淺埋偏壓碳質(zhì)泥巖隧道施工技術(shù)研究

摘要：文章結(jié)合工程實(shí)例，介紹了隧道位于洞口淺埋偏壓、溝槽軟弱碳質(zhì)泥巖等不良地質(zhì)隧道的工程實(shí)踐，施工中運(yùn)用了確定合理預(yù)留變形量、加強(qiáng)鎖腳及臨時(shí)仰拱（臨時(shí)橫撐）、洞內(nèi)單層超前小導(dǎo)管注漿、全環(huán)鋼拱架、仰拱、嚴(yán)格控制開挖步長(zhǎng)、二襯緊跟掌子面等措施，解決了此類地質(zhì)條件下隧道變形侵線、坍塌冒頂?shù)燃夹g(shù)難題。

關(guān)鍵詞：淺埋偏壓；碳質(zhì)泥巖；隧道工程；隧道變形侵線；坍塌冒頂 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：U455 文章編號(hào)：1009-2374（2016）02-0101-04 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.02.050

中鐵一局蒙河鐵路工程指揮部施工的蒙河鐵路一標(biāo)隧道35.226km，占標(biāo)段總長(zhǎng)的50%。隧道地質(zhì)復(fù)雜，普遍存在斷層等不良地質(zhì)，Ⅳ、Ⅴ級(jí)軟弱圍巖占隧道長(zhǎng)度的70%，其中軟弱圍巖地段主要是碳質(zhì)板巖地質(zhì)，新現(xiàn)1號(hào)隧道的炭質(zhì)板巖地質(zhì)尤為復(fù)雜，施工中防涌水突泥、防淺埋地段坍塌冒頂，加強(qiáng)軟弱圍巖施工控制，提高施工進(jìn)度，是確保施工工期的關(guān)鍵?，F(xiàn)筆者就蒙河鐵路新現(xiàn)1#隧道淺埋偏壓軟弱圍巖施工技術(shù)研究淺談匯報(bào)如下：

1 工程概況

新現(xiàn)一號(hào)隧道為Ⅰ級(jí)電力牽引單線隧道，設(shè)計(jì)行車速度120km/h。起訖樁號(hào)為DK46+048～DK46+620，隧道全長(zhǎng)572m。隧道進(jìn)出口位于右偏曲線（R=1600m）上，隧道處線路縱坡為單面下坡（進(jìn)口段為18‰下坡，出口段為12‰下坡），變坡點(diǎn)里程為DK46+450，變坡點(diǎn)高程為1422.55m。隧道斷面內(nèi)輪廓為三心圓曲邊墻斷面形式，斷面凈寬6.75m，拱頂凈高7.61m，洞內(nèi)鋪設(shè)重型軌道碎石道床，鋪設(shè)Ⅲ型枕及60kg/m鋼軌，內(nèi)軌頂面至道床底面高度為77cm。隧道進(jìn)口采用翼墻式洞門，出口采用臺(tái)階式洞門，進(jìn)出口邊仰坡采用人字型骨架護(hù)坡防護(hù)。洞身采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。隧道左側(cè)設(shè)通信電纜槽，右側(cè)設(shè)電力電纜槽，全隧設(shè)小避車洞16個(gè)，大避車洞兼電纜余長(zhǎng)腔3個(gè)。

2 研究目的

通過研究，經(jīng)各方的共同努力，確定合理施工方案、施工工藝參數(shù)。為以后施工同類圍巖地質(zhì)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，積累數(shù)據(jù)。

3 研究過程

3.1 原設(shè)計(jì)地質(zhì)情況

新現(xiàn)一號(hào)隧道設(shè)計(jì)為<33～2>灰?guī)r夾板巖（ε1m）：灰?guī)r為深灰色，致密隱晶結(jié)構(gòu)，中薄層狀，節(jié)理發(fā)育，充填有較多方解石細(xì)脈，局部有泥質(zhì)灰?guī)r；板巖成深灰色，風(fēng)化后呈黃褐色，變余粉砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu)及鈣質(zhì)結(jié)構(gòu)，中薄層狀，巖質(zhì)較軟。節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，鉆孔取芯基本呈塊狀，局部節(jié)理面可見炭質(zhì)泥膜。

