淺埋風(fēng)積砂質(zhì)新黃土隧道零開挖進(jìn)洞技術(shù)

張衛(wèi)國

（中鐵十七局集團(tuán)第三工程有限公司，山西 太原 030000）

隧道工程是鐵路、公路設(shè)計(jì)中廣泛采用的一種結(jié)構(gòu)形式，地形、地貌、地質(zhì)情況是影響隧道施工的重要因素。在陜西、山西、甘肅、寧夏等黃土普遍分布區(qū)域，隧道洞口存在淺埋、偏壓、溜塌、陷穴等特殊黃土地質(zhì)，進(jìn)洞施工是一項(xiàng)關(guān)鍵控制性工程。傳統(tǒng)方法采用套拱加大管棚的進(jìn)洞方法，該方法工期長、造價(jià)高、對周邊環(huán)境破壞大[1]。隨著隧道建造技術(shù)不斷發(fā)展，進(jìn)洞方案不斷優(yōu)化，文章通過研究現(xiàn)場地形地貌地質(zhì)，提出一種零開挖超前小導(dǎo)管進(jìn)洞方案，實(shí)施效果良好，是大管棚進(jìn)洞的一種較好的替代方案。

1 工程概況

浩吉鐵路是國家北煤南運(yùn)的戰(zhàn)略大通道，全長1814km，銀山3號(hào)隧道位于陜西省安塞縣，全長426.73m，單洞雙線隧道，最大埋深67.70m，由進(jìn)口單口掘進(jìn)。

隧址區(qū)地形受地臺(tái)抬升及黃土高原水流向源侵蝕的影響，下切作用明顯，呈V字型沖溝發(fā)育，為典型的黃土高原侵蝕性梁峁溝谷地貌。進(jìn)口段埋深為1.5～15.5m，屬超淺埋隧道[2]。進(jìn)口為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)新黃土，淺黃色，以粉粒為主，含少量白色菌絲與姜石，具多孔性、垂直節(jié)理發(fā)育、層理不明顯、透水性強(qiáng)、濕陷性等特點(diǎn)，是非飽和的欠壓密土，洞口淺埋段受風(fēng)化節(jié)理、滑塌節(jié)理、濕陷節(jié)理、卸荷節(jié)理、原生節(jié)理等影響，形成滲水通道，導(dǎo)致黃土圍巖軟化，結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度大幅下降至喪失，極大影響隧道安全施工和圍巖穩(wěn)定[2]。為避免施工引起洞口地質(zhì)災(zāi)害，零開挖、不擾動(dòng)是洞口施工的重要原則。

2 超前小導(dǎo)管進(jìn)洞設(shè)計(jì)方案

經(jīng)過對現(xiàn)場地形地貌地質(zhì)的研究，杜絕施工擾動(dòng)邊仰坡，按“早進(jìn)晚出”“零開挖”的原則，確定采用超前小導(dǎo)管進(jìn)洞方案代替原設(shè)計(jì)大管棚（φ108）進(jìn)洞方案，進(jìn)洞里程向洞外方向移動(dòng)5m，實(shí)現(xiàn)“零仰坡開挖”“早5m進(jìn)洞”。

進(jìn)洞方案：采用φ42×3.5mm超前長導(dǎo)管加密排小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)，上層超前長導(dǎo)管，拱部120°施作，長6m，環(huán)向間距40cm，每環(huán)31根，縱向每6榀鋼架設(shè)一環(huán)。下層超前密排小導(dǎo)管，拱部150°施作，長4m，環(huán)向間距20cm,每環(huán)83根，縱向每2榀鋼架設(shè)一環(huán)。首環(huán)導(dǎo)管采用雙層型鋼格柵做為導(dǎo)向架，以后均為單層型鋼格柵。每循環(huán)長3.6m，共設(shè)計(jì)11個(gè)循環(huán)完成進(jìn)洞施工轉(zhuǎn)入洞身施工，導(dǎo)管用1∶1水泥漿液注漿。

洞身方案：洞口段40m采用Ⅴb（土）復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)I20a鋼架，間距60cm，鋼架間鋼筋連接，C25噴射混凝土厚度27cm，拱架拱腳每處施作2根4m長φ42（t=5mm）鎖腳錨管。全環(huán)設(shè)置φ8@20×20cm鋼筋網(wǎng)。仰拱、二襯為C40鋼筋混凝土，厚度均為50cm。

3 超前小導(dǎo)管進(jìn)洞施工方案

3.1 總體施工順序

邊仰坡整理→截水溝施工→型鋼導(dǎo)向架支立→上層長導(dǎo)管安裝、注漿→下層密排小導(dǎo)管安裝、注漿→按微臺(tái)階工法逐榀開挖、支護(hù)→洞口鎖口圈。

