淺埋、偏壓、軟巖隧道進(jìn)洞施工技術(shù)研究

劉建中

(中國(guó)鐵路總公司建設(shè)管理部，北京　100844)

淺埋、偏壓、軟巖隧道進(jìn)洞施工技術(shù)研究

劉建中

(中國(guó)鐵路總公司建設(shè)管理部，北京100844)

摘要：淺埋、偏壓、軟弱圍巖隧道進(jìn)洞施工一直是隧道施工的難點(diǎn)，通過(guò)實(shí)例介紹此類隧道施工關(guān)鍵技術(shù)，采用重力式擋墻和邊仰坡加固措施處理隧道偏壓，采用大管棚、超前小導(dǎo)管及套拱法處理隧道淺埋，采用三臺(tái)階七步流水法進(jìn)行軟弱圍巖洞內(nèi)施工，同時(shí)闡述施工過(guò)程中監(jiān)控量測(cè)的方法和對(duì)圍巖變形的處理措施。

關(guān)鍵詞：隧道工程；淺埋；偏壓；軟弱圍巖；施工技術(shù)

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)基本建設(shè)規(guī)模逐年擴(kuò)大，隧道工程數(shù)量越來(lái)越多，淺埋、偏壓、軟弱圍巖隧道已成為常見(jiàn)的隧道類型。在各種不利條件中，偏壓會(huì)造成隧道的不平衡受力，輕則可使隧道拱圈變形，重則破壞隧道結(jié)構(gòu)，偏壓對(duì)隧道施工潛在威脅最大。進(jìn)洞措施如果處理不好，經(jīng)常造成塌方事故，進(jìn)洞施工難度和風(fēng)險(xiǎn)較大。采取可靠安全的進(jìn)洞施工技術(shù)，是此類隧道施工的關(guān)鍵。

1工程概況

某隧道全長(zhǎng)337 m，最大埋深87 m，通過(guò)區(qū)位于山區(qū)褶皺系中，巖體受區(qū)域構(gòu)造影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。隧道進(jìn)口端位于滑坡體上，滑坡體物質(zhì)松散，巖體穩(wěn)定性差，圍巖類別為Ⅴ級(jí)或Ⅴ級(jí)加強(qiáng)，屬軟弱圍巖；進(jìn)口50 m埋深為12～19 m，覆蓋層厚度小于2.5倍洞跨；進(jìn)口端山體縱向坡度48°～62°，橫向坡度40°～50°，左側(cè)發(fā)育一大沖溝，隧道右側(cè)受壓明顯較大。該隧道屬典型淺埋偏壓隧道。

隧道進(jìn)口位于滑坡體右側(cè)邊緣，為基巖滑坡，滑坡體長(zhǎng)約50 m，寬約55 m，厚15～30 m，滑坡體物質(zhì)主要為細(xì)角礫土，稍密～密實(shí)，稍濕?；麦w后壁高陡，平臺(tái)明顯，平臺(tái)上有當(dāng)?shù)毓喔扔盟?，常年流水，不適宜明挖進(jìn)洞。如圖1～圖3所示。