3.2 開挖揭示地質(zhì)情況

新現(xiàn)一號(hào)隧道自2009年7月進(jìn)洞開挖后，揭示地質(zhì)為堆積狀碳質(zhì)泥巖，呈黑褐色。受構(gòu)造影響，巖體及其風(fēng)化破碎，土質(zhì)不均，含水量不均，具“流滑性”和蠕動(dòng)作用，無自穩(wěn)能力，在有臨空面的情況下極易產(chǎn)生下滑溜坍。巖體擠壓破碎嚴(yán)重，受地下水長(zhǎng)期浸泡作用，大部分已成土狀、淤泥質(zhì)土狀，在局部殘存的破碎巖塊上可見斷層擦痕。由于巖層無自穩(wěn)能力，周邊圍巖側(cè)壓力大，致使開挖支護(hù)后的初期支護(hù)下沉及收斂變形嚴(yán)重。

3.3 變更設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)

隧道自進(jìn)洞至2010年3月，累計(jì)變更12次，均未能有效阻止初支變形，期間停工半年，經(jīng)過多次專家評(píng)審，2010年10月確定如下措施：全環(huán)采用I18型鋼鋼架，間距0.6m，預(yù)留變形量0.3m，拱部設(shè)雙層Ф42超前小導(dǎo)管，水平小導(dǎo)管長(zhǎng)3.5m，環(huán)向間距0.3m，縱向間距1.2m，斜向45?小導(dǎo)管長(zhǎng)4.5m，環(huán)向間距0.3m，縱向間距1.2m，水平小導(dǎo)管與斜向小導(dǎo)管交錯(cuò)布置。掛設(shè)Ф8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距0.2m×0.2m，鎖腳采用Ф22砂漿錨桿，每根長(zhǎng)4.0m，每榀4根，設(shè)在BC單元接頭處。襯砌設(shè)計(jì)為V級(jí)復(fù)合式襯砌（二），采用Ф18鋼筋混凝土，鋼筋間距33cm，襯砌厚度0.4m。

3.4 隧道埋深情況

3.6 前期施工情況介紹

由于前期對(duì)隧道圍巖認(rèn)識(shí)不足，總認(rèn)為圍巖松散，只采取加密超前小導(dǎo)管進(jìn)行施工，阻止拱部出現(xiàn)流塌現(xiàn)象，沒有意識(shí)到隧道變形量大，上臺(tái)階掘進(jìn)長(zhǎng)度30m，中臺(tái)階25m，當(dāng)進(jìn)行下臺(tái)階僅施工5m后發(fā)現(xiàn)，初支已變形侵限，造成30m初期支護(hù)全部換拱。

由于現(xiàn)有的支護(hù)參數(shù)無法抵御圍巖側(cè)壓力，致使圍巖收斂過大，甚至有發(fā)生塌方的危險(xiǎn)，施工人員安全得不到保證，于2010年3月停止施工，重新研究施工方案。

3.7 施工難點(diǎn)

綜合以上施工情況，經(jīng)過設(shè)計(jì)、業(yè)主、集團(tuán)公司專家多次親臨現(xiàn)場(chǎng)研究以及一年多的施工經(jīng)驗(yàn)來看，淺埋偏壓碳質(zhì)板巖有以下四個(gè)特點(diǎn)：（1）圍巖為碳質(zhì)板巖，遇水呈泥狀，無自穩(wěn)能力，且具有“流滑性”和蠕動(dòng)作用；（2）在施工過程中，初支在有擾動(dòng)情況下，變形量大且不收斂；（3）在工序轉(zhuǎn)換工程中，受擾動(dòng)，變形加劇，尤其是落D單元及仰拱開挖過程中，產(chǎn)生突變，極易塌方；（4）變形時(shí)間長(zhǎng)，洞口段已施作的30m二襯左右邊墻由于圍巖側(cè)壓力原因，出現(xiàn)一條通長(zhǎng)裂紋，裂縫最大寬度2～3mm。

