大斷面隧道下穿黃土淺埋溝施工技術

摘要：隧道地質復雜多樣對施工安全造成威脅較大，黃土地質屬于隧道施工的不良地質施工安全風險較大，再疊加淺埋、大斷面因素等，使得施工安全風險大大加劇。本文以西延高速鐵路新延安隧道為例，針對該隧道大斷面下穿黃土淺埋溝谷段落的施工難度，以監(jiān)控量測、超前地質預報為指導，選擇合理的開挖工法和支護參數，通過嚴密的施工組織及有效的控制措施，控制了圍巖變形量，降低了施工風險，對類似大斷面黃土地質淺埋隧道施工具有重要的參考意義。

關鍵詞： 大斷面隧道、淺埋溝谷、三臺階預留核心法、圍巖監(jiān)控量測

1 工程概況

1.1 新延安隧道工程概況

新延安隧道位于甘泉至延安市寶塔區(qū)之間，起訖里程DK273+756～DK289+756，全長16.0km。隧道設計為單洞雙線，最大埋深約250m，最小埋深約13m。隧道進口洞身主要穿越黃土溝壑梁峁區(qū)，地面高程1125m～1280m，黃土梁頂狹窄，地形被呈西北-東南走向的大型“U”型溝谷切割，支脈“V”型沖溝均強烈發(fā)育，多呈樹枝狀，溝谷下切劇烈，兩側岸坡陡峻，黃土滑坡、溜坍等不良地質發(fā)育。

洞身主要地層為第四系上更新統(tǒng)風積砂質黃土，屬于弱富水區(qū)，隧道單位正常涌水量920 m3/d·km，正常涌水量為2501 m3/d。最大涌水量為7502 m3/d。部分沖溝內有常年流水，湫沿山以北地表水匯入延河，以南地表水匯入洛河。

1.2 淺埋溝谷段概況

新延安隧道進口工點施工區(qū)域洞身分別在DK274+150～+260段穿越地表淺埋溝谷，溝谷隧道頂部覆土為黃土，淺埋段隧道埋深分別為14m（DK274+223）及13m。根據現場調查，溝谷地表干燥、無低洼積水處，溝谷兩側山體為砂質黃土，直立性較好，見下圖：

2 西延高鐵新延隧道下穿淺埋溝谷段施工技術

2.1? 設計支護參數

新延安隧道洞身穿過溝谷淺埋段時，對溝內水疏導，以防止地表水下滲，并加強量測。DK274+150～+260淺埋溝谷段超前支護采用9m長Φ89中管棚，外插角6-8°，環(huán)向間距0.6m，縱向搭接3m;配合Φ42小導管進行，長3.5m，外插角10-15°，環(huán)向間距0.6m，縱向搭接不小于1m，拱部140°范圍設置;襯砌類型采用Ⅴ膨脹土：初期支護采用工25a型鋼鋼架，縱向間距0.6m/榀，設φ8雙層鋼筋網，全環(huán)設置，邊墻范圍設φ22砂漿錨桿長4m，間距1.2×1.0（環(huán)×縱）;C25噴射混凝土35cm。二次襯砌采用C40鋼筋混凝土，厚60cm。

2.2 施工方法及步驟

新延安隧道進口淺埋溝谷段開挖采用三臺階預留核心土法施工。

施工步驟：施工準備→地表處理→超前地質預報→監(jiān)控量測→超前支護→開挖→初期支護→初期支護封閉成環(huán)→監(jiān)控量測→下循環(huán)開挖、支護→施作鋼筋混凝土仰拱、填充混凝土→施作復合襯砌。

①施工準備

1）穿越溝谷前， DK274+150～+260段淺埋下穿淺埋為防止地表水下滲，對溝內排水進行疏導。

2）加強地表沉降監(jiān)測、洞內沉降及變形監(jiān)測，發(fā)現異常及時采取加固措施。

②超前支護

拱部140°范圍內采取9m長Φ89中管棚，環(huán)向間距0.6m，縱向搭接3m;配合長3.5mΦ42小導管進行，環(huán)向間距0.6m，縱向搭接不小于1m。

