經(jīng)棚隧道風積沙圍巖開挖支護施工技術(shù)

李曉兵

（中鐵電氣化局集團有限公司，北京 100000）

0 引言

集通鐵路線是西北地區(qū)與東北地區(qū)間的一條最便捷的區(qū)際鐵路道路，也是內(nèi)蒙古自治區(qū)內(nèi)部的東西向主通道。經(jīng)棚隧道是集通鐵路電氣化改造工程項目的控制性工程及重難點工程。經(jīng)棚隧道全長1474m，其中1174m 洞身全部處于風積粉細砂地層。風積砂具有無黏性、結(jié)構(gòu)碎散、抗剪能力弱、自穩(wěn)能力差、顆粒粒徑細、含水量少、保水性差、毛細不發(fā)達、外力擾動結(jié)構(gòu)易破壞等特點[1]。目前，我國在風積沙地區(qū)區(qū)進行隧道施工的實例較少。筆者根據(jù)經(jīng)棚隧道施工研究提出一種風積沙隧道施工技術(shù)。

1 工程概況

經(jīng)棚隧道位于內(nèi)蒙古克什克騰旗經(jīng)棚鎮(zhèn)境內(nèi)，為單洞雙線隧道，全長1474m，隧道最大埋深約70m。隧道進口至出口段縱坡為5‰的下坡。其中959m 處于粉細沙Ⅵ級圍巖地段，施工中存在塌方等風險，需對Ⅵ級圍巖進行地表注漿，開挖進度慢，工期風險大，為全線重點工程。

2 準備工作

2.1 施工準備

施工前由先經(jīng)棚隧道進行施工調(diào)查。正式施工前15d，即組織開挖設(shè)備、人員、主要材料及半成品進場，做到提早籌劃、提前準備。并對參加本工程施工管段的施工人員進行動員，明確分工，責任到人，各盡其責。

2.2 技術(shù)準備

工程開工前組織技術(shù)交底和安全交底，對上崗工人進行崗前培訓(xùn)，針對實際施工操作進行專業(yè)培訓(xùn)，并組織考試，合格以后方能上崗。技術(shù)準備工作做到“項目齊全、標準符合、內(nèi)容完備、超前謀劃、交底指導(dǎo)、檢查落實”。

2.3 洞內(nèi)外控制測量

（1）隧道施工前，先完成洞外控制網(wǎng)測量工作。

（2）隧道洞內(nèi)測量控制網(wǎng)采用導(dǎo)線控制測量方法，依據(jù)控制測量成果修正控制測量，實時監(jiān)控對施工中線進行糾偏。

3 施工方案

3.1 洞身開挖支護總體方案

隧道施工采取多種機械配套人工輔助組織實施，無軌運輸。開挖工法根據(jù)設(shè)計文件來確定，Ⅵ級圍巖采用超前地質(zhì)預(yù)加固3 臺階臨時仰拱法施工[2]。隧道開挖施工前，遵循先超前地質(zhì)預(yù)報，根據(jù)地質(zhì)水平和鎖腳加固，依據(jù)測量放樣開挖。

施工步距：Ⅵ級圍巖：初期支護封閉成環(huán)距掌子面步距不大于35m，二次襯砌距掌子面步距不大于70m[3]。

開挖進尺要求：Ⅵ級圍巖上臺階每一次開挖進尺不大于1 榀拱架間距。

3.2 地質(zhì)加固

隧道風積沙圍巖洞頂覆土厚度介于10～25m 的地段采用地表旋噴樁加固。洞頂覆土厚度大于25m 地段采用洞內(nèi)水平旋噴樁加固。拱墻范圍樁徑0.8m，間距0.6m，咬合20cm，樁長15m，掌子面范圍按照樁徑0.8m，2.5m×2.5m 梅花形布置，樁長15m；為提高水平旋噴樁抗剪強度，拱部120°范圍水平旋噴樁內(nèi)插入φ89鋼管進行預(yù)加固。上、中臺階鋼架鎖腳錨管采用φ600旋噴樁先加固地層后插入φ42 鋼管進行加固[4]。

