碳質(zhì)千枚巖地層鐵路隧道進洞施工技術(shù)

馬育中

（甘肅信達建設(shè)工程咨詢有限公司，甘肅 蘭州 730030）

1 工程概況

新建天水—隴南鐵路（簡稱天隴鐵路）的鐵路等級為國鐵Ⅰ級，設(shè)計速度160 km/h，單線，正線全長215 km。杜家溝隧道為天隴鐵路先期標，位于隴南市武都區(qū)，隧道全長2 046 m，最大埋深271.2 m、最小埋深12.0 m，設(shè)計圍巖全部為Ⅴ級。

杜家溝隧道地處千枚巖地層，巖石強度低、完整性差、揉皺、節(jié)理極發(fā)育，千枚巖巖性松軟，遇水易泥化、軟化，有漲縮性，工程地質(zhì)較差，開挖后巖體變形量大。該隧道所處巖體抗風化能力差，易風化形成巖屑，產(chǎn)生碎落現(xiàn)象，實測探孔最大水平地應(yīng)力7.4 MPa，巖石強度與地應(yīng)力比為0.13，為高地應(yīng)力軟巖大變形隧道，施工過程中地層應(yīng)力釋放快、圍巖瞬時變形大；圍巖穩(wěn)定時間長、累計變形量大；圍巖支護強度不足導致圍巖變形范圍不斷擴大，以塑流型為主，同一斷面支護變形數(shù)據(jù)差別較大。隧道開挖面易發(fā)生坍塌、初支開裂、掉塊、初支侵線、二次襯砌厚度不足等施工危害［1-8］。通過對千枚巖地層隧道進洞加固措施的研究，能夠更好地控制進洞過程中產(chǎn)生的施工危害，對保障施工安全、施工質(zhì)量及預(yù)防后期病害具有重要意義［9-10］。該隧道軟巖大變形段落總長約1 000 m（其中：Ⅰ級段落530 m、Ⅱ級段落210 m、Ⅲ級段落260 m）。設(shè)計為一級高風險隧道。

杜家溝隧道地處青藏高原北部龍門山地震帶，舟曲—武都逆沖推覆體，圍巖扭曲破碎，工程性質(zhì)差。該地區(qū)夏秋季降雨集中、暴雨多發(fā)，易引發(fā)滑坡、泥石流等災(zāi)害。2017、2020 年，甘肅隴南發(fā)生2 次暴洪、泥石流地質(zhì)災(zāi)害，造成較大損失。

該項目作為天隴鐵路先期開工試驗段，以研究軟巖大變形高風險隧道工程為目的，開展技術(shù)攻關(guān)，總結(jié)施工工藝，為全線隧道施工積累經(jīng)驗。進洞施工是項目主要技術(shù)課題之一。由于項目所在區(qū)域地質(zhì)復雜，受地震災(zāi)害影響，周邊山體邊坡松動、滑坡，道路破壞情況嚴重（見圖1）；加上雨水較多、雨量集中，對隧道進洞施工邊仰坡穩(wěn)定十分不利，需要采取有效措施，保證進洞施工安全和施工期、運營期洞口穩(wěn)定。

圖1 千枚巖地層邊坡垮塌

2 方案比選與優(yōu)化

2.1 設(shè)計參數(shù)

杜家溝隧道進口設(shè)計采用柱式洞門，明洞8.45 m，明暗分界里程DK226+038，暗洞進洞超前支護設(shè)計為30 mφ108 m管棚，內(nèi)插φ42 m超前小導管。初期支護為全斷面16工字鋼，間距0.8 m。進洞開挖方法為短臺階預(yù)留核心土。臨時邊仰坡采取砂漿錨桿，掛網(wǎng)噴錨。洞口上方設(shè)置3道被動防護網(wǎng)。

