

（1）開(kāi)挖過(guò)程中，嚴(yán)格控制超挖，欠挖現(xiàn)象，若采用機(jī)械開(kāi)挖，必須預(yù)留30～50cm人工進(jìn)行修整（開(kāi)挖應(yīng)盡量避免對(duì)巖層的擾動(dòng)）。

（2）支護(hù)過(guò)程中拱架緊貼掌子面，開(kāi)挖完成后應(yīng)盡快施作鎖腳鎖死，鎖腳錨桿按與水平方向45°角度向下打射，鎖腳錨管采用φ22“L”型螺紋鋼筋與鋼拱架焊接，焊接必須飽滿。現(xiàn)場(chǎng)除采用焊接外，還采取鋼架中間鉆孔，采用φ42無(wú)縫鋼管穿過(guò)鋼架，架立在鎖腳錨管上，能夠更好的控制下沉。

（3）鋼架架設(shè)之前必須對(duì)斷面進(jìn)行檢查，及時(shí)對(duì)欠挖部位進(jìn)行處理，拱腳和墻角以上1m范圍內(nèi)斷面嚴(yán)禁欠挖，清除松動(dòng)巖塊及拱腳松碴，拱腳部位必需墊實(shí)。

（4）噴射作業(yè)應(yīng)分段、分片、分層，由下而上按先墻后拱順序進(jìn)行，在有鋼架噴射混凝土?xí)r，保證鋼架與壁面之間的混凝土充填密實(shí)，先噴射鋼架與壁面之間的混凝土，待鋼架與壁面之間及鋼架周圍填滿混凝土之后，再噴射鋼架之間的混凝土。，避免出現(xiàn)空洞。

（5）現(xiàn)場(chǎng)施工嚴(yán)格把控“三超前、四到位、一加強(qiáng)”，即超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前支護(hù)、超前加固；工法選擇到位、支護(hù)措施到位、快速封閉到位、襯砌質(zhì)量到位；強(qiáng)化量測(cè)。

[1]韓毅，李雋蓬.鐵路工程地質(zhì).北京：中國(guó)鐵道出版社，1988.

[2]李永華，王清江.鐵路隧道工程施工技術(shù).北京：中國(guó)鐵道出版社，2014.

[3]趙勇，李國(guó)良，喻渝.黃土隧道工程.北京：中國(guó)鐵道出版社，2011.