大斷面富水復合地層鐵路隧道施工關鍵技術

周運祥,張志軍,梁勝國

(1.中國鐵路總公司工程管理中心,北京 100038； 2.中鐵十二局集團三公司,太原 034000)

大斷面富水復合地層鐵路隧道施工關鍵技術

周運祥1,張志軍2,梁勝國2

(1.中國鐵路總公司工程管理中心,北京 100038； 2.中鐵十二局集團三公司,太原 034000)

干慶隧道穿越復合地層。復合地層以飽和粉質(zhì)黏土為主,間夾粉細砂或砂類土、圓礫類土及半膠結(jié)狀砂層,組成無規(guī)律,結(jié)合性能弱,黏聚力低,自穩(wěn)能力極差,可借鑒成功經(jīng)驗少,施工難度大。為解決施工遇到的技術難題,以干慶隧道為研究背景,通過分析施工影響因素,提出解決措施。為解決富水地層地下水對施工的影響,采用地表大口徑深井群井降低地下水位技術、超前短距離管棚快速預注漿預加固圍巖。為解決大斷面及復合地層施工中的安全風險,加快施工進度,采用多臺階劃小施工單元進行開挖、旋噴樁加固拱腳及液壓破碎錘精準開挖技術。采用以上技術措施后,該隧道安全快速地通過了富水、復合圍巖軟弱地層,平均月進尺達30 m,最高達42 m,取得了較好效果。

鐵路隧道；大斷面；富水；復合地層；施工；關鍵技術

1 工程概況

干慶隧道是大西鐵路客運專線工程長大隧道之一，設計為單洞雙線隧道，全長6 693 m，最大開挖斷面達187 m2，根據(jù)國際隧道協(xié)會(ITA)的隧道斷面劃分標準，為特大斷面隧道[1]。隧道穿越長達360 m的富水砂泥巖與其他類型土質(zhì)相互膠結(jié)的復合地層，如此超大斷面、長段落穿越富水粉質(zhì)黏土復合地層隧道比較少見，可借鑒成功案例少，部分段落多次發(fā)生涌砂涌水地質(zhì)災害，施工難度大，安全風險高。

干慶隧道位于山西省運城市禮元鎮(zhèn)，隧址區(qū)為黃土臺塬地貌，沖溝發(fā)育，溝谷深切較大，多呈“U”及“V”字形，地形起伏較大。隧道DK588+635～+995段穿越復合地層，埋深約305 m。以粉質(zhì)黏土為主，間夾粉細砂或砂類土、圓礫類土及半膠結(jié)狀砂層，軟硬不均，原設計Ⅳ級圍巖。施工過程揭示，復合地層圍巖各組成無規(guī)律、結(jié)合性較差，黏聚力低，觸變性強，自穩(wěn)能力極差，后調(diào)整為Ⅵ級圍巖[2]。隧道穿越富水層，平均出水量30 m3/h，最大出水量240 m3/h， 滲水量較大，局部呈面狀流出。受地下水影響，圍巖軟化，蠕變性增強，易出現(xiàn)突水涌泥、流砂涌砂，施工安全風險極大。

2 富水段復合地層對施工的影響

該段復合地層由2 個作業(yè)面相向施工，原設計為Ⅳ級圍巖，鉆爆法施工，采用YT-28風槍成孔，經(jīng)過多個循環(huán)的超前密排小導管注漿預支護和超前長管棚現(xiàn)場工程試驗，但由于復合地層松軟，自穩(wěn)能力極差，成孔困難，試驗過程多次出現(xiàn)涌水涌砂，導致超前支護失效。2012年4月28日～5月11日，DK588+995掌子面發(fā)生多次涌水、涌泥、涌砂，涌泥涌砂量約1900 m3，穩(wěn)定水量40 m3/h。

2012年8月13日、10月22日，施工過程中又分別出現(xiàn)3次大的突水涌泥涌砂事件，最大一次涌砂量達4 600 m3，且發(fā)生涌水涌砂極易造成初期支護背后出現(xiàn)空洞，從而引起初支發(fā)生大變形，日收斂和拱頂下沉均達40 cm以上。經(jīng)分析，施工影響因素主要有3個。