3.3 三臺階臨時仰拱法開挖

3.3.1 工法簡介

隧道采用旋噴樁預(yù)加固、三臺階臨時仰拱法施工。施工前先地表旋噴樁加固，中臺階跟進上臺階開挖，步距控制5～8m，上臺階施工時安裝橫撐做為臨時仰拱，確保上臺階支護封閉成環(huán)，距中臺階5～8m 后施工下臺階，下臺階邊墻開挖與中臺階一樣，仰拱支護及時跟進，一次支護到位，形成上、中、下臺階3 個工作面。為確保隧道開挖安全，中臺階開挖過程中拆除上臺階臨時仰拱[5]，一次拆除一榀，上臺階臨時仰拱至少保留3 榀。

3.3.2 技術(shù)參數(shù)

Ⅵ級圍巖（加寬180cm）襯砌斷面跨度13.46m×高度12.33m。隧道超前支護根據(jù)隧道埋深分為地表旋噴樁加固和洞內(nèi)水平旋噴樁加固。隧道加固地表旋噴樁樁徑1.2m，咬合0.2m，布設(shè)寬度19.46m，梅花型布置；隧道底至隧道頂部以下除隧道洞身部分為實樁，隧道頂5m 以上為空樁，掌子面開挖范圍內(nèi)每2m 將5 根旋噴樁打設(shè)至墻角高程；洞內(nèi)水平旋噴樁直徑為0.8m，樁間距0.6m，樁長15m，每循環(huán)咬合3m，拱部120°范圍內(nèi)插φ89 鋼管，間距0.6m；掌子面加固旋噴樁直徑0.8mm，按隧道斷面梅花形布置，間距2.5m×2.5m，樁長15m；鎖腳旋噴樁直徑600mm，樁長6m，插入2 根φ42鋼管，角度斜向下45°。

隧道初期支護采用掛鋼筋網(wǎng)噴射C25 混凝土，拱部單層200mm×200mm φ8 鋼筋網(wǎng)；拱部設(shè)置組合中空錨桿及邊墻設(shè)置砂漿錨桿[6]1m 環(huán)向×1m 縱向，錨桿長4m。拱墻架設(shè)鋼架，噴射混凝土厚度320mm，鋼架采用I25a 型鋼鋼架，每0.5m 一榀，鋼架縱向連接采用C22螺紋鋼筋內(nèi)層布置，預(yù)留變形量為15～20cm；采用φ42×3.5mm 熱軋無縫鋼管作為鎖腳錨管[7]，錨管長5m。

3.3.3 工藝流程

作業(yè)內(nèi)容主要如下：超前預(yù)加固、支護施工、上臺階開挖支護、中臺階開挖支護、下臺階開挖支護、監(jiān)控量測、澆筑仰拱、二襯施工。

3.3.4 施工方法、操作要求

將隧道斷面分為3 個臺階進行開挖，施工流程：按設(shè)計尺寸開挖隧道①部架設(shè)臨時仰拱橫撐并支護→①部掘進達5～8m 后噴混凝土→①、②、③、④部繼續(xù)開挖→施工拱墻防水→施作已完成仰拱填充段的拱墻防水、二襯，具體步驟如下。

（1）上臺階采用人工配合銑挖頭開挖，人工開挖土體部分，銑挖頭開挖深入掌子面旋噴樁，開挖后初噴上臺階，小型挖掘機上臺階清渣至中臺階，裝載機下臺階出渣。

（2）上臺階清渣完畢，上臺階進臺架、測量、運送拱架，上臺階掛網(wǎng)、立拱，打設(shè)鎖腳錨桿，噴漿。人工配合銑挖頭中臺階開挖后，挖機中臺階清渣，裝載機下臺階出渣。

