淺埋軟巖大跨度鐵路隧道施工技術(shù)的應(yīng)用分析

摘要 淺埋軟巖大跨度鐵路隧道施工復(fù)雜，質(zhì)量控制難度高。為提升大跨度鐵路隧道工程質(zhì)量，該文結(jié)合某鐵路隧道項(xiàng)目，分析淺埋軟巖大跨度鐵路隧道施工技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)，以此明確軟弱圍巖區(qū)域，淺埋大跨度鐵路隧道支護(hù)、開挖的工藝要點(diǎn)，規(guī)范特殊鐵路隧道工程建設(shè)中的施工行為，為我國鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的完善打好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 淺埋軟巖；大跨度；鐵路隧道；施工技術(shù)

中圖分類號(hào) U456.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）15-0123-03

0 引言

社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，鐵路隧道建設(shè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大。但由于鐵路隧道建設(shè)范圍廣，施工環(huán)境復(fù)雜，部分淺埋軟巖區(qū)域的隧道施工風(fēng)險(xiǎn)增加。為滿足大跨度鐵路隧道在軟巖區(qū)域的建設(shè)要求，應(yīng)結(jié)合淺埋、軟弱圍巖條件下的隧道施工特點(diǎn)，明確鐵路隧道施工技術(shù)要點(diǎn)，制定更完善的鐵路隧道施工方案，為我國鐵路隧道建設(shè)事業(yè)提供助力。

1 項(xiàng)目概況

某鐵路隧道工程，全長10 218 m，隧道里程DK127+610～DK155+708。隧道洞身位于直線，內(nèi)部縱坡分別為7‰、-19.5‰、-5.5‰、-1‰。2 #、3 #、出口橫洞交通條件良好，1 #隧道包含斜井，交通條件較差。隧道建設(shè)區(qū)域?yàn)檐浫鯂鷰r，Ⅱ級(jí)圍巖長36 785 m，Ⅲ級(jí)圍巖長度為8 060 m，Ⅳ級(jí)圍巖長為2 017 m，Ⅴ級(jí)圍巖長230 m。圍巖結(jié)構(gòu)包含巖漿巖、變質(zhì)巖、構(gòu)造巖，由大理石巖、片巖夾片麻巖、夾片巖、剝離斷層糜棱巖組成。

2 軟弱圍巖相關(guān)概述

軟巖通常可分為地質(zhì)軟巖、工程軟巖兩種類型。相對(duì)于其他巖石類型，軟巖在一定條件下塑性應(yīng)變、流變規(guī)律特殊。其中，地質(zhì)軟巖是指孔隙率大、巖體膠結(jié)程度差、強(qiáng)度低，部分巖體結(jié)構(gòu)面風(fēng)化嚴(yán)重的松、散、軟、弱巖層[1]，如泥巖、頁巖、片巖等都屬于地質(zhì)軟巖。工程軟巖則是指因?yàn)楣こ淌┕ず奢d導(dǎo)致巖體塑性變形明顯的工程巖體。

鐵路隧道軟弱圍巖主要指地質(zhì)軟巖，具體包括地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)育好，但巖體結(jié)構(gòu)被破壞或處于巖層之間破碎帶、斷層處的巖體，以及已經(jīng)風(fēng)化的巖體。部分軟弱圍巖是指黃土、泥巖等低強(qiáng)度巖體。軟弱圍巖特征較為明顯，即不承受拉應(yīng)力時(shí)，巖體結(jié)構(gòu)為均勻連續(xù)體，但因?yàn)槭┕ず奢d巖體需要承受壓應(yīng)力時(shí)，巖體結(jié)構(gòu)則具有彈塑性，且整體抗壓強(qiáng)度低，導(dǎo)致施工過程中的變形、位移風(fēng)險(xiǎn)增加。

3 大跨度隧道軟弱圍巖穩(wěn)定性影響因素

大跨度隧道軟弱圍巖施工中，隧道施工行為會(huì)與圍巖結(jié)構(gòu)相互作用、相互影響，使得圍巖穩(wěn)定性、工程施工安全受到影響。隧道開挖前，軟弱圍巖結(jié)構(gòu)內(nèi)部初始應(yīng)力處于穩(wěn)定、平衡狀態(tài)，隧道掘進(jìn)后，開挖作業(yè)會(huì)使巖體初始地應(yīng)力受到破壞，圍巖應(yīng)力重新分布。對(duì)于普通圍巖結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性良好，應(yīng)力重新分布后可維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[2]。但對(duì)于軟弱圍巖，巖體結(jié)構(gòu)塑性變形風(fēng)險(xiǎn)大，應(yīng)力破壞后會(huì)存在圍巖開裂、頂板冒落、邊墻擠入、頂板彎曲下沉、底板鼓裂、巖爆等風(fēng)險(xiǎn)隱患，圍巖穩(wěn)定性受損。影響隧道圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素較多，具體可體現(xiàn)在以下方面：

