高原鐵路隧道洞口淺埋段施工技術(shù)研究

高云龍GAO Yun-long

（中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司，太原 030024）

0 引言

高原隧道所處生態(tài)環(huán)境脆弱，隧道淺埋段通常處于埋深較淺、圍巖為碎石土、粗角礫土、全風(fēng)化花崗巖等，巖體破碎、固結(jié)程度低的地層，施工方法不妥極易發(fā)生冒頂塌方或地表沉陷，危及施工安全。

本文依托高原地區(qū)某鐵路隧道，對(duì)洞口淺埋段施工技術(shù)進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析了主要施工工藝，形成了成套施工技術(shù)，可為今后類似工程施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某高原鐵路隧道，隧道洞口海拔約3000m，洞口淺埋段覆蓋層為塊碎石土，固結(jié)程度低，在降雨及日照等作用下，風(fēng)化嚴(yán)重，穩(wěn)定性差，極易發(fā)生滑塌，地質(zhì)探測(cè)揭露股狀出水、滲水，在降雨作用影響下，將進(jìn)一步加速土體軟化，形成險(xiǎn)情。[1]

2 施工要點(diǎn)

淺埋段隧道施工中對(duì)開挖方案的選擇尤為重要，做到“管超前，嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、g封閉、勤量測(cè)”，其中監(jiān)控量測(cè)是一項(xiàng)必不可少的工作環(huán)節(jié)，通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)分析，判斷圍巖初期支護(hù)的變形及滑坡體情況，合理指導(dǎo)施工安全。淺埋段落圍巖破碎以采用機(jī)械開挖為主，局部松動(dòng)爆破為輔。

淺埋段施工的防治先從工程地質(zhì)入手，采取超前加固措施，提高巖體本身結(jié)構(gòu)承載能力和控制其變形，對(duì)初期支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)，對(duì)受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善，確保變形量在可控范圍之內(nèi)。

雨季施工對(duì)淺埋段隧道施工影響很大。圍巖層間充水逐步松散軟化，擴(kuò)大松弛圈，造成支護(hù)體系破壞，同時(shí)孔隙水壓力對(duì)初期支護(hù)產(chǎn)生新的附加壓力，嚴(yán)重影響隧道施工安全，盡量避免在雨季施工淺埋段。

3 主要施工技術(shù)

在施工前，由總工組織技術(shù)人員及各級(jí)管理人員對(duì)淺埋段原地物、地貌以及裸露巖體進(jìn)行實(shí)地踏勘。組織測(cè)量隊(duì)對(duì)淺埋段按要求布點(diǎn)，及時(shí)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，并對(duì)參加的施工人員進(jìn)行技術(shù)交底和培訓(xùn)。

3.1 監(jiān)控量測(cè)

3.1.1 地表沉降量測(cè)

采用人工測(cè)量采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析加自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式對(duì)地表沉降進(jìn)行觀測(cè)。地表沉降測(cè)點(diǎn)按普通水準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)，監(jiān)測(cè)范圍在隧道開挖影響范圍以外，測(cè)點(diǎn)橫向間距為2～5m。在隧道中線附近測(cè)點(diǎn)應(yīng)適當(dāng)加密，地表觀測(cè)點(diǎn)和隧道內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在同一里程斷面，地表下沉量測(cè)必須在隧道開挖之前進(jìn)行。自動(dòng)觀測(cè)正洞每斷面設(shè)置3處，平導(dǎo)、橫洞對(duì)應(yīng)里程設(shè)置1處。

3.1.2 凈空變化量測(cè)

隧道凈空變化量測(cè)包括周邊收斂和拱頂下沉，采用全站儀無尺量測(cè)。拱頂下沉測(cè)點(diǎn)和凈空變化測(cè)點(diǎn)布置在同一里程斷面上。測(cè)點(diǎn)對(duì)稱布設(shè)，即“同面等高”，以便數(shù)據(jù)的相互驗(yàn)證。拱頂下沉、收斂量測(cè)初讀數(shù)宜在開挖后3～6h內(nèi)完成，其他量測(cè)應(yīng)在每次開挖后12h內(nèi)取得初讀數(shù)，最遲不得大于24h，且在下一循環(huán)開挖前必須完成。

3.2 預(yù)加固樁

洞口開挖前，端墻背后線路兩側(cè)各設(shè)1根矩形截面預(yù)加固樁，截面尺寸2.25m×1.5m，樁長(zhǎng)根據(jù)地質(zhì)情況確定，樁身采用C35鋼筋混凝土。

3.3 地表預(yù)加固

隧道中線兩側(cè)各4m范圍內(nèi)采用?75PVC袖閥管地表注漿加固，鉆孔直徑為?91，間距1m×1m，梅花型布置，加固范圍距襯砌間距0.5m；邊墻兩側(cè)分別設(shè)置3排?76鋼管袖閥管加固，間距1m×1m，梅花形布置，加固至坑底以下1m處。[2]

