重載鐵路隧道仰拱施工關鍵技術應用?以中條山隧道為例

張獻偉，洪開榮，陳鴻，常翔

重載鐵路隧道仰拱施工關鍵技術應用?以中條山隧道為例

張獻偉1，洪開榮2，陳鴻1，常翔2

(1. 中鐵隧道局集團二處有限公司，河北 三河 065201；2. 中鐵隧道局集團有限公司，廣東 廣州 511458)

為解決軟巖隧道仰拱采用傳統臺階法施工易出現的初期支護封閉不及時變形大，仰拱二襯采用傳統棧橋施工存在的質量缺陷多、安全性差的問題，依托浩吉鐵路中條山隧道對仰拱施工技術進行了研究和創新，提出仰拱和下臺階一次開挖技術和仰拱二襯大區段技術。同時針對高地應力、第三系泥巖地層及富水地段等不良地質仰拱施工技術進行了研究和優化。研究結果表明：仰拱和下臺階一次開挖快速封閉成環技術在變形控制、安全性、工效均比傳統臺階法好；仰拱二襯采用24 m大區段技術在仰拱整體質量，安全性均比傳統棧橋施工要好；高地應力段采取早封閉、強支護等措施有效解決了變形較大的問題。第三系泥巖地層采用碎石換填并注漿加固解決了仰拱承載力不足和基底通水問題。富水地段增設獨立排水系統解決了地下水對仰拱的侵蝕，降低了地下水對仰拱的作用力。通過浩吉鐵路全線多條隧道的應用以及一年多的鐵路運營檢驗證明了仰拱系列施工技術的安全性和適用性，對軟巖隧道仰拱施工具有較高的應用價值。

重載鐵路；單線隧道；仰拱施工；關鍵技術

重載鐵路隧道由于受到重載列車作用隧道基底結構更容易產生疲勞損傷和破壞[1]。通過調查相關文獻資料[2?5]，我國開通的四條重載鐵路隧道基底均出現了不同程度的病害，病害類型主要為基底結構破損、翻漿冒泥、基底下沉等。文獻資料分析主要原因為基底設計不合理、軟弱圍巖劣化、地下水影響、施工工藝不當和施工質量缺陷、列車振動沖擊荷載等原因造成。在設計標準已基本確定的情況下，如何通過施工方法或施工工藝改進來提高仰拱受力特性就成為了施工當中需要解決的重要課題。基底圍巖條件越差，基底結構變形就越大[6]，所以軟巖隧道仰拱施工是重點和難點。目前軟巖隧道一般采用臺階法或其他不同分步開挖方法，傳統臺階法施工一般均把仰拱開挖作為單獨工序進行管理，存在著支護封閉不及時變形大、安全隱患多的問題。國內業界對臺階法施工和仰拱作用機制進行了非常多的研究[7?10]，普遍認識是仰拱越早施作效果越佳越能發揮仰拱作用，盡早完成初期支護封閉是控制圍巖變形的有力措施。基于這一點，在傳統臺階法的基礎上提出了仰拱和下臺階一次開挖快速封閉成環技術，使仰拱的開挖、支護與下臺階同步進行，以實現初期支護快速封閉成環。基于傳統仰拱棧橋施工造成的仰拱接縫多、質量缺陷多、安全性差的問題，提出了仰拱二襯大區段施工技術，目的就是改善仰拱作業條件，推動仰拱向機械化方向發展，從而達到減少仰拱施工縫，提高仰拱整體質量和施工安全的目的。中條山隧道在施工中本著發現問題、分析問題、解決問題的思路對仰拱施工技術進行了研究和創新，仰拱和下臺階一次開挖快速封閉成環技術及仰拱二襯大區段技術通過在浩吉鐵路全線多條隧道的推廣應用，確認了2項技術的安全性和適用性。施工中還對高地應力、第三系泥巖地層及富水地段等不良地質仰拱施工技術進行了研究和優化。這些仰拱施工技術通過浩吉鐵路開通運營一年多的時間檢驗證明是可靠的。因此，很有必要對仰拱施工技術進行分析和總結，以便對其他類似鐵路施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質情況

