麻科義隧道砂層段施工關(guān)鍵技術(shù)研究

申運濤 謝江勝

（中鐵二十局集團有限公司 陜西西安 710016）

1 前言

近年來我國中西部地區(qū)的路網(wǎng)設(shè)施建設(shè)步伐加快。由于中西部地區(qū)多為丘陵高原地貌，地質(zhì)復(fù)雜，廣泛分布有砂質(zhì)新黃土、風(fēng)積砂地質(zhì)，多以長大隧道的方式通過。砂層隧道［1-3］在施工中受開挖擾動影響，極易出現(xiàn)漏砂、涌砂、塌方冒頂、沉降大變形等現(xiàn)象，施工難度極大。

針對該種工況，通常做法是采取洞內(nèi)或洞外注漿加固等措施。本文從另一個角度出發(fā)，采取改變施工工法、加強支護(hù)措施、合理組織施工管理等措施方面進(jìn)行專項研究。

2 砂層段地質(zhì)情況及施工難度分析

2.1 不良地質(zhì)情況

新建蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運通道工程麻科義隧道位于陜西省延安市姚店鎮(zhèn)境內(nèi)，為單洞雙線隧道，正洞全長8 728.55 m，最大埋深約234 m。隧道洞身穿越部分多夾有細(xì)砂層、細(xì)圓礫土，層間結(jié)合差，開挖后易發(fā)生剝落、產(chǎn)生坍塌。

隧道DK359＋900～DK360＋035段存在砂層，主要位于黃土和土石界面之間。洞身斷面拱部1～3 m范圍內(nèi)為中砂，黃褐色，密實，稍濕，砂質(zhì)均勻，呈松散結(jié)構(gòu)；礫巖，灰褐色，碎屑結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，強風(fēng)化～弱風(fēng)化；砂巖，灰褐色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，強風(fēng)化～弱風(fēng)化，呈角礫碎石狀松散結(jié)構(gòu)。淺埋段洞身地下水為基巖裂隙水，水量較大，見圖1。

圖1 DK359+943斷面地質(zhì)素描

2.2 施工面臨的主要困難

（1）拱部砂層垮塌

隧道開挖拱部為中細(xì)砂層，自穩(wěn)性較差，其余部分為礫石土、砂巖夾泥巖，需爆破開挖。受爆破擾動，拱部砂層垮塌嚴(yán)重，形成大的空洞，對下方施工人員的人身安全帶來了安全隱患，見圖2［4］。

圖2 拱部砂層垮塌

（2）掌子面溜塌

由于隧道淺埋砂層段上覆地層較薄，開挖引起的變形極易誘發(fā)地表變形和圍巖大變形。由于砂層的物理力學(xué)性質(zhì)較差，開挖后圍巖自身難以形成支撐環(huán)來維持洞室穩(wěn)定。若施工方法和支護(hù)加固措施選取不合理，會使圍巖產(chǎn)生過大變形，從而引起圍巖坍塌破壞，甚至冒頂。因此合理選擇開挖方法以及超前支護(hù)（加固）技術(shù)對掌子面的溜塌控制具有決定性作用。

（3）圍巖變形

受到隧道開挖擾動的影響，圍巖中原始應(yīng)力的平衡狀態(tài)被破壞，產(chǎn)生應(yīng)力重分布，巖體的受力狀態(tài)改變，致使巖體的強度降低，承載能力下降。當(dāng)二次應(yīng)力值大于巖體強度時，巖體發(fā)生塑性變形，形成圍巖松動圈，隧道發(fā)生內(nèi)空收斂變形［5］。

圍巖中砂層及破碎的泥巖夾砂巖穩(wěn)定性差，若采取的初支結(jié)構(gòu)承載力不足，當(dāng)圍巖應(yīng)力集中達(dá)到一定值后，會造成初支急劇變形破壞。初支結(jié)構(gòu)被破壞后，變形進(jìn)一步加劇，極易造成初支侵限。因此應(yīng)根據(jù)圍巖的變化情況及時調(diào)整支護(hù)參數(shù)及預(yù)留變形量。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