（1）地質(zhì)因素。巖體在地殼運(yùn)動(dòng)作用下，地層結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，巖體層包含裂隙、斷層、夾層等軟弱區(qū)域。該類巖體力學(xué)強(qiáng)度低，塑性變形阻力小，地質(zhì)條件差，隧道開挖時(shí)會(huì)直接影響巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此隧道開挖應(yīng)結(jié)合圍巖巖性特征進(jìn)行。比如，開挖軟弱圍巖時(shí)，需提前預(yù)測分析應(yīng)力重新分布后巖體結(jié)構(gòu)的塑性風(fēng)險(xiǎn)、松動(dòng)規(guī)律，通過超前支護(hù)，保障圍巖穩(wěn)定性[3]。

（2）工程因素。隧道斷面形狀大小、開挖線路、支護(hù)工藝、矢跨比等因素都會(huì)影響隧道圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。尤其是大跨度鐵路隧道，隧道跨度大，應(yīng)力分布不均，拱部應(yīng)力增加時(shí)，對(duì)圍巖擾動(dòng)較大，繼而影響隧道圍巖整體穩(wěn)定。

（3）地下水因素。施工區(qū)域的地下水會(huì)導(dǎo)致隧道施工支護(hù)結(jié)構(gòu)、隧道軟弱圍巖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生額外荷載，圍巖內(nèi)摩擦力減小，巖體破壞風(fēng)險(xiǎn)大。

4 淺埋軟巖大跨度鐵路隧道施工技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

4.1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

項(xiàng)目隧道出口區(qū)域線路和站臺(tái)橋XX河特大橋相鄰，屬于橋隧連接形式。該區(qū)域隧道線路為過渡加寬段，大跨度鐵路隧道里程為DK139+720～DK139+767，開挖斷面15 m×20.1 m。地質(zhì)條件為片麻巖夾片巖，為全風(fēng)化－強(qiáng)風(fēng)化軟弱圍巖，擬采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行隧道開挖施工，大跨段進(jìn)行超前支護(hù)，支護(hù)參數(shù)如表1所示。

（1）施工準(zhǔn)備

隧道出口段為淺埋Ⅴ級(jí)圍巖，采用雙側(cè)導(dǎo)坑法開挖，錨桿、鋼管棚、注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)。為保障隧道開挖時(shí)圍巖加固效果，應(yīng)結(jié)合雙側(cè)導(dǎo)坑法施工設(shè)計(jì)方案，試驗(yàn)?zāi)M錨桿、長管棚超前預(yù)支護(hù)后，軟弱圍巖物理力學(xué)參數(shù)，優(yōu)化隧道開挖施工[4]。比如，項(xiàng)目所用超前支護(hù)鋼架為I25a全環(huán)支護(hù)鋼架，間距0.5 m，初期支護(hù)時(shí)錨噴30 cm厚C35混凝土，配合雙側(cè)導(dǎo)坑法，可提升隧道出口段開挖時(shí)的初期支護(hù)彈性模量，使其物理力學(xué)參數(shù)符合《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10003—2016）中的要求，如表2所示。

（2）技術(shù)要點(diǎn)

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是基于新奧法，分割大斷面隧道，將其劃分為多個(gè)洞室，避免大斷面、淺埋隧道開挖的安全風(fēng)險(xiǎn)，有助于減少對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，預(yù)防圍巖變形。

1）基于雙側(cè)導(dǎo)坑法施工設(shè)計(jì)，實(shí)施超前支護(hù)工藝。每循環(huán)進(jìn)尺1 m，支護(hù)區(qū)域不得小于1 m。超前支護(hù)、隧道開挖作業(yè)循環(huán)進(jìn)行。比如，先進(jìn)行拱頂小導(dǎo)管注漿支護(hù)作業(yè)，后開挖左側(cè)導(dǎo)洞上臺(tái)階。

2）開挖上部兩側(cè)導(dǎo)坑時(shí)，應(yīng)在隧道拱部超前支護(hù)后，同時(shí)開挖左右兩側(cè)導(dǎo)坑。開挖后初噴C35混凝土，架設(shè)橫縱向鋼拱架、錨桿作為超前支護(hù)結(jié)構(gòu)。后噴射C35混凝土，直至混凝土厚度符合設(shè)計(jì)值。

3）開挖左、右兩側(cè)臺(tái)階。上臺(tái)階開挖長度大于5 m后，開挖中臺(tái)階，左、右臺(tái)階開挖面錯(cuò)開3 m。中臺(tái)階開挖時(shí)，取消上臺(tái)階臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，開挖后初噴混凝土，混凝土厚度4 cm。后實(shí)施噴射混凝土、設(shè)置錨桿、鋼筋網(wǎng)片等支護(hù)結(jié)構(gòu)，連接鋼架，復(fù)噴混凝土[5]。噴射混凝土前，應(yīng)檢查開挖斷面，預(yù)防超欠挖風(fēng)險(xiǎn)，隧道工程允許超挖值，如表3所示。

