鐵路隧道淺埋松散地層出洞施工技術探討

沈琦

（中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司，四川成都 611130）

1 依托工程背景

1.1 工程概況

浩吉鐵路（項目名稱為蒙華鐵路），為國家“北煤南運”新的戰(zhàn)略大通道，全長1813.5 公里。新建浩吉鐵路土建工程18 標段位于河南省南陽市境內，正線長度為49.787km。浩吉鐵路土建工程18 標段方山1 號隧道長1135m，隧道采用單洞雙線形式，內設置4.9‰單面上坡。隧道以剝蝕丘陵為主，相對高差80～160m 左右，隧道最大埋深165m，大部分基巖裸露，局部地段有殘破積土層分布。

1.2 主要地質情況及病害

方山1 號隧道出口段表層為第四系殘坡積層，粉質黏土,棕黃色～棕紅色，含少量碎石，硬塑，厚0～1.0m。下伏Z1 變凝灰?guī)r、綠泥片巖，灰綠色，中厚層狀，巖質較軟，強風化～弱風化，巖體破碎～較破碎。

方山1 號隧道出口段地表巖溶中等發(fā)育，受到降雨長期侵蝕作用，出口段邊坡形成了巖石與松散土層（殘坡積層）的交接面，抵抗變形能力差，隧道開挖施工擾動后，在自重的作用下易發(fā)生脫落、透頂，嚴重時造成初期支護嚴重變形，侵入二襯施工界限的情況。

1.3 亟待解決的施工難題

在此技術背景下，針對方山1 號隧道淺埋松散地層的出洞施工，亟待解決兩大施工問題：

（1）如何選擇圍巖支護襯砌類型，確保隧道結構穩(wěn)定，

（2）采用何種方案處理淺埋松散地層，確保隧道安全出洞。

2 施工中遇到問題及過程處理措施

2.1 出口段支護類型加強措施

方山1 號隧道距離洞口0～25 米隧道埋深為0～13m，距離洞口0～15 米為松散殘坡堆積體，距離洞口15～45 米地表溶槽發(fā)育。

根據超前地質預報情況和現(xiàn)場踏勘實際情況，對出口段圍巖級別和襯砌類型進行了提前的預判和調整，具體調整情況見表1。

表1 方山1 號隧道進口K0+0～+45 段變更情況

2.2 開挖過程中初支開裂變形情況

方山1 號隧道在距離洞口19～35 米時開挖過程中，受到出口段邊坡松散體的影響，開挖段和已經支護段圍巖穩(wěn)定性開始逐漸變化，并且日趨嚴重，主要變化表述見表2。

表2 方山1 隧道出口段開挖過程中初支變化情況統(tǒng)計表

2.3 紅色預警出現(xiàn)情況

方山1 號隧道在中臺階距離洞口19-18 米時開挖過程中，監(jiān)控量測數(shù)據出現(xiàn)紅色預警情況，數(shù)據統(tǒng)計見表3。

表3 方山1 號隧道出口段監(jiān)控量測情況表

監(jiān)控測量數(shù)據出現(xiàn)紅色預警后，方山1 號隧道內也出現(xiàn)了嚴重的次生病害，具體病害情況說明如下：

（1）線路右側巖土從距離洞口16 米位置向大里程發(fā)生局部滑落；

（2）距離洞口15～20 米的洞頂?shù)乇硗裂貛r性分界線發(fā)生開裂沉陷；

（3）距離出洞口15 米的位置已噴護的邊坡表層連帶滑塌；

（4）距離洞口27～15 范圍尚未封閉成環(huán)段右側及拱頂拱架整體下沉變形。

2.4 紅色預警處理情況

方山1 號隧道出現(xiàn)紅色預警出現(xiàn)后，立即暫停所有開挖作業(yè)，對線路右側已開挖的中臺階進行了堆渣反壓，并對距離洞口15～20 米范圍右側上中臺階接頭處開展注漿加固處理。

采取加固措施后，監(jiān)控量測值逐漸趨于穩(wěn)定，初支變形得到有效控制。此時，經測量復核斷面，方山1 號隧道距離洞口15～33 米范圍發(fā)生變形較大、初支侵限嚴重，距離洞口15～27米實測初支斷面侵限情況見表4。