4 方案制定及主要工程措施

4.1 研究時(shí)間

隧道自2010年3月停工，到2010年10月，經(jīng)過專家多次會(huì)議研究，對(duì)存在的問題進(jìn)行了針對(duì)性的分析，主要問題如下：（1）隧道圍巖破碎，遇水成塑狀，無自穩(wěn)能力；（2）隧道圍巖淺埋偏壓且含水量大，給施工帶來更大麻煩；（3）隧道變形量大，在有擾動(dòng)的情況下變形加劇，變形時(shí)間長(zhǎng)。

針對(duì)以上問題，我們采取了以下措施：（1）加強(qiáng)超前支護(hù)，保證開挖過程中拱頂不流塌；（2）加強(qiáng)鎖腳錨桿施作，每個(gè)節(jié)點(diǎn)采用4根鎖腳錨桿，并增設(shè)臨時(shí)橫撐，阻止圍巖收斂過大，拱腳采用預(yù)制砼支墊密實(shí)，防止初支下沉量大，同時(shí)增加預(yù)留變形量，防止侵限；（3）加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，每循環(huán)進(jìn)行量測(cè)工作，找出變形量大的工序，并加快該工序的施工時(shí)間，盡快成環(huán)；（4）二襯緊跟，保證洞內(nèi)施工安全。

4.2 施工方案

依據(jù)設(shè)計(jì)、業(yè)主以及集團(tuán)公司專家多次親臨現(xiàn)場(chǎng)研究，結(jié)合前期施工經(jīng)驗(yàn)和圍巖情況及監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，2010年12月制定以下方案組織施工。

“拱部輔單層小導(dǎo)管，開挖采用七步流水施工，預(yù)留核心土，仰拱及二襯緊跟，大循環(huán)成洞施工”的加固措施和施工方案。

施工中嚴(yán)格控制施工步序作為鐵的紀(jì)律來執(zhí)行。

4.3 加強(qiáng)措施參數(shù)

全環(huán)I18工字鋼鋼架，鋼架間距0.5m，預(yù)留變形量增加到0.3～0.5m，拱部設(shè)Ф42小導(dǎo)管注漿加固，小導(dǎo)管長(zhǎng)3.5m，環(huán)向間距0.2m，縱向間距1.0m，加強(qiáng)鎖腳錨管，每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)4根Ф42鎖腳錨管，錨管長(zhǎng)度4.0m。全環(huán)共計(jì)16根，并增加2排工字鋼橫撐，分別布置在BC，CD單元接頭處，工字鋼縱向間距1.0m，橫撐縱向采用Ф22鋼筋進(jìn)行連接，連接筋間距1.0m。4.4 換拱施工

2010年10月，根據(jù)方案進(jìn)行換拱施工，拆換過程中必須采用“先加固，后拆除”的原則，確保在拆換工程中初支不會(huì)出現(xiàn)兩次變形。采用“自上而下，由外向里，逐榀拆除”的施工方法，“每3～4m為一個(gè)施工大循環(huán)”，即拆換、仰拱、二襯。保證施工安全。

首先采用I18鋼管橫撐進(jìn)行加固，加固完成后打設(shè)徑向小導(dǎo)管注漿（環(huán)100×縱60cm）固結(jié)；其次采用風(fēng)鎬在原有鋼架之間進(jìn)行鑿除，鑿除一個(gè)臺(tái)階，鋼架安裝一個(gè)臺(tái)階，拆換后及時(shí)加設(shè)鎖腳錨管及橫撐，每3～4m完成后，及時(shí)進(jìn)行仰拱施工，使之封閉成環(huán)，仰拱完成后二襯緊跟。2010年12月中旬換拱施工全部完成。