圖1　隧道平面

圖2　隧道進(jìn)口洞門

圖3　隧道進(jìn)口縱斷面

2總體施工方案

分析該隧道所處地形特點(diǎn)，其偏壓來(lái)自左右兩側(cè)山體不對(duì)稱，洞口左側(cè)沖溝發(fā)育，右側(cè)相對(duì)邊坡較高，偏壓明顯；巖體主要為細(xì)角礫土，自身穩(wěn)定性差；隧道頂部有當(dāng)?shù)毓喔扔盟?，常年流水，不適宜明挖進(jìn)洞。根據(jù)以上特點(diǎn)，處理總體設(shè)想為：采用地表注漿加固邊坡及仰坡，穩(wěn)定地表；左側(cè)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)擋墻，并在擋墻后拱頂部回填土，增加結(jié)構(gòu)重力，抵抗山體側(cè)向推力，加強(qiáng)平衡穩(wěn)定；進(jìn)洞采用套拱法，進(jìn)洞前施工超前長(zhǎng)管棚并注漿，使破碎巖體粘結(jié)為整體，以形成加固承載環(huán)，增強(qiáng)開(kāi)挖面圍巖自穩(wěn)性；洞內(nèi)采用三臺(tái)階七步流水作業(yè)法施工，加強(qiáng)初期支護(hù)，及時(shí)封閉成環(huán)，二襯緊跟。同時(shí)，為確保施工安全，施工中加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，隨時(shí)觀察變形情況，及時(shí)修正施工參數(shù)；針對(duì)隧道風(fēng)險(xiǎn)控制關(guān)鍵點(diǎn)，制定應(yīng)急預(yù)案，確保施工安全可靠、有序可控。

3專項(xiàng)方案

3.1偏壓處理

結(jié)合實(shí)際地形及地質(zhì)狀況，采用以下兩種措施解決偏壓?jiǎn)栴}。

3.1.1邊仰坡加固

(1)洞頂施作截水溝及排水渠

洞口位于滑坡體上，巖體孔隙較大。為減少巖體孔隙水量，防止地面水下滲，減小地層壓力，保證洞口安全，采用截水處理方案，即在洞頂施作截水溝和排水渠，防止地表水下滲進(jìn)入圍巖。截水溝采用人工開(kāi)挖，漿砌片石砌筑，單坡排水，將降水引至排水渠，再排至山下沖溝；排水渠內(nèi)鋪防水卷材、水泥砂漿抹面，水渠外緣施作φ42 mm鋼花管并注水泥漿防滲。鋼花管單根長(zhǎng)4 m，間距1 m，梅花形布置。

(2)錨噴注漿加固邊仰坡

對(duì)邊仰坡進(jìn)行錨噴支護(hù)，部分地段施作鋼花管注漿。根據(jù)設(shè)計(jì)邊、仰坡開(kāi)挖線，利用機(jī)械與人工配合，進(jìn)行排砟開(kāi)挖，坡面整修，坡面施作鋼筋網(wǎng)并噴15 cm厚C25混凝土，封閉加固松散破碎巖面，然后施作錨桿、注漿(1∶1水泥漿)加固巖體。錨桿單根長(zhǎng)3 m，小導(dǎo)管單根長(zhǎng)4 m，間距1.5 m，梅花形布置，鋼筋網(wǎng)采用φ8 mm光面鋼筋，20 cm間距；注漿壓力0.8～1.2 MPa。

3.1.2施作偏壓擋墻

隧道左側(cè)施作重力式擋墻(圖4、圖5)，擋墻采用1.5 m深擴(kuò)大基礎(chǔ)，支護(hù)開(kāi)挖，基礎(chǔ)底部碎石換填0.5 m。擋墻長(zhǎng)9 m，包括明洞段5 m及洞身段4 m，與明洞以φ22 mm鋼筋連接，導(dǎo)向墻及洞口段鋼拱架采用鎖腳錨桿與擋墻連成一體。墻身采用C25混凝土，墻高16 m，平均厚度3 m。

圖4　隧道進(jìn)口明洞及擋墻橫斷面(單位：cm)

圖5　隧道進(jìn)口暗洞及擋墻橫斷面(單位：cm)

擋墻頂部回填透水性較好的砂土，分層夯實(shí)，加高覆蓋高度，擋墻與洞身拱頂夾角處注1∶1水泥漿加固，以增加防推穩(wěn)定能力。

3.2淺埋處理

采用套拱法進(jìn)洞，大管棚(參數(shù)為43根φ108 mm×6 mm長(zhǎng)30 m熱軋無(wú)縫鋼管，管內(nèi)穿φ18 mm鋼筋籠，灌注水泥砂漿填充密實(shí))及小導(dǎo)管注漿(φ42 mm，1∶1水泥漿)預(yù)加固及超前支護(hù)。