3.2 總體施工方案

采用“零開挖”“早進(jìn)洞”方法，對邊仰坡稍做修整即進(jìn)行超前小導(dǎo)管施工，然后用微臺(tái)階工法進(jìn)行洞身施工，加強(qiáng)洞內(nèi)、外監(jiān)控量測，做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。黃土隧道開挖后時(shí)空效應(yīng)十分明顯，承載拱維持時(shí)間較短，必須快挖快支，盡量減少圍巖暴露時(shí)間。

采用人工對邊仰坡陷穴、小沖溝進(jìn)行平整、回填，保證排水順暢、不積水。洞頂截水溝人工開挖，立模澆筑混凝土，將水向兩側(cè)自然溝渠引排。雙層型鋼導(dǎo)向支架采用機(jī)械開挖基礎(chǔ)，挖機(jī)配合人工支立鋼架，用鋼筋臨時(shí)固定。風(fēng)槍鉆孔進(jìn)行長導(dǎo)管和小導(dǎo)管安裝或采用風(fēng)槍直接送管安裝，用注漿泵對導(dǎo)管進(jìn)行注漿。

洞身采用微臺(tái)階工法進(jìn)行洞內(nèi)逐榀開挖、支護(hù)，上、中、下臺(tái)階高度分別為4.14m、3.4m、3.7m，臺(tái)階總長度控制在15m（不超過2倍洞徑），人工配合機(jī)械開挖，自卸車配合裝載機(jī)出碴。預(yù)留沉降量結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)先按40cm控制，根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。格柵鋼架人工分段支立，鎖腳錨管用風(fēng)槍鉆孔安裝，噴射混凝土采用濕噴機(jī)械手施工。

3.3 主要工序施工工藝及方法

（1）洞口臨時(shí)防護(hù)。避免洞口開挖造成邊仰坡失穩(wěn)，洞口段施工以少刷或不刷仰坡為原則，超前支護(hù)施工前對明暗交界處直立掌子面進(jìn)行噴錨支護(hù)，采用4m長φ22砂漿錨桿，間距1.5m×1.5m，梅花型布置；C25噴混凝土厚15cm，采用φ8@25×25cm鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)片在加工廠制作，現(xiàn)場安裝。錨桿采用風(fēng)槍鉆孔施工，網(wǎng)片焊接于錨桿尾部，網(wǎng)片搭接不小于一個(gè)網(wǎng)格間距，噴射混凝土采濕噴機(jī)械手自下而上，分段分片分層逐步完成。

（2）洞口超前支護(hù)。采用φ42（t=3.5mm）的鋼花管作為超膠前支護(hù)，在已完成臨時(shí)防護(hù)的明暗交界處支立鋼架，施作超前支護(hù)。在DK266+210處施工雙層I20a鋼架，上層鋼架作為導(dǎo)向架，下層鋼架為初支鋼架，鋼架位置采用全站儀定位，兩層鋼架間距離為100mm。上層導(dǎo)向鋼架腹板處割孔，對應(yīng)安裝φ42×3.5mm的長導(dǎo)管，外插角約15°，導(dǎo)向架施作完成后立即施作初支鋼架，在導(dǎo)向架與初支剛架之間施作密排小導(dǎo)管，外插角約10°。鋼架和超前導(dǎo)管施工完成后采用C25噴射混凝土封閉，導(dǎo)管焊接止?jié){閥，采用注漿泵注1∶1水泥漿液，壓力為0.5～1.0MPa，注漿由兩邊向中間隔孔進(jìn)行。

（3）洞身微臺(tái)階施工工藝。開挖采用微臺(tái)階工法，上臺(tái)階長5～7m，中臺(tái)階長5～8m，上臺(tái)階預(yù)留核心土，中臺(tái)階設(shè)臨時(shí)仰拱。人工配合機(jī)械進(jìn)行開挖。微臺(tái)階施工必須做到“兩緊跟”，即鋼架緊跟掌子面，仰拱初支封閉緊跟下臺(tái)階。上臺(tái)階以人工開挖為主，作業(yè)人員在核心土上完成斷面修整及立架作業(yè)，C25噴射混凝土采用濕噴機(jī)械手（20m3/h）作業(yè)。施工中應(yīng)重點(diǎn)觀測拱頂圍巖節(jié)理、層理、裂隙發(fā)育情況，當(dāng)出現(xiàn)圍巖不穩(wěn)定，應(yīng)加強(qiáng)超前支護(hù)或設(shè)置局部鋼架加固方式。中臺(tái)階左右交錯(cuò)施工，開挖進(jìn)尺0.6m。下臺(tái)階與仰拱同步開挖、支護(hù)，及時(shí)形成初支封閉圈。盡快形成不小于1倍洞徑的洞口鎖口圈，保證洞口穩(wěn)定。