3.4 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

采用地質(zhì)雷達(dá)法/ZWT2+ZT5+加深炮孔。ZT5為施作超前取芯鉆孔1孔，若需進(jìn)一步確定其產(chǎn)狀，再施作超前鉆孔2孔，ZWT2為彈性波反射法+電磁法（地質(zhì)雷達(dá)法）。[3]

短距離鉆孔（30m以內(nèi)），連續(xù)鉆探時(shí)前后兩次預(yù)搭接長(zhǎng)度不應(yīng)小于5m，中長(zhǎng)距離鉆孔（30m～100m級(jí)），連續(xù)鉆探時(shí)前后兩次預(yù)報(bào)搭接長(zhǎng)度5m～10m，鉆孔方向均向隧道輪廓外側(cè)輻射。ZT5超前地質(zhì)鉆探示意圖見圖1。

圖1 ZT5超前地質(zhì)鉆探示意圖

地質(zhì)雷達(dá)每次預(yù)報(bào)長(zhǎng)度控制在30m以內(nèi)，在連續(xù)實(shí)施段落前后兩次搭接長(zhǎng)度不小于5m。彈性波反射法，每次預(yù)報(bào)長(zhǎng)度控制在120m以內(nèi)，開展連續(xù)探測(cè)，前后兩次搭接長(zhǎng)度不小于10m。

3.5 超前支護(hù)

3.5.1 大管棚施工

導(dǎo)向墻擴(kuò)大拱腳寬1.5m，截面尺寸為1.0m×1.0m，砼標(biāo)號(hào)C20，導(dǎo)向墻施工時(shí)，架設(shè)2榀工18鋼拱架，并預(yù)埋Φ127/146×8mm導(dǎo)向管。施作導(dǎo)向墻時(shí)預(yù)埋導(dǎo)向管，對(duì)管棚進(jìn)行編號(hào)，采用鉆機(jī)間隔打眼先打單號(hào)再施打雙號(hào)，安設(shè)完畢后采用單液注漿泵注漿，再打眼安設(shè)下一根管棚。[4]大管棚施工示意圖見圖2。

圖2 大管棚施工示意圖

3.5.2 中管棚施工

中管棚采用熱軋無縫鋼管，壁厚5mm，長(zhǎng)度9m，每5.4m/6m施做一循環(huán)，搭接長(zhǎng)度不小于3m，施做范圍144°，環(huán)向間距0.4m，外插角一般不大于10°，可根據(jù)實(shí)際情況作調(diào)整。中管棚施工圖見圖3。

圖3 中管棚施工圖

3.5.3 小導(dǎo)管施工

超前小導(dǎo)管采用42無縫熱軋鋼管制成，配合鋼架使用，其縱向搭接長(zhǎng)度不小于1m。超前小導(dǎo)管注漿壓力低，長(zhǎng)度短，單孔的擴(kuò)散半徑根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

3.6 掌子面超前預(yù)加固

淺埋段地質(zhì)較差段落采用掌子面加固，掌子面噴射厚度為3cm的混凝土進(jìn)行封閉，上半斷面采用Φ25全螺紋玻璃纖維中空注漿錨桿加固，錨桿長(zhǎng)度9m，循環(huán)搭結(jié)長(zhǎng)度3m。錨桿間距為1.2m×1.2m（1.8m×1.8m），梅花型布設(shè)，布置在上臺(tái)階。

鉆孔采用鉆機(jī)垂直于掌子面進(jìn)行鉆孔，鉆孔深度9m，梅花形布置，間距1.5m×1.5m。清孔采用高壓風(fēng)進(jìn)行，確保孔內(nèi)無松渣、積水。玻璃纖維錨桿插入孔內(nèi)的長(zhǎng)度不得短于設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的95%。注漿采用1:1水泥漿進(jìn)行注漿。玻璃纖維錨桿施工正面示意圖見圖4，縱斷面見圖5。

圖4 玻璃纖維錨桿施工正面示意圖

圖5 玻璃纖維錨桿施工縱斷面示意圖

3.7 開挖及初期支護(hù)

3.7.1 微臺(tái)階法

開挖施工過程中嚴(yán)格按照“管超前、嚴(yán)注漿、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、g封閉”的原則，根據(jù)淺埋段的地質(zhì)實(shí)際情況，采用微臺(tái)階法進(jìn)行開挖。

掌子面分①部和②部，②部滯后于①部3-5m的微臺(tái)階，施工開挖形成微臺(tái)階后，同時(shí)開挖①部和②部，根據(jù)掌子面開挖揭示情況，當(dāng)掌子面不穩(wěn)定時(shí)，采用噴砼封閉或錨桿注漿加固；施作本循環(huán)①部臺(tái)階和上一循環(huán)②部周邊的初期支護(hù)，系統(tǒng)錨桿安裝時(shí)必須設(shè)置墊板，墊板應(yīng)與基面密貼。在滯后②部3-5m后，洞渣回填③部作為施工平臺(tái)。在滯后于③部6-12后，清除④部回填。微臺(tái)階法施工正面示意圖見圖6，縱斷面圖見圖7。

