隧道淺埋段施工技術(shù)

楊文平，劉新立，周大兵

（中交一航局第四工程有限公司，天津 300140）

目前鐵路、公路建設(shè)在我國(guó)大力發(fā)展，其中隧道施工是較為普遍的建設(shè)項(xiàng)目。隧道的淺埋段往往圍巖地質(zhì)條件較差，開(kāi)挖施工時(shí)容易產(chǎn)生較大變形，給工程帶來(lái)較大安全隱患。綜合考察隧道施工發(fā)生的一系列塌方、冒頂?shù)劝踩鹿识喟l(fā)生在隧道的淺埋段，對(duì)于隧道施工更關(guān)注淺埋段的施工，保證其施工的安全和進(jìn)度是隧道施工的關(guān)鍵，對(duì)于施工效益和合同工期的保障都有不可低估的作用。本文敘述了山西中南部鐵路通道工程的秦家凹隧道淺埋段施工技術(shù)。

1 工程簡(jiǎn)介

新建秦家凹隧道里程為DK370+505～DK374+290，全長(zhǎng)3785 m。隧道位于山西省臨汾市古縣與洪洞縣交界處，隧道進(jìn)口位于古縣舊縣鎮(zhèn)盧家?guī)X村西約500 m，隧道出口位于洪洞縣古邏鄉(xiāng)上峪村邊，交通相對(duì)便利。隧道處于太岳山前坳起的低山區(qū)，地勢(shì)起伏較大，溝谷深切，多呈U型溝，該段以穿越為主。洞身最大埋深約97.4 m，最小埋深僅約13.1 m。

隧道洞身共通過(guò)DK370+780～DK371+030、DK371+350～DK371+400、DK372+310～ DK372+405、DK372+690～DK372+870 、DK373+540～DK373+870、 DK373+800～DK374+165六段不良地質(zhì)淺埋段地段，施工難度較大，易發(fā)生變形，故本隧道的淺埋段施工是關(guān)鍵控制點(diǎn)。目前已經(jīng)施工完DK370+780～DK371+030淺埋段，本文對(duì)該段施工技術(shù)進(jìn)行總結(jié)和探討，為后續(xù)淺埋段施工安全和施工技術(shù)積累經(jīng)驗(yàn)和提供借鑒。

2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

在開(kāi)挖前，為更好地判定該淺埋段的圍巖和水文地質(zhì)情況，獲取詳實(shí)可靠的地質(zhì)信息，如圍巖級(jí)別、斷層帶和破裂帶位置、性質(zhì)、規(guī)模、富水等，以便施工時(shí)采用合適的開(kāi)挖工藝和支護(hù)參數(shù)來(lái)保證施工安全和進(jìn)度，所以在該段開(kāi)挖前采用了TSP超聲波地質(zhì)探測(cè)技術(shù)，對(duì)該淺埋段圍巖進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，通過(guò)TSPwin軟件進(jìn)行處理后。在TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果解釋中，以P波資料為主對(duì)巖層進(jìn)行劃分，圖像見(jiàn)圖1。

圖1 P波反射偏移剖面

經(jīng)探測(cè)發(fā)現(xiàn)，該淺埋段圍巖雖沒(méi)有大型不良地質(zhì)構(gòu)造，圍巖風(fēng)化程度一般，隧道圍巖中裂隙雜亂，節(jié)理密度大于4.61條/m。該段隧道上覆第四系更新世黏質(zhì)黃土和銅川組砂巖的分化層，圍巖巖性主要以三疊紀(jì)中統(tǒng)銅川組砂巖為主，下伏圍巖呈灰黃色，碎裂鑲嵌結(jié)構(gòu)，巖石完整性差，孔隙度高、裂隙率大，巖石風(fēng)化嚴(yán)重，巖石力學(xué)指標(biāo)衰減明顯，巖體現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)平均P波波速為1200～1560 m/s，較易發(fā)生變形，且該段兩側(cè)地勢(shì)都較高，工程地質(zhì)條件較差，該段隧道施工時(shí)應(yīng)按照鐵路施工規(guī)范中Ⅴ級(jí)圍巖的支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工。

