劉建中

(中國鐵路總公司建設(shè)管理部，北京　100844)

淺埋、偏壓、軟巖隧道進(jìn)洞施工技術(shù)研究

劉建中

(中國鐵路總公司建設(shè)管理部，北京100844)

摘要：淺埋、偏壓、軟弱圍巖隧道進(jìn)洞施工一直是隧道施工的難點(diǎn)，通過實(shí)例介紹此類隧道施工關(guān)鍵技術(shù)，采用重力式擋墻和邊仰坡加固措施處理隧道偏壓，采用大管棚、超前小導(dǎo)管及套拱法處理隧道淺埋，采用三臺階七步流水法進(jìn)行軟弱圍巖洞內(nèi)施工，同時闡述施工過程中監(jiān)控量測的方法和對圍巖變形的處理措施。

關(guān)鍵詞：隧道工程；淺埋；偏壓；軟弱圍巖；施工技術(shù)

近年來，隨著國內(nèi)基本建設(shè)規(guī)模逐年擴(kuò)大，隧道工程數(shù)量越來越多，淺埋、偏壓、軟弱圍巖隧道已成為常見的隧道類型。在各種不利條件中，偏壓會造成隧道的不平衡受力，輕則可使隧道拱圈變形，重則破壞隧道結(jié)構(gòu)，偏壓對隧道施工潛在威脅最大。進(jìn)洞措施如果處理不好，經(jīng)常造成塌方事故，進(jìn)洞施工難度和風(fēng)險較大。采取可靠安全的進(jìn)洞施工技術(shù)，是此類隧道施工的關(guān)鍵。

1工程概況

某隧道全長337 m，最大埋深87 m，通過區(qū)位于山區(qū)褶皺系中，巖體受區(qū)域構(gòu)造影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。隧道進(jìn)口端位于滑坡體上，滑坡體物質(zhì)松散，巖體穩(wěn)定性差，圍巖類別為Ⅴ級或Ⅴ級加強(qiáng)，屬軟弱圍巖；進(jìn)口50 m埋深為12～19 m，覆蓋層厚度小于2.5倍洞跨；進(jìn)口端山體縱向坡度48°～62°，橫向坡度40°～50°，左側(cè)發(fā)育一大沖溝，隧道右側(cè)受壓明顯較大。該隧道屬典型淺埋偏壓隧道。

隧道進(jìn)口位于滑坡體右側(cè)邊緣，為基巖滑坡，滑坡體長約50 m，寬約55 m，厚15～30 m，滑坡體物質(zhì)主要為細(xì)角礫土，稍密～密實(shí)，稍濕?；麦w后壁高陡，平臺明顯，平臺上有當(dāng)?shù)毓喔扔盟?，常年流水，不適宜明挖進(jìn)洞。如圖1～圖3所示。

圖1　隧道平面

圖2　隧道進(jìn)口洞門

圖3　隧道進(jìn)口縱斷面

2總體施工方案

分析該隧道所處地形特點(diǎn)，其偏壓來自左右兩側(cè)山體不對稱，洞口左側(cè)沖溝發(fā)育，右側(cè)相對邊坡較高，偏壓明顯；巖體主要為細(xì)角礫土，自身穩(wěn)定性差；隧道頂部有當(dāng)?shù)毓喔扔盟?，常年流水，不適宜明挖進(jìn)洞。根據(jù)以上特點(diǎn)，處理總體設(shè)想為：采用地表注漿加固邊坡及仰坡，穩(wěn)定地表；左側(cè)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)擋墻，并在擋墻后拱頂部回填土，增加結(jié)構(gòu)重力，抵抗山體側(cè)向推力，加強(qiáng)平衡穩(wěn)定；進(jìn)洞采用套拱法，進(jìn)洞前施工超前長管棚并注漿，使破碎巖體粘結(jié)為整體，以形成加固承載環(huán)，增強(qiáng)開挖面圍巖自穩(wěn)性；洞內(nèi)采用三臺階七步流水作業(yè)法施工，加強(qiáng)初期支護(hù)，及時封閉成環(huán)，二襯緊跟。同時，為確保施工安全，施工中加強(qiáng)監(jiān)控量測，隨時觀察變形情況，及時修正施工參數(shù)；針對隧道風(fēng)險控制關(guān)鍵點(diǎn)，制定應(yīng)急預(yù)案，確保施工安全可靠、有序可控。

3專項(xiàng)方案

3.1偏壓處理

結(jié)合實(shí)際地形及地質(zhì)狀況，采用以下兩種措施解決偏壓問題。

3.1.1邊仰坡加固

(1)洞頂施作截水溝及排水渠

洞口位于滑坡體上，巖體孔隙較大。為減少巖體孔隙水量，防止地面水下滲，減小地層壓力，保證洞口安全，采用截水處理方案，即在洞頂施作截水溝和排水渠，防止地表水下滲進(jìn)入圍巖。截水溝采用人工開挖，漿砌片石砌筑，單坡排水，將降水引至排水渠，再排至山下沖溝；排水渠內(nèi)鋪防水卷材、水泥砂漿抹面，水渠外緣施作φ42 mm鋼花管并注水泥漿防滲。鋼花管單根長4 m，間距1 m，梅花形布置。