參照大斷面黃土隧道施工關(guān)鍵技術(shù)［6-8］，確定主要施工順序：上臺階（兩側(cè)拱腳部分石質(zhì)）及中下臺階測量放線，嚴(yán)格控制炮眼間距→固定人員鉆孔爆破→使用帶松土器的挖機進(jìn)行拱部砂層開挖修整→人工修整拱部開挖輪廓線→上中臺階出渣→上中臺階初支鋼架安裝→下臺階及仰拱開挖出渣→下臺階及仰拱初支鋼架安裝（同時上中臺階噴射混凝土）→下臺階及仰拱噴射混凝土→進(jìn)入下一循環(huán)施工。

3.1 開挖工法選擇

拱部砂層段落圍巖綜合判定為V級，采用Vb土復(fù)合式襯砌。該段落采用三臺階預(yù)留核心土法［9］開挖，上臺階長度不超過4m，中臺階長度5m。為減少爆破擾動，下臺階長度適當(dāng)加長，但最長不得超過20 m。

因拱部砂層自穩(wěn)性較差，故采用逐榀開挖，嚴(yán)格控制每一循環(huán)的開挖進(jìn)尺。在下部石質(zhì)部分松動爆破完成后，應(yīng)立即采用人工配合機械（安裝了松土器的挖掘機）進(jìn)行上臺階的開挖修整，盡量縮短圍巖的暴露時間。下臺階開挖與上中臺階支護(hù)施作，下臺階支護(hù)與上中臺階噴射混凝土作業(yè)交叉進(jìn)行。

3.2 支護(hù)參數(shù)及預(yù)留變形量設(shè)置

（1）初支采用H230格柵鋼架，間距60 cm；C25噴射混凝土，厚度30 cm；單層φ8鋼筋網(wǎng)片，20 cm×20 cm。在上、中、下臺階每節(jié)點處各打設(shè)4根φ42×5的鎖腳錨管，每根長4 m，在施作之前預(yù)注1∶1水泥漿，以增強鎖腳錨管的抗壓強度。施作角度為向下30°～45°。

（2）二次襯砌采用C35模筑鋼筋混凝土，厚度50 cm。

（3）預(yù)留變形量根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，含水砂層段按照10～15 cm設(shè)置，無水砂層段按照15 cm設(shè)置。

3.3 超前支護(hù)施工

超前支護(hù)措施為φ89超前短管棚＋φ42超前密排小導(dǎo)管。

（1）φ89超前短管棚施工

為防止塌孔，采用潛孔鉆機從兩側(cè)拱腳向拱部方向依次施作。φ89超前短管棚配合3～4環(huán)φ42超前密排小導(dǎo)管為一個循環(huán)。

（2）φ42超前密排小導(dǎo)管施工

超前小導(dǎo)管施工直接影響拱部圍巖的超欠挖及穩(wěn)定性。

若開挖臺車長度不能滿足小導(dǎo)管的施工要求，則先采用2 m的短鉆桿預(yù)先成孔，完成后更換成3.5 m的長鉆桿成孔。超前小導(dǎo)管外插角應(yīng)控制在10°～15°，鉆孔時風(fēng)槍前端位于鋼架腹板上固定孔位處且保證距離掌子面1 m（與線路中線平行）處，風(fēng)槍槍身高度為18～27 cm。

3.4 下部石質(zhì)松動爆破及超挖控制技術(shù)

因拱部的砂層自穩(wěn)性較差，在隧道下部為石質(zhì)需爆破開挖的地段，采用分區(qū)域、分段位、多打眼、少裝藥、間隔爆破等方式，以減少爆破施工對拱部砂層的擾動。

3.5 初支施工

（1）鋼架安裝

若因超挖或坍塌造成進(jìn)尺過大（超過10 cm）時，應(yīng)增設(shè)一榀鋼架，確保鋼架緊貼掌子面圍巖。在上、中臺階拱腳處采用泡沫鋁或混凝土墊板進(jìn)行支墊［11］，見圖 3。

圖3 拱腳處支墊

（2）鋼筋網(wǎng)片施工

相鄰網(wǎng)片搭接不小于一個網(wǎng)格；若超挖較大，則采用2～3層鋼筋網(wǎng)片，噴射混凝土直接封閉。

（3）鎖腳錨管施工

為保證鎖腳施工角度，采用洞渣或簡易小平臺，實現(xiàn)洞身“中間高，兩側(cè)低”，為作業(yè)人員創(chuàng)造條件，提高鎖腳施工質(zhì)量。

