淺埋偏壓雙線鐵路隧道出洞施工技術(shù)探討

羅德，趙冠華

（中交第二航務(wù)工程局有限公司，武漢430012）

淺埋偏壓雙線鐵路隧道出洞施工技術(shù)探討

羅德，趙冠華

（中交第二航務(wù)工程局有限公司，武漢430012）

結(jié)合成貴鐵路廖家坡隧道工程實(shí)例，對(duì)隧道出洞施工進(jìn)行探討并總結(jié)提出隧道出洞的設(shè)計(jì)方法和施工技術(shù)，為以后類似工程施工提供借鑒。

偏壓結(jié)構(gòu)；陡峭地形；出洞技術(shù)

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.044

1 引言

隧道施工中坍塌風(fēng)險(xiǎn)是主要安全風(fēng)險(xiǎn)之一，而坍塌風(fēng)險(xiǎn)主要發(fā)生在洞口段、淺埋段及不良地質(zhì)地段?，F(xiàn)階段高速鐵路隧道洞口一般采用大管棚作為超前支護(hù)方式進(jìn)洞，安全風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低[1]。但在實(shí)際施工中，一些洞口地形陡峭，且處在淺埋偏壓軟弱圍巖地段，不具備進(jìn)洞施工條件，超前大管棚施工較為困難，適宜從一端直接單向出洞，出洞時(shí)由洞內(nèi)向洞外施作超前大管棚，并輔以超前小導(dǎo)管支護(hù)，以確保施工安全。

2 工程概況

成貴鐵路四標(biāo)段廖家坡隧道全長(zhǎng)223m，起訖里程D1K106+417～D1K106+640，均為Ⅴ級(jí)圍巖，雙線隧道，全隧位于直線上。隧道區(qū)為川南紅層重丘地貌，進(jìn)口地段地形較緩，出口地形較陡。地面海拔360～420m，最大高差達(dá)60m，地形起伏較大，最大埋深41m，最小埋深2m，大部分處在淺埋地段，洞身巖層傾斜，圍巖為軟質(zhì)巖且節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性極差。隧道出口段D1K106+620～D1K106+640線路左側(cè)地表巖石裸露，上部泥質(zhì)砂巖形成孤石局部倒懸，形成危石，埋深約30m，線路右側(cè)為表土及全風(fēng)化層，埋深小于3m，形成偏壓結(jié)構(gòu)，施工坍塌風(fēng)險(xiǎn)較大。

隧道進(jìn)口采用φ89mm大管棚超前支護(hù)，出口采用φ108mm大管棚超前支護(hù)。設(shè)計(jì)采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)采用噴錨支護(hù)、濕噴工藝，施工工法采用兩臺(tái)階法。

3 施工方案制定

隧道從進(jìn)口單向掘進(jìn)，主要施工步驟：洞頂截水天溝施工→進(jìn)口邊仰坡開挖及防護(hù)→進(jìn)口導(dǎo)向墻施工→進(jìn)口超前大管棚施工（洞身超前小導(dǎo)管施工）→上臺(tái)階開挖及初期支護(hù)→下臺(tái)階開挖及初期支護(hù) (左右錯(cuò)開)→仰拱開挖及初期支護(hù)→仰拱及填充層施工→拱墻防水層施工→二襯混凝土施工→拱頂回填注漿→水溝電纜槽施工[2]。

出洞前施作隧道出口邊仰坡開挖及防護(hù)→洞外導(dǎo)向墻施工→大管棚施工，然后從進(jìn)口向出口出洞。但實(shí)際施工中，出口段地形地質(zhì)條件極差，需改為由洞內(nèi)向洞外施工超前大管棚。出洞總體施工方案：（1）D1K106+614～D1K106+620段上臺(tái)階擴(kuò)大拱部斷面開挖及支護(hù)；（2）D1K106+620～D1K106+640段大管棚施工、上臺(tái)階右側(cè)拱部采用小導(dǎo)管輔助進(jìn)行超前支護(hù)；（3）D1K106+620～D1K106+640段上臺(tái)階開挖及支護(hù)、上臺(tái)階安裝臨時(shí)仰拱控制支護(hù)變形；（4）D1K106+630～D1K106+640段小導(dǎo)洞出洞;（5）D1K106+630～D1K106+640段擴(kuò)挖出洞;（6）后續(xù)工序施工。

4 施工技術(shù)措施

4.1 地表處理

隧道出口段線路左側(cè)地表巖石裸露，上部泥質(zhì)砂巖形成孤石局部倒懸，形成危石。為確保施工安全，提前對(duì)出口邊坡陡峭巖壁上的危石進(jìn)行清理，以免隧道爆破時(shí)巖石松動(dòng)掉落，并用主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)[3]。對(duì)出口段線路右側(cè)埋深較淺地段地表采用錨網(wǎng)噴進(jìn)行加固處理。洞頂截水溝提前施作，避免地表水浸入洞身，影響施工安全。

