高鐵隧道下穿河流淺埋段施工技術(shù)

劉鵬

西成鐵路客運專線陜西有限責任公司，中國·陜西 西安 710043

1 引言

鐵路隧道需要下穿河流時，施工難度和安全風險很大。一方面，如何防止河流水下滲，避免施工作業(yè)面發(fā)生突泥突水等工程災患：另一方面，隧道開挖施工將不可避免導致地層變形，當變形過大時將危及地表建筑物的安全和正常運營。因此，如何采取有效的措施和科學的手段來保證施工環(huán)境和周圍環(huán)境的安全，是此類隧道施工亟待解決的現(xiàn)實難題。

2 工程概況

石鼓山隧道位于寶雞市渭濱區(qū)渭河南岸，起訖里程DK639+430～DK643+760，全長4330m，雙線隧道。進出口均緊鄰鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路，交通條件較為便利。洞身下穿茵香河、張家溝、劉家河三條較大溝谷，最大埋深133m，最小埋深3m。洞身除DK640+790.559～DK641+455.754 位于直線上，進出口段分別位于半徑R-8000m、8004.6m 的曲線上。洞身縱坡依次為3/1720m、5.3/1200m、20/1410m。

結(jié)合隧道所處地形、地質(zhì)條件，考慮施工工期、救援疏散等要求，采用2 座無軌運輸斜井輔助施工。其中，該隧道經(jīng)評估為高風險隧道，是寶蘭客專重點控制性工程之一。

3 安全風險

隧道多次穿越均有常年流水的淺埋溝谷，溝谷內(nèi)地表水發(fā)育，隧道洞身處于第四系底層與第三系底層接觸面附近，局部處于強風化的第三系砂巖及泥巖、礫巖層中，該隧道整體地質(zhì)條件較差。

DK639+930～DK639+280、DK640+825～DK641+025、DK641+970～DK642+470 段分別下穿茵香河、張家溝、劉家河，該三條河流均為常年流水，隧道最小埋深3m，施工中容易發(fā)生塌方、大變形、突水（泥）等風險事件。

4 針對工程風險采取的技術(shù)措施

4.1 茵香河淺埋段

4.1.1 地質(zhì)情況

石鼓山隧道DK639+950 ～DK640+070 段，下穿淺埋沖溝，最淺埋深8m，上部溝谷富水，地表水及地下水發(fā)育，隧道洞身通過地層主要為第四系中更新統(tǒng)（Q2）洪積粉質(zhì)黏土、中粗砂、礫砂、細圓礫土、粗圓礫土，地下水滲透性較強。該淺埋溝谷段地表水為茵香河，屬常年流水，百年一遇洪水流量287.5m3/s。

4.1.2 變更原因

由于地方政府對茵香河重新規(guī)劃，將石鼓山隧道下穿茵香河段設為影視基地及文化旅游風景區(qū)，拓寬河道并在下游修建蓄水壩用以抬高水位，增加了隧道范圍內(nèi)地下水的補給源，加大了隧道施工及后期運營風險。另外，該段隧道埋深較淺，拱頂以上為粉質(zhì)粘土、粗圓礫土、礫砂等，施工過程中突泥、突水的安全風險較大[1]。根據(jù)以上情況，結(jié)合茵香河淺埋地段的地形、地質(zhì)條件及現(xiàn)場施工實際情況，2015年2月，由建設單位組織召開專家論證會，經(jīng)討論后，形成了對該段采用地表旋噴及袖閥管注漿加固相結(jié)合的處理方案。

4.1.3 變更設計方案

（1）地表加固方案

DK639+950～DK640+010 長60m 地表采用φ800 旋噴樁進行加固。旋噴加固范圍為拱墻開挖輪廓線外1.1m，旋噴樁樁底至仰拱最低面。旋噴樁樁長25～30m。最外側(cè)兩排旋噴樁為咬合樁，樁間距縱向0.7m，橫向間距0.6m，梅花形布置。其余隧道范圍內(nèi)的旋噴樁間距均按1.2m×1.2m 布置。旋噴漿液采用單液漿進行施工，注漿壓力不小于20Mpa[2]。（見圖1）

圖1 茵香河淺埋段地表加固平面圖

DK640+010～DK640+070，長60m 地表采用袖閥管分段注漿工藝，注漿固結(jié)地層，封堵地下水。袖閥管注漿孔孔深25m～30m，采用φ50×5 PVC 袖閥管和雙向皮碗式止?jié){塞和φ25 鍍鋅鋼管做芯管分段進行注漿。注漿范圍為拱墻開挖輪廓線外5m，仰拱以下除進入泥巖或礫巖不小于1m 之外，其余均為3m。注漿鉆孔直徑φ100mm，鉆孔間距1.5m，漿液擴散半徑為100cm。注漿材料第1 排、第2 排、第18 排、第19 排及兩個端頭處兩排孔采用普通水泥-水玻璃雙液漿，其他孔采用水泥單液漿為主。（見圖2）