（4）噴射混凝土施工

(1) 開挖后的層狀巖質(zhì)邊坡，圍巖的應(yīng)力場會重新分布，應(yīng)力集中主要發(fā)生在拱頂附近，為壓應(yīng)力，其值隨深度的增大而增大。拉應(yīng)力集中發(fā)生在坡面附近。剪切應(yīng)力主要發(fā)生在第二控制軟弱結(jié)構(gòu)表面附近。第一控制結(jié)構(gòu)面上的剪應(yīng)變最大，且主要的剪切應(yīng)變沿著控制結(jié)構(gòu)面分布。

采用濕噴機械手進(jìn)行噴射作業(yè)。每次施工時，必須將靠近掌子面的初支鋼架端頭采用噴射混凝土封閉密實，避免臨空面過大而造成圍巖坍塌。

在支護(hù)過程中安排專職安全員時刻觀察拱部砂層的穩(wěn)定情況，一是確保下方施工人員的人身安全，二是發(fā)現(xiàn)有漏砂處及時插入網(wǎng)片加強支護(hù)。每循環(huán)的鋼架必須緊貼掌子面，在噴射混凝土?xí)r鋼架與掌子面的間隙必須封閉，防止拱部的砂層繼續(xù)向前方垮塌，形成惡性循環(huán)。

（5）初支背后回填注漿

雖然采取了一定的超前加固措施，但受到過大的爆破振動或施工工序銜接不緊促等因素的影響，松散的砂層結(jié)構(gòu)極易產(chǎn)生坍塌掉塊現(xiàn)象。若產(chǎn)生較大坍塌，需要在常規(guī)噴射作業(yè)完成后，再使用粉煤灰砂漿或C20細(xì)石混凝土進(jìn)行拱部回填。

對于拱部超挖最大的位置，在初支鋼架安裝時預(yù)埋φ89注漿鋼管，鋼管外露15 cm，且不能緊貼巖面，距離超挖頂面預(yù)留5 cm，以免注漿料無法灌入。根據(jù)拱部需要回填的范圍確定預(yù)留鋼管的根數(shù)，一般預(yù)留2～3根即可，見圖4。

圖4 拱部預(yù)留注漿管

回填時間一般在初支施工后3 d左右，噴射混凝土3 d強度約為15 MPa。根據(jù)拱部需要回填的方量可分為兩種情況進(jìn)行回填注漿：回填方量不大于10 m3，可直接使用車載泵進(jìn)行拱部回填；回填方量大于10 m3，需要在已支護(hù)好的上臺階鋼架處設(shè)置臨時鋼支撐加固，并布置監(jiān)控量測點進(jìn)行觀測。

使用車載泵進(jìn)行泵送時，采用間歇式泵送，泵送速度不得超過10 m3/h，并時刻觀察監(jiān)控數(shù)據(jù)，每15 min采集一次數(shù)據(jù)，當(dāng)兩次采集的累計數(shù)據(jù)大于5 mm時應(yīng)立即停止泵送，加強臨時支撐系統(tǒng)，以提高泵送回填時原初支的穩(wěn)定性，見圖5。

圖5 拱部回填注漿及監(jiān)測現(xiàn)場

3.6 安全步距控制

根據(jù)砂層段變形釋放快、易失穩(wěn)的特點，在原鐵道部120號文的基礎(chǔ)上，結(jié)合蒙華公司施工理念和現(xiàn)場實際圍巖的特性，施工過程中以“仰拱封閉成環(huán)距掌子面距離不超過25 m，二襯仰拱、拱墻襯砌緊跟”的強制性規(guī)定來指導(dǎo)施工，這一強有力的措施很大程度上保證了施工安全［12］。

4 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析

4.1 監(jiān)控量測情況

按5 m間距設(shè)置量測斷面，每個斷面埋設(shè)5個觀測標(biāo)，進(jìn)行變形觀測。該砂層段落長135 m，埋設(shè)監(jiān)測斷面28個，共埋設(shè)140個觀測標(biāo)。

