高鐵隧道淺埋段小管棚結合地表反壓回填的施工技術

彭學軍

（中鐵五局集團第一工程有限責任公司，湖南 長沙 410017）

1 工程概況

楊家灣隧道進口端位于湖南省懷化市石羊哨鄉楊家灣村，為時速350km單洞雙線隧道，隧道全長1116m，洞內設單面8.5‰下坡，最大埋深約80.31m。項目部承建長度為637m的施工任務。該隧道區屬沅麻紅層盆地，為丘陵地貌，地勢起伏較大，丘間多有狹長溝谷，多呈“V”或“U”字型。山坡自然坡度一般為14～50°，局部較陡峻；溝谷內多發育溪流，溝底出露基巖，丘坡表層覆蓋有全新統粉質黏土，植被茂密，沿溝谷局部分布農田及村莊。隧道巖性以泥質粉砂巖、粉砂巖、泥質砂巖及泥質等軟硬巖互層，以泥質粉砂巖為主；預測該隧道正常涌水量為314.7m3/d，最大涌水量為472.14m3/d。

2 隧道地質環境

2.1 地質巖性

隧址區地層主要為第四系（Q）、白堊系上統第二巖組（K2）。第四系殘坡積層（Qel+dl）分布于沿線的丘坡表層，主要為粉質黏土，局部夾碎石，局部含鐵錳結核，一般厚度為0.3～1.3m。隧址區穿過白堊系紅層地層，巖性主要為泥質粉砂巖、粉砂巖、泥質砂巖及泥質等軟硬巖互層，以泥質粉砂巖為主，強～弱風化，中厚層狀，節理裂隙發育，巖體破碎，錘擊即碎，屬軟質巖。

2.2 地質構造

該隧道區位于沅麻紅層盆地，經歷了漫長多期的地質演變，未見明顯的地質構造發育。

2.3 水文地質條件

（1）地表水特征。隧道區地表水主要為溝谷江水及溪流水，不發育，以大氣降水及基巖裂隙水補給為主；溝谷中多有溪流發育，但流量不豐富。（2）地下水特征。地下水為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水，較發育。該段地表水，地下水無化學侵蝕作用。第四系孔隙潛水以潛水形式賦存于基巖第四系松散孔隙中，受大氣降水補給，含水不均一；巖裂隙水主要賦存于基巖的風化裂隙中，巖體受風化影響而破碎，透水性較強，含水較均一。（3）水文地質分析。該隧道埋深為0～81.64m，受風化作用影響，節理裂隙較發育，巖體較破碎，節理裂隙發育帶附近有一定的透水性。主要可能涌水部位分布在節理裂除發育、溝谷溪流發育等地段，當隧道開挖至富水區后易產生小規模的靜態水突水釋放，對施工造成一定程度的影響。

3 小管棚加固機理

小管棚注漿技術是管棚支護技術和小導管注漿技術的綜合體。首先將無縫鋼管制作的管棚與型鋼拱架焊接在一起，隧道開挖后該結構起到良好的支撐作用；然后通過無縫鋼進行注漿，使開挖導致的松散土層凝結形成整體，提高隧道頂部圍巖的整體性和自承能力。小管棚加固的原理主要總結為三個部分：（1）支撐效應；（2）注漿加固效應；（3）承載效應[1-5]。

4 施工實例

4.1 地表反壓回填

根據設計圖紙，該隧道淺埋段施工長度為50m，埋深為2～4m，隧道洞頂地表為松軟土質覆蓋層，且需下穿通過一條鄉村水泥道路。為確保施工安全，保障鄉村道路的通行，順利渡過該淺埋段，需對隧道暗挖前先進行地表反壓回填，再施工暗洞開挖，同時對鄉村道路進行改線設計。隧道淺埋段平面圖如圖1所示。（1）地表反壓回填厚度按拱頂開挖線以上≥6m的厚度進行填筑。（2）回填材料采用水泥摻量為10%的水泥土進行回填，回填前清理地表植被和浮土。回填土密實度≥0.9，粒徑≤15cm，并不得含有石塊、碎磚、灰渣及有機雜物，也不得采用帶有膨脹性的黏土。回填施工應均勻進行，并分層夯實，人工夯實每層厚度不得＞0.25m，機械夯實每層厚度不得＞0.3m。（3）因隧道淺埋段洞頂位于山體沖溝處，且山坡較陡，雨季時受雨水的沖刷大，為防止雨水沖刷，在反壓回填后，回填區外既有水溝10m范圍內采用M10漿砌片石鋪砌，厚度為35cm，坡率為2%，以便與拱頂水溝相接，利于雨水匯集。隧道淺埋段縱斷面如圖2所示。（4）回填時，隧道中心線洞頂地表左側部分按1∶10坡度與自然地表順接，隧道中心線右側8m范圍內按1∶5坡度回填，隧道中心線右側8m范圍外按1∶2坡度與自然地表順接，并設骨架護坡防護。隧道淺埋段橫斷面如圖3所示。