3.2.1套拱施工

待洞口邊仰披開(kāi)挖到隧道初襯外輪廓線時(shí)，預(yù)留核心土，在坡面上定出中線拱頂高度、套拱位置線、橫向十字線，然后開(kāi)挖兩側(cè)套拱位置的土體，邊開(kāi)挖邊支護(hù)至邊墻底高度以后，漿砌套拱基礎(chǔ)，施作完后架立3榀Ⅰ18b型鋼拱架，間距80 cm，每榀鋼架用拉桿拉緊，防止傾倒，在拱頂拱腰坡面上兩側(cè)打錨桿，將最前面一榀拱架焊在錨桿上拉緊，套拱在外廓線以外，緊貼掌子面施作。在鋼支撐上以設(shè)計(jì)大管棚間距安裝φ127 mm，長(zhǎng)2 m的孔口導(dǎo)向鋼管，用儀器仔細(xì)精確無(wú)誤地檢查其中線、方向與水平，確保導(dǎo)向良好，與管棚位置方向一致，用麻布等物將孔口管封堵，防止?jié){液流入將孔口管堵塞，人工立模擋頭板用鋼筋拉桿拉緊，外模用鐵線拉在襯砌拱架上，拱腰以下要用斜撐支于側(cè)面上，澆筑60 cm厚的C25混凝土包裹鋼支撐和導(dǎo)向管。套拱完成后，噴射C20混凝土10 cm厚封閉周圍仰坡面，作為注漿時(shí)的止?jié){墻。見(jiàn)圖6。

圖6　管棚套拱安裝示意(單位：cm)

3.2.2管棚施工

(1)導(dǎo)管加工：加工長(zhǎng)度為4 m和6 m兩種規(guī)格的管；為使鋼管對(duì)接，鋼管兩端分別加工成螺栓、螺母絲扣，絲扣長(zhǎng)15 cm，管壁加工間距為20 cm×20 cm的φ10～φ16 mm注漿孔，梅花形布置，以利于漿液通過(guò)管壁孔擴(kuò)散到地層中。安裝同孔導(dǎo)管時(shí)將4 m管和6 m管間隔裝入孔中，相鄰兩孔絲扣連接處相互錯(cuò)開(kāi)。導(dǎo)管內(nèi)插加勁鋼筋籠，主筋4根，φ22 mm，固定環(huán)采用φ42 mm熱軋無(wú)縫鋼管制作，每段長(zhǎng)4 cm，間距150 cm，與主筋之間焊接。

(2)測(cè)定孔位：用全站儀精確測(cè)定鉆孔孔位，并用紅油漆標(biāo)注在掌子面上。

(3)導(dǎo)向管的安裝：為使大管棚安裝在設(shè)計(jì)的位置，鉆機(jī)施鉆時(shí)要按設(shè)計(jì)的角度鉆孔，故鉆孔前需安裝導(dǎo)向管，使得鉆孔方位正確。

(4)搭建施鉆平臺(tái)：施鉆平臺(tái)用鋼管架由下向上、由兩邊至中間根據(jù)孔位依次搭成“井”字形，上面用木板鋪平。要求鉆機(jī)平臺(tái)搭建必須牢固，鉆機(jī)安放到平臺(tái)上以后，要用鋼絲繩緊固。

(5)鉆機(jī)就位：將鉆機(jī)安放在施鉆平臺(tái)上，調(diào)整好高度、鉆桿的傾角和方位角，然后將鉆機(jī)牢固固定在施鉆平臺(tái)上，檢查各管線和連接件是否正確。

(6)鉆孔：將鉆頭和鉆桿穿過(guò)導(dǎo)向管，對(duì)準(zhǔn)已作好標(biāo)記的孔位孔心，慢慢開(kāi)動(dòng)鉆機(jī)，注意鉆孔應(yīng)平直，孔底偏差距離小于鉆孔的半徑。用螺旋鉆桿配三翼鉆頭，干式鉆進(jìn)成孔。鉆孔直徑：φ120～φ125 mm；鉆孔平面誤差不大于50 mm；孔斜控制措施：導(dǎo)向管導(dǎo)向；為了能順利下管，成孔后再進(jìn)行掃孔，順通孔道。大管棚施工完成后，成傘形輻射狀。