經(jīng)統(tǒng)計，拱頂沉降GD累計最大值為13.8 mm，其最大變形速率為3.9 mm/d。水平收斂SL1累計最大值為-19.9 mm，其最大變形速率為-4.1 mm/d；水平收斂SL2累計最大值為-17.06 mm，其最大變形速率為-4 mm/d。

為體現(xiàn)出砂層段的變形特征，選取該段落中拱頂沉降和周邊收斂累計值最大的斷面DK359＋940、DK360＋020作為典型斷面。

（1）DK359＋940典型斷面

上臺階施工時間2017年6月4日，中臺階施工時間2017年6月7日，下臺階施工時間2017年6月24日。典型斷面的變形趨勢見圖6。

圖6 隧道DK359+940典型斷面測點變形曲線

GD累計變形13.8 mm，SL1累計變形-4.2 mm，SL2累計變形-3.2 mm。初支成環(huán)時，GD累計變形量占總變形量的101%，SL累計變形量占總變形量的69%。初支外觀無異常。

（2）DK360＋020典型斷面

上臺階施工時間2017年4月26日，中臺階施工時間2017年4月29日，下臺階施工時間2017年5月11日。典型斷面的變形趨勢見圖7。

圖7 隧道DK360+020典型斷面測點變形曲線

GD累計變形12.6 mm，SL1累計變形-19.9 mm，SL2累計變形-5.2 mm。初支成環(huán)時，GD累計變形量占總變形量的88%，SL累計變形量占總變形量的104%。初支外觀無異常。

4.2 典型斷面數(shù)據(jù)分析

對上述典型斷面的量測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）通過分析累計變形值可知，采用超前加固和超前支護(hù)措施的砂層段初支水平收斂SL2大于拱頂沉降GD和水平收斂SL1，其變形特征以收斂變形為主，拱頂沉降和水平收斂變形均在可控范圍之內(nèi)，整體上初支變形累計值均不大（20 mm以內(nèi)）。

（2）初支變形主要發(fā)生在施工初支成環(huán)之前，故控制上、中臺階開挖支護(hù)時初支變形和壓縮上臺階開挖至初支成環(huán)的時間間隔，可減少初支累計變形量。

（3）采用超前加固和超前支護(hù)措施后，在施工過程中各量測斷面均未出現(xiàn)預(yù)警，初支表面未出現(xiàn)起皮開裂等異常情況。監(jiān)控量測方案確定的預(yù)警值適用于該種工況下的黃土隧道。

（4）在監(jiān)測數(shù)據(jù)無異常時，監(jiān)測數(shù)據(jù)采集頻率按設(shè)計的1次/d來進(jìn)行。施工過程未出現(xiàn)異常情況，故此量測頻率滿足施工安全需求。

5 結(jié)束語

（1）砂層的自穩(wěn)性較差，導(dǎo)致超挖難以控制，是施工過程中最難解決的問題，所以合理地選擇支護(hù)參數(shù)是關(guān)鍵。

（2）施工人員在砂層段下方施工，首先要保證人身安全，所以在施工過程中必須要配備專職安全員，對拱部砂層的變化情況實時觀察。

（3）需要爆破開挖的地段，采用分區(qū)域、分段位、多打眼、少裝藥、間隔爆破的措施，以減少對拱部砂層的擾動。

（4）超前支護(hù)小導(dǎo)管的間距應(yīng)根據(jù)砂層分布情況進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，間距應(yīng)控制在15～20 cm。且小導(dǎo)管端頭入巖深度不能小于1 m。小導(dǎo)管越密集，越能防止大塊的圍巖掉落，保證施工人員的人身安全。

（5）鋼架支護(hù)必須緊貼掌子面，噴射混凝土?xí)r鋼架與圍巖之間必須封閉，防止垮塌砂層繼續(xù)向前發(fā)展。開挖過程中要注意對各臺階鋼架連接板的保護(hù)，只有連接板不被破壞，鋼架間才能有效連接，起到初支的作用。

（6）拱部的空洞及時回填，回填過程采用間歇式泵送，泵送過程中要對初支進(jìn)行觀察。