（4）監(jiān)控量測方法。采用非接觸量測方法，洞身開挖前及時(shí)布置地表沉降觀測點(diǎn)，每個(gè)斷面以隧道中心線向兩側(cè)每隔2m布點(diǎn)，超出隧道開挖線后按5m間距布點(diǎn)。洞內(nèi)沉降、收斂觀測點(diǎn)斷面間距5m，每個(gè)斷面5個(gè)點(diǎn)，分別在拱頂、上中臺(tái)階左右拱腳處各布1個(gè)點(diǎn)，洞內(nèi)、外觀測點(diǎn)盡量布置在同一斷面。做好點(diǎn)位保護(hù)，按頻率測量。

4 實(shí)施效果分析

2016年5月24日—6月30日，38d開挖45m，變形穩(wěn)定，拱頂最大沉降6.3mm，與大管棚進(jìn)洞方案對比有較大優(yōu)勢。

（1）技術(shù)方面。超前小導(dǎo)管縮短了一次施工長度，由40m減少為6m，導(dǎo)管位置、角度更準(zhǔn)確，在技術(shù)上比長管棚更容易實(shí)現(xiàn)。

（2）經(jīng)濟(jì)方面。大管進(jìn)棚進(jìn)洞，土方量1457m3，無縫鋼管24.75t（1640m），鋼筋籠20.12t，合計(jì)24.09萬元。小導(dǎo)管進(jìn)洞，基本無土方，無縫鋼管30.4t（9148m），合計(jì)18.07萬元。小導(dǎo)管進(jìn)洞比大管棚進(jìn)洞節(jié)約費(fèi)用6.02萬元。

（3）安全方面。大管棚進(jìn)洞由于管棚施工擾動(dòng)較大，影響邊坡穩(wěn)定，而小導(dǎo)管施工對圍巖擾動(dòng)很小。

（4）工期方面。大管棚進(jìn)洞開挖土方量大，加上導(dǎo)向墻、管棚鉆孔、送管、注漿等，正常施工需21d，而小導(dǎo)管進(jìn)洞零開挖、工序少、作業(yè)簡單，僅需5d，節(jié)約16d。

（5）環(huán)保方面。采用大管棚進(jìn)洞，邊仰坡刷坡面積較大，土方量較多，造成原地貌的破壞，棄碴量增加。小導(dǎo)管零開挖進(jìn)洞，不破壞原有植被，保護(hù)了原地貌，減少棄渣量和臨時(shí)用地。

銀山3號(hào)隧道成功實(shí)施了零開挖進(jìn)洞，施工過程安全，各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)檢驗(yàn)合格，監(jiān)控量測量數(shù)據(jù)均在可控范圍，是一種經(jīng)濟(jì)、安全、綠色環(huán)保的進(jìn)洞方案。

5 結(jié)束語

從銀山3號(hào)隧道零開挖小導(dǎo)管進(jìn)洞的成功實(shí)施說明該進(jìn)洞技術(shù)方案具有以下特點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)了“零開挖”“早進(jìn)洞”隧道施工理念，保護(hù)了環(huán)境，避免了大量土方作業(yè)，降低了洞口邊仰坡失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了綠色環(huán)保施工理念。

（2）小導(dǎo)管代替大管棚，不需導(dǎo)向墻，沒有長大鉆孔作業(yè)，減少了大型設(shè)備使用數(shù)量，節(jié)約了材料，縮短了工期，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)施工理念。

（3）小導(dǎo)管代替大管棚，減少了施工對圍巖的擾動(dòng)，安全更有保障。

（4）采用微臺(tái)階開挖工法，實(shí)施“兩緊跟”和“洞口鎖口圈”工藝，鋼架及時(shí)落底、初支及時(shí)封閉，有效控制拱頂下沉和周邊收斂，質(zhì)量安全可控，提高了了工作效率。

大量隧道施工中，真正具備零開挖條件的并不多見，一些隧道往往需要先回填再開挖、先做護(hù)拱再開挖、先做前置洞門再開挖，不論那種情況都應(yīng)遵循“早進(jìn)晚出”的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、安全理念[3]。小導(dǎo)管進(jìn)洞是利用超前小導(dǎo)管，通過注漿對圍巖預(yù)加固，提高圍巖承載能力，形成一定長度的承載環(huán)，提供安全進(jìn)洞空間。適用于淺埋、超淺埋土質(zhì)隧道和軟巖隧道進(jìn)洞施工。但由于一次加固圍巖較短（一般不超過5m），注漿效果不易評價(jià)，對開挖進(jìn)尺、封閉速度、注漿技術(shù)水平有較高要求，否則可能會(huì)有變形、掉塊、塌方等危險(xiǎn)，危及施工安全和進(jìn)度，該項(xiàng)技術(shù)在細(xì)節(jié)還待進(jìn)一步研究完善。