單線鐵路隧道穿越厚層古河床地段施工技術(shù)

王建華 張 晟

1 工程概述

西平鐵路太峪隧道全長(zhǎng) 5 594m，為單線鐵路隧道。全隧設(shè)進(jìn)口、橫洞、斜井三個(gè)工區(qū)，其中斜井工區(qū)距離涇河水平距離只有20m，正線段位于厚層古河床地段，隧道洞身 2.5 km地段圍巖主要為松散狀圓礫土、砂層及粉質(zhì)粘土層。圓礫土層埋深淺，透水性好，儲(chǔ)水條件較好，為主要含水層，涌水量較大，且具承壓性。在該地段開(kāi)挖施工時(shí)常伴有滲水流砂，嚴(yán)重時(shí)涌水、涌砂，拱背砂土隨水流失被掏空，處理不當(dāng)或不及時(shí)，易致初支變形而誘發(fā)坍塌。

2 主要施工技術(shù)

2.1 開(kāi)挖方案

根據(jù)本隧道具體情況，施工必須采取可靠的技術(shù)措施以控制地下水流失、地層變位帶來(lái)的涌水涌砂，實(shí)現(xiàn)隧道防坍目的，確保施工安全。

隧道開(kāi)挖采用三臺(tái)階七步開(kāi)挖法，即上、中、下三個(gè)臺(tái)階，每個(gè)臺(tái)階左右錯(cuò)開(kāi)開(kāi)挖。開(kāi)挖以上臺(tái)階為主導(dǎo)，預(yù)留核心土，各臺(tái)階保持 5m左右長(zhǎng)度，按平行作業(yè)分頭組織施工，每次進(jìn)尺控制在 1榀～2榀鋼架以?xún)?nèi)。各臺(tái)階均采用挖掘機(jī)開(kāi)挖為主，人工手持風(fēng)鎬配合修整輪廓，局部機(jī)械無(wú)法開(kāi)挖時(shí)，采用弱爆破輔助措施。作業(yè)中特別要做好工序安排和勞動(dòng)力組織，以量測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工，動(dòng)態(tài)調(diào)整步距，初支結(jié)構(gòu)及時(shí)封閉成環(huán)，機(jī)械退出作業(yè)面后，架設(shè)鋼管臨時(shí)橫撐(必要時(shí)可采用臨時(shí)仰拱)，以控制變形發(fā)展。

2.2 支護(hù)方案

2.2.1 支護(hù)參數(shù)

太峪隧道斜井進(jìn)正洞后揭示圍巖極差，涌水量達(dá) 3 300m3/d。支護(hù)參數(shù)為:拱部 120°及邊墻 5m范圍設(shè) φ42超前注漿小導(dǎo)管，環(huán)向間距 30 cm，L-3.5m，縱向搭接不少于 1m;拱部采用單液漿，邊墻采用雙液漿，邊墻小導(dǎo)管使用部位或范圍結(jié)合出水部位及流砂情況動(dòng)態(tài)調(diào)整。墻腳以上 5m范圍增設(shè)徑向注漿加固土體及回灌拱背空隙，φ42小導(dǎo)管，L-5.0m，環(huán)、縱向間距 100 cm×100 cm，梅花形布置，采用水泥—水玻璃漿液。初期支護(hù)為φ8mm鋼筋網(wǎng)(間距 20 cm×20 cm)+全環(huán)Ⅰ 16鋼架 1榀/0.8m+φ22拱墻系統(tǒng)錨桿(環(huán) 120 cm×縱 100 cm)+23 cm厚 C 25噴射混凝土。每拱腳設(shè) 4根 φ42，L-4.0m的鎖腳錨管。

超前小導(dǎo)管采用TSS型注漿管，其加工如圖 1所示。注漿管采用壁厚 3.5mmφ42的鋼管加工制作。其系列配套止?jié){系統(tǒng)由TS-A頂桿、TS-B注漿芯管、TS-C頂桿螺母、TS-D止?jié){塞四部分組成。注漿管采用鑿巖機(jī)鉆孔后，以沖擊套將其頂入，用棉紗 +速凝水泥砂漿將管周封填，避免注漿施工中沿注漿管周?chē)軡{，同時(shí)對(duì)掌子面噴射混凝土封閉，噴射混凝土厚度不小于 10 cm，且不受注漿壓力破壞。