③開挖

開挖以人工配合機械開挖為主，腳墻、拱墻等隅角處應預留60～70cm厚土體，采用小型設備或人工開挖，且不應超挖。各臺階平行作業(yè)，平行施作初期支護，各臺階初期支護應銜接緊密，及時封閉成環(huán)。

利用上一循環(huán)架立的鋼架施作隧道超前支護，環(huán)形開挖每循環(huán)進尺不得大于0.6m。開挖后及時施作錨噴支護、安裝拱架支撐及鎖腳錨管;擴大拱腳在拱部140°兩側拱腳處，進行擴大拱腳開挖，底部拱背擴挖50cm。

④初期支護

采用I25a拱架，拱部間距0.6m;拱腳位于設計標高位置;拱架連接板螺栓必須上齊且擰緊，拱架間采用φ22鋼筋縱向連接成整體，在拱架的頂部按設計要求鋪設鋼筋網，鋼筋網采用φ8，雙層滿鋪，環(huán)縱向搭接長度不得小于1個網格。

邊墻系統(tǒng)錨桿采用HRB400Φ22全螺紋砂漿錨桿，尾部設置墊板，單根長均為4.0m。砂漿錨桿環(huán)縱向間距1.2*1.0m，錨桿必須垂直巖面打設;上、中、下臺階拱腳處左右兩側各打設2根長4.0mφ42鎖腳錨管，錨管與鋼架連接處采用“L”筋焊接牢固。鎖腳錨管內灌不小于M20水泥砂漿。

噴射混凝土采用C25混凝土，35cm。噴混凝土前必須用高壓風將巖面的粉塵或雜物清理干凈。及時埋設圍巖監(jiān)控量測測點。噴射混凝土必須平順，飽滿，密實。

2.3 施工控制要點

①超前支護

超前小導管打設方向盡量與線路方向一致，角度、間距及導管長度滿足設計要求。超前小導管打設時盡量不外露。

②開挖

機械開挖時，派專人對開挖作業(yè)進行指揮，防止大型機械對已支護好鋼架進行碰撞損壞。臺階與臺階距離控制在5m～8m距離，禁止同一斷面開挖。仰拱初支一次開挖不大于3m。通過監(jiān)控量測掌握圍巖和支護的變形情況及時調整支護參數和預留變形量。

③初期支護

完善洞內臨時排水系統(tǒng)，防止地下水浸泡拱墻腳。拱架連接板螺栓必須上齊且擰緊、連接板密貼。鎖腳錨管內灌不小于M20標號水泥砂漿。噴射混凝土必須平順，飽滿，密實。局部坍塌超挖過大時，必須采用同標號混凝土回填密實。

2.4 施工注意事項及相關措施

①隧道施工應嚴格控制進尺，每次開挖盡快施作初期支護并封閉成環(huán)，堅持“管超前、短開挖、強支護、勤量測、早封閉”的原則。

②隧道施工應優(yōu)先采用機械開挖，嚴禁放炮。腳墻、拱墻等瞬角處應預留60～70cm厚土體，采用小型設備或人工開挖，且不應超挖。

③施工中應建立完善的地表變化及洞內收斂變形監(jiān)控量測系統(tǒng)，使變形量測果統(tǒng)化，并作為指導施工的依據。應將現場監(jiān)控量測作為一道工序認真執(zhí)行，使其作為確保施工安全、調整初期支護參數、信息化施工提供依據，根據反饋信息修正設計參數，改進施工方法，確保安全和質量。

④隧道錨噴施工支護的施工工序，應按開挖、初噴、布設錨桿、掛網或架立鋼架、復噴的步驟進行。在第一次開挖完成后，隧道斷面位移速度最大，應及時施做初期支護，約束圍巖早期變形。