通過(guò)對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的地質(zhì)資料分析研究后，決定對(duì)該淺埋段開(kāi)挖工藝采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工，進(jìn)行超前小導(dǎo)管配合鋼拱架、錨桿等工藝進(jìn)行圍巖支護(hù)，以確保施工人員及機(jī)械安全，防止冒頂事故發(fā)生。

3 超前支護(hù)

隧道開(kāi)挖后拱頂面易發(fā)生沉降變形，在支護(hù)施工時(shí)，頂部常發(fā)生掉塊、坍塌，會(huì)造成超挖嚴(yán)重以及支護(hù)工人砸傷事故發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生大面積塌方甚至冒頂事故，為防止此類事件發(fā)生，需在開(kāi)挖前進(jìn)行超前支護(hù)，經(jīng)研究采用超前小導(dǎo)管工藝。

在該段設(shè)計(jì)超前小導(dǎo)管支護(hù)參數(shù)為拱部140°范圍內(nèi)打設(shè)外徑42 mm熱軋無(wú)縫鋼管，排距3 m，長(zhǎng)度4.5 m，環(huán)距40 cm。為較好控制開(kāi)挖面圍巖變形和超挖較大現(xiàn)象，使施工速度較快，通過(guò)研討后采用了環(huán)距30 cm的小導(dǎo)管支護(hù)，這樣雖增加了打設(shè)小導(dǎo)管的數(shù)量和時(shí)間，卻大大減少了支護(hù)時(shí)間，并保證了施工安全。

3.1 工藝流程

超前小導(dǎo)管施工工藝流程見(jiàn)圖2所示。

圖2 超前小導(dǎo)管施工工藝流程

3.2 超前小導(dǎo)管加工

超前小導(dǎo)管應(yīng)和鋼架配合使用，采用外徑42 mm，壁厚3.5 mm的熱軋無(wú)縫鋼管加工，鋼管前端宜做成尖錐狀，尾部焊接φ6 mm鋼筋加勁箍，管壁上每隔15 cm交錯(cuò)鉆直徑10 mm的眼孔。小導(dǎo)管在構(gòu)件加工廠制作，其加工見(jiàn)圖3。

圖3 超前小導(dǎo)管加工圖

3.3 小導(dǎo)管注漿

采用水泥砂漿，注漿參數(shù)如下：

1）水泥砂漿水灰比：0.5～1.0（重量比）。

2）注漿壓力：0.5～1.0 MPa。

3）圍巖空隙率參考值：砂土40%，黏土20%，斷層破碎帶5%。

3.4 施工要求

1）小導(dǎo)管安設(shè)采用鉆孔打入法，鉆孔直徑比鋼管大3～5 mm，將小導(dǎo)管穿過(guò)鋼架，用錘擊或鉆機(jī)頂入，頂入長(zhǎng)度不小于鋼管長(zhǎng)度的90%，用高壓風(fēng)將鋼管內(nèi)的砂石吹出。

2）其縱向搭接長(zhǎng)度1.25 m；外插角：5°～7°。

3）小導(dǎo)管安設(shè)后，用塑膠泥封堵孔口及周圍裂隙，必要時(shí)在小導(dǎo)管附近及工作面噴射混凝土，以防止工作面坍塌。

4）隧道的開(kāi)挖長(zhǎng)度小于小導(dǎo)管的注漿強(qiáng)度，預(yù)留部分作為下一次循環(huán)的止?jié){墻。

5）注漿前進(jìn)行壓水實(shí)驗(yàn)，檢查機(jī)械設(shè)備是否正常，管路連接是否正確，為加快注漿速度和發(fā)揮設(shè)備效率，可采用群管注漿（每次3～5根）。

6）注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量及注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓時(shí)結(jié)束注漿。

7）注漿過(guò)程中要隨時(shí)觀察注漿壓力及注漿泵排漿量的變化，分析注漿情況，防止堵管、跑漿、漏漿。小導(dǎo)管注漿工藝流程見(jiàn)圖4。

圖4 超前小導(dǎo)管注漿工藝流程圖

4 爆破開(kāi)挖

該淺埋段采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)，圍巖開(kāi)挖采用爆破作業(yè)。

4.1 爆破作業(yè)