(1)干慶隧道采用新奧法施工，隧道開挖后要充分利用圍巖的自穩(wěn)性能[3]。由于客運專線隧道斷面大，跨矢比大，干慶隧道軟弱圍巖段受力比較復雜，開挖后變形大，拱腳處應力集中，初期支護沉降收斂控制難[4-6]。

(2)該工程的地質(zhì)條件是以粉質(zhì)黏土為主，與其他巖性膠結(jié)性能差，開挖后無法自穩(wěn)成拱，且各巖石塊間的間隙太大，漿液無法迅速凝固形成固體，加固效果差。

(3)富水區(qū)對施工影響大。汪旵生[7]等對隧道開挖前后圍巖的滲流場進行了研究，受地下水滲流的作用，復合地層隧道結(jié)構受力差異性變化較大。隧道開挖后地下水運移路徑變化、動水誘發(fā)砂層、粉質(zhì)黏土失穩(wěn)，易發(fā)生涌水、涌砂，無法做到無水條件下施工，須在合適位置打設降水井，開挖前提前排水或降水。

3 復合地層開挖施工關鍵技術

干慶隧道采用新奧法理念施工，應充分利用圍巖自穩(wěn)原理及圍巖量測數(shù)據(jù)指導施工，實現(xiàn)復合地層的快速施工[8]。針對復合地層、富含水的實際情況，采用了“地表深井降水、加固圍巖、改善變形、先柔后剛、先放后抗、變形留夠、底部加強”的主動式控制原則，分別采用了深井群井降水、超前管棚預加固、多臺階液壓破碎錘開挖、拱腳加固及地層注漿改良等關鍵施工技術，順利完成隧道施工。

3.1 地表大口徑深井群井降水關鍵技術

干慶隧道隧址區(qū)賦存豐富的地下水，水位埋深在15 m以上。水的問題是解決松散碎圍巖安全施工的最主要問題，在處理時必須加強對水的控制[9]。群井降水按照地層的透水性，或涌水量的大小來布局群井的數(shù)量，以群井抽水的方式，以少制多，截流抽水，促使地下水位下降，達到降水目的。北京交通大學的王宗奎[10]認為通過試驗獲得的井群布置的參數(shù)，可在一定程度上提高降水效果。通過降水方案分析比較[11]，DK588+635～+695段360 m長Ⅵ級富水砂層地段采用地表大口徑深井群井降水技術。試驗井獲得了井點降水的有效面半徑為73 m。采用參數(shù)如下：降水井直徑為600 mm，深度為172～215 m，降水井在隧道左右兩側(cè)對稱設置，縱向間距為40 m左右，距隧道輪廓開挖線5～10 m，井底高程為仰拱底部以下20～30 m。共計打20孔降水井，抽出砂土復合地層20余萬m3地下水。多井同時抽水后，拱頂水位下降至下臺階，洞內(nèi)水流量一直保持在11 m3/h左右，并呈緩慢下降趨勢，洞內(nèi)再無發(fā)生一次大范圍涌水現(xiàn)象，降低了洞內(nèi)施工難度。

3.2 超前短距離管棚快速施工技術

為解決松軟地層中管棚施工成孔困難和注漿串孔影響注漿質(zhì)量效果問題，干慶隧道采用了超前短距離管棚快速施工技術和間隔鉆孔高壓注漿施工方法，取得了理想效果，由于該技術應用較為成熟，現(xiàn)僅做簡略介紹。

超前支護采用φ89 mm管棚，長度6 m，環(huán)向間距30 cm，縱向搭接長度不小于1.0 m，采用2臺履帶式全氣動鉆機鉆孔，不需搭設作業(yè)平臺，施工效率及精度高，施工一環(huán)62根，30 h即可完成鉆孔、注漿作業(yè)。

