＊ 古井頭隧道淺埋偏壓洞身施工技術(shù)

白克彬

（中鐵十八局集團有限公司，天津 300222）

＊古井頭隧道淺埋偏壓洞身施工技術(shù)

白克彬

（中鐵十八局集團有限公司，天津 300222）

在不良地質(zhì)的大斷面雙線客運專線鐵路隧道工程施工中，針對合福鐵路古井頭隧道淺埋、偏壓、圍巖等級高穩(wěn)定性差等特點，結(jié)合現(xiàn)場實際條件對隧道施工工藝進行研究，通過加強超前管棚預(yù)支護注漿加固周邊圍巖、初期支護，合理優(yōu)化開挖方法，綜合變形監(jiān)控等手段，探討并總結(jié)適合該地質(zhì)條件的合理施工技術(shù).

客運專線鐵路隧道；大斷面隧道；不良地質(zhì)；施工工藝

1 工程概況

合福鐵路位于安徽省中南部、江西省東部、福建省東北部地區(qū)，是京福鐵路的組成部分，是我國目前興建的世界上標(biāo)準(zhǔn)最高、速度最快、技術(shù)最先進、一次性大規(guī)模投資的鐵路建設(shè)項目之一.合福鐵路閩贛段按照350 km／h的速度目標(biāo)值進行設(shè)計，隧道軌面以上有效凈空面積不小于100 m2.線路途徑主要為低山丘陵區(qū)，山勢延綿，起伏較大，植被發(fā)育良好.

古井頭隧道位于江西德興，全長101.5 m，暗洞長度僅74.5 m.屬典型的淺埋、偏壓隧道.

2 工程地質(zhì)條件

古井頭隧道從低山區(qū)一座矮山的半山腰斜穿而過，穿越地層巖性表層為覆蓋第四系殘坡積土（Qel＋dl）粉質(zhì)粘土，下浮寒武系下統(tǒng)荷塘組（∈1h）含碳泥質(zhì)灰?guī)r、含泥質(zhì)炭質(zhì)灰?guī)r.特別是出口段處粗角礫土，穩(wěn)定性差.隧道埋深最大處約25 m，進、出洞口段埋深僅0.8～2.2 m.全隧道圍巖級別均為Ⅴ級，進口段防護類型為49 mⅤb出口段為25.5 mⅤc，開挖面積達(dá)到152.4 m2以上（寬度15 m、高度12.5 m）.掘進及支護施工難度大.

隧址地形陡峭，且與山體斜交.淺埋、偏壓、圍巖等級高穩(wěn)定性差等特點，隧道呈現(xiàn)垮塌、坍塌冒頂?shù)蕊L(fēng)險事件.

3 主要施工技術(shù)和方法

3.1 總體施工方案

根據(jù)古井頭隧道開挖斷面大、淺埋、偏壓、圍巖等級高穩(wěn)定性差等特點，為了有效控制圍巖收斂變形，避免隧道開挖過程中出現(xiàn)塌方，確保結(jié)構(gòu)的安全，通過反復(fù)比選，對三臺階法、弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法兩種工法進行優(yōu)化，確定在新奧法原理組織施工基礎(chǔ)上采用大管棚超前支護，三臺階預(yù)留核心土法為主要開挖工法，仰拱快速緊跟，適時襯砌，無軌運輸.

3.2 超前預(yù)加固施工技術(shù)

由于隧道洞身圍巖為Ⅴ級，為防止開挖后失穩(wěn)造成掉塊、塌方，結(jié)合現(xiàn)場實際情況對巖體進行改良，確定在開挖前采用超前管棚預(yù)支護技術(shù)措施，超前管棚一般與鋼拱架（或格柵鋼架）以及噴射混凝土結(jié)合使用，再在管棚內(nèi)壓注充填水泥漿以增加鋼管與周圍圍巖的共同抗剪切強度，改善巖體物理力學(xué)性能，增加其自穩(wěn)能力，這樣管棚前端錨固在軟弱圍巖內(nèi)，后端承載于鋼拱架，構(gòu)成棚架預(yù)支護體系形成梁效應(yīng)、殼效應(yīng)，對開挖后的巖體應(yīng)力重新分布并承受巖體應(yīng)力，防止出現(xiàn)塌方確保施工安全通過.