(7)安裝大管棚：大管棚安裝時(shí)用鉆機(jī)頂進(jìn)，鋼管間為絲扣連接，用自由鉗旋轉(zhuǎn)擰緊，相鄰兩孔的鋼管接頭要相互錯(cuò)開(kāi)。頂進(jìn)鋼管時(shí)要保證導(dǎo)管的傾角和方位角與鉆孔鉆桿前進(jìn)的傾角和方位角一致。最好在鉆完一個(gè)孔后不要移動(dòng)鉆機(jī)，立即將該孔的導(dǎo)管頂入孔內(nèi)，安裝好導(dǎo)管后，再移開(kāi)鉆機(jī)進(jìn)行下一孔的鉆進(jìn)。

(8)注漿：注漿采用M20水泥砂漿，前進(jìn)式注漿，水泥砂漿注漿參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況進(jìn)行調(diào)整。

注漿達(dá)到預(yù)定壓力后，即停止注漿，關(guān)上止?jié){閥門，打開(kāi)泄壓閥，待管內(nèi)壓力降為0后，關(guān)上泄壓閥，同時(shí)將吸漿管放進(jìn)旁邊早已準(zhǔn)備好的清水中，開(kāi)動(dòng)注漿機(jī)及時(shí)清洗管路。

注漿前用清水試壓管路，檢查管路是否連接緊密，如有問(wèn)題及時(shí)處理。排氣管要通到底，以防孔內(nèi)空氣頂住漿液不能注到孔底。對(duì)于單孔在注漿結(jié)束后，迅速拔除注漿管，并立即用M20砂漿閉孔口止?jié){，是完成注漿的標(biāo)志。

3.2.3小導(dǎo)管施工

超前小導(dǎo)管采用外徑42 mm，壁厚4 mm，長(zhǎng)450 cm的熱軋無(wú)縫鋼管，鋼管前端呈尖錐狀；管壁四周鉆注漿孔，孔徑為8 mm，孔間距10 cm，呈梅花形布置，尾部30 cm不鉆注漿孔作為止?jié){段。鋼管與襯砌中線平行，以外插角10°打入拱部圍巖；鋼管環(huán)向間距50 cm。小導(dǎo)管布置見(jiàn)圖7、圖8。

圖7　超前支護(hù)橫斷面布置

圖8?、?Ⅰ斷面(單位：cm)

3.3洞內(nèi)施工

根據(jù)本隧道地質(zhì)情況，考慮到施工進(jìn)度及施工安全等方面，采用三臺(tái)階七步流水作業(yè)法施工。三臺(tái)階七步流水作業(yè)法開(kāi)挖采用弱爆破或人工開(kāi)挖，局部爆破時(shí)嚴(yán)格控制炮眼深度及裝藥量。各步開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺不大于0.6 m(鋼架間距0.6 m)，預(yù)留核心土，開(kāi)挖后及時(shí)對(duì)圍巖采用C25混凝土進(jìn)行初噴，然后架立鋼架并設(shè)鎖腳鋼管、系統(tǒng)錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。三臺(tái)階七步開(kāi)挖法施工斷面如圖9、圖10所示。

三臺(tái)階七步開(kāi)挖法施工說(shuō)明如下。

第1步：施作超前支護(hù)后，開(kāi)挖拱部弧形導(dǎo)坑，預(yù)留核心土，施作拱部初期支護(hù)；

第2、3步：開(kāi)挖左右側(cè)中臺(tái)階并施作初期支護(hù)；

第4、5步：開(kāi)挖左右側(cè)下臺(tái)階并施作初期支護(hù)；

第6步：分別開(kāi)挖上、中、下臺(tái)階核心土；

第7步：開(kāi)挖隧底并施做仰拱初期支護(hù)封閉成環(huán)。

圖9　三臺(tái)階七步流水法施工橫斷面

圖10　三臺(tái)階七步流水法施工縱斷面

3.4監(jiān)控量測(cè)