2.2 前期施工情況

隧道進口連接溝壩河大橋，橋隧相連。進口邊坡較陡，約56°，邊坡高度>120 m。洞口基巖外露，灰色薄層千枚巖，節(jié)理發(fā)育，風化程度高。薄層千枚巖層間黏結(jié)差，邊仰坡及周邊巖體松散，擾動后易滑塌。進洞施工地形、地質(zhì)條件較差。隧道進洞前完成邊仰坡刷坡、加固，被動網(wǎng)防護，天溝及排水系統(tǒng)等施工準備，完成導向墻和管棚施工。各項準備工作完成后，正式進洞掘進施工。進洞采取短臺階預(yù)留核心土工法，上臺階2.5 m、中臺階3.5 m、下臺階3.0 m，每循環(huán)開挖1 榀。上臺階進尺7 m 后，在洞口段開挖導向墻右側(cè)中臺階，進尺1 榀0.8 m，開挖臺階深度3.5 m。開挖后，導向墻底部側(cè)壁巖層開始掉塊，側(cè)壁土體坍塌較多，導向墻底部分懸空，現(xiàn)場采用濕噴混凝土將底部坍塌空間填充，及時封閉。前期施工情況示意見圖2。

圖2 前期施工情況示意圖

根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)，12 h 內(nèi)導向墻頂部沉降85.0 mm；36 h 后穩(wěn)定，導向墻拱頂累計沉降16.2 cm。仰坡頂部天溝上方緩坡、陡坡交接位置，出現(xiàn)垂直線路方向地表裂紋。因進口沉降預(yù)留量25.0 cm，導向墻和已施工初支沒有侵限，初支未出現(xiàn)開裂情況。由于洞口出現(xiàn)較大變形沉降，考慮洞口邊坡陡、千枚巖地層穩(wěn)定性差、雨水多等不利條件，為防范和降低施工過程及后期運營期間安全隱患，進行方案調(diào)整，停止掘進施工，對洞口進行加固。

2.3 方案優(yōu)化

根據(jù)現(xiàn)場情況，洞頂天溝上方陡坡部分山體穩(wěn)定性較好，圍巖產(chǎn)狀主要為豎向，薄層千枚巖結(jié)構(gòu)較緊密。山體前部緩坡，千枚巖產(chǎn)狀混亂，風化程度高，靠近陡坡坡腳地表開裂，前端坡體有前傾下滑趨勢，主要對前端坡體進行加固。

2.3.1 地表鋼管樁注漿加固方案

通過地表打設(shè)鋼管注漿進行加固（見圖3）：

圖3 地表鋼管樁注漿加固方案

（1）加固寬度。隧道輪廓線外5.0 m。

（2）加固深度。隧道輪廓范圍內(nèi)：至輪廓線外0.5 m；隧道輪廓范圍外：加固至仰拱底部。

（3）地表設(shè)25 cm噴射混凝土C25止?jié){層。

（4）注漿采用76 mm 鋼花管，尾部1.5 m 不設(shè)注漿孔。

2.3.2 鋼筋混凝土方樁加固方案

為增加陡坡前端風化千枚巖坡體穩(wěn)定性，在洞口兩側(cè)邊坡設(shè)置2 m×3 m（橫×縱）加固方樁，樁長23 m。右側(cè)2 根，樁頂高程1 117 m；左側(cè)1 根，樁頂高程1 114 m。右側(cè)樁中心里程為DK226+039.5，左側(cè)樁中心里程為DK226+041.5，隧道中心線與左右兩側(cè)樁中心距為7.2 m，右側(cè)第2 根樁與第1 根樁中心間距4.0 m。鋼筋混凝土加固樁方案見圖4。

圖4 鋼筋混凝土方樁加固方案

2.3.3 方案對比

對以上2種方案進行對比：

（1）地表鋼管樁注漿加固方案。根據(jù)前期施工情況，千枚巖注漿量較小，注漿加固效果不明顯。地表注漿在坡面搭設(shè)支架施工，施工相對方便。

（2）鋼筋混凝土方樁加固方案。坡體加固受力明確、可靠，需要采取人工挖孔樁施工，如坡面已有變形，有一定施工難度，施工安全措施要求較高。

考慮隴南地區(qū)暴雨、地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)，為確保進洞安全，選擇鋼筋混凝土方樁加固方案。加固樁采取人工挖孔，采取反壓平衡穩(wěn)定作業(yè)面，制定詳細的安全專項方案和安全預(yù)案，嚴格按規(guī)范作業(yè)。

3 加固樁施工

3.1 主要技術(shù)參數(shù)