浩吉鐵路設計為規劃年運輸能力2億t的重載鐵路。中條山隧道位于山西省運城市，設計為雙洞單線隧道，隧道左線長18 405 m，右線長18 410 m。隧道穿過的主要地層有太古界變質巖，巖性為片麻巖、斜長角閃巖、淺粒巖；震旦系和寒武系沉積巖，巖性主要有灰巖、白云巖、泥巖、頁巖；第三系半成巖礫巖、泥巖、砂質泥巖以及新老黃土等。隧道最大埋深850 m，穿越11條斷層破碎帶及影響帶，工程地質和水文地質極為復雜。

1.2 仰拱設計參數(Ⅳ級、Ⅴ級圍巖段)

Ⅳ級圍巖：Ⅳa和Ⅳb段仰拱均不設拱架，噴C25混凝土厚度10 cm。Ⅳa段拱墻為錨噴支護，Ⅳb段拱墻為H130Φ22格柵鋼架，仰拱二襯C35混凝土厚度40 cm。

Ⅴ級圍巖：Ⅴa段全環設置H160Φ22格柵鋼架，間距1 m，C25混凝土厚度23 cm，仰拱二仰C35混凝土厚度45 cm。Ⅴb段全環設置H160Φ22格柵鋼架，間距0.75 m，C25混凝土厚度23 cm，仰拱二仰C35混凝土厚度50 cm。

2 影響仰拱結構安全的主要地質因素

1) 高地應力：隧道穿越中條山F7主干斷層，埋深600～700 m，斷層及影響帶長220 m，巖體呈碎石角礫泥質弱膠結，屬于Ⅴ級軟巖，現場測試結果表明該段落區為極高地應力區。仰拱基底軟巖在高地應力段會對仰拱形成擠壓，致使隧道仰拱發生隆起變形[10]。

2) 第三系泥巖地層：隧道洞身2 350 m通過第三系富水半成巖礫巖、泥巖、砂質泥巖，基底巖體強度低，遇水易軟化。在列車動載作用下基底巖層可能會出現軟化導致仰拱出現不均勻沉降，基底破損、翻漿冒泥等病害[11?12]。

3) 地下水：2號和3號斜井正洞有約4 000 m通過發育可溶巖、泥巖、頁巖與可溶巖分界、寒武系可溶巖與第三系地層接觸帶等，地下水發育，最大涌水量每天60 000 m3/d，屬富水區。3號斜井和5號斜井2 350 m段第三系弱膠結礫巖、泥巖和砂質泥巖段日常涌水量達36 500 m3/d，屬弱富水～強富水段，承壓水頭高出隧道底板68～177 m。地下水是造成基底病害的重要因素，承壓水可使仰拱受力變形開裂等[13]。

3 仰拱施工關鍵技術

3.1 仰拱和下臺階一次開挖快速封閉成環技術

Ⅳ和Ⅴ級軟巖地段采用臺階法開挖，仰拱開挖進尺一般不大于兩榀拱架間距，仰拱初期支護與下臺階一次開挖成型緊跟下臺階，并及時封閉成環。具體步驟為：仰拱和上、下臺階同步開挖爆破，爆破后按照自上而下順序進行扒碴、立拱作業。仰拱部分洞碴預留用作仰拱回填。立拱完成后，按照自下而上順序先仰拱后邊墻再拱部順序進行噴混凝土作業。工作面安排平行作業，即上臺階立拱同時進行下臺階及仰拱出碴，出碴結束后開始下臺階及仰拱立拱，極大壓縮了仰拱封閉時間。施工流程見圖1。

技術特點：該技術與傳統臺階法的主要區別在于仰拱緊跟下臺階同步開挖，同步完成初期支護。現場監測表明相比于傳統臺階法拱頂沉降和水平收斂減小約30%左右，Ⅳ級圍巖段月進尺可達100 m左右，V級圍巖段月進尺可達80 m左右。由于仰拱快速封閉從而控制了圍巖內塑性區的發展和應力變化，從而相應地提高了圍巖的承載能力[14]。仰拱和下臺階一次開挖快速封閉成環技術在軟弱圍巖隧道具有較大的推廣意義。施工技術評價如表1所示。