為確保施工安全，必須加強(qiáng)隧道變形監(jiān)控量測(cè)，檢測(cè)內(nèi)容為：洞內(nèi)外觀察、拱頂下沉、凈空變化、地表下沉量測(cè)。

(1)洞內(nèi)外觀察：洞內(nèi)觀察分開(kāi)挖工作面觀察和已施工地段觀察，每次開(kāi)挖后應(yīng)進(jìn)行開(kāi)挖工作面觀察，繪制開(kāi)挖工作面地質(zhì)素描圖，填寫地質(zhì)狀況記錄表，并與勘查資料對(duì)比；初支施工后，要及時(shí)記錄噴混凝土、錨桿、鋼架變形等。洞外觀察重點(diǎn)是記錄地表開(kāi)裂、地表變形、邊坡及仰坡穩(wěn)定情況、地表水滲漏情況等，還要注意洞頂灌溉水渠變化情況。

(2)拱頂下沉量測(cè)：采用精密水準(zhǔn)儀和銦鋼掛尺測(cè)量。在隧道拱頂軸線附件焊接測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)與隧道外監(jiān)控量測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測(cè)。監(jiān)測(cè)斷面5 m間距，測(cè)量頻率為，監(jiān)測(cè)斷面距開(kāi)挖面10 m以內(nèi)2次/d，10～20 m范圍1次/d，20～50 m范圍1次/3d，50 m以上1次/7d。

(3)凈空變形量測(cè)：采用鋼尺收斂?jī)x測(cè)量，每臺(tái)階1條水平測(cè)線，3條斜測(cè)線，測(cè)點(diǎn)焊接在測(cè)線兩端，每5 m設(shè)1處量測(cè)斷面。量測(cè)頻率同拱頂下沉。

(4)地表下沉量測(cè)：采用精密水準(zhǔn)儀、銦鋼尺測(cè)量，測(cè)點(diǎn)在隧道開(kāi)挖前布設(shè)測(cè)點(diǎn)橫向間距2～5 m，中線附近3 m間距，橫向范圍不小于埋深+隧道開(kāi)挖寬度，縱向間距10 m，和隧道內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置在同一斷面里程，測(cè)量頻率同拱頂下沉量測(cè)頻率。

監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)取得后，要及時(shí)進(jìn)行校對(duì)和整理。數(shù)據(jù)分析采用散點(diǎn)圖和回歸分析法，數(shù)據(jù)分析主要包括以下內(nèi)容：

(1)根據(jù)量測(cè)值繪制時(shí)態(tài)曲線；(2)選擇回歸曲線，預(yù)測(cè)最終值，并與控制基準(zhǔn)比較；(3)對(duì)支護(hù)及圍巖狀態(tài)、工法、工序進(jìn)行評(píng)價(jià)；(4)及時(shí)反饋評(píng)價(jià)結(jié)論，提出相關(guān)工程對(duì)策建議。

3.5施工中的變形處理對(duì)策

施工現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析提出的建議，采用相應(yīng)應(yīng)對(duì)措施。分為一般措施和輔助施工措施。

(1)一般措施：主要有穩(wěn)定開(kāi)挖工作面、調(diào)整開(kāi)挖方法、調(diào)整初支強(qiáng)度和剛度并及時(shí)支護(hù)、圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)間回填注漿。

(2)應(yīng)急措施：主要有地層預(yù)處理，如注漿加固、降水等，加強(qiáng)超前支護(hù)，施工中增加臨時(shí)仰拱等。

該隧道施工中根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)拱頂下沉速度超標(biāo)，山體出現(xiàn)裂縫，立即啟動(dòng)了大拱腳施工應(yīng)急預(yù)案，增加臨時(shí)仰拱，并及時(shí)施作仰拱二次襯砌及填充，遏制了山體變形，保證了隧道施工質(zhì)量(圖11)。