4.5 七步流水施工

隧道上臺(tái)階采用人工配合小型挖機(jī)的方式進(jìn)行開挖，盡量減少擾動(dòng)，架立鋼架并噴射砼，待噴射砼有一定強(qiáng)度后再打設(shè)鎖腳錨管，防止錨桿施工時(shí)擾動(dòng)圍巖出現(xiàn)塌方，同時(shí)在B單元拱腳加設(shè)臨時(shí)橫撐，再進(jìn)行中臺(tái)階C單元開挖，同樣在D單元開挖前，在C單元拱腳架加設(shè)臨時(shí)橫撐，依次進(jìn)行開挖，并及時(shí)施作仰拱二襯。

4.6 研究完成情況

2010年10月開始進(jìn)行換拱施工，截至2010年12月，30m侵限初支換拱全部完成，2011年1月正式進(jìn)入軟弱圍巖施工，此時(shí)個(gè)節(jié)點(diǎn)里程如下：上臺(tái)階：DK46+560；中臺(tái)階：DK46+565；下臺(tái)階及仰拱二襯里程：DK46+570；二襯距掌子面步長(zhǎng)僅10m。我們按照預(yù)定方案進(jìn)行施工，2011年6月軟弱圍巖淺埋偏壓段全部施工完畢。

5 研究成果

截至2012年3月，新線1#隧道淺埋偏壓段已經(jīng)全部施工完畢并順利貫通，經(jīng)過長(zhǎng)期研究總結(jié)了以下七點(diǎn)：

第一，嚴(yán)格控制開挖步長(zhǎng)。針對(duì)軟弱變形隧道施工，工序步長(zhǎng)控制是關(guān)鍵、工藝到位是保證、量測(cè)數(shù)據(jù)分析是依據(jù)，二襯施工速度決定掌子面的開挖速度：（1）上臺(tái)階步長(zhǎng)控制在3～5m，每循環(huán)開挖1榀（0.5～0.7m）；（2）中臺(tái)階步長(zhǎng)控制在5～8m，每循環(huán)開挖2榀（1.0～1.2m）；（3）仰拱距下臺(tái)階控制在3～5m，二襯距掌子面步長(zhǎng)控制在25m以內(nèi)（可根據(jù)二襯前隧道收斂值確定）。

第二，根據(jù)隧道的變形量測(cè)數(shù)據(jù)，確定合理的預(yù)留量，確保隧道二襯施工前不得侵入隧道二襯結(jié)構(gòu)。

第三，加強(qiáng)鎖腳及臨時(shí)仰拱（臨時(shí)橫撐），抑制

變形。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置4根鎖腳錨管，每根長(zhǎng)4.0m，每榀鋼架共16根，并保證錨管與鋼架的鏈接質(zhì)量。

安裝臨時(shí)橫撐時(shí)要保證接頭質(zhì)量，在切割臨時(shí)橫撐時(shí)，橫撐需比凈空小2～3cm，安裝之前在鋼架上焊接角鋼架，橫撐放在焊接好的角鋼架上，橫撐與鋼架的間隙填實(shí)并焊接牢固，確保橫撐受力效果。

第四，延長(zhǎng)C單元，減小落D單元時(shí)的臨空高度。

延長(zhǎng)C單元一方面可以減少落D單元的臨空高度，防止D單元開挖時(shí)臨空面過高發(fā)生流塌；另一方面可以減少D單元工序時(shí)間，無論是從開挖及鋼架安裝工程量均有所減少，相應(yīng)減少工序時(shí)間。

第五，鋼架拱腳部必須落在實(shí)處（基巖或砼墊塊），抑制拱架及初期支護(hù)的人為下沉降。

第六，針對(duì)軟弱變形隧道，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，確定合理的月施工進(jìn)度，不可盲目追求隧道開挖進(jìn)度。

第七，軟弱圍巖各工序的快速施工是施工組織的基礎(chǔ)，要做到早封閉。

軟弱圍巖隧道施工，其地質(zhì)結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的，也是多變的，我們應(yīng)不斷進(jìn)行總結(jié)和積累經(jīng)驗(yàn)，為應(yīng)對(duì)各種軟弱圍巖的施工打好基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：薛金海（1980-），男，河南陜縣人，中國中鐵航空港集團(tuán)第一工程有限公司工程師，研究方向：土木工程。

（責(zé)任編輯：蔣建華）