表4 方山1 號隧道進口段實測初支斷面侵限情況

3 出洞方案研究與實施

由于方山1 號隧道紅色預警的出現(xiàn)，導致隧道距離洞口位置15 米時提前出洞，導致原設計方案無法實施。經過各參與方的研究，提出了拱部采用“暗洞明做”施工方案。即清除表層松散體后，在明洞的情況下施工格柵鋼架、噴射混凝土等初期支護措施，同時輔助其他措施加強拱部穩(wěn)定性。拱部“暗洞明做”施工完成后，再進行初支嚴重侵限部位的換拱施工，二襯施工完成后回填表土后成洞。

3.1“暗洞明做”施工方案

“暗洞明做”施工方案具體說明如下：

（1）K0+27～+15 段，中臺階、下臺階部位增加臨時橫撐，橫撐采用φ159 鋼管；線路左、右側拱墻部位（格柵鋼支撐A 單元拱腳向上2m 范圍以下）進行徑向注漿加固，采用Φ42 鋼花管，注漿深度5m。

（2）K0+15～+0 段，上臺階部位增加臨時仰拱，并與A 單元鋼架焊接豎向增加橫3 排豎撐，支撐均采用φ159 鋼管；鋼架外側澆筑素混凝土回填，對外露邊仰坡進行防護，防護厚度不小于1.0m，坡度1:1～1：2，混凝土標號采用C15。

具體施工方案見圖1。

施工后的效果見圖2。

3.2 實施期間監(jiān)控量測情況

施工期間，距離洞口13 米、18 米的兩個監(jiān)測點出現(xiàn)了日變化量3.91mm、4.74mm，達到黃色預警值。預警發(fā)生時，現(xiàn)場正在對K0+15 右側邊墻進行徑向注漿加固處理，預警原因分析為：“由于該段埋深較淺，圍巖風化嚴重，結構松散、空隙率較大，在注入較多漿液后（約12m3），初支背后巖體自重增加，受徑向注漿施壓（設計1～1.5Mpa）共同作用，初支受力加大發(fā)生收斂變形，造成預警”。

圖1“暗洞明做”施工方案示意圖（圖片版）

圖2“暗洞明做”施工方案效果圖

預警發(fā)生后，現(xiàn)場立即暫緩了徑向注漿，對K0+27～+15 段回填洞碴并開展施做臨時仰拱等上述其它加固措施，最后再進行注漿，并采取了“間歇注漿，線路左右側注漿間隔交替進行，同時嚴格控制單孔注入量，并在注入率較大時降低注漿壓力”措施。采取措施后，現(xiàn)場施工期間，該段監(jiān)控量測值變化減小，日變化量和累計變化量未再超過預警值。

3.3 侵限部位換拱施工方案

現(xiàn)場將按照三臺階臨時仰拱法施工工序，嚴格控制開挖進尺和臺階步距，做到每循環(huán)開挖不超過1 榀鋼架距離，逐榀施做下部臨時仰拱或仰拱封閉成環(huán)后，再逐榀拆除上部臨時仰拱，并根據施工進度同步開展徑向注漿工作。

待進口段開挖、初支及注漿加固全部施工完畢后，先施做仰拱混凝土，在最大限度確保圍巖穩(wěn)定和隧道結構安全前提下，再進行侵限嚴重段的換拱施工。

施工過程中，加強監(jiān)控量測和觀察工作，當監(jiān)控量測數(shù)據出現(xiàn)異常時，及時采取應急措施。

4 結論

浩吉鐵路方山1 號隧道出口段45 米范圍內，埋深0～13m，受到巖溶地表水長期侵蝕影響，隧道到巖石與松散巖體分界線明顯，形成了軟弱互層。松散巖體由于自穩(wěn)能力能力差，自重、地應力等直接施加于隧道初期支護，造成了隧道局部初期支護嚴重變形，初期支護侵入二襯限界，發(fā)生了多次監(jiān)控量測紅色預警。針對實際地質情況，首先提出了支護類型加強的方案，當松散覆蓋層小于5 米時，提出了“暗洞明做”的施工方案，取得了良好的效果，處理完成后，支護結構穩(wěn)定，監(jiān)控量測數(shù)據未出現(xiàn)超限。目前浩吉鐵路已經開通，通過運營情況來看，處理效果良好，形成的隧道淺埋松散地層出洞施工技術對國內外類似工程施工有著重要的指導意義。