(2)錨噴注漿加固邊仰坡

對邊仰坡進(jìn)行錨噴支護(hù)，部分地段施作鋼花管注漿。根據(jù)設(shè)計邊、仰坡開挖線，利用機(jī)械與人工配合，進(jìn)行排砟開挖，坡面整修，坡面施作鋼筋網(wǎng)并噴15 cm厚C25混凝土，封閉加固松散破碎巖面，然后施作錨桿、注漿(1∶1水泥漿)加固巖體。錨桿單根長3 m，小導(dǎo)管單根長4 m，間距1.5 m，梅花形布置，鋼筋網(wǎng)采用φ8 mm光面鋼筋，20 cm間距；注漿壓力0.8～1.2 MPa。

3.1.2施作偏壓擋墻

隧道左側(cè)施作重力式擋墻(圖4、圖5)，擋墻采用1.5 m深擴(kuò)大基礎(chǔ)，支護(hù)開挖，基礎(chǔ)底部碎石換填0.5 m。擋墻長9 m，包括明洞段5 m及洞身段4 m，與明洞以φ22 mm鋼筋連接，導(dǎo)向墻及洞口段鋼拱架采用鎖腳錨桿與擋墻連成一體。墻身采用C25混凝土，墻高16 m，平均厚度3 m。

圖4　隧道進(jìn)口明洞及擋墻橫斷面(單位：cm)

圖5　隧道進(jìn)口暗洞及擋墻橫斷面(單位：cm)

擋墻頂部回填透水性較好的砂土，分層夯實(shí)，加高覆蓋高度，擋墻與洞身拱頂夾角處注1∶1水泥漿加固，以增加防推穩(wěn)定能力。

3.2淺埋處理

采用套拱法進(jìn)洞，大管棚(參數(shù)為43根φ108 mm×6 mm長30 m熱軋無縫鋼管，管內(nèi)穿φ18 mm鋼筋籠，灌注水泥砂漿填充密實(shí))及小導(dǎo)管注漿(φ42 mm，1∶1水泥漿)預(yù)加固及超前支護(hù)。

3.2.1套拱施工

待洞口邊仰披開挖到隧道初襯外輪廓線時，預(yù)留核心土，在坡面上定出中線拱頂高度、套拱位置線、橫向十字線，然后開挖兩側(cè)套拱位置的土體，邊開挖邊支護(hù)至邊墻底高度以后，漿砌套拱基礎(chǔ)，施作完后架立3榀Ⅰ18b型鋼拱架，間距80 cm，每榀鋼架用拉桿拉緊，防止傾倒，在拱頂拱腰坡面上兩側(cè)打錨桿，將最前面一榀拱架焊在錨桿上拉緊，套拱在外廓線以外，緊貼掌子面施作。在鋼支撐上以設(shè)計大管棚間距安裝φ127 mm，長2 m的孔口導(dǎo)向鋼管，用儀器仔細(xì)精確無誤地檢查其中線、方向與水平，確保導(dǎo)向良好，與管棚位置方向一致，用麻布等物將孔口管封堵，防止?jié){液流入將孔口管堵塞，人工立模擋頭板用鋼筋拉桿拉緊，外模用鐵線拉在襯砌拱架上，拱腰以下要用斜撐支于側(cè)面上，澆筑60 cm厚的C25混凝土包裹鋼支撐和導(dǎo)向管。套拱完成后，噴射C20混凝土10 cm厚封閉周圍仰坡面，作為注漿時的止?jié){墻。見圖6。

圖6　管棚套拱安裝示意(單位：cm)

3.2.2管棚施工

(1)導(dǎo)管加工：加工長度為4 m和6 m兩種規(guī)格的管；為使鋼管對接，鋼管兩端分別加工成螺栓、螺母絲扣，絲扣長15 cm，管壁加工間距為20 cm×20 cm的φ10～φ16 mm注漿孔，梅花形布置，以利于漿液通過管壁孔擴(kuò)散到地層中。安裝同孔導(dǎo)管時將4 m管和6 m管間隔裝入孔中，相鄰兩孔絲扣連接處相互錯開。導(dǎo)管內(nèi)插加勁鋼筋籠，主筋4根，φ22 mm，固定環(huán)采用φ42 mm熱軋無縫鋼管制作，每段長4 cm，間距150 cm，與主筋之間焊接。

(2)測定孔位：用全站儀精確測定鉆孔孔位，并用紅油漆標(biāo)注在掌子面上。

(3)導(dǎo)向管的安裝：為使大管棚安裝在設(shè)計的位置，鉆機(jī)施鉆時要按設(shè)計的角度鉆孔，故鉆孔前需安裝導(dǎo)向管，使得鉆孔方位正確。