3.2.1 超前管棚分類

超前管棚有大管棚與小管棚之分.大管棚又稱長管棚，一般采用每節(jié)長4～6 m熱軋無縫鋼管（φ108 mm、壁厚6 mm）以絲扣連接而成，一般隧道洞身長管棚環(huán)向間距40 cm外插角1～3°，長度49 m（見圖1，圖2）.

小管棚一般單根長4.5 m熱軋無縫鋼管（外徑42 mm、壁厚3.5 mm），環(huán)向間距40 cm外插角5～10°，每環(huán)搭接不小于1 m.在無大管棚地段也可設(shè)置雙層小導(dǎo)管，每環(huán)搭接不小于1.5 m，鋼管外徑也增大為50 mm.

3.2.2 超前管棚施工工藝

長管棚需設(shè)置導(dǎo)向墻，導(dǎo)向墻采用C20混凝土，為保證長管棚施工精度，在導(dǎo)向墻內(nèi)設(shè)2榀I18輕型工字鋼架，這樣管棚前端錨固在軟弱圍巖內(nèi)、后端有鋼拱架支撐對拱頂上部圍巖形成一個穩(wěn)定的簡支梁支撐.

在隧道圍巖較差、偏壓采用長管棚工法較能控制圍巖變形，安全性強并能加快施工進度.

長管棚施工采用頂進施工工藝，鉆孔設(shè)備為超前水平地質(zhì)鉆機，施工時先打設(shè)單號鋼花管并注漿，然后打設(shè)鋼管以便檢查鋼花管的注漿質(zhì)量.

小管棚施工采用鉆孔打入法，即先按設(shè)計要求鉆孔，將小導(dǎo)管穿過鋼架后用錘擊或鉆機頂入，壓水試驗后注漿.

注漿材料一般采用純水泥漿液（水灰比1∶1），注漿壓力大管棚為0.5～2 MPa（小導(dǎo)管為0.5～1 MPa）.

圖1 洞口大管棚正面布置圖Fig.1 Large pipe－shed the entrance front layout

圖2 大管棚超前支護縱向布置圖Fig.2 Large pipe－shed advanced support vertical layout

在古井頭隧道施工過程中，采用此種預(yù)加固措施，對保證軟弱地段的支護結(jié)構(gòu)及圍巖穩(wěn)定、確保施工安全，提供了有力保障.

3.3 洞身開挖

由于古井頭隧道橫穿粉質(zhì)粘土、含碳泥質(zhì)灰?guī)r、含泥炭質(zhì)灰?guī)r層，特別是出口段處粗角礫土穩(wěn)定性差，淺埋、偏壓，因此，防止變形和塌方是掘進施工控制的首要因素，也是制約施工方法選擇的首要因素.

同時，經(jīng)過超前管棚注漿預(yù)支護后，改善了洞內(nèi)圍巖狀況，圍巖有了一定的自穩(wěn)能力.為保證開挖后的施工安全和控制變形，確保支護結(jié)構(gòu)的安全，確定采用三臺階預(yù)留核心土法為主要開挖工法（必要時設(shè)置臨時仰拱），分上、中、下三個臺階及仰拱等作業(yè)面，各部位的開挖與支護沿隧道縱向錯開，平行推進.下臺階斷面開挖時兩側(cè)交錯進行，下臺階開挖后仰拱緊跟，以達(dá)到“短開挖、強支護、快封閉、早成環(huán)”.