圖2 旋噴注漿及袖閥管注漿加固設計圖

（2）洞內(nèi)措施

拱部雙層φ42 超前小導管超前注單液漿。初支鋼架采用工25a 型鋼，間距0.5m，噴射C25 混凝土,厚度35cm；拱墻設置錨桿，錨桿長度4m，間距1.0×1.0m，拱墻設置φ8 鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20×20cm。二次襯砌采用C35 鋼筋混凝土襯砌，拱墻厚度65cm，仰拱厚度75cm。采用CRD 法施工。DK639+950～DK640+070 段采用全包防水設計,全環(huán)設2mm厚防水板，板后鋪設無紡布。防水板內(nèi)側(cè)沿縱向設φ80 透水盲管；環(huán)向設φ50HDPE 雙壁打孔波紋管，環(huán)向盲管間距6m，以排泄透過防水板的可能滲漏水。

（3）配合注漿進行地形平整

DK639+950～DK640+070 段淺埋下穿茵香河，地形平緩，為方便注漿作業(yè)，根據(jù)地形條件對沖溝內(nèi)進行相應整平。

（4）設置鋼筋混凝土底板

注漿完成后沿溝心設置厚度30cm 的C25 鋼筋混凝土底板，表層設φ12 鋼筋網(wǎng)，間距20×20cm；設置范圍為線路左側(cè)37.5m，右側(cè)27.5m。

（5）做好引排措施

本段地表注漿應在枯水季節(jié)施工，施工期間做好地表水的臨時引排措施，確保施工安全及質(zhì)量。

（6）做好地質(zhì)預報

加強該段的超前地質(zhì)預報，在每個注漿段落開挖剩余10m 時進行水平鉆探，探明前方的水量及注漿效果。

4.2 張家溝淺埋段

4.2.1 地質(zhì)情況

張家溝淺埋段（DK640+850～DK640+965）設計為Ⅵ級圍巖，分布的地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)人工雜填土、黏質(zhì)黃土、砂類土及碎石類土；上更新統(tǒng)風積黏質(zhì)黃土；中更新統(tǒng)洪積粉質(zhì)黏土、砂類土及碎石類土；下伏上第三系泥巖。

地表水勘察階段張家溝地表水流量約1700m3/d，為常年流水。至施工階段由于溝內(nèi)人為回填垃圾，溝道已被阻斷，溝內(nèi)多為積水。地下水類型主要為第四系松散層孔隙潛水，主要接受大氣降水和溝內(nèi)地表水的側(cè)向補給，含水層為細、粗圓礫土及中、細砂，富水性較好，地下水位埋深約14～20m?？赡艹霈F(xiàn)的最大涌水量約6711m3/d。

4.2.2 變更原因

張家溝淺埋段地方政府進行了重新規(guī)劃，對溝內(nèi)進行了人工回填，回填厚度約15～30m，成分混雜，主要為磚塊、碎石、砼塊、建筑垃圾等，土質(zhì)不均。目前為張家溝工業(yè)園園區(qū)，該段埋深較淺且地質(zhì)情況復雜，施工開挖過程中風險較大。另外石鼓山隧道下穿張家溝段埋深較淺，隧道拱頂以上為砂類土，施工過程中突泥、突水的安全風險較大。為加快施工進度，由建設單位組織召開專家論證會，根據(jù)專家意見，對張家溝淺埋段采用地表旋噴注漿加固方案。

4.2.3 變更設計方案

（1）地表加固

①DK640+850 ～DK640+965，長115m 地表采用φ600旋噴樁進行加固，固結(jié)地層，封堵地下水，旋噴樁樁長30m～35m。（見圖3）

圖3 張家溝淺埋段地表注漿加固平面圖

②加固范圍為拱頂以上5m 至隧道仰拱最低點（旋噴樁底端位于砂層時旋噴至砂層與泥巖分界面）。最外側(cè)一排樁采用咬合結(jié)構(gòu)，旋噴樁縱向間距0.5m，其余均按1.2×1.2m梅花形布置。

③注漿采用注單液漿，注漿壓力不小于20Mpa。

（2）洞內(nèi)措施（DK640+850～DK640+965 段）

①拱部設置雙層φ42 小導管超前注單液漿。

②初支鋼架采用工25a 型鋼，間距0.5m，噴射C25 混凝土厚度35cm；拱墻設置錨桿，錨桿長度4m，間距1.0×1.0m，拱墻設置φ8 鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20×20cm。