2.2.2 注漿作業(yè)

1)注漿作業(yè)。注漿順序由下向上推進(jìn)，以達(dá)到堵水和固結(jié)作用。注漿采取KBY 70型雙液注漿泵，后退式分段注漿工藝進(jìn)行注漿作業(yè):將帶有止?jié){塞的芯管和頂管連接后插入到注漿管相應(yīng)位置，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)芯管上的法蘭盤(pán)，使止?jié){塞膨脹，以達(dá)到止?jié){效果。連接注漿管路，采用雙液注漿泵向孔內(nèi)注漿，每次注漿分段長(zhǎng)選擇為 0.6m～0.9m，當(dāng)?shù)谝环侄巫{完成后，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)芯管上的法蘭盤(pán)，使止?jié){塞恢復(fù)到原狀，將芯管后退 0.6m～0.9m，進(jìn)行第二分段注漿，如此下去，直至將整個(gè)注漿段完成。后退式分段注漿要特別注意止?jié){塞的損壞程度，施工過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)止?jié){塞存在問(wèn)題，應(yīng)立即更換，以免引起注漿管堵塞，造成芯管無(wú)法拔出，影響正常施工。

2)注漿關(guān)鍵控制點(diǎn)如下:a.注漿管尖端必須焊接封閉，在溢漿孔上覆蓋貼片，貼片采用透明膠纏繞，以保證漿液通過(guò)溢漿孔進(jìn)入地層，而地層中的水和砂不能進(jìn)入注漿管，從而達(dá)到注漿管自身具有逆止閥的作用。b.注漿管必須按設(shè)計(jì)角度和間距布設(shè)，以便注漿加固范圍達(dá)到預(yù)期效果。c.嚴(yán)格控制注漿壓力，有效地解決飽和動(dòng)態(tài)含水砂層中粉細(xì)砂層地質(zhì)復(fù)雜條件下注漿加固的均一性，提高其整體加固效果。d.后退式分段注漿要特別注意止?jié){塞的損壞程度，施工過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)止?jié){塞存在問(wèn)題，應(yīng)立即更換，以免引起注漿管堵塞，造成芯管無(wú)法拔出，影響正常施工。

2.2.3 臨時(shí)仰拱支護(hù)

隧道施工過(guò)程中由于流水較大，經(jīng)常淘蝕流砂，易出現(xiàn)涌水、涌砂情況，觀測(cè)數(shù)據(jù)反映變形較明顯，為抑制涌水涌砂帶來(lái)的變形影響，確保隧道開(kāi)挖及初支階段結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，施工時(shí)采用在各個(gè)臺(tái)階處設(shè)臨時(shí)仰拱或橫撐的辦法加強(qiáng)支護(hù)，如圖 2所示。

隧道上中臺(tái)階設(shè)置兩道橫向支撐，支撐采用 φ159鋼管，第一道設(shè)于上臺(tái)階拱腳處，第二道設(shè)于中臺(tái)階鋼架腳部，橫撐隔榀鋼架設(shè)一道，起臨時(shí)支撐作用。如監(jiān)測(cè)反映變形較明顯時(shí)可采用噴20 cm厚C25混凝土，以起到臨時(shí)仰拱作用，支撐設(shè)計(jì)成一端固定、一端可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度，兩端設(shè)縱向槽鋼梁，鋼梁上焊接牛腿作托架，鋼管架于托架之上后調(diào)節(jié)橫撐活動(dòng)端撐緊兩端鋼梁。根據(jù)監(jiān)控量測(cè)變形情況，必要時(shí)可加大橫撐規(guī)格，或加密橫撐，也可將橫向支撐采用噴射混凝土連成整體封閉后作臨時(shí)仰拱使用，及時(shí)形成初支封閉成環(huán)，以控制支護(hù)變形。

2.3 施工抽排水措施

根據(jù)斜井進(jìn)正洞設(shè)計(jì)地質(zhì)資料和前期出水情況，泵站、排水管路、電力線路和備用電源按最大涌水量 13 077.8m3/d的 1.5倍一次配備到位。斜井進(jìn)入正洞后分兩頭掘進(jìn)，排水分兩階段布置:

第一階段是出口端貫通前，在仰拱填充中心設(shè)臨時(shí)排水溝排水，排水溝斷面為:寬 30 cm×深 30 cm，在井底附近下游方向設(shè)臨時(shí)一級(jí)泵站(1號(hào)站)，向進(jìn)口方向?yàn)轫樒率┕ぃ谙屡_(tái)階附近挖臨時(shí)集水坑，用水泵抽水至中心臨時(shí)排水溝自然排至 1號(hào)泵站;向出口方向?yàn)榉雌率┕?，靠掌子面附近設(shè)二級(jí)泵站(2號(hào)站)，抽水至 1號(hào)站。1號(hào)站安裝大功率抽水機(jī)，洞內(nèi)全部積水匯集至1號(hào)站后，將水抽至洞外。第二階段是出口端貫通后，積水通過(guò)隧道仰拱順坡排水，由出口排出。

2.4 施工中出現(xiàn)的問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施

在施工過(guò)程中，曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)未封閉的中臺(tái)階初期支護(hù)結(jié)構(gòu)在巨大的圍巖壓力作用下發(fā)生嚴(yán)重收斂，變形值達(dá) 50 cm，噴射混凝土開(kāi)裂部分鋼架被擠向隧道內(nèi)側(cè)，造成拱背出現(xiàn)小型塌方情況。處理措施具體步驟如下:1)采用碎石料對(duì)變形區(qū)進(jìn)行回填反壓，回填高度不少于中臺(tái)階的 1/2，壓住初支拱腳，達(dá)到穩(wěn)定初支的目的。2)反壓完成后，噴射混凝土封閉掌子面及開(kāi)裂變形地段。對(duì)初支加設(shè)φ159mm鋼管臨時(shí)橫向支撐，橫撐隔榀加設(shè)，設(shè)置于回填面處，兩端采用木楔楔緊，使整個(gè)變形段形成一個(gè)穩(wěn)定區(qū)域。3)對(duì)變形區(qū)范圍的隧道進(jìn)行注漿。注漿分兩次，第一次為初支背后空洞回填注漿，注漿范圍為中臺(tái)階墻腳以上部分。注漿管采用長(zhǎng) 3mφ42×3.5mm鋼花管，中臺(tái)階中部以上注水泥凈漿，下部注水泥—水玻璃雙液漿，采用間隔注漿及多次注漿方式進(jìn)行。第二次為全斷面徑向注漿(包含回填碎石內(nèi)部的注漿)，拱墻范圍采用 φ42×3.5mm鋼花管徑向注漿固結(jié)圍巖，鋼花管長(zhǎng) 5m，根據(jù)徑向鉆孔施鉆情況，探測(cè)松動(dòng)圈，必要時(shí)采用地質(zhì)鉆機(jī)在側(cè)墻變形較大部位鉆深孔進(jìn)行注漿。4)在注漿工作結(jié)束后，對(duì)變形傾斜的拱架進(jìn)行重新置換，置換順序?yàn)橛赏庀蚶镞M(jìn)行。拱架拆除時(shí)每次更換一榀，及時(shí)完成下臺(tái)階及仰拱初支，及時(shí)封閉成環(huán)。置換初支達(dá)到設(shè)計(jì)要求且監(jiān)測(cè)穩(wěn)定后及時(shí)施工仰拱與拱墻襯砌，確保結(jié)構(gòu)安全。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上施工措施及方案，我們穩(wěn)步通過(guò)了該區(qū)段，進(jìn)度指標(biāo)能達(dá)到 2.4m/d，且施工安全可控，緩解了工期壓力。厚層古河床富水區(qū)隧道開(kāi)挖過(guò)程的流水流砂以及由此引起的變形甚至坍塌一直是個(gè)困擾隧道建設(shè)者的問(wèn)題，通過(guò)本隧道開(kāi)挖過(guò)程中采用的施工方法以及一些輔助措施，為同類(lèi)工程提供一點(diǎn)借鑒，對(duì)今后同類(lèi)工程的施工有一定的參考價(jià)值。

[1] 梁其誼.地鐵單洞雙層重疊隧道開(kāi)挖技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2003(4):25-27.

[2] 戴希紅，劉劍文.公路隧道復(fù)雜地質(zhì)段初期支護(hù)大變形的整治[J].隧道建設(shè)，2003(4):11-13.

[3] 海 軍.象山隧道富水圍巖段施工方法[J].山西建筑，2009，35(3):316-317.