（3）中臺階立拱，打錨桿（管），下臺階出碴完成，棧橋下施作中心水溝。

（4）上臺階退臺架、安裝臨時仰拱，中臺階噴混凝土，臨時仰拱噴混，下臺階掛網(wǎng)、立拱，打設(shè)鎖腳錨桿，噴漿。

（5）上、中臺階人工配合銑挖頭開挖，下臺階繼續(xù)出渣，棧橋下施作仰拱。

（6）上臺階退臺架，中、下臺階扒渣、出渣，棧橋下仰拱及填充混凝土施工；進入下一循環(huán)。

具體施工工序及技術(shù)措施。

先采用小導(dǎo)管支護，支護完成后，開挖“①”區(qū)域，開挖循環(huán)進尺1 榀拱架，初次噴射混凝土，安裝鋼架及橫向臨時鋼支撐，施作鎖腳錨桿。安裝縱向連接筋，鋪設(shè)φ8 鋼筋網(wǎng)；噴射C25 混凝土，確保“①”區(qū)域開挖后盡早封閉成環(huán)。

“①”區(qū)域開挖5～8m 后，開始進行“②”區(qū)域開挖，開挖循環(huán)進尺2 榀拱架，初次噴射混凝土，安裝鋼架，采用栓接與“①”區(qū)域鋼拱架連接牢固，安裝鎖腳錨桿。安裝縱向連接筋，鋪設(shè)φ8 鋼筋網(wǎng)，噴射C25 混凝土，“②”區(qū)域開挖后及時支護。

“②”區(qū)域開挖支護5～8m 后，按“③”區(qū)域尺寸進行開挖，開挖每循環(huán)進尺2 榀拱架。初次噴射混凝土，安裝鋼架，采用栓接與“②”區(qū)域的鋼拱架連接牢固，安裝鎖腳錨桿。安裝縱向連接筋，鋪設(shè)φ8 鋼筋網(wǎng)，噴射C25混凝土，“③”區(qū)域開挖后及時支護。

待“③”區(qū)域開挖支護5～8m 后，按“④”區(qū)域尺寸進行開挖仰拱，開挖每循環(huán)進尺不大于3m，。安裝鋼架，采用栓接與“③”區(qū)域的鋼拱架連接牢固，安裝鎖腳錨桿。安設(shè)縱向連接筋并綁扎φ8 鋼筋網(wǎng)，噴射C25 混凝土，整體成環(huán)。隧道開挖施工步序斷面如圖1 所示。

圖1 隧道開挖施工步序斷面

經(jīng)棚隧道出口地表旋噴樁樁徑1.2m，樁間距為1m，掌子面開挖范圍內(nèi)每2m 將5 根旋噴樁打設(shè)至墻角高程，因此上臺階開挖每4 榀為一個循環(huán)。因此上臺階每循環(huán)第一榀開挖時嚴禁挖斷整根旋噴樁，待第二榀開挖時挖掉整根旋噴樁，并在架設(shè)拱架之前初噴上臺階拱架背后及掌子面，噴射厚度為4cm。第三榀開挖完成后在架設(shè)拱架之前初噴上臺階拱架背后及掌子面，噴射厚度為4cm，以穩(wěn)固掌子面。

在初期支護封閉成環(huán)后、二次襯砌施工前需安排初支背后空洞檢測，根據(jù)檢測結(jié)果對初支背后空洞進行專項處理。初支背后空洞采用注漿法處理，根據(jù)初支背后空洞的位置、深度、大小選取適當長度的注漿管進行注漿，注漿管采用φ50×3.5mm 的熱軋無縫鋼管，管口設(shè)止?jié){閥，管底深入空洞底部，采用徑向防塞注漿施工工藝進行注漿。

3.4 輔助工程施工方案

3.4.1 鋼架施工

（1）制作。在鋼筋加工場內(nèi)，嚴格按照設(shè)計圖紙進行鋼材放樣下料并做好標記，拱架制作前先根據(jù)拱架設(shè)計尺寸制定加工胎具。下料完成后分節(jié)焊接制作，制作時嚴格控制加工誤差，確保每節(jié)的弧度與尺寸均符合要求，每節(jié)兩端連接板采用焊，兩節(jié)之間連接板采用螺栓連接牢靠，加工后必須進行驗收并進行試拼，嚴禁不合格品出場[8]。