施工中需解決好上下臺階施工干擾問題，下部應(yīng)減少對上部圍巖、支護的擾動.（臺階圍巖較差、穩(wěn)定性較差時在支立邊墻拱架后及時施作臨時仰拱并噴砼見圖3，圖4，圖5，P150）

圖3 三臺階法工序橫斷面示意圖Fig.3 By three－step process diagram of the cross

圖4 弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土開挖法工序橫斷面示意圖Fig.4 Cross section of curved drift excavation method of reservation core soil processes diagram

圖5 三臺階預(yù)留核心土法開挖工序示意圖Fig.5 Diagram of the three－bench reservation core soil excavation process

3.4 監(jiān)控量測技術(shù)

新奧法的基本概念是用薄層支護手段來保持圍巖強度，控制圍巖變形，以發(fā)揮圍巖的自承載能力，并通過施工監(jiān)控量測來掌握圍巖動態(tài)對圍巖穩(wěn)定性作出評價指導(dǎo)隧道工程的設(shè)計與施工.因而快速、準(zhǔn)確地進行現(xiàn)場監(jiān)控量測和信息反饋是新奧法施工的關(guān)鍵.在古井頭隧道施工過程中采用目前比較先進的無接觸圍巖量測技術(shù)，監(jiān)控的主要項目有地表下沉、拱頂下沉、周邊收斂等.

3.4.1 監(jiān)控量測斷面及測點布置

地表沉降測點在隧道開挖前布設(shè).地表沉降測點和隧道內(nèi)測點布置在同一斷面里程.

拱頂下沉測點和凈空變化測點布置在同一斷面上.測點應(yīng)盡量對稱布設(shè)，即“同面等高”，以便數(shù)據(jù)的相互驗證（圖6，圖7）.

圖6 拱頂下沉及周邊收斂量測點布設(shè)示意圖Fig.6 Vault and the surrounding convergence measurement point layout diagram

圖7 測點預(yù)埋件正面圖Fig.7 Measuring point embedded KVM switch

測點采用Leica反射膜片.

3.4.2 監(jiān)控量測方法

無接觸圍巖量測技術(shù)分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩部分：在外業(yè)觀測中，采用全站儀任意測站極坐標(biāo)測量的方法，直接獲取各監(jiān)測點的空間三維坐標(biāo)，利用各監(jiān)測點的空間三維坐標(biāo)，間接得到同一斷面上各監(jiān)測點間的相對位置關(guān)系，然后通過數(shù)據(jù)處理軟件對不同周期相同監(jiān)測點觀測數(shù)據(jù)進行比較、平差、成圖、回歸分析、曲線擬合等處理，最終得到圍巖收斂的準(zhǔn)確報告，以圖形和表格形式打印出來.具有快速、準(zhǔn)確、靈活方便等優(yōu)點.

拱頂下沉、收斂量測起始讀數(shù)宜在3～6 h內(nèi)完成，其他量測應(yīng)在每次開挖后12 h內(nèi)取得起始讀數(shù)，最遲不得大于24 h，且在下一循環(huán)開挖前必須完成.3.4.3 監(jiān)控量測頻率

本隧道監(jiān)控量測頻率見表1.

表1 監(jiān)控量測頻率表Table 1 Monitoring and measuring frequency table

每次量測后應(yīng)及時進行數(shù)據(jù)整理，并繪制量測數(shù)據(jù)時態(tài)曲線和距開挖面關(guān)系圖；對初期的時態(tài)曲線應(yīng)進行回歸分析，預(yù)測可能出現(xiàn)的最大值和變化速度；數(shù)據(jù)異常時，則根據(jù)具體情況及時采取加厚噴層、加密或加長錨桿、增加鋼架等加固措施.

通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，拱頂下沉值最大僅為97 mm，水平收斂值平均23 mm、最大值也僅為34 mm，均未超出規(guī)范值.

根據(jù)量測結(jié)果顯示，采用以上施工方法，有效控制了施工階段的變形.