4.2 小管棚注漿施工

圖1 隧道淺埋段平面圖（單位：m）

圖2 隧道淺埋段縱斷面圖（單位：cm）

圖3 隧道淺埋段橫斷面圖（單位：cm）

待地表反壓回填處理完畢后方可進行隧道暗挖工作。經過優化設計，隧道開挖采用三臺階開挖法，同時選用小管棚注漿法對泥質粉砂巖進行預加固處理。（1）注漿小管棚采用φ50mm×5m的無縫鋼管，管頭加工成尖錐形；管身鉆注漿孔，孔徑為10mm，孔距15cm，尾部預留＞30cm長度作為預留止漿段，呈梅花形布置，具體形式如圖4所示。（2）小管棚前段插入圍巖，后端與型鋼鋼架進行焊接連接。注漿導管為雙層間隔布置，底層角度為15～20°，頂層角度為5～10°；注漿管長3m，采用φ50mm鋼管，布設間距為1.5m×1.0m；中下臺階小管棚的外插角為15～20°，布設間距為0.5m×1.5m。（3）用粘有CS膠泥的麻絲繩繞成不小于鉆孔直徑的紡錐形柱塞，把管子插入孔內，再頂入要求的深度，使麻絲柱塞與孔壁充分擠壓密實，然后在麻絲與孔口空余部分填充CS塑膠泥，使注漿管和止漿塞固定。（4）為防止冒漿，在注射漿液前噴C20混凝土結合鋼筋網封閉掌子面阻止漿液外冒。（5）注漿。①通過試驗檢測巖層的吸水性，同時檢查注漿管路情況和止漿塞。②注漿遵循先稀后濃原則。首先用清水清洗注漿管路，然后注單液漿，慢慢提升注漿壓力至2.0～2.5MPa，如果遇到局部冒漿情況，及時采用雙液漿進行封堵。單液漿水灰比以及雙液漿水泥水玻璃比值可根據現場施工實際情況進行調整。③采用分級壓法進行注漿，壓力逐漸升高直到規定壓力。

圖4 φ50mm鋼管構造示意圖（單位：mm）

5 注意事項

（1）該隧道淺埋段的地表發育水溝，施工應避開雨季，先施工截水天溝，利用截水天溝將雨水引至自然溝下游。（2）截水天溝設置位置距回填線≥5m，截水天溝與地表水溝兩端順接。（3）反壓回填暗挖施工段應避免爆破施工，以人工配合機械開挖為原則，確需爆破施工時應采用控制爆破，振動速度≤2cm/s，以防回填段坍塌。（4）小管棚縱向搭接長度必須滿足設計與規范要求，與型鋼鋼架焊接牢固，確保支護的安全和穩定。（5）每環小管棚的外插角偏差＜5°。（6）做好圍巖沉降、收斂觀測記錄，觀測圍巖變化情況。

6 結束語

（1）該隧道淺埋段施工采用小管棚注漿結合地表反壓回填法，關鍵是以管棚為骨架通過注漿加固一定范圍內的巖土層，加之地表反壓回填后采用漿砌片石進行鋪砌，組成洞內外聯合防護體系，形成具有較強承載能力的改良加固帶，有效解決了隧道開挖后引起的冒頂、坍塌等地質災害。（2）小管棚施工雖然作業循環次數多，加固范圍較小，但與大管棚相比，具有機動靈活、材料簡單、操作方便、機具簡易等優點，且很快形成超前支護體系，效果顯著。