鐵路隧道跨溝谷淺埋段蓋挖法施工技術研究

李建飛

(中鐵二十二局集團第四工程有限公司 天津 301700)

1 引言

地下工程建設時為避免影響上覆建筑物或交通正常運行，常采取蓋挖法先向下開挖一定深度，再將頂部恢復后進行內部施工[1]。由于蓋挖法施工安全性高、受外界氣候影響小的特點，在山嶺隧道淺埋開挖時常有應用。

溫志勇[2]對隧道穿越超淺埋段的施工方法進行研究，結合開挖、支護措施介紹了蓋挖法在山嶺隧道淺埋段中的應用；楊仲杰[3]針對穿越風景區隧道拱頂外露區段，采用蓋挖法施工后的現場應用及數值計算均表明，該工法能有效降低對風景區的環境破壞并減少對山體的擾動；劉傳力等[4]針對隧道出口段與V形沖溝斜交下穿及最小埋深2.47 m的工程特點，選取蓋挖法施工，并運用數值模擬方法分析了隧道受力變形的變化規律，并總結了淺埋偏壓段蓋挖法施工要點；亓文新[5]結合蓮花山2號隧道進口段施工，分析明挖、暗挖、蓋挖法優缺點并進行了方案比選，較為詳細地介紹了蓋挖法施工關鍵技術；孫秋紅等[6]針對某隧道超淺埋段施工，分析了該段存在的施工風險，并從經濟、技術、安全和可行性等多方面對淺埋段開挖方案進行對比。

綜上，目前山嶺隧道建設中，蓋挖法在進出洞段應用較多，淺埋洞身段應用較少，特別是穿越溝谷淺埋富水段的明洞蓋挖法綜合施工技術，更是少有研究報道。因此，本研究內容在山嶺隧道建設領域具有重要的實際應用價值。

2 工程背景及風險分析

2.1 工程概況

安山隧道設計為單洞單線無砟鐵路隧道，隧道全長1 194 m。其中DK1825+312～DK1825+357明洞段原設計為Ⅴ級圍巖明挖法施工，該段最小埋深約2.5 m，見圖1。隧址區地形起伏較大，自然坡度15°～40°；明洞段三面環坡，地處低洼處，線路右側為谷底，山體有三股沖溝水匯流至該處，匯水面積大。

圖1 DK1825+312～DK1825+357明洞段平面

(1)工程地質

根據地質調查及鉆探揭露，DK1825+312～DK1825+357段表層為第四系坡殘積層粉質黏土，硬塑，厚約0.5～6 m，溝谷處表層有薄層的角礫土，下伏基巖主要為全風化～弱風化花崗巖，其中全～強風化層厚度10～25 m。基巖內部侵入接觸帶，帶內節理裂隙發育，巖體破碎，見圖2。

圖2 DK1825+312～DK1825+357明洞段縱剖面(單位：cm)

(2)水文地質

隧區內地表水主要分布于山間溝谷，水量不大，主要受大氣降水補給，地下水類型主要為基巖裂隙水及風化物中的孔隙水。裂隙水主要賦存于基巖風化裂隙中，主要補給來自大氣降水。4、5月份為江西地區的雨季，雨水頻繁，山體匯水量大，雨水匯集后經明洞流入線路右側谷底。

2.2 施工風險分析

DK1825+312～DK1825+357明洞段地形地質條件復雜，地表水發育。該段施工過程中可能存在以下風險:

(1)施工期正好處于雨季，明洞段地處溝谷，地表徑流多，匯水面積大，土體開挖后施作護拱前若邊坡加固和引流措施不到位，易導致邊坡失穩。

(2)明洞段表層為粉質黏土，下伏花崗巖節理裂隙發育，風化嚴重，土層承載力低；加上該淺埋段洞頂埋深小，若支護強度不足或支護措施不全面，洞內施工完畢后，在地下水及地表水的作用下，易產生較大的地表沉降。

(3)對于明洞段附近的淺埋弱偏壓段而言，上覆土體難以自穩，支護受力不均勻，易出現襯砌開裂、洞內大變形等施工風險；由于埋深淺，又三面環坡，塑性區向地表發展后土體變形增大，易導致地表開裂、洞內大變形等施工風險[7]。

