中铁隧道集团二处有限公司 河北燕郊 065201
摘要：近年来，我国西北地区铁路建设越来越多，其隧道工程因该区域地质特性有很多被设计评估为高风险隧道，从支护参数和施工方法上都做了专项设计，而针对隧道穿越浅埋段黄土、流砂等高风险段落施工技术的研究和总结就显得尤为必要。本文以古城岭隧道工程实例为背景，对施工过程中如何解决洞口及穿越浅埋黄土、流砂层等采取的一系列保证施工安全的技术措施进行研究总结，以便为今后类似地质条件的隧道施工提供一定的参考和借鉴。
关键词:高风险隧道，浅埋黄土，流砂，施工技术
1. 工程概况
宝兰客专古城岭特长隧道长度为10364.6m，为单洞双线隧道。工程位于甘肃省兰州市近郊，地处陇西黄土高原西北部，沿线地形起伏较大，位于黄土高原梁峁、沟壑纵横区。不良地质主要为黄土陷穴，特殊岩土主要为湿陷性黄土、松软土及膨胀土，湿陷土层厚20～30m，砂（黏）质黄土属松软土，层厚5～15m。洞身均为Ⅳ、Ⅴ级围岩，岩层主要分为三个段落：隧道进口段为砂（黏）质黄土，具湿陷性；隧道中段为砾岩、砂岩、粗（细）圆砾土；隧道出口段为风化泥岩。古城岭隧道为Ⅰ级风险隧道，其中进口段穿越浅埋黄土；隧道中段为圆砾土，几乎无胶结，施工中极易垮塌。
2．洞口穿越浅埋黄土段施工技术
结合地形和地质条件，古城岭隧道进口设计32.6m明洞；暗洞设计超前大管棚辅助进洞，采用三台阶临时仰拱法进行开挖支护。洞口段施工按边仰坡开挖防护、施做大管棚、成洞面暗洞形成三台阶、明洞段开挖落底、施做明洞、暗洞开挖的总体步骤进行。
（1）洞口设置反压墙
明挖段落底前，先使暗洞口形成三台阶格局，并为明洞施工提供空间，暗洞上台阶进洞开挖支护15米，中台阶10米，下台阶5米，采用临时仰拱封闭成环并喷砼封闭掌子面。在形成洞口三台阶施工时，监控量测数据显示拱顶沉降速率最快达47.3mm/d，累计最大值达200mm。同时，暗洞初支出现了环向裂纹，仰坡坡面发生开裂，并逐渐加大，掌子面前方地表也发展有裂缝。洞口上方土体有向洞口外滑移的趋势，造成导向墙拱腰开裂。导向墙上部和洞内拱顶均出现纵向位移，判定仰坡变形对初支产生向下压力及向前推力。考虑明洞施做周期较长，为防止险情加剧，因此在洞口两侧立即增加反压挡墙。反压墙施做后，洞内拱顶沉降得到控制，导向墙及仰坡裂缝未继续发展，暗洞初支结构趋于稳定。
(2) 三台阶临时仰拱法及仰拱初支紧跟下台阶施工
为使仰拱初支及早封闭成环，控制洞口浅埋段开挖后沉降，在满足规范要求的前提下对施工工序进行改进和调整：采用仰拱初支紧跟下台阶的办法。隧道开挖采用挖掘机开挖，人工处理欠挖的方式，挖机开挖过程中设专人观察工作面情况，指挥挖机操作，避免碰撞已施工初期支护、量测点等部位，周边轮廓预留20cm人工处理，防止过大的超挖。隧道断面分为上台阶、中台阶、下台阶和仰拱共四部分进行开挖，台阶长度控制在3~5m，台阶高度为3.5m，每循环开挖立拱1榀，进尺为60cm；掌子面每完成4~5个循环开 挖一次仰拱，开挖时机选择在上、中台阶完成出碴，正在立拱的时候， 一次开挖进尺2.4m，安装4榀钢架，上、中台阶完成喷砼作业紧接着进行仰拱初支喷砼，最后利用掌子面下一循环开挖渣土回填仰拱，以满足该段场地平整的要求。该做法的基本原则是要求仰拱开挖支护紧跟下台阶，以尽可能使开挖支护施工工序紧凑，同时能把仰拱封闭距离由原来的30m缩短为15m，封闭时间由15d缩短为7d，初支的及早封闭成环显著减少了围岩和初支结构的变形量。黄土具有湿陷性，且遇水易软化成泥，对初支稳定和洞内文明施工极为不利，施工中必须严格施工用水管理。为进一步控制沉降，采用了如下加强措施：