炮眼鑿孔宜采用鑿巖臺(tái)車，炮眼布置應(yīng)符合下列規(guī)定：

1）周邊眼應(yīng)沿隧道開(kāi)挖輪廓線布置，保證開(kāi)挖斷面符合設(shè)計(jì)斷面加大5～10 cm。底板和仰拱底面采用預(yù)留光爆層爆破。

2）輔助炮眼交錯(cuò)均勻布置在周邊眼與掏槽眼之間，力求爆破出的石塊塊度適合裝碴的需要。

3）周邊炮眼與輔助炮眼的眼底應(yīng)在同一垂直面上，掏槽炮眼應(yīng)加深10 cm。

4）巖石隧道的爆破作業(yè)，應(yīng)采用光面爆破或預(yù)裂爆破。光面爆破和預(yù)裂爆破參數(shù)應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定。當(dāng)無(wú)試驗(yàn)條件時(shí)，有關(guān)參數(shù)可參照表1選用。

表1 爆破作業(yè)有關(guān)參數(shù)

4.2 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工工藝

三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法就是對(duì)隧道整個(gè)斷面分成三個(gè)相互錯(cuò)開(kāi)臺(tái)階進(jìn)行同時(shí)開(kāi)挖和支護(hù)。同時(shí)在中臺(tái)階采用間隔一榀的方式構(gòu)筑臨時(shí)仰拱。上、中、下臺(tái)階依次錯(cuò)開(kāi)5～10 m左右。開(kāi)挖施工工序如圖5所示，然后再進(jìn)入下一循環(huán)。

5 初期支護(hù)

5.1 初噴

圖5 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法開(kāi)挖示意圖

隧道開(kāi)挖到設(shè)計(jì)斷面尺寸后，應(yīng)立即組織對(duì)開(kāi)挖面進(jìn)行初噴處理，減少開(kāi)挖面和空氣的接觸時(shí)間，盡早使開(kāi)挖表面固結(jié)為一整體硬殼，來(lái)抵抗圍巖失去平衡后的初期變形，并防止圍巖掉塊發(fā)生，有利于拱架支設(shè)和錨桿打設(shè)等工作進(jìn)行，加快施工進(jìn)度。

5.2 架設(shè)拱架

鋼拱架加工要準(zhǔn)確，根據(jù)設(shè)計(jì)斷面尺寸外擴(kuò)5 cm，在加工棚采用臺(tái)車工廠化生產(chǎn)，鋼拱架連接板大小一致，打眼尺寸位置嚴(yán)格要求，全部采用機(jī)床切割和機(jī)械鉆孔，在施工前做好技術(shù)交底，嚴(yán)禁工人采用氣焊切割和燒孔處理。并在每榀拱架加工好后在加工區(qū)進(jìn)行試拼裝，檢驗(yàn)加工尺寸和連接板拼裝質(zhì)量，做到不小于設(shè)計(jì)斷面尺寸，連接板結(jié)合緊密，連接孔不發(fā)生錯(cuò)位現(xiàn)象，方可運(yùn)往開(kāi)挖掌子面進(jìn)行拱架架設(shè)工作。并做好鋼拱架之間的縱向連接筋焊接工作，保證數(shù)量和焊接質(zhì)量。

5.3 打設(shè)錨桿

按設(shè)計(jì)圖紙要求在隧道拱部打設(shè)足夠數(shù)量的組合中空錨桿，在端墻打設(shè)不少于設(shè)計(jì)要求的砂漿錨桿，并安裝好錨墊板。

5.4 掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片

鋼筋網(wǎng)片加工和掛設(shè)，保證搭接尺寸滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，不小于1個(gè)網(wǎng)格。

5.5 噴射混凝土

采用四川巖峰TK600A型號(hào)的濕噴機(jī)進(jìn)行噴漿作業(yè)，每次噴漿厚度不大于10 cm，本段噴漿共分3次進(jìn)行（設(shè)計(jì)25 cm），下一次在上一次混凝土初凝后進(jìn)行，并保證噴漿總厚度不少于設(shè)計(jì)值。