圖1 仰拱和下臺階一次開挖施工工藝流程圖

表1 仰拱一次開挖施工技術評價

3.2 仰拱二襯大區段施工技術

仰拱二襯采用24 m全液壓履帶式自行棧橋施工，實現了仰拱清碴、鋼筋綁扎、模板安裝及混凝土澆筑等工序平行作業。仰拱一次清底12 m，二襯仰拱施工長度可達12～24 m。具體步驟為：每次清碴區段4～6 m，洞碴清理完成12 m后，仰拱二襯棧橋前行一次開始進入下道工序。每12 m作為一個施工單元。洞碴清理完成24 m后，仰拱棧橋就位固定。仰拱大區段施工工藝流程圖見圖2。

圖2 仰拱大區段施工工藝流程圖

技術特點：仰拱與填充層一次施工長度12～24 m，減少了仰拱施工縫，提高了仰拱整體受力性能。每一組仰拱循環時間達到90～110 h，避免了以往由于仰拱施作周期短養護不到位仰拱表層混凝土損壞情況。仰拱作業實現了半機械化作業，減少工序銜接和勞動力投入，如圖3所示。仰拱大區段施工技術評價見表2。

表2 仰拱大區段施工技術評價

圖3 仰拱棧橋空間下綁扎鋼筋和安裝模板

3.3 不良地質段仰拱施工技術

3.3.1 高地應力段仰拱施工技術

高地應力段按照原設計支護參數進行施工時存在著初支變形開裂、初支結構破壞的情況。為此，經過現場監測分析，對原設計參數進行動態優化。1)加大支護強度。初支拱架從H150格柵鋼架優化為H230格柵鋼架，同時鋼架主筋由原來Φ22調整為Φ25，拱架間距從75 cm縮小為50 cm。2) 預留變形量加大。將預留變形量從10 cm加大到30 cm。3) 對邊墻曲率進行優化。邊墻結構形式由直墻調整為曲墻形式，如圖4所示。

單位：cm

技術特點：施工必須堅持“早封閉、強支護”原則。強支護還包括增加水平長錨桿、徑向注漿等方式加固支護結構，從而使支護結構和圍巖形成整體支護體系來抵抗開挖后地應力作用。同時必須輔以仰拱與下臺階同步開挖支護及時封閉成環控制圍巖變形。通過采取綜合技術措施，未出現初支混凝土開裂剝落現象，初支鋼架結構完整。

3.3.2 第三系泥巖地層段仰拱基底加固技術

經檢測圍巖原狀土的地基承載力能滿足蒙華公司質量規定要求(≧200 kPa)，但由于仰拱施工過程產生擾動加上圍巖遇水軟化，基底清理又會出現泥化現象，造成地基承載力不能滿足設計要求。 1) 在仰拱基底采用碎石換填。開挖后人工對基底清理干凈后沿仰拱弧形圈鋪設厚度20～30 cm碎石，并采用小型打夯機夯實后施工仰拱初支，初支完成后回填洞碴。2) 基底注漿加固。在仰拱自行式棧橋就位后基底采用鋼花管注漿加固。孔深3.0 m，橫向間距1.5 m，縱向間距2.0 m，呈梅花型布置。

技術特點：在初支拱架下面鋪設碎石層形成通水水路，可減少水對泥巖的泥化程度，后期注漿加固后，碎石層能起到隔水的作用，且對碎石層下方土體加固，有效的解決了地基承載力不足的問 題[15]。注漿完成后通過取芯進行檢驗，碎石層與漿液固結效果良好達到注漿效果，水泥結石體7 d單軸抗壓強度大于5 MPa，如圖5所示。

單位：cm

3.3.3 富水地段仰拱基底排水措施

為確保仰拱基底地下水能夠及時排出，除按照常規防排水設計施工外，增設獨立排水系統疏導地下水，防止仰拱受地下水較大影響。

1) 是在仰拱中線位置縱向貫通并排鋪設3根Ф100打孔波紋管，其上覆蓋一層土工布+防水板。仰拱環向3 m設置一環Ф50打孔波紋管，其上覆蓋一層土工布+凸殼型排水板。對股狀出水點單獨增加Ф100打孔波紋管引排，環向盲管接入矮邊墻泄水孔，仰拱環向與仰拱中心縱向盲管采用三通接頭連接。仰拱內積水匯集至中部3根Ф100打孔波紋管內，當積水壓力較大時，管內積水通過環向盲管引流至矮邊墻泄水孔排出，如圖6所示。