2.3 支護設計變更

DK1825+312～DK1825+357段原設計為明挖法施工，洞內設計為Vb級復合式襯砌，臺階法開挖；洞口臨時邊坡為1∶1放坡，坡面采用噴錨加固，錨桿采用長4 m的φ22砂漿錨桿，間距1.5 m×1.5 m，梅花形布置；噴射混凝土采用10 cm厚C25網噴混凝土，φ8鋼筋網間距采用25 cm×25 cm網格；部分邊坡采用錨桿框架梁防護。

蓋挖設計變更措施如下:(1)增設70 cm厚C35鋼筋混凝土護拱，初支鋼架設置在護拱內，拱腳采用擴大基礎加大承載面積，抵抗軟土變形沉降。(2)在護拱兩側設置φ89鋼花管加固，間距2 m。為保證加固強度，增加開挖后洞身穩定性，加固土體的防護深度應不小于強風化巖層的深度。(3)該段開挖工法變更為三臺階臨時仰拱法。(4)將部分錨桿框架梁防護取消，全部變為噴錨加固。(5)優化洞頂回填及排水措施，加強引排水能力，其余維持原設計。橫斷面DK1825+338處支護設計見圖3。

圖3 DK1825+338橫斷面支護設計(單位：cm)

3 優選蓋挖法原因分析

明挖法一般具有施工簡單、快捷、經濟、安全的優點，但其受天氣影響大，開挖面積大[8]；同時易造成普遍較高的邊仰坡，既破壞環境又影響美觀，再加上防護不及時及降水等因素影響，很可能導致邊仰坡坍塌等工程病害。一般來說，除鐵路隧道頂部高出地面較多的情況外，在地面不低于起拱線時，適用于明挖法施工的隧道，均可以采用蓋挖法施工。蓋挖法和明挖法施工對比如表1所示[9]。

表1 蓋挖法和明挖法施工對比

蓋挖法在本工程應用中有以下幾點優勢:

(1)由于蓋挖法開挖基坑深度小，地層開挖暴露面積小，圍巖受擾動影響較小，因此在軟弱圍巖條件下的施工安全性更高。

(2)蓋挖施工不受季節和天氣影響，一旦拱蓋形成并具備一定的強度后即可在洞內掘進；在相對封閉的環境下施工，既不受天氣影響，也避免了其他人為因素的干擾。

(3)通過減小蓋挖法施工時臨時邊坡的開挖高度，可大大減少永久性征地面積，地表受開挖影響的區域也更小，減小了對原地表植被的破壞。

(4)在工程造價方面，根據現場投入概算，蓋挖法較明挖法的直接費用大約增加30w，但相對于明挖法節省了工期，減少了雨季施工窩工現象，因此相對來說蓋挖法更經濟。

綜上，結合地質、地形、地表環境及氣候等條件，將DK1825+312～DK1825+357明洞段的明挖法變更為蓋挖法施工更為合理。

4 關鍵施工措施

現場蓋挖段的施工順序:排截水處理及截水天溝施工→蓋挖段護拱開挖防護→基礎注漿處理施工→護拱施工→暗洞施工→回填作業。

(1)基礎注漿處理

為保證加固強度，增加開挖后洞身穩定性，加固土體的寬度不小于3 m，防護深度應不小于強風化巖層的深度。為達到預期的注漿效果，在大范圍注漿加固之前，選取了典型地層進行小規模注漿試驗。現場注漿施工前選取DK1825+320斷面進行單鉆孔試驗，注漿漿液為單液漿，水灰比為1∶1；漿液凝固后取芯觀察，發現漿液擴散半徑在1.4～2.4 m之間，擴散半徑從上至下基本呈現遞減趨勢；5個芯樣的平均28 d無側限抗壓強度為2.46 MPa，平均滲透系數處于10-8量級，基本滿足預期要求。

試驗段基本達到預期效果，因此可進行明洞段注漿加固:①注漿管距離耳墻外緣95 cm，縱距2 m布置；②將鋼花管連續接長后裝入孔內；③注漿，注漿壓力初始值控制在0.2～0.5 MPa，終壓2 MPa；④單孔達到設計注漿壓力并穩定10 min后結束注漿，并采用M40水泥砂漿全孔封堵密實(見圖4)。