加固方樁截面2 m×3 m，樁長最長23 m，樁體為C30 鋼筋混凝土，護壁為30 cm 厚C20 鋼筋混凝土。鎖口總高度為1 m，高處地面50 cm，壁厚50 cm，采用C20鋼筋混凝土。護壁結(jié)構(gòu)采用逆作法分節(jié)施工，每節(jié)1 m，護壁壁厚30 cm，采用C20鋼筋混凝土。上2節(jié)縱向鋼筋搭接長度25 cm。樁身截面為2 m×3 m，采用C30鋼筋混凝土。樁身鋼筋采用直螺紋套筒連接。每次開挖深度1 m，側(cè)壁土軟弱、易塌方適當縮短開挖深度。加固樁配筋示意見圖5。

圖5 加固樁配筋示意圖

3.2 主要施工工藝

（1）施工作業(yè)平臺填筑。由于洞口坡面較陡，為提供施工工作面，填筑施工作業(yè)平臺，增加邊坡穩(wěn)定性效果。施工作業(yè)平臺填筑高度高出挖孔樁樁頂，平臺寬度邊緣距挖孔樁外側(cè)>3.5 m，材料采用砂礫石土，測量放線從原山體坡腳處逐層填筑密實，采用小型壓路機碾壓，坡度≤1∶1，確保邊坡穩(wěn)定。邊緣安裝防護欄桿及警示標志。挖孔樁施工完成后挖除平臺至隧道底板標高（非關(guān)鍵工藝）。加固樁施工作業(yè)平臺示意見圖6。

圖6 加固樁施工作業(yè)平臺示意圖

（2）鎖口施工。測量放樣鎖口平面，人工開挖鎖口基槽，安裝鎖口模板，澆筑混凝土。

（3）開挖施工。由于樁體地層為軟弱破碎狀千枚巖（見圖7），樁體采用人工風鎬配合開挖、電動提升裝置出土。挖孔至一定深度，孔內(nèi)設(shè)置12 V 安全電壓照明系統(tǒng)?？咨畛^5 m 時，應(yīng)向孔內(nèi)連續(xù)送風、送氧。起吊吊繩采用8 mm 鋼絲繩，手動和電動葫蘆均應(yīng)有可靠制動措施。提料時，孔內(nèi)人員站在防護板下，樁孔開挖連續(xù)施工，避免圍巖長時間暴露，及時完成護壁混凝土澆筑。開挖過程中，應(yīng)隨時校對樁基中心線，發(fā)現(xiàn)偏差應(yīng)及時糾正。

圖7 軟弱破碎狀千枚巖

從挖孔樁開挖揭示圍巖情況，上層2～5 m圍巖走向較亂，較松散，下層圍巖以豎向千枚巖為主。圍巖內(nèi)部有邊坡變形產(chǎn)生的破碎面（見圖8）。在反壓平臺保證邊坡整體穩(wěn)定的前提下，通過減少開挖深度，破碎地段采取每50 cm分層開挖，及時支護，對護壁鋼筋進行加密。開挖過程中嚴格按要求進行監(jiān)測，保證施工安全。

圖8 圍巖開裂

（4）護壁施工。護壁采用內(nèi)齒式護壁，高1 m，厚≥30 cm，采用C20混凝土。開挖過程中，發(fā)現(xiàn)側(cè)壁土塌方嚴重，在上節(jié)護壁底部施作臨時支撐，保證安全。護壁模板采用竹膠板，加型鋼肋板，保證足夠承載力和剛度。加固完成后，澆筑護壁、振搗密實。為提高護壁早期強度，混凝土摻加早強劑。當護壁混凝土強度達到70%設(shè)計值，進行下一層護壁開挖。

（5）挖孔樁樁身鋼筋安裝。鋼筋籠質(zhì)量較大，如按每節(jié)長5 m、質(zhì)量2.2 t，受場地限制，吊車吊樁非常困難，根據(jù)施工規(guī)范，采取孔內(nèi)綁扎方式。在孔口上方加工龍門架，先在樁基四角安裝吊筋，下放箍筋，從下至上綁扎箍筋，箍筋綁扎達到1節(jié)主筋長度（9 m），在卷揚機配合下放安裝主筋，綁扎主筋和箍筋形成整體。繼續(xù)綁扎箍筋，下放安裝主筋，循環(huán)完成鋼筋綁扎。鋼筋每根長9 m，用卷揚機送料入孔，孔內(nèi)工人逐根連接安裝。鋼筋機械連接接頭應(yīng)符合JGJ 107—2010《鋼筋機械連接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，并按要求進行質(zhì)量檢查。