③二次襯砌采用C35 鋼筋混凝土襯砌，拱墻厚度65cm，仰拱厚度75cm。

④CRD 法施工。（見圖4）

圖4 張家溝淺埋段旋噴注漿加固設計圖

⑤DK640+850～DK640+965 段采用全包防水設計,全環(huán)設2mm 厚防水板，板后鋪設無紡布。防水板內(nèi)側(cè)沿縱向設φ80 透水盲管；環(huán)向設φ50HDPE 雙壁打孔波紋管，環(huán)向盲管間距6m，以排泄透過防水板的可能滲漏水。

（3）配合注漿進行地形平整

DK640+850～DK640+965 段淺埋下穿張家溝，地形平緩，為方便注漿作業(yè)，根據(jù)地形條件對沖溝內(nèi)進行相應整平。

（4）注漿后鋪砌

注漿完成后沿溝心采用漿砌片石進行鋪砌。

（5）做好引排措施

本段地表注漿應在枯水季節(jié)施工，施工期間做好地表水的臨時引排措施，確保施工安全及質(zhì)量。

（6）做好地質(zhì)預報

加強該段的超前地質(zhì)預報，探明前方的水量及注漿加固效果。

5 茵香河、張家溝淺埋段施工措施

5.1 洞內(nèi)施工措施

5.1.1 超前支護

洞內(nèi)拱部設置φ89 管棚+φ42 超前小導管注單液漿，根據(jù)地表加固評估結(jié)論和洞內(nèi)超前水平鉆探情況，局部采用洞內(nèi)超前預注漿加固補強。

5.1.2 開挖工法

原設計工法采用雙側(cè)壁導坑法或CRD 法，通過圍巖加固后，采用優(yōu)化的三臺階臨時仰拱法施工，上臺階留置2m左右的核心土，核心土后方的上臺階及中臺階設置臨時仰拱。開挖橫斷面及縱斷面圖如下圖。（見圖5、圖6）

圖5 三臺階臨時仰拱法工序橫斷面示意圖

圖6 三臺階臨時仰拱法工序縱斷面示意圖

5.1.3 初期支護、二襯

初支鋼架采用I25a 型鋼，間距0.5m，C25 噴射混凝土厚度35cm，襯砌類型采用Ⅵ-Ⅲ型。

根據(jù)石鼓山隧道風險特點，以安全為原則，響應緊襯砌的要求，石鼓山隧道仰拱安全步距按30m 控制，二襯安全步距按60m 控制。施工過程中采用重要構(gòu)件工廠化生產(chǎn)、襯砌鋼筋卡具、二襯剛端模、仰拱弧形模板等手段控制施工質(zhì)量。

5.1.4 防排水

DK639+965 ～DK640+085 段采用全包防水設計，環(huán)向盲管間距6m。小邊墻中埋式止水帶安裝使用特制鋼筋卡定位；襯砌端頭用兩根角鋼將每根止水帶夾在中間，兩根角鋼用卡子螺栓連接，保證止水帶順直；防水板采用熱熔焊接[3]。

5.2 地表加固措施

5.2.1 茵香河淺埋段地表加固

DK639+988 ～DK640+025 長37m 段地表采用φ800 旋噴樁加固局部注漿補強，加固范圍為拱頂以上5m 至仰拱最低點，隧道兩側(cè)開挖輪廓線各設置2 排縱向旋噴樁止水，樁間距70cm，梅花形布置，中部樁間距按1.2m×1.2m 梅花形布置。（見圖7）

圖7 旋噴樁施工作業(yè)

DK639+950～DK639+988 段和DK640+025～DK640 +085段長98m 段地表采用袖閥管注漿固結(jié)地層，縱向?qū)挾?5.02m地表采用袖閥管分段注漿工藝，注漿范圍為拱墻開挖輪廓線外5m，仰拱以下3m。注漿采用L.SAC42.5 硫鋁酸鹽水泥。（見圖8）

圖8 袖閥管注漿作業(yè)

5.2.2 張家溝淺埋段地表加固

DK640+850 ～DK640+965 長115m 地表采用φ600mm旋噴樁固結(jié)地層，加固范圍為拱頂以上5m 至隧道仰拱最低點，隧道兩側(cè)開挖輪廓線外各設置2 排縱向旋噴樁止水，樁間距50cm，梅花形布置。開挖輪廓線內(nèi)樁間距按1.2m×1.2m梅花形布置。