3.3 大斷面開挖施工關鍵技術

復合地層類型一般分為上軟下硬復合地層、上硬下軟復合地層、斷面兩側(cè)軟硬不均復合地層和軟硬互層4種類型。施工中靈活運用多臺階開挖，變一次開挖為多次開挖。在原三臺階預留核心土七步流水法基礎上改進優(yōu)化，降低臺階高度，增加臺階數(shù)量劃小施工單元，達到快開挖快封閉，從而降低施工安全風險和施工成本。分別見圖1、圖2。

圖1 優(yōu)化后的三臺階七步開挖法示意

圖2 多臺階劃小施工單元

洞身開挖采用自上而下分三臺階、七步驟，每開挖一步均應及時施作錨噴支護、安設鋼架。上臺階分部開挖時，分部施作初期支護。上臺階開挖完成后，滯后一段距離開始第二臺階左、右部開挖及支護，形成左、右兩側(cè)開挖及支護相互交叉的情形；同法開挖第三臺階。

(1)上軟下硬復合地層：上部軟弱地層，臺階高度宜控制在1.8 m左右，拱架拱腳坐落在下部較硬地層，鎖腳錨管施作在較硬地層部位；下部自穩(wěn)性好的較硬地層臺階高度宜控制在3.6 m，一次開挖到位；鋼架全部按照臺階高度1.8 m加工，需使用3.6 m時兩榀1.8 m組合。

(2)上硬下軟復合地層：上部較硬地層，為便于大型機械作業(yè)，臺階高度宜控制在3.6 m左右，一次開挖到位；下部軟弱地層臺階高度宜控制在1.8 m，并采取拱腳加固措施，提高軟弱地層承載力。

(3)斷面兩側(cè)軟硬不均復合地層：軟硬地層一側(cè)臺階高度宜控制在3.6 m左右；軟弱地層一側(cè)臺階高度宜控制在1.8 m左右；軟弱地層一側(cè)超前較硬地層施工3～5榀鋼架。

(4)軟硬互層：軟硬地層互層厚度一般為2～3 m，臺階高度一般宜控制在1.8 m左右，拱架拱腳盡量落在較硬地層上，若現(xiàn)場條件達不到，可采取措施提高拱腳軟弱地層承載力。

3.4 深層超前鎖腳預加固技術

隧道采用三臺階預留核心土七步流水法開挖，由于受地下水影響，圍巖軟化，蠕變性增強，開挖后呈軟塑～流塑狀，承載力低。拱腳斜向設置φ600 mm深層超前鎖腳預加固樁，樁長6 m，內(nèi)插2根φ42 mm鋼管增加剛度，鋼架直接坐落在斜向旋噴樁上，且在邊墻位置形成一排連續(xù)樁，見圖3，注漿后，樁與拱腳相連，加大了鋼架的持力面積，開挖下部臺階時側(cè)壁土層基本無垮塌。

圖3 拱腳斜向旋噴樁加固拱腳

(1)采取擴大拱腳增大受力面積，擴大拱腳設置在原三臺階上臺階或中臺階拱腳位置，擴大拱腳寬度為80 cm，高度為1.2 m，拱架背面增加工字鋼架牛腿，要求牛腿鋼架與拱架有效連接，擴大拱腳采用與初期支護同強度等級噴射混凝土。

(2)采取2排豎向φ42 mm小導管注漿加固拱腳地層，小導管長度1.2～1.5 m。

(3)拱腳墊置永久縱向通長槽鋼形成縱向托梁，增加拱腳受力面積，槽鋼設置螺栓孔，上下臺階拱架通過螺栓孔將槽鋼固定在兩榀拱架連接板之間，縱向槽鋼之間采用連接鋼板焊接。

(4)必要時采取厚50 cm三七灰土換填拱腳。

通過隧道開挖揭露斜向旋噴樁各排樁受力較為理想，在試驗段中樁體強度達到21 MPa，且鋼架直接坐落于斜向旋噴樁上，減少了拱腳承力，起到了對拱腳的保護，確保了隧道結(jié)構安全。