4.2 監(jiān)控量測(cè)及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

4.2.1 監(jiān)控量測(cè)

隧道監(jiān)控量測(cè)采用信息化進(jìn)行管理，建立實(shí)時(shí)預(yù)警機(jī)制，分級(jí)管理。通過對(duì)圍巖進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)掌握圍巖穩(wěn)定性，支護(hù)可靠性，指導(dǎo)日常施工管理，確保施工安全[4]。根據(jù)該隧道地質(zhì)特點(diǎn)，施工中主要開展洞內(nèi)外觀察、拱頂下沉、周邊位移收斂以及地表下沉4個(gè)必測(cè)項(xiàng)目。

1）根據(jù)對(duì)圍巖實(shí)測(cè)位移值的分析，實(shí)測(cè)位移值U小于U0/3（U為實(shí)測(cè)位移值，U0為最大允許位移值），隧道圍巖較為穩(wěn)定，按Ⅲ級(jí)進(jìn)行管理，正常施工。

2）根據(jù)對(duì)圍巖變形速度的分析，隧道凈空變形速度在0.5mm/d左右，圍巖處于緩慢增長(zhǎng)狀態(tài)，施工過程中應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)支護(hù)措施。

3）根據(jù)對(duì)位移時(shí)態(tài)曲線判別，曲線趨于平緩，圍巖和支護(hù)較為穩(wěn)定。

根據(jù)對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)的分析及以往類似工程經(jīng)驗(yàn)，施工上臺(tái)階時(shí)采用增設(shè)臨時(shí)仰拱措施加強(qiáng)支護(hù)，確保施工安全。

4.2.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

建立超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)是進(jìn)行隧道安全施工的重要前提，成立專門地質(zhì)超前預(yù)報(bào)小組，進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，超前預(yù)知和處理不良地質(zhì)，是實(shí)現(xiàn)隧道安全施工和快速掘進(jìn)的必要條件，根據(jù)該隧道地質(zhì)特點(diǎn)，采用地質(zhì)調(diào)查法和超前鉆探法探測(cè)。超前鉆探法是每次開挖前，在掌子面施作加深炮孔方法對(duì)前方地質(zhì)進(jìn)行探測(cè)，加深炮孔上臺(tái)階布置3個(gè)，下臺(tái)階布置2個(gè)，炮孔深5m，直徑60cm，鉆孔方向向隧道軸線外傾5°。

4.3 超前支護(hù)措施

4.3.1 超前大管棚支護(hù)措施

洞內(nèi)施作超前大管棚。當(dāng)隧道施工至D1K106+614時(shí)，加大拱部開挖斷面，加大斷面里程D1K106+614～D1K106+620段，共6m，拱部加大50cm，作為超前管棚工作室。在D1K106+ 620斷面開始施作超前大管棚，首先利用初支架立2榀I20b型鋼拱架，間距50cm，用鋼筋焊接成整體。在鋼支撐上安裝φ146mm導(dǎo)向鋼管、鋼管長(zhǎng)100cm，上傾角與管棚方向一致，然后立模澆注C25混凝土包裹鋼支撐和導(dǎo)向管，形成導(dǎo)向墻，墻厚60cm，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%設(shè)計(jì)強(qiáng)時(shí)施作大管棚。

鋼管外徑108mm，壁厚6mm，采用熱軋無縫鋼花管，環(huán)向間距40cm，外插角1°～3°，注漿材料采用水泥或水泥砂漿。

大管棚施工質(zhì)量控制，嚴(yán)格控制鋼管節(jié)段的連接質(zhì)量、管棚外插角、注漿效果。

4.3.2 超前小導(dǎo)管支護(hù)措施

隧道出口D1K106+620～D1K106+640段兩側(cè)埋深相差較大，地面高差約25m，處于偏壓結(jié)構(gòu)狀態(tài)，且右側(cè)拱部圍巖較軟弱，自穩(wěn)能力差，開挖后局部出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，為保證人員設(shè)備安全，在右拱部范圍采用φ42mm小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)。超前小導(dǎo)管配合型鋼拱架使用，鋼管采用熱軋無縫鋼管，每環(huán)縱向搭接長(zhǎng)度不小于1m，外徑42mm，壁厚3.5mm，環(huán)向間距30cm，外插角5°～12°，注漿材料采用水泥砂漿。