（2）安裝。拱架半成品運至洞內(nèi)驗收合格后，存放至拱架存放支座上，其下方置于穩(wěn)固的地層上，拱腳高度低于上部開挖底線以下15～20cm。拱腳開挖超深時，加設(shè)鋼板或混凝土墊塊，安裝后利用鎖腳錨桿定位。超挖較大時，拱背噴填同級混凝土。兩排鋼架間用連接鋼筋縱向連接牢固。

3.4.2 鎖腳錨管施工

水平旋噴樁加固區(qū)域，上中臺階采用φ600 旋噴樁先加固地層后插入φ42 鋼管，旋噴樁及φ42 鋼管角度下傾45°。豎向加固每側(cè)拱腰及臨時支撐交點處均設(shè)2 根（部分地方設(shè)4 根）鎖腳錨管，鎖腳錨管采用φ42×3.5mm，長度L=4m，注水泥砂漿。鎖腳錨管應(yīng)與鋼架連接牢固?？v向間距同格柵拱架同步，采用M30 水泥砂漿進行注漿。

3.4.3 砂漿錨桿施工

砂漿錨桿采用風鉆鉆錨桿孔，垂直結(jié)構(gòu)面打入，高壓風吹孔，孔內(nèi)注滿高強砂漿，然后安裝墊板，墊板螺帽密貼巖面。錨桿尾端與拱架盡量焊接。

3.4.4 鋼筋網(wǎng)片安裝

鋼筋網(wǎng)支護施工在錨桿支護施工完成后進行，采用成品網(wǎng)現(xiàn)場安裝。

掛網(wǎng)：初噴混凝土及錨桿施工完成后進行掛網(wǎng)施工。通過作業(yè)臺架，人工鋪設(shè)，鋼筋網(wǎng)片間用焊接連接，采用鉆孔設(shè)備輔助固定，確保與巖面密貼。

焊聯(lián)：掛好網(wǎng)片后，將網(wǎng)片之間的接頭以及網(wǎng)片鋼筋和錨桿頭、鋼架等焊接牢固，避免網(wǎng)片超出噴混凝土厚度和噴混凝土時網(wǎng)片晃動[9]。

3.4.5 噴射混凝土施工

（1）施工前，先進行基面的清理，必要時先噴一薄層水泥砂漿，待終凝后再噴射混凝土，確保控制首層粗骨料的回彈量。

（2）噴射混凝土作業(yè)采用機械手輔以人工作業(yè)，分段、分片、分層依次進行，噴射混凝土應(yīng)每環(huán)應(yīng)及時封閉。按照先墻后拱，自下而上的噴射順序施噴。

（3）噴射速度要適當，以利于混凝土的壓實。風壓過大，噴射速度增大，回彈增加；風壓過小，噴射速度過小，壓實力小，影響噴射混凝土強度。

（4）噴射混凝土時先噴射鋼架背后與圍巖間的空隙，噴射密實后，再噴射鋼架與鋼架間的混凝土，鋼架與噴混凝土形成一體，鋼架應(yīng)全部被噴射混凝土覆蓋[10]，保護層厚度滿足要求。

4 結(jié)語

針對風積沙隧道施工特點，結(jié)合集通鐵路經(jīng)棚隧道施工情況。通過超前加固、注漿加固和及時封閉等方式來提高圍巖的自承能力。施工過程中“超前支護、分步開挖、隨挖隨護、密閉支撐、勤快量測”的原則[11]，形成一套風積沙隧道施工技術(shù)。通過技術(shù)應(yīng)用有效的保障了風積沙隧道過程的可控性和施工的安全性，取得了較好的實施效果，為后續(xù)類似工程提供參考。