4）開挖上、中、下臺(tái)階中間區(qū)域的巖體。各臺(tái)階巖體因分區(qū)域開挖，開挖面錯(cuò)開6 m，臺(tái)階開挖進(jìn)尺1 m，伴隨超前支護(hù)作業(yè)，直至隧道底部結(jié)構(gòu)開挖、支護(hù)形成閉環(huán)。

5）左右兩側(cè)導(dǎo)坑施工時(shí)，應(yīng)拉開前后施工距離，施工間距應(yīng)大于10 m。開挖導(dǎo)坑中間土體時(shí)，應(yīng)超前支護(hù)約30～50 m。

6）導(dǎo)坑開挖后，隧道拱部鋼架、兩側(cè)壁拱架連接難度大，應(yīng)準(zhǔn)確定位鋼架結(jié)構(gòu)，確保各區(qū)域支護(hù)鋼架處于相同垂直面，鋼架安裝允許偏差如表4所示。

4.2 超前支護(hù)工藝

超前支護(hù)針對(duì)淺埋軟弱圍巖隧道的“先支后挖”工藝，可控制大跨度鐵路隧道掌子面前圍巖結(jié)構(gòu)變形，預(yù)防掌子面坍塌、失穩(wěn)等風(fēng)險(xiǎn)。項(xiàng)目基于雙側(cè)導(dǎo)坑法，輔以鋼管棚、注漿小導(dǎo)管等超前支護(hù)工藝，通過注漿、打入鋼管、錨桿等方式，使大跨度隧道橫斷面形成拱形連續(xù)體，加固隧道淺埋開挖面，支撐軟弱圍巖，確保開挖區(qū)域巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，控制地表沉降量[6]。

（1）項(xiàng)目采用鋼管棚為Φ108 mm、壁厚4 mm的鋼管。管棚、鋼拱架從隧道拱架穿過。施工人員應(yīng)沿隧道開挖輪廓線縱向鉆孔，外插角3 °，孔徑大于管棚鋼管直徑約20 mm。鋼管前端加工為尖錐形，尾部焊接Φ10 mm加勁筋。入巖區(qū)域設(shè)置梅花形注漿孔，孔徑Φ12 mm，注漿孔間距15 cm。

（2）進(jìn)行超前小導(dǎo)管施工。超前小導(dǎo)管為Φ42 mm、壁厚3.5 mm鋼管。施工時(shí)，應(yīng)先測量放線，確定隧道開挖線路，定位小導(dǎo)管中心線。其次，鉆孔施工，孔眼深度應(yīng)大于導(dǎo)管設(shè)計(jì)長度。鉆孔后頂入小導(dǎo)管，頂入長度大于實(shí)際管長90%。最后，應(yīng)用液壓注漿機(jī)注漿。注漿前噴射C35混凝土封閉隧道開挖面，預(yù)防漏漿，首次噴射厚度應(yīng)大于5 cm。注漿過程中，導(dǎo)管尾部設(shè)封堵塞，排氣孔出漿后應(yīng)停止注漿。

（3）設(shè)置φ22 mm超前錨桿。錨桿鉆孔前應(yīng)結(jié)合大跨度隧道設(shè)計(jì)要求、軟弱圍巖特點(diǎn)，標(biāo)記孔位。鉆孔應(yīng)圓而直，孔徑、孔深符合設(shè)計(jì)要求后，高壓風(fēng)吹孔，清理孔內(nèi)殘?jiān)⒎e水。整平錨桿孔口后，安裝錨桿，配合特制墊板調(diào)整錨桿位置。最后灌注砂漿，張拉錨桿，預(yù)張拉力值為錨桿錨固力的55%，張拉后緊固錨桿。項(xiàng)目采用D25中空注漿錨桿，錨桿長度3.5 m。

（4）設(shè)置鋼筋網(wǎng)。項(xiàng)目采用φ6圓鋼鋼筋網(wǎng)，鋼筋間距5 cm×15 cm。現(xiàn)場單根安裝，連接錨桿，搭接長度大于200 mm。安裝后錨固鋼筋網(wǎng)，確保噴射混凝土?xí)r鋼筋網(wǎng)不晃動(dòng)。施工前應(yīng)清除鋼筋網(wǎng)片表面銹蝕，根據(jù)受噴面起伏安裝，安裝位置、受噴面間距小于3 cm。可噴射1層混凝土后鋪裝鋼筋網(wǎng)，首層噴射混凝土厚度大于5 cm。鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)時(shí)，網(wǎng)格尺寸偏差應(yīng)控制在10 mm以內(nèi)，搭接長度偏差控制在50 mm以內(nèi)。