(2)暗洞防排水措施

圖4 鋼花管注漿加固

為保證隧道后期運營安全，本次施工采取以下防排水加強措施:①隧道拱墻防水板背后環向設置凸型排水板(寬50 cm，厚1 cm)排水，縱向間距4～5 m；②環向施工縫采用中埋式橡膠止水帶+背貼式橡膠止水帶，仰拱及底板兩道止水帶之間預埋可維護性注漿管，外徑20 mm；③縱向施工縫防水在先澆筑的混凝土頂面涂刷水泥基滲透結晶防水涂料兩層；④變形縫處全環設置中埋式橡膠止水帶+背貼式橡膠止水帶，拱墻變形處襯砌外緣與防水板結合部位以聚硫密封膠封堵，襯砌內緣3 cm范圍內以聚硫密封膠封堵，以外2 cm范圍內設置U型鍍鋅鋼板接水盒，其余空隙采用填縫材料填塞密實。

5 現場監測及實施效果

5.1 地表沉降監測方案

監測斷面布置在DK1825+300～DK1825+360段地表，沿中線方向縱向每10 m設置一處沉降觀測樁，橫向兩側各15 m范圍內每5 m設置一處沉降觀測樁，即7個監測點，DK1825+300～DK1825+360段地表共設置49個沉降觀測點。地表下沉采用水準儀加測微器觀測，在沉降曲線基本水平時為止。

5.2 監測結果及分析

(1)由于監測數據較多，選取DK1825+330典型監測斷面的1#～7#監測點進行沉降數據分析。其中，1#～3#監測點位于沖溝上游(線路左側)，4#監測點位于隧頂，5#～7#監測點位于沖溝下游(見圖5～圖6)。

圖5 DK1825+330斷面4#測點沉降速率曲線

圖6 DK1825+330斷面地表各測點累計沉降曲線

由圖5可知，隧道開挖5 d內地表土體基本處于快速沉降期，但變形速率一直在減小；11 d時沉降速率有個突變，根據施工報告推測為下雨導致的土體強度降低，引起地層變形短暫加劇；15 d以后地表沉降速率接近0，說明隧道周圍土體基本穩定。

從圖6可得出幾點信息:①沖溝上游土體沉降普遍大于沖溝下游，表明隧道施工對較高處的坡體影響更大；②按沉降理論，隧道開挖中線的地表沉降理應最大，但實際上距線路中線5 m的3#測點沉降最大，表明注漿加固等施工措施起到了穩定地層的作用；③隧道開挖沿橫向的強影響范圍為沖溝上游10 m至下游5 m，其余范圍地層所受施工影響較弱。

(2)單獨選取隧道地表正上方的3#監測點，對監測期內DK1825+300～DK1825+360段的7個監測斷面的沉降數據進行縱向變形分析。

如圖7所示，各斷面縱向地表變形呈峰狀分布，320斷面的累計沉降最小，兩端的地層變形加大。一方面由于蓋挖段土體軟弱，加上處于雨季，監測段兩端處于高坡，蓋挖施工難免對坡體造成擾動；另一方面原因為320斷面基本處于蓋挖段中心，受兩端的坡體影響最小。

圖7 DK1825+300～DK1825+360各斷面測點沉降曲線

6 結論

本文針對蒙華鐵路安山隧道跨溝谷淺埋段蓋挖法施工進行綜合研究，現場實施效果良好，主要結論如下:

(1)蓋挖法與明挖法各有適用范圍，現場選擇淺埋段工法時應綜合考慮經濟性、安全性、環保性等要求，特別是雨季施工或地表水較豐富時，應優先考慮蓋挖法。

(2)洞外引流、隔水措施以及洞內防排水措施是重中之重，特別是洞內施工，應注意接縫等易滲漏處的防水施工，以保證隧道后期運營安全。

(3)地表注漿的主要作用是加固地層、降低地層滲透性。注漿施工時，應根據開挖范圍和地層巖性合理設置注漿加固范圍和深度；大范圍注漿前應進行試驗，保證注漿體擴散范圍、強度和抗滲性。

(4)從地表變形監測分析來看，沖溝上游土體沉降普遍大于沖溝下游，且護拱兩端的坡體地表沉降較中心段更大，施工過程中應注意采取相應措施進行防范。