3.5 液壓破碎錘開挖技術

掌子面地質(zhì)為第三系粉質(zhì)黏土、粉細砂、砂類土、圓礫類土以及半膠結(jié)狀砂層隨機復合地層，軟硬不均。如采用鉆孔爆破開挖，易卡鉆桿，且爆破后成洞效果較差，欠挖、超挖量不易控制。為提高開挖效率，采用液壓破碎開挖方案，即掌子面開挖配置2臺挖掘機，一臺普通挖掘機，施工相對軟弱地層的開挖；另一臺挖掘機安裝液壓破碎錘，對局部較硬的地質(zhì)和封閉噴射混凝土進行開挖，大大提高了開挖效率，且可以對普通挖掘機無法開挖的拱腳和狹窄部位進行精準開挖，減少了超挖量。

3.6 鎖腳短管棚和徑向注漿改良地層技術

上、中臺階鋼架鎖腳采用2根φ89 mm管棚，長度6 m，管棚內(nèi)注水泥漿，見圖4。

圖4 φ89 mm鎖腳短管棚

采用履帶式全氣動鉆機施工，管棚與鋼架采用L形φ25 mm鋼筋焊接連接，施工時機為在下部臺階開挖前完成，一般上臺階滯后預留核心土2榀鋼架、中臺階滯后3榀，滿足履帶式全氣動鉆機作業(yè)空間及早組織施工。

初期支護完成后，應立即進行注漿加固施工，使初期支護與圍巖盡早共同受力，減小初期支護的下沉變形量；同時，通過注漿對富水地層堵水，并改良軟弱地層。

注漿范圍為開挖輪廓線外3 m，注漿孔深度100 cm，注漿孔間距按照300 cm(縱向)×300 cm(環(huán)向)布設，采用水泥-水玻璃雙液注漿，終壓控制在0.5 MPa以內(nèi)。注漿完成后進行整體效果檢查，如每延米出水量不大于1.5L/min，則說明注漿達到效果，否則重新鉆孔注漿。

3.7 施工管理

(1)根據(jù)圍巖量測結(jié)果，確定仰拱、襯砌最佳施作時間?？偨Y(jié)不同地層圍巖量測結(jié)果，仰拱的封閉成環(huán)時間一般為15 d，襯砌施作時間一般為30 d。該復合地層月施工進度為50 m左右，仰拱距掌子面的距離一般為28 m左右，襯砌距掌子面的距離一般為55 m左右，滿足《高速鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗收標準》工序步距要求[12]。

(2)圍巖量測納入工序管理，根據(jù)量測結(jié)果動態(tài)調(diào)整不同地層段的圍巖預留變形量，減少襯砌混凝土用量，從而降低施工成本[13]。

4 效果

干慶隧道采用群井降水，地表多井同時抽水后，拱頂水位下降至下臺階，洞內(nèi)水流量呈緩慢下降趨勢，洞內(nèi)再無發(fā)生一次大范圍涌水現(xiàn)象。采取措施弱化地下水對圍巖的影響后，施工過程未發(fā)生涌水、涌砂，根據(jù)監(jiān)控量測反饋信息指導施工，圍巖變形受控，以橫向誤差6 mm、高程誤差9 mm的超高精度，超大斷面、特長段落富水砂土復合地層結(jié)構安全，未發(fā)生安全、質(zhì)量事故；隧道復合地層月進度創(chuàng)造了Ⅵ級圍巖平均月進尺28～30 m、月進尺最高達42 m的紀錄。

5 經(jīng)驗與建議

(1) 隧道采用深井井點降水，深度達215 m，難度較大。采用群井降水時，降水的效果與井點布局密切相關，現(xiàn)場要依據(jù)試驗得出降水有效面半徑，降水井點之間的距離不得大于降水面有效半徑，且降水時群井需聯(lián)鎖操作。深井群井降水部分情況下不能降至預期水位時，應提前制定出現(xiàn)故障補救方案。一是深井降水經(jīng)長時間抽水可能造成淤井、死井現(xiàn)象，應經(jīng)常檢查，并采用洗井設備重新洗井至抽水正常；二是抽水泵功率要與井深相匹配；三是在砂、礫巖等膠結(jié)性能較差易成粒的情況下，井點降水既是有效降低地下水位的方法，但也易形成涌水涌砂通道，要加強對地下水的監(jiān)測。