①、台阶拱架落脚处采用预制混凝土垫块，扩大落脚处受力面积，拱脚清理后安放预制块。
②、加强拱架锁脚。将钢架的各台阶拱脚处锁脚锚管由原设计2根增加为6根。原方法锚管尾端用L型钢筋焊接于拱架，易出现锚管与拱架不密贴，影响受力，后期通过摸索对锁脚施工做了改进。具体做法是在拱架拱脚处焊接钢板，钢板割孔，锁脚穿过割孔打入岩层，此种方法既保证了打设角度又保证了锚管与钢架尽量密贴，便于焊接成整体，有利于受力。
③、拱部设置双层小导管预支护。因隧道洞口段一般为浅埋，风化侵蚀严重，土质松散，开挖后容易产生竖向垮塌，因此在开挖前拱部打设双层小导管，角度分别为10o和40o。
④、为增强拱架纵向连接，在隧道拱部120o范围设双层连接筋和钢筋网片。
⑤、初支的及早封闭成环在黄土隧道施工中尤为重要，所以宜采取仰拱开挖和初支施工紧跟下台阶，为满足工作面场地平整需要，喷砼完毕后采用掌子面开挖的渣土回填，下一步施做仰拱钢筋和混凝土时，再采用挖机二次开挖，人工进行基面清理。
应用了以上措施，隧道变形得到有效控制，保证了隧道施工安全顺利穿越洞口浅埋黄土段。
3．过流砂段施工技术
古城岭隧道中段现场揭示岩性为砾岩、砂岩、粗、细砂层。砾岩一般为厚层、巨厚层构造、灰黄色，胶结较好，稳定性较好，似密实细圆砾土，占围岩的40%以上；砂岩厚度一般为0.1~4m，局部在4m以上，锈黄色，成岩作用差，部分实为密实的细砂层，几乎无胶结，占围岩的30~50%，开挖时易产生流砂现象；砂岩、砾岩交界面常夹有无胶结的粗砂层，流砂时一起滑落；其余偶夹有棕黄色泥岩。岩层整体分布无规律，砂层常在一定范围内以“窝”状出现。
隧道洞身采用三台阶临时仰拱法施工，每循环开挖进尺一榀钢架，以挖机开挖为主，周边轮廓预留20cm人工处理，以免造成过大的超挖。开挖作业时，拱部或拱顶遇到砂层时，常发生流砂，形成塌腔，塌腔最高可达6m，纵向长达4m。（如图1所示）
图1 拱顶流砂
（1）前期超前支护试验
古城岭隧道4#斜井正洞小里程方向穿越砂层时首先采用大管棚进行超前支护。由于砂砾层或细砂层为弱胶结，管棚钻机施工时成孔困难，且扰动较大，容易造成拱部垮塌。砂砾层虽然为弱胶结但较为致密，孔隙率低，浆液无法扩散，其只能包裹管棚外壁1~2cm，注浆达不到预期效果。实际开挖证实管棚打设部位，砂砾层已全部被扰动，上方垮塌造成管体悬空，打设管棚起不到棚护上方土体的作用，总结得出超前大管棚方案不适用于该地层。根据管棚打设时易造成塌孔，致使钻杆难以拔出 和无法下管的情况，又进行了自进式锚杆施工试验。但其注浆扩散和固结效果与普通小导管相比无明显改善，其对拱部预支护能力依然较差。同时自进式锚杆杆体小、刚度较低，支护能力明显不足，且费用较高，不经济。总结得出自进式锚杆方案也不适用于该地层。
（2）密排小导管超前支护
根据砂砾层弱胶结的特点，采用加密超前小导管措施：小导管环向间距为20cm，局部砂层或沙窝处加密，L=3m，每环打设，前后两循环交叉布孔，实际打设效果环向间距仅为10 cm。由于超前钢管较密，砂层受到有力支撑，拱部垮塌量明显减少，有效的减弱了大量流砂坍塌带来的安全隐患。为减少超前钻孔时产生的扰动引起拱部松散体坍塌，采取了二次喷砼工艺，即初次喷砼时先封闭掌子面，再喷钢架部位到二分之一设计厚度，钢架腹板上超前钢管预留孔位不喷砼，便于打设超前钢管。钢架部位还剩余的二分之一厚度安排在下一循环按设计补喷到位
图2 密排小导管超前支护及二次喷砼
（3）塌腔处理