⑤采取有效措施進行加固，以防止拱頂鋼架下沉。如強對鋼架的徑向固定措施、加強錨桿和鋼架的焊接;加強對鋼架的鎖腳固定措施;必要時加設鋼架基礎連接縱梁，擴大開挖庭腳、防止鋼架懸空，及時噴射混凝土進行覆蓋;加強對鋼架的應力和變形監(jiān)測;防止施工過程中的碰撞和損環(huán)。

⑥隧道施工時應加強對淺埋地段地表沉降觀測和巡查，對天然出現的地表裂縫及時采用灰土夯填、水泥灌漿等措施封閉處理。

⑦施工前及施工過程中應對地表裂縫的分布情況進行詳細調查及監(jiān)測，并對地表裂縫進行及時封閉，確保施工安全。

3 超前地質預報

利用地質調查法、電磁波反射法（地質雷達）、地標補充地質調查法（地表調查）及超前水平鉆孔探明前方地質。對淺埋溝谷段圍巖的地質雷達反射波信號較少，振幅能量較弱，介電常數無明顯變化。根據預報和鉆探確定淺埋段洞身為上黃土，與地表鉆孔資料相符，設計參數能夠確保施工安全不予以調整。

4 監(jiān)控量測數據分析

本淺埋段布設監(jiān)測斷面21個，每個斷面包含地表沉降、拱頂沉降和水平收斂測點。其中地表沉降單日變形量最大為2.2mm，累計值最大為6.6mm;拱頂沉降單日變形量最大為3.7mm，累計值最大為14.9mm;水平收斂單日變形量最大為4.4mm，累計值最大為19.0mm。

DK274+223斷面地表沉降最大測點為DK274+223DB00和DK274+223DB01，累計值均為2.2mm，單次變形值最大為0.9mm，沉降值較小。

DK274+223GD00累計值為3.9mm，單日變形量變化范圍為0.6-2.5mm。從變形趨勢上看在該斷面開挖后第7天達到最大累計值4.5mm，其后數據趨于穩(wěn)定。

DK274+223斷面的上臺階收斂值為0.2mm，中臺階累計值為2.9mm，下臺階累計值為9.4mm。相比較而言，下臺階變形明顯大于中上臺階，下臺階開挖后第5天達到累計值8.9mm，占變形總量的94.7%，后續(xù)變形趨于穩(wěn)定。

經上述對圍巖監(jiān)控量測數據分析，淺埋段監(jiān)測數據變化較小，隧道開挖施工未對淺埋段洞內及地表產生較大變形，施工過程中方法得當未對圍巖造成較大擾動，支護措施可靠。

5? 結論

西延高鐵新延安隧道在穿越淺埋溝谷段施工時，設計與施工緊密配合，充分利用地勘和超前預報確定淺埋溝谷段地質，科學確定開挖方法和支護參數。施工前完成地表排水疏導、監(jiān)控量測樁的埋設及監(jiān)測、洞內做超前地質預報和地質核對等準備工作，為隧道掘進提供有力的技術保障。施工過程中超前先行，嚴格控制開挖工藝，工序緊密銜接，及時施做超前支護、初期支護快速封閉成環(huán)，及時再洞內布設圍巖監(jiān)控量測測點，盡快獲取初始數據，并對測量數據進行分析。以超前地質預報和監(jiān)控量測為指導，快支護、及時封閉，高效、快速、安全的完成了黃土地質淺埋溝谷段的施工，施工過程中圍巖變形量小，安全得到了保證。充分肯定了施工開挖方法和措施得當，支護措施可靠性、安全性。為新建西延高速鐵路后續(xù)大斷面淺埋黃土及泥巖隧道施工提供借鑒，為后續(xù)高鐵大斷面隧道穿越黃土高原提供施工參考。

作者簡介：王雙存（1985年7月出生），男，甘肅靜寧人，研究生學歷，現從事鐵路工程施工管理、質量安全監(jiān)督工作。

中國鐵路西安局集團有限公司工程質量監(jiān)督站 陜西 西安 710054