(2)軟弱地層隧道采取多臺階開挖施工時，應主要著眼于如何防止隧道開挖過程大沉降、變形、開裂甚至坍塌等安全事故的發(fā)生。該隧道基于三臺階七步開挖法基礎上進行了改進，根據(jù)地層軟硬不同情況采取了較靈活的多臺階施工，整個施工中無隧道坍塌，取得了較好的效果。但也應看到，多臺階開挖對于施工進尺的制約也較大，頻繁更換作業(yè)面也易導致機械效率利用率較低，借鑒本例隧道施工成功案例時，更要綜合考慮隧道安全與進度的關系，找到最佳平衡點。

(3)在多臺階分步開挖時，要重視大拱腳的支護作用。大拱腳是減少拱頂下沉的有效措施，在條件受限時，擴大拱腳受力面積，也是施工應考慮的方向。

(4)斜向旋噴樁+注漿加固方法對于軟弱圍巖、承載力低的地層作用比較明顯。該方法通過加大拱腳的受力面積，大大增加了拱腳的承載力，尤其是在邊墻位置形成一排連續(xù)樁，形成受力系統(tǒng)，對于開挖側(cè)壁土層防止垮塌效果尤為突出。該隧道成功案例，提供了一種加大軟弱地層拱腳受力的新思路。但針對斜向旋噴樁的施作角度與加固隧道拱腳的作用尚沒有作定量分析，目前還沒有專門的設計思路和計算方法，尚需深入研究。

(5)對于類似膠結(jié)砂礫土等軟硬分布不均的復合地層，使用風鎬難以開挖，而采用鉆爆法由于經(jīng)?？ㄣ@導致開挖效率較低。采用加裝液壓破碎錘的挖掘機對巖體進行振動沖擊破碎開挖，既減弱了對軟弱圍巖的擾動，減少了坍塌風險，又充分提高了機械效率，提高了開挖進度。采用液壓破碎開挖方案，與爆破開挖相比，該段施工減少超挖量約70%，降低了施工成本。實踐證明在軟硬不均的復合地層中采用液壓破碎錘開挖方案是可行的[14]，對類似條件下隧道開挖施工具有借鑒意義。

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Key Technologies in Construction of Railway Tunnel in Large Cross-section and Rich-water Composite Stratum

ZHOU Yun-xiang1, ZHANG Zhi-jun2, LIANG Sheng-guo2

(1.Project Management Center of China Railway Corporation, Beijing 100038, China;2.China Railway No. 12th Bureau Group Ltd., Taiyuan 034000, China)

Gan-qing tunnel crosses rich-water stratum. The tunnel surrounding rocks are mainly silty clay mixed with silty-fine sand, sandy soil, granular soil and other semi cemented sand. All kinds of surrounding rocks are scattered randomly in weak performance, low cohesion and poor self stability stratums. There have been less engineering experiences to refer to and construction is very difficult. In order to solve the technical problems encountered in construction, and to provide a successful example of tunnel excavation, Gan-qing tunnel excavation is studied. In order to solve the impact of groundwater on construction, group of large diameter deep wells are employed to lower underground water level and advance short pipe roof quick grouting to reinforce surrounding rock. In order to reduce the security risks of large section construction, multiple steps with small construction unit, oblique rotary spray pile reinforcement arch foot and precision hydraulic hammer excavation technology are used. All these measures allow the tunnel excavation to pass though rich-water composite soft rock strata quickly and safety with average 30m and maximum 42m per month.

Railway tunnel; Large Cross-section; Rich-water; Composite stratum; Construction; Key technology

2015-04-21；

2015-05-13

周運祥(1972—)，男，高級工程師，1996年畢業(yè)于石家莊鐵道學院，工學學士，E-mail:wslzyx@126.com。

1004-2954(2015)12-0064-04

U455

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.12.015