4 導向墻加固

為防止導向墻進一步前移，在導向墻兩側(cè)正面各設(shè)2根φ1 m鉆孔樁，單側(cè)2根樁平行于線路布置，2根樁之間、樁與導向墻之間，均灌注混凝土剛性連接，限制導向墻進一步前移，提高整體剛度及穩(wěn)定性。加固樁樁徑φ1 m，為鋼筋混凝土鉆孔樁，樁長17.3 m，高度高于導向墻根部以上2 m。

鉆孔樁采用220型旋挖鉆機施工，由于施工地層內(nèi)無地下水，為千枚巖質(zhì)地層，宜采用干孔作業(yè)。為防止塌孔，孔口段采取8 m長護筒跟進。旋挖鉆機成孔效率高，約2 h 完成單根樁基鉆孔，成孔后立即采用吊車安裝鋼筋籠，澆筑混凝土，減少暴露放置時間，避免塌孔。混凝土灌注采用套管至孔底引流，不得直接從孔口倒入。導向墻鉆孔樁加固示意見圖9。

圖9 導向墻鉆孔樁加固示意圖

5 進洞施工

完成洞口挖孔樁、導向墻加固后，施作洞頂邊坡截排水系統(tǒng)，清理填筑作業(yè)平臺，完善沉降觀測系統(tǒng)后，組織進洞施工。進洞開挖采用挖掘機、破碎錘、銑挖機配合作業(yè)；在機械開挖困難地段，采用弱爆破松動再進行開挖。開挖工法采用隧道施工常用的短臺階法、短臺階預(yù)留核心土法，臺階長度控制在5～8 m。上臺階開挖進洞至約20 m，下臺階已落底，應(yīng)及時施作洞口處仰拱初支及仰拱襯砌，封閉成環(huán)，確保穩(wěn)定。然后，按正洞正常隧道開挖作業(yè)工序進行正常施工。

在實際開挖中，揭示情況與設(shè)計基本相符。洞口段千枚巖圍巖破碎，產(chǎn)狀凌亂，巖層走向變化快，風化程度高，開挖易滑塌掉塊。開挖進洞14 m 時，掌子面揭示有1處斜巖石面，表面較平整，表面破碎后可見豎向千枚巖，灰黑色薄層狀。斜巖面地表植物根系分布，推測斜巖面位置為原山體界面，之前洞口范圍為山體崩塌堆積體。以斜巖面為界限，進入斜巖面前巖層走向變化快，圍巖破碎，穩(wěn)定性差。進入斜巖面后，巖石走向逐步穩(wěn)定，呈豎向薄層狀，擠壓密實，上臺階開挖后能自穩(wěn)成拱，施工中監(jiān)控量測數(shù)據(jù)正常，圍巖穩(wěn)定，正常掘進。

6 結(jié)論

（1）隧道洞口采用鋼筋混凝土方樁加固措施，可控制邊仰坡開挖范圍，減少對圍巖擾動，隧道洞口圍巖變形得到有效控制，避免隧道開挖面發(fā)生坍塌、初支開裂、掉塊、初支侵線、二次襯砌厚度不足等施工危害。

（2）千枚巖隧道洞口受自然環(huán)境影響大，在長期荷載作用下不斷發(fā)生蠕變，圍巖塑性區(qū)不斷擴大，巖體松動范圍也逐漸增大，千枚巖隧道洞口段圍巖變形只能控制在設(shè)計允許范圍內(nèi)，無法從根本上解決千枚巖圍巖變形問題。

（3）鋼筋混凝土方樁加固措施在杜家溝隧道進洞工程的成功應(yīng)用，將千枚巖的變形速率、變形量控制在設(shè)計要求范圍內(nèi)，保證了施工質(zhì)量、降低了施工安全風險、加快了施工進度，對類似工程有一定參考作用。天隴鐵路杜家溝隧道施工過程中，通過地表調(diào)查、測量監(jiān)控和巖層揭示分析，及時發(fā)現(xiàn)進洞時的不良地質(zhì)、變形問題和潛在風險，通過加固樁等措施，保證了邊仰坡整體穩(wěn)定，雖然開挖中有局部變形，但整體安全可控，開挖順利通過進口軟弱地段，保證了后續(xù)施工的順利進行。