2) 對仰拱基底壓力水泄壓。對部分水壓較大地段，沿隧道水溝打設Φ50泄水降壓孔，孔間距5 m，孔深入溝槽以下5 m。在水溝底降壓孔口安設單向壓力閥門，基底壓力水升高至溝底時壓力閥自動頂開，水位下降時壓力閥自動關閉。

圖6 基底增加獨立排水系統

技術特點：通過在仰拱與圍巖界面設置獨立排水系統，降低作用在仰拱上的水壓力，抑制仰拱及填充結構開裂。在承壓水地段設置單向管閥門，使基底在承受較大水壓的情況下自動排出，防止基底混凝土填充層結構承受較大的拉應力。

4 結論

1) 仰拱與下臺階一次開挖快速封閉成環技術對控制隧道軟弱圍巖變形、工效、提高安全性方面比傳統臺階法有明顯優勢。由于仰拱支護阻力存在和減少爆破次數，降低了圍巖擾動，提高了圍巖自身承載能力。

2) 仰拱二襯大區段施工采用24 m履帶式自行棧橋施工工藝，仰拱清底、鋼筋綁扎、模板安裝、混凝土各工序分區段平行作業，保證了仰拱施工安全性，提升了仰拱整體質量，推動了仰拱施工向機械化方向發展，推動了施工技術進步。

3) 第三系弱膠結礫巖、泥巖和砂質泥巖段地層一直是隧道施工的難點。通過在初支拱架下面鋪設碎石層形成通水水路，后期注漿加固后碎石層既能能起到隔水的作用也解決了基底承載力不足的問題。從鐵路開通運營一年的現場檢查看，加固效果較好，但還需要運營長期觀察。

4) 在仰拱與圍巖界面設置獨立排水系統，使基底存在的地下水及時排出，降低作用在仰拱上的水壓力，改善仰拱受力狀態，有利于基底結構安全。

5) 高地應力段施工堅持“早封閉、強支護”原則，通過加大預留變形量和邊墻曲率調整，基本控制住了變形。施工中應把變形是否穩定作為仰拱二襯施工的依據。

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Application of key technologies in invert construction of heavy haul railway tunnel-taking Zhongtiaoshan tunnel as an example

ZHANG Xianwei1, HONG Kairong2, CHEN Hong1, CHANG Xiang2

(1. China Railway Tunnel Group Erchu Co., Ltd., Sanhe 065201, China; 2. China Railway Tunnel Group Co., Ltd., Guangzhou 511458, China)

The inverted arch of soft rock tunnel is constructed by traditional bench method, which is prone to problems that the initial support is not closed timely and the deformation is large. The traditional trestle used for the two lining of inverted arch also exists quality defects and poor safety. Moreover, the inverted arch is also influenced by groundwater, high ground stress and adverse geology. In order to solve the above problems, based on Zhongtiaoshan tunnel of Haoji railway project, the invert construction technology was explored and innovated. In addition, the technology of one-time excavation of inverted arch and lower bench and large section technology of inverted arch two lining were proposed. The main conclusions are as follows: Compared with traditional bench method, one-time excavation of inverted arch and lower bench are better in terms of the deformation control, safety and efficiency; The overall quality and safety of inverted arch two lining are higher than those of traditional trestle construction; The problem of large deformation is effectively solved by adopting measures such as early closure and strong support in high geostress section. In the Tertiary strata, gravel replacement and grouting reinforcement are applied to solve the insufficient bearing capacity of inverted arch and water supply of foundation. Furthermore, the independent drainage system is added in the water-rich section to reduce the erosion of groundwater and the force of groundwater on the invert. In summary, through the application of several tunnels along the entire line of Haoji railway and one-year railway operation inspection, the safety and extensive applicability of invert series construction technology are proved, which has high application value for invert construction of soft rock tunnel.

heavy haul railway; single track tunnel; invert construction; key technology

U25

A

1672 ? 7029(2021)01 ? 0184 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200830

2020?09?02

中國中鐵重大專項課題資助項目(2016-03)

張獻偉(1971?)，男，河南新密人，高級工程師，從事隧道施工技術研究；E?mail：635848568@qq.com

(編輯 蔣學東)