考慮到旋噴樁加固的特點和張家溝淺埋地質(zhì)復雜的特點，采用取芯法探測相應段落地層加固的薄弱區(qū)域與鎖定，并對可能存在的滲水、地層軟弱等不良地質(zhì)因素展開攻堅加固，進而提高旋噴樁加固效果，并滿足于工程開挖的要求。根據(jù)探測鎖定結(jié)果DK640+900～DK640+965 旋噴樁段采用地表袖閥管注漿補強加固，長度65m，共計114 孔，袖閥管補注漿孔設置在已完成的旋噴樁中間位置，橫向間距2.4m，縱向間距3.6m，注漿采用L.SAC42.5 硫鋁酸鹽水泥。

5.2.3 地表永久排水措施

注漿完成后沿溝心設置厚度30cm 的C25 鋼筋混凝土底板，表層設φ12 鋼筋網(wǎng)，間距20×20cm，設置范圍為線路左側(cè)37.5m，右側(cè)27.5m。

5.2.4 地表其他措施

施工前對淺埋段線路通過區(qū)域黃土陷穴、坑洞進行詳細調(diào)查，對隧道施工及運營安全有影響的應回填密實，表層鋪設三七灰土，嚴防地表水下滲。

茵香河跨線路段通過鋼管排水，鋼管上、下游管口附近水流渠化并底部鋪設防水板，防止河水下滲。在洞內(nèi)二襯通過后及時施作地表永久排水體系。

地表公路實行交通限制，24h 專人值班，禁止重型車輛通過隧道頂部。交通限制期限為洞內(nèi)掌子面距公路10m 至二襯施工通過公路。

6 取得的經(jīng)驗

石鼓山隧道茵香河、張家溝兩條常年流水河溝。隧道埋深淺，洞身通過第四系的黏質(zhì)黃土、粉質(zhì)粘土、砂類土、碎石類土，第三系的泥巖、砂巖、礫巖等，地層雜亂，地下水發(fā)育，工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復雜，施工難度極大，安全風險極極高。

采用進行地表旋噴樁或袖閥管注漿加固后洞內(nèi)三臺階臨時仰拱法開挖的工藝性試驗的方式。試驗段過程嚴格以“地表加固一段、評估一段、洞內(nèi)開挖一段、支護一段、總結(jié)一段”為原則，緊緊圍繞過程受控、取芯受控、水量受控、變形受控四個方面綜合評價掌子面安全情況，同時試驗過程中按照“探測鎖定、加固驗證、局部處置、強化監(jiān)控”的原則對地表袖閥管（旋噴樁）注漿加固薄弱處（盲區(qū)）進行動態(tài)設計。

洞內(nèi)采用三臺階臨時仰拱法掘進過程中，通過材料檢驗、施工記錄、注漿情況分析、鉆孔取芯、洞內(nèi)驗證等注漿效果保證和驗證手段，通過開挖過程中監(jiān)控量測、工效分析及兩個淺埋段進行綜合評估。

（1）通過淺埋段地表袖閥管注漿、旋噴樁加固和開挖后洞內(nèi)驗證，注漿參數(shù)和工藝可指導施工，注漿加固效果良好，可以達到加固圍巖、提高自穩(wěn)能力的目的，可在類似工程推廣應用。

（2）采用三臺階臨時仰拱法開挖過程中采取了超前管棚+超前小導管、縱向角鋼連接、上中臺階均設置臨時仰拱等技術(shù)措施和系統(tǒng)的管理措施，監(jiān)控量測分析結(jié)果顯示，圍巖變形速率及累計變形值可控制在正常范圍內(nèi)，基本無預警，安全可控，可在類似工程推廣應用。

（3）通過工效分析，淺埋段通過地表加固后采用三臺階臨時仰拱法開挖，加快了施工進度，提高了工效，為實現(xiàn)工期目標提供了有利支持，可在類似工程推廣應用。

（4）通過數(shù)月的精心組織，“高標準、高質(zhì)量、高效率、零事故”的圓滿穿越淺埋段。說明“地表加固一段、評估一段、洞內(nèi)開挖一段、支護一段、總結(jié)一段”的試驗原則是合理的，圍繞“過程受控、取芯受控、水量受控、變形受控”的安全評估思想是全面的，處理薄弱區(qū)采用“探測鎖定、加固驗證、局部處置、強化監(jiān)控”的原則是到位的。

石鼓山隧道茵香河、張家溝淺埋段的順利通過，為軟弱圍巖隧道淺埋段安全快速施工總結(jié)出了有效的技術(shù)措施，積累了豐富的管理經(jīng)驗，為此類隧道的設計和施工提供了成功范例。