3.5 襯砌

在隧道施工過程中，既要重視監(jiān)控量測的信息反饋及預(yù)測預(yù)報的時效性，又要考慮淺埋、偏壓、復(fù)雜地質(zhì)條件的隧道特征，其早期變形快，因此需要仰拱及時封閉成環(huán)，二次襯砌緊跟的施工措施.

4 施工控制要點 施工技術(shù)安全保證措施

（1）重視洞口截防排水系統(tǒng).導(dǎo)向墻施工前需完善洞頂及洞口排水系統(tǒng)，并盡量避開雨季施工洞口工程.

（2）加強洞內(nèi)排水.對拱腳有孔隙水出露地段，要及時引排，絕不允許浸泡基底.

（3）重視超前支護.加強超前支護與巖體的整體性，有利于施工安全、結(jié)構(gòu)安全.

（4）重視監(jiān)控量測及反饋.圍巖監(jiān)控量測是淺埋圍巖施工的眼睛，也是安全施工給的重要監(jiān)控手段.通過監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析反饋信息，以及時調(diào)整施工方案和支護形式.

（5）加強對注漿效果的檢查.管棚注漿漿液的擴散半徑受地質(zhì)條件制約，大管棚結(jié)合單層小導(dǎo)管注漿能顯著改善注漿效果.

（6）嚴(yán)控工序步距.做好工序銜接，仰拱緊跟下臺階施工，初期支護及時封閉成環(huán).盡量減少圍巖暴露時間，避免因長時間暴露引起圍巖失穩(wěn).

（7）在滿足作業(yè)空間和臺階穩(wěn)定的前提下，盡量縮短臺階長度，但核心土長度不得短于3～5 m.

（8）最大限度地減少對圍巖的擾動.對圍巖的擾動越少，圍巖就越穩(wěn)定.上臺階施工時采用弱爆破、人工配合挖掘機開挖，以達(dá)到隧道開挖斷面圓順、控制超欠挖.

5 結(jié)語

古井頭隧道采用的三臺階預(yù)留核心土施工方法在操作空間上能發(fā)揮機械化施工優(yōu)勢，不僅規(guī)避了側(cè)壁導(dǎo)坑或CD法等需要拆除臨時支護及受力轉(zhuǎn)換造成不安全的因素和臨時工程成本浪費，而且該施工方法在圍巖轉(zhuǎn)好或轉(zhuǎn)壞時工序轉(zhuǎn)換比較方便.因此在淺埋、偏壓地段隧道施工中，科學(xué)的選擇施工方法，及時錨噴、支護，加強監(jiān)控量測，同時結(jié)合超前支護注漿加固圍巖等施工技術(shù)，在一定地質(zhì)條件下可以確保質(zhì)量、安全.

［1］ TB 101204－2002.鐵路隧道施工規(guī)范［S］.

［2］ TB 10003－2005.鐵路隧道設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］ 關(guān)寶樹.隧道施工要點集［M］.北京.人民交通出版社，2003.

［4］ 鐵建設(shè)［2005］160號文.客運專線鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗收暫行標(biāo)準(zhǔn)［S］.

Tunnel Project of the GUJINGTOU Construction Technology

BAI Ke－bin
（ChinaRailway18thBureau（Group）Co.，Ltd，Tianjin300222，China）

In a bad large section of the geological passenger line rail tunnel project construction，shallow burial Hefei Fuzhou high iron tunnel until his head，and partial and rock high level of stability in the characteristics and the actual conditions in tunneling technological research and strengthen their advance by the time of the fortified city and surrounding rock early and reasonable way to optimize the excavation and comprehensive monitoring by shape，and a summary of geological condition for the rational construction.

Passenger line rail tunnel；Large section of the tunnel；Bad geological；The construction process

U45

A

0253－2395（2011）S2－0148－05＊

2011－08－20

白克彬（1973－），男，工程師，哈爾濱建筑大學(xué)交通土建專業(yè).E－mail：zhaodong668＠sohu.com