6 仰拱、仰拱填充施做

為了保證隧道施工滿足安全步距的要求，要及時(shí)施做仰拱。為了保證施工進(jìn)度，決定加工兩幅棧橋，一幅12 m，一幅18 m，分別采用20b和40b工字鋼加工而成。保證了兩版仰拱可以連續(xù)流水施工，縮短了施工周期，可以滿足開(kāi)挖面進(jìn)度和安全步距要求。

7 二襯施工

淺埋段和正常段二襯工藝和技術(shù)要求基本一樣，都是要重點(diǎn)控制鋼筋焊接和混凝土澆筑質(zhì)量，保證混凝土外觀質(zhì)量，在施工中保持二襯跟進(jìn)及時(shí)，確保安全步距要求。

8 施工成果和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

在施工中，配合監(jiān)控量測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)控施工安全，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)分析處理后反饋指導(dǎo)施工，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)合理調(diào)整施工、爆破參數(shù)和施工進(jìn)度控制。將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)繪制出監(jiān)測(cè)項(xiàng)目變化曲線和回歸曲線，分析變化量和變化趨勢(shì)，而后將監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋到施工中，進(jìn)一步優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)和確保施工安全。

在該段施工之初，采用設(shè)計(jì)間距40 cm打設(shè)了超前小導(dǎo)管，開(kāi)挖后2 h內(nèi)布設(shè)好監(jiān)測(cè)點(diǎn)并及時(shí)讀取了初始觀測(cè)值。對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)每天進(jìn)行及時(shí)觀測(cè)和分析，發(fā)現(xiàn)在開(kāi)挖后前期拱頂沉降變化較快，致使變化總量最大值達(dá)59 mm，已經(jīng)超過(guò)了預(yù)留沉降量50 mm，造成隧道凈空被侵占，同時(shí)也說(shuō)明了支護(hù)參數(shù)抵抗圍巖變形的能力不足，對(duì)于圍巖支護(hù)和后期施工及凈空值都留下了安全和質(zhì)量隱患。我們及時(shí)分析研討后對(duì)超前小導(dǎo)管施工間距進(jìn)行了調(diào)整，間距調(diào)整為30 cm，打設(shè)范圍擴(kuò)大到拱部的140°范圍（設(shè)計(jì)為120°）。調(diào)整施工后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，拱頂沉降變化速率和變化量都得到了較好的控制，較好地控制住了圍巖變形，消除了圍巖支護(hù)和后期施工的安全和質(zhì)量隱患。分別以DK370+790和DK370+820兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面為超前支護(hù)參數(shù)調(diào)整前后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的代表，拱頂下沉監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化和回歸曲線圖如圖6～圖7。

圖6 秦家凹隧道進(jìn)口DK370+790拱頂下沉回歸分析圖

圖7 秦家凹隧道進(jìn)口DK370+820拱頂下沉回歸分析圖

由圖可表明調(diào)整超前支護(hù)參數(shù)后，圍巖變形得到較好控制，施工參數(shù)調(diào)整合理，使后續(xù)施工得到有力保障。

同時(shí)，為了加快施工進(jìn)度和保證仰拱和填充混凝土施工質(zhì)量，采用兩幅棧橋交替使用，使隧道施工仰拱施做及時(shí)，完成早封閉，確保了隧道施工安全步距要求，也保證了隧道施工安全。

9 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)合理施做超前支護(hù)、控制開(kāi)挖爆破效果、及時(shí)支護(hù)和施做仰拱，遵循短進(jìn)尺、多循環(huán)等施工原則，該段隧道施工安全質(zhì)量得到較好保證，順利實(shí)施了施工風(fēng)險(xiǎn)較大的該淺埋段施工，沒(méi)有發(fā)生一起質(zhì)量和安全事故，同時(shí)該淺埋段隧道施工的進(jìn)度基本可以保證在2.25～3 m/d，滿足了施工進(jìn)度計(jì)劃要求，使工程整體施工計(jì)劃得到保證，也為施工后續(xù)的淺埋段和同類工程提供了經(jīng)驗(yàn)和借鑒。

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