（5）噴射混凝土?xí)r，應(yīng)沿隧道開挖面垂直方向自下而上開挖，水平開挖面從左到右噴射。隧道圍巖表面凹凸不平時(shí)，應(yīng)先噴射凹處，找平后整體噴射混凝土，噴射速度不宜過快，應(yīng)均勻、緩慢噴射混凝土。分層噴射混凝土?xí)r，各層平均厚度應(yīng)大于設(shè)計(jì)厚度80%，最小厚度大于設(shè)計(jì)厚度2/3，噴射區(qū)域平整度應(yīng)符合要求，側(cè)壁平整度允許偏差5 cm，拱部平整度7 cm。注意控制混凝土水灰比、噴射角度，確保混凝土覆蓋支護(hù)面鋼筋網(wǎng)，24 h強(qiáng)度大于10 MPa。

4.3 隧道襯砌及排水

（1）大跨度軟弱圍巖鐵路隧道仰拱、回填區(qū)域應(yīng)實(shí)施“仰拱先行”原則，配合仰拱棧橋進(jìn)行回填作業(yè)。施工過程中人工配合機(jī)械清底，基底無巖溶、無雜物后全幅段澆筑仰拱混凝土。

（2）分次填充仰拱，實(shí)時(shí)監(jiān)測隧道內(nèi)邊墻、拱部位置位移數(shù)據(jù)，確定襯砌時(shí)間。項(xiàng)目采用洞身、拱墻一次襯砌工藝。隧道拱頂預(yù)埋壓漿管，壓漿管間距5 m，符合襯砌要求后，澆筑混凝土，襯砌圍巖結(jié)構(gòu)。為確保混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)度，混合料應(yīng)集中拌和，由混凝土專用運(yùn)輸車運(yùn)輸、泵送入模。

（3）全幅隧道二次襯砌時(shí)，拱部、邊墻、仰拱混凝土抗?jié)B等級(jí)應(yīng)大于P10。可在初期支護(hù)、二次襯砌作業(yè)間隔時(shí)間內(nèi)，設(shè)置EVA防水板、分離式土工布，設(shè)置防水緩沖層。EVA防水板厚度大于1.5 mm，用量為350 g/m2。

（4）環(huán)向施工縫采用1 m寬排水板、止水帶防水。縱縫內(nèi)埋設(shè)鋼板止水帶，外貼止水帶。變形縫采用內(nèi)埋鋼板止水帶+外貼止水帶+灌注嵌縫材料等復(fù)合防水工藝。

（5）隧道排水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為雙側(cè)排水溝+隧道中心區(qū)域矩形水溝。雙側(cè)溝匯集內(nèi)部地表積水，中心區(qū)域矩形水溝負(fù)責(zé)排水。隧道內(nèi)積水配合環(huán)向、縱向排水管流入側(cè)面排水溝后，經(jīng)10 cm PVC管連接中心矩形排水溝排放積水。全隧道防水板后環(huán)向安裝透水盲管，邊墻腳設(shè)盲溝，盲溝間距3～6 m。

4.4 變形監(jiān)測

結(jié)合淺埋軟巖大跨度鐵路隧道地形特征、開挖及支護(hù)工藝，加強(qiáng)隧道洞內(nèi)外沉降、變形監(jiān)測，預(yù)防拱頂下沉、地表下沉等不均勻沉降風(fēng)險(xiǎn)。項(xiàng)目采用無接觸圍巖量測技術(shù)、隧道施工監(jiān)測技術(shù)，實(shí)時(shí)采集隧道雙側(cè)壁開挖時(shí)的隧道圍巖結(jié)構(gòu)變形、地表沉降變形等數(shù)據(jù)，全斷面監(jiān)控施工變形風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，指導(dǎo)隧道施工作業(yè)，完善淺埋軟巖大跨度隧道施工方案。

5 結(jié)語

綜上所述，為提升淺埋軟巖大跨度鐵路隧道建設(shè)質(zhì)量，應(yīng)結(jié)合隧道建設(shè)區(qū)域地質(zhì)條件、施工環(huán)境，應(yīng)用超前支護(hù)、雙側(cè)壁導(dǎo)坑等工藝，約束隧道開挖進(jìn)洞時(shí)的施工行為，預(yù)防圍巖變形風(fēng)險(xiǎn)，保障淺埋軟巖區(qū)域大跨度隧道施工安全、施工質(zhì)量，提升鐵路隧道建設(shè)技術(shù)水平，滿足新時(shí)期鐵路隧道安全、高效建設(shè)要求，助力鐵路交通行業(yè)發(fā)展。

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收稿日期：2024-05-12

作者簡介：林鵬（1991—），男，本科，工程師，目前從事工程管理工作。