圖11　臨時(shí)仰拱

4結(jié)語(yǔ)

淺埋、偏壓隧道施工，必須結(jié)合地形、地質(zhì)、水文、圍巖具體情況，科學(xué)制定施工方案。同時(shí)對(duì)施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)要重點(diǎn)把握。

(1)防水措施是隧道施工順利進(jìn)行的保證。水是隧道施工的百害之源，更是軟巖、破碎圍巖隧道施工的大敵。該隧道頂部有當(dāng)?shù)毓喔扔盟?，常年流水，圍巖松散軟弱，做好防水尤其關(guān)鍵。在施工中，該隧道加強(qiáng)了地表水的疏導(dǎo)和防滲，增加了邊坡、工作面土體的穩(wěn)定性，保證了初期支護(hù)的穩(wěn)定和洞內(nèi)掘進(jìn)的順利進(jìn)行。

(2)偏壓平衡措施是保證偏壓隧道施工和運(yùn)營(yíng)安全的關(guān)鍵。偏壓對(duì)于隧道施工安全威脅很大，對(duì)將來(lái)運(yùn)營(yíng)安全也有較大的影響，因此，應(yīng)根據(jù)不同隧道洞口地形、地質(zhì)特點(diǎn)，判明偏壓的嚴(yán)重程度，采取不同處置措施。本隧道采用重力式擋墻平衡偏壓，采取錨噴支護(hù)、地表注漿等措施穩(wěn)定邊坡，有效處理了偏壓。對(duì)于偏壓較大的隧道還可以采取錨固樁平衡偏壓，也可采取半明半暗結(jié)構(gòu)等減少對(duì)邊坡的擾動(dòng)后進(jìn)行邊坡加固處理等措施。

(3)監(jiān)控量測(cè)是隧道施工順利進(jìn)行的必要手段。監(jiān)控量測(cè)是掌握圍巖動(dòng)態(tài)變化、科學(xué)指導(dǎo)施工的必要手段。該隧道通過(guò)配置專業(yè)人員、精密測(cè)量?jī)x器以及嚴(yán)格的監(jiān)控量測(cè)，發(fā)現(xiàn)了施工中的異常，現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)采取了應(yīng)急處置措施，改善了圍巖及初期支護(hù)的受力條件，控制了支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，確保了隧道施工安全。

(4)長(zhǎng)管棚是軟弱地層淺埋隧道超前支護(hù)的有效手段。通過(guò)本隧道施工實(shí)踐，長(zhǎng)管棚作為軟弱地層，大跨、淺埋地段隧道的超前支護(hù)技術(shù)，對(duì)注漿加固地層、封堵地下水滲漏，仰制圍巖變形，加快施工進(jìn)度，確保施工安全作用明顯。

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Construction of Tunnels with Shallow Depth， Unsymmetrical Loading and Soft Rock

LIU Jian-zhong

(Construction Management Department of Chinese Railway Corporation， Beijing 100844, China)

Abstract：Excavation in shallow depth， unsymmetrical loading and soft rock tunnel remains a challenge in tunnel construction. This paper introduces construction practices in shallow depth， unsymmetrical loading and soft rock tunnels. The gravity retaining wall and the consolidation of side and front slopes are used to treat unsymmetrical loading， and large pipe shed， advanced small pipe and overlap arch way are employed to deal with shallow depth. Three-stage-and-seven-step flowing method is applied in the tunnel with soft rock. Meanwhile， the monitoring and measuring methods， the treatment of surrounding rock deformation are elaborated.

Key words：Tunnel engineering; Shallow depth; Unsymmetrical loading; Soft rock; Construction technology.

中圖分類號(hào)：U455

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.028

文章編號(hào)：1004-2954(2015)06-0126-05

作者簡(jiǎn)介：劉建中(1971—)，男，高級(jí)工程師，1995年畢業(yè)于蘭州鐵道學(xué)院鐵道工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士。

收稿日期：2014-07-22； 修回日期：2014-09-11