掌子面中、小塌腔处理：在空洞内布设小导管，设置钢筋网片，灌喷混凝土充填，并预埋注浆小导管，下一步对喷砼充填不密实的部位通过注浆达到密实。
较大塌腔处理：先采用渣土反压回填，防止坍塌扩大；渣体表面喷射砼封闭；预埋砼泵送管及排气管；采用泵送砂浆对塌腔进行充填，直至密实。此做法能尽可能把塌腔采用砂浆充填饱满，有效的对坍塌面形成支撑防护，拱部形成环形棚护顶，能防止下一步开挖发生垮塌，保障下方作业安全。
图3 塌腔砂浆灌注
施工中采取了以上加强措施，减少了流砂滑塌量， 隧道开挖最终得以安全通过流砂段。
4．地质预报和监控量测
黄土隧道主要以地质编录、地质调查、地质雷达法、红外线探测等手段实施超前地质预报，同时强调以地层含水率、地基承载力检测数据做为重要参考来指导设计参数和工法调整。现场要求每掘进5m就要进行一次含水率测试及承载力检测，当含水率及承载力变化较大时及时采取措施。
监控量测对软弱岩层隧道施工意义非凡，有时甚至决定一座隧道施工的成败，在古城岭隧道施工中体现得尤为明显。洞口开挖时，通过量测数据分析及时发现了导向墙出现纵向位移和坡体松动的重大险情，施工立即暂停，及时施作洞口反压墙，保证了洞口稳定和后续施工的顺利；洞内出现几次量测预警，及时采取措施处理后隧道沉降及收敛数据趋于稳定；在穿越流砂层施工出现较大垮塌时，量测数据能够及时显示出流砂冲击及压力对初支造成的变形情况。此外，通过量测数据分析得出已施做段变形规律，能够科学的指导下一段施工预留沉落量的设置，做到既保证衬砌厚度又尽量减少二衬混凝土的超耗量。
5．结论与体会
黄土隧道洞口段面临浅埋、土质松散等特点和难点，黄土稳定性差、承载力不足，容易导致初支发生有害变形，甚至喷砼开裂和地表沉陷，严重时发生洞口坡体失稳坍塌，危及施工安全，风险高、难度大。隧道洞口段采用反压墙控制边坡滑移，大管棚加超前小导管双层超前支护；三台阶临时仰拱法并尽早封闭等施工技术措施，顺利通过浅埋段。穿越流砂层通过采取密排小导管超前支护，二次喷砼减少扰动，避免了较大垮塌。得出以下几点结论和体会，供类似工程做为参考和借鉴：
（1）、软土隧道施工要重点坚持“短进尺、勤量测”的施工原则，特别是量测数据显示异常时，要及时分析原因，有必要时要果断暂停掌子面施工，找到有效解决方案后恢复施工。
（2）、初期支护应及早快速封闭成环。仰拱开挖支护紧跟下台阶，是保证初支快封闭、早成环和控制变形的有效方法。
（3）、加强措施，提高初支结构强度和刚度。加大下台阶拱架脚板并采用预制块进行支垫，加强锁脚锚固系统，减少拱架下沉；拱部设双层钢筋网，提高初支结构的抗剪能力和整体承载能力。
（4）、对流砂层垮塌及时采取喷砼或灌注砂浆回填，对坍塌面形成防护抵挡，防止滑塌面扩大，保障作业安全。
（5）、正式进洞前，沿边坡和仰坡脚施做反压挡墙形成抵挡，能有效抑制洞口边仰坡土体位移；设计有明洞的洞口尽可能先施做明洞衬砌，对暗洞口形成正面抵挡后再进洞，对洞口段施工安全效果明显。
（6）、当洞口坡体发生变形位移或地表沉降较大时，应暂停暗洞掌子面施工，及时施做二次衬砌，实行开挖一段、衬砌一段的单工序作业，确保施工安全。
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论文作者:王静,张成勇,蔡吉泉
论文发表刊物:《防护工程》2018年第33期
论文发表时间:2019/2/27
标签：隧道论文; 洞口论文; 流砂论文; 黄土论文; 台阶论文; 超前论文; 导管论文; 《防护工程》2018年第33期论文;