4.4 洞身開挖及支護(hù)措施

4.4.1 洞身開挖

隧道施工嚴(yán)格遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、早封閉”的原則。按照設(shè)計(jì)要求采用臺(tái)階法，分2個(gè)臺(tái)階開挖，上臺(tái)階開挖進(jìn)尺0.5m，下臺(tái)階開挖進(jìn)尺1m，左右臺(tái)階相互錯(cuò)開，嚴(yán)禁兩側(cè)同時(shí)對(duì)稱對(duì)挖。仰拱開挖進(jìn)尺3m，及時(shí)封閉成環(huán)。臺(tái)階法施工工藝流程如圖1所示。

采用光面爆破技術(shù)，嚴(yán)格控制炮眼間距及裝藥量，減小超欠挖，確保開挖效果。

4.4.2 洞身支護(hù)措施

采用拱墻系統(tǒng)錨桿、全環(huán)型鋼拱架、拱部鋼筋網(wǎng)片、全環(huán)噴混凝土進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。

開挖后及時(shí)對(duì)圍巖初噴混凝土（厚4cm），盡快封閉圍巖，形成封閉的受力圈，防止圍巖松動(dòng)，然后施作組合中空(砂漿)注漿錨桿，同時(shí)設(shè)置鋼筋網(wǎng)并與錨桿外露頭綁扎牢固，最后準(zhǔn)確架立型鋼鋼架，復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

1）系統(tǒng)錨桿

拱部144°采用組合中空錨桿，錨桿長(zhǎng)4m，縱環(huán)向間距1.0 m×1.2m，梅花型布置；邊墻采用砂漿錨桿長(zhǎng)3.5m，縱環(huán)向間距1.0m×1.2m。

圖1 臺(tái)階法施工工藝流程圖

組合中空錨桿施工工藝：確定孔位→鉆孔→清孔→安插中空錨桿→孔口封堵→配置注漿材料注漿→達(dá)到設(shè)計(jì)要求→施加緊固力→進(jìn)入下一個(gè)孔循環(huán)。

砂漿錨桿施工工藝：鉆孔→清孔→注漿→插入桿體→安裝錨桿墊板。

錨桿施工應(yīng)在初噴混凝土后進(jìn)行，以保證錨桿墊板有較平整的基面。注漿材料采用水泥砂漿，其強(qiáng)度不應(yīng)低于M20。錨桿孔內(nèi)灌注砂漿應(yīng)飽滿密實(shí)。水泥砂漿達(dá)到一定強(qiáng)度后才能上緊墊板螺母。

2）鋼支撐、鎖腳錨管及臨時(shí)仰拱

開挖完成后，及時(shí)架設(shè)鋼支撐，保證鋼支撐置于穩(wěn)固的地基上，且安設(shè)位置準(zhǔn)確，盡可能多地與錨桿露頭焊接，以增強(qiáng)其聯(lián)合支護(hù)效應(yīng)。鋼支撐采用I20b型鋼拱架，全環(huán)設(shè)置，各節(jié)段長(zhǎng)度根據(jù)臺(tái)階開挖高度確定，縱向間距0.5m，拱架背后采用φ22mm螺紋鋼筋進(jìn)行縱向連接，環(huán)向間距1m，在拱腳及邊墻腳打設(shè)鎖腳φ42mm錨管，以控制初支鋼架移位。鎖腳錨管長(zhǎng)4m，每處設(shè)2根，與鋼架采用φ22mm“U”型鋼筋焊接牢固，注漿飽滿，打設(shè)角度向下20°～40°，起到懸挑作用。

根據(jù)對(duì)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析，為控制圍巖變形，在上臺(tái)階拱架安裝時(shí)，同時(shí)安裝臨時(shí)仰臥，其縱向間距與初支鋼架間距一致，臨時(shí)仰拱采用I18熱扎普通工字鋼及20cm厚C20噴混凝土組成。I18臨時(shí)仰拱節(jié)段間及與初支拱架間的連接處均設(shè)置240mm×200mm×16mm鋼墊板，并采用高強(qiáng)螺栓連接。臨時(shí)仰拱在施作下臺(tái)階初支時(shí)拆除。

鋼支撐安裝平面垂直于隧道中線，其傾斜度不大于2°。鋼支撐的任何部位偏離鉛垂面不應(yīng)大于5cm。鋼支撐縱向間距偏差不大于±5cm。鋼支撐與巖面做到多點(diǎn)接觸，確保鋼支撐達(dá)到預(yù)期的效果。