圖6 微臺(tái)階法施工正面示意圖

圖7 微臺(tái)階法施工縱斷面示意圖

3.7.2 鋼架安裝

根據(jù)測(cè)設(shè)的位置，各節(jié)鋼架在掌子面以螺栓連接，連接板應(yīng)密貼。為保證各節(jié)鋼架在全環(huán)封閉之前置于穩(wěn)固的地基上，安裝前應(yīng)清除各節(jié)鋼架底腳下的虛碴及雜物，在鋼架基腳處設(shè)槽鋼以增加基底承載力，同時(shí)每側(cè)安設(shè)2根鎖腳錨管將其鎖定。鋼架按設(shè)計(jì)位置安設(shè)，在安設(shè)過程中當(dāng)鋼架和初噴層之間有較大間隙應(yīng)每隔2m用砼預(yù)制塊楔緊，鋼架背后用噴砼填充密實(shí)。為增強(qiáng)鋼架的整體穩(wěn)定性，將鋼架與錨桿焊接在一起。鋼架縱向連接采用鋼管（鋼筋），環(huán)向間距1m。

3.7.3 低預(yù)應(yīng)力錨桿

根據(jù)采用錨桿臺(tái)車或鑿巖機(jī)鉆孔，鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度后，高壓風(fēng)清孔。清孔后，將樹脂卷裝入孔底，再將安裝好的錨桿插入孔道，一端安上安裝工具，使用工廠提供的釬尾，利用風(fēng)炮扳手轉(zhuǎn)動(dòng)錨桿，以達(dá)到攪勻樹脂錨固劑。靜置3～5分鐘，帶錨固劑凝固后，安裝墊板，螺母，施加預(yù)應(yīng)力5kN。安裝排氣管，排氣管采用Φ15mm硬質(zhì)塑料管，并用錨固劑將墊板四周封閉，防止漏漿。將注漿管與錨桿端頭通過快速接頭連接，開動(dòng)泵注漿，整個(gè)過程連續(xù)不停頓，一次完成，觀察到漿液從排氣管流出即可停泵。當(dāng)完成一根錨桿注漿后，迅速卸下注漿軟管并安裝至另一根錨桿，進(jìn)行注漿。[5]

3.7.4 二襯及仰拱

洞身開挖的同時(shí)，陸續(xù)將仰拱棧橋、襯砌臺(tái)車運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝，確保仰拱、二襯能夠及時(shí)施作。洞口淺埋段V級(jí)圍巖初期支護(hù)設(shè)計(jì)為全封閉鋼拱架段落的，一般地段封閉成環(huán)距掌子面距離不大于65m，其他軟弱破碎、富水、淺埋等特殊地段封閉成環(huán)距掌子面距離不大于35m，V級(jí)圍巖拱墻二次襯砌距離掌子面不宜大于150m。V級(jí)圍巖，距離洞口70m范圍內(nèi)，初支鋼拱架封閉成環(huán)距掌子面距離不大于35m，二次襯砌距離掌子面不大于90m。

3.7.5 施工排水

隧道結(jié)構(gòu)防排水采取“防、排、截、堵相結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則，充分利用結(jié)構(gòu)自身防水能力，并構(gòu)筑隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)外完善的防排水系統(tǒng)。

洞口施工前施作截水天溝，天溝設(shè)于邊、仰坡頂以外不小于5m。截水天溝宜平順，不宜設(shè)置內(nèi)凹的曲線，截水天溝溝身采用C35鋼筋混凝土，截水天溝所截水流排向附近的排水溝，保證洞口截水天溝順暢。

隧道在施工過程中掌子面滲水采用順坡自然排水方式，在掌子面沿隧道中線拉中心槽將掌子面滲水排至仰拱初支前方，避免拱腳遭受浸泡。在仰拱初支前端設(shè)置集水井，集水井長(zhǎng)寬各0.5m，底面低于仰拱開挖面不小于0.5m，采用水泵抽排至中心水溝，后續(xù)仰拱施工前清除坑內(nèi)淤泥后采用同級(jí)混凝土回填密實(shí)。污水經(jīng)洞口污水處理站處理后排放，防止隧道污水對(duì)周邊環(huán)境造成污染。隧道內(nèi)有股裝流水時(shí)，利用軟管引排。

4 結(jié)論與建議

遵循“管超前，嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、g封閉、勤量測(cè)”的施工原則，采用洞口預(yù)加固樁、地表預(yù)加固限制洞口坡面位移，加固洞身范圍土體，超前大管棚、中管棚及超前小導(dǎo)管為開挖支護(hù)提供了保障，通過微臺(tái)階法開挖、支護(hù)及地表、洞身同步監(jiān)控量測(cè)等施工工藝，實(shí)現(xiàn)洞口淺埋段的安全、快速施工。