3）掛網(wǎng)、C25噴混凝土

隧道每一分部開挖完成后，立即對(duì)巖面進(jìn)行初噴混凝土，以防巖體松動(dòng)脫落。按設(shè)計(jì)要求安裝φ8mm鋼筋網(wǎng)片，并與拱架或錨桿點(diǎn)焊連接，網(wǎng)格間距20cm×20cm，鋼筋網(wǎng)片間搭接長(zhǎng)度不小于1～2個(gè)網(wǎng)格。噴混凝土厚28cm，在噴射混凝土前用壓縮空氣或壓力水將所有待噴面吹凈，吹除待噴面上的松散雜質(zhì)或塵埃，以確保噴射混凝土和圍巖之間的黏結(jié)力。

4.5 小導(dǎo)洞率先出洞

為了減少爆破震動(dòng)，確保出洞安全，避免坍塌事故發(fā)生，D1K106+630～D1K106+640段采取小導(dǎo)洞率先出洞。小導(dǎo)洞開挖斷面尺寸為寬4m、高4.5m，斷面尺寸如圖2所示。小導(dǎo)洞布置在上臺(tái)階中部偏下位置，由于坑道斷面較小，開挖時(shí)采用直眼掏槽，控制、減震爆破。由于出洞口右側(cè)覆蓋層薄，圍巖自穩(wěn)性差，為防止洞口坍塌，小導(dǎo)洞施工要做到“快開挖、快支護(hù)、快封閉”。

圖2 小導(dǎo)洞斷面圖

小導(dǎo)洞采用I16型鋼拱架、砂漿錨桿、φ6mm鋼筋網(wǎng)片、C25噴混凝土進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。砂漿錨桿采用φ22mm螺紋鋼，長(zhǎng)度2.0m，縱環(huán)間距1.0m×1.2m，梅花型布置；鋼筋網(wǎng)片網(wǎng)格間距25cm×25cm；噴射混凝土厚20cm；型鋼拱架間距1m，工字鋼拱架各節(jié)間用14mm厚鋼板、高強(qiáng)螺栓連接；拱架間縱向采用φ22mm螺紋鋼進(jìn)行連接，以加強(qiáng)整體受力，環(huán)向間距1.5m。

小導(dǎo)洞出洞后，從洞內(nèi)向洞外擴(kuò)挖施工。導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)隨開挖拆除，不得提前或預(yù)先拆除，以確保安全，然后進(jìn)行后續(xù)工序施工。

4.6 安全步距要求

該隧道為泥質(zhì)砂巖地質(zhì)，遇水極易軟化，穩(wěn)定性極差，施工中必須嚴(yán)格控制安全步距，二襯距掌子面距離不得大于70m，仰拱距掌子面距離不得大于35m，且仰拱距下臺(tái)階距離不得大于10m，仰拱及早封閉成環(huán)，以降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語

由于廖家坡隧道出口段地形地質(zhì)的特殊性，采用超前大管棚支護(hù)型式對(duì)隧道拱部巖層進(jìn)行了加固，避免了較大危險(xiǎn)的坍塌情況發(fā)生；超前小導(dǎo)管的運(yùn)用防止局部圍巖的脫落，保證了施工期間人員設(shè)備的安全；上臺(tái)階臨時(shí)仰拱的增設(shè)使隧道及早臨時(shí)封門成環(huán)，待初期支護(hù)與圍巖形成整體受力結(jié)構(gòu)時(shí)拆除，充分利用臨時(shí)支撐作為受力體系的轉(zhuǎn)換；小導(dǎo)洞率先出洞以減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)。以上幾種措施的運(yùn)用，保證了出洞的施工安全。總之，特殊地質(zhì)條件下隧道施工安全是首要的。如何充分有效地利用好各種手段和措施，達(dá)到既安全又經(jīng)濟(jì)的效果，將是隧道施工長(zhǎng)期研究的課題。

【1】Q/CR 9604—2015高速鐵路隧道施工技術(shù)規(guī)程[S].

【2】Q/CR 9217—2015鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)規(guī)程[S].

【3】Q/CR 9218-2015鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程[S].

【4】馮義濤.洞口懸壁臨河隧道進(jìn)洞施工技術(shù)[J].隧道/地下工程，2011 (4)∶90-93.

Discussion on the Tunnel Exit Construction Technology in the Shallow Buried Double Track Railway

LUO De,ZHAO Guan-hua
(CCCC Second Harbor Engineering Bureau Co.Ltd.,Wuhan 430012,China)

Combined with Liaojiapo tunnel engineering in Cheng-Gui railway,the paper discusses the tunnel exit construction and puts forward the design method and construction technology of tunnel exit,in order to providereference for similar projects.

biasing structure;steep terrain;technology for tunnel exit

U459.1

A

1007-9467（2016）09-0103-04

2016-08-15

羅德（1976～），男，貴州遵義人，工程師，從事隧道、橋梁工程施工技術(shù)研究。