(4)搭建施鉆平臺：施鉆平臺用鋼管架由下向上、由兩邊至中間根據(jù)孔位依次搭成“井”字形，上面用木板鋪平。要求鉆機(jī)平臺搭建必須牢固，鉆機(jī)安放到平臺上以后，要用鋼絲繩緊固。

(5)鉆機(jī)就位：將鉆機(jī)安放在施鉆平臺上，調(diào)整好高度、鉆桿的傾角和方位角，然后將鉆機(jī)牢固固定在施鉆平臺上，檢查各管線和連接件是否正確。

(6)鉆孔：將鉆頭和鉆桿穿過導(dǎo)向管，對準(zhǔn)已作好標(biāo)記的孔位孔心，慢慢開動鉆機(jī)，注意鉆孔應(yīng)平直，孔底偏差距離小于鉆孔的半徑。用螺旋鉆桿配三翼鉆頭，干式鉆進(jìn)成孔。鉆孔直徑：φ120～φ125 mm；鉆孔平面誤差不大于50 mm；孔斜控制措施：導(dǎo)向管導(dǎo)向；為了能順利下管，成孔后再進(jìn)行掃孔，順通孔道。大管棚施工完成后，成傘形輻射狀。

(7)安裝大管棚：大管棚安裝時用鉆機(jī)頂進(jìn)，鋼管間為絲扣連接，用自由鉗旋轉(zhuǎn)擰緊，相鄰兩孔的鋼管接頭要相互錯開。頂進(jìn)鋼管時要保證導(dǎo)管的傾角和方位角與鉆孔鉆桿前進(jìn)的傾角和方位角一致。最好在鉆完一個孔后不要移動鉆機(jī)，立即將該孔的導(dǎo)管頂入孔內(nèi)，安裝好導(dǎo)管后，再移開鉆機(jī)進(jìn)行下一孔的鉆進(jìn)。

(8)注漿：注漿采用M20水泥砂漿，前進(jìn)式注漿，水泥砂漿注漿參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)情況進(jìn)行調(diào)整。

注漿達(dá)到預(yù)定壓力后，即停止注漿，關(guān)上止?jié){閥門，打開泄壓閥，待管內(nèi)壓力降為0后，關(guān)上泄壓閥，同時將吸漿管放進(jìn)旁邊早已準(zhǔn)備好的清水中，開動注漿機(jī)及時清洗管路。

注漿前用清水試壓管路，檢查管路是否連接緊密，如有問題及時處理。排氣管要通到底，以防孔內(nèi)空氣頂住漿液不能注到孔底。對于單孔在注漿結(jié)束后，迅速拔除注漿管，并立即用M20砂漿閉孔口止?jié){，是完成注漿的標(biāo)志。

3.2.3小導(dǎo)管施工

超前小導(dǎo)管采用外徑42 mm，壁厚4 mm，長450 cm的熱軋無縫鋼管，鋼管前端呈尖錐狀；管壁四周鉆注漿孔，孔徑為8 mm，孔間距10 cm，呈梅花形布置，尾部30 cm不鉆注漿孔作為止?jié){段。鋼管與襯砌中線平行，以外插角10°打入拱部圍巖；鋼管環(huán)向間距50 cm。小導(dǎo)管布置見圖7、圖8。

圖7　超前支護(hù)橫斷面布置

圖8?、?Ⅰ斷面(單位：cm)

3.3洞內(nèi)施工

根據(jù)本隧道地質(zhì)情況，考慮到施工進(jìn)度及施工安全等方面，采用三臺階七步流水作業(yè)法施工。三臺階七步流水作業(yè)法開挖采用弱爆破或人工開挖，局部爆破時嚴(yán)格控制炮眼深度及裝藥量。各步開挖循環(huán)進(jìn)尺不大于0.6 m(鋼架間距0.6 m)，預(yù)留核心土，開挖后及時對圍巖采用C25混凝土進(jìn)行初噴，然后架立鋼架并設(shè)鎖腳鋼管、系統(tǒng)錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。三臺階七步開挖法施工斷面如圖9、圖10所示。

三臺階七步開挖法施工說明如下。

第1步：施作超前支護(hù)后，開挖拱部弧形導(dǎo)坑，預(yù)留核心土，施作拱部初期支護(hù)；

第2、3步：開挖左右側(cè)中臺階并施作初期支護(hù)；

第4、5步：開挖左右側(cè)下臺階并施作初期支護(hù)；

第6步：分別開挖上、中、下臺階核心土；

第7步：開挖隧底并施做仰拱初期支護(hù)封閉成環(huán)。

圖9　三臺階七步流水法施工橫斷面

圖10　三臺階七步流水法施工縱斷面

3.4監(jiān)控量測

為確保施工安全，必須加強(qiáng)隧道變形監(jiān)控量測，檢測內(nèi)容為：洞內(nèi)外觀察、拱頂下沉、凈空變化、地表下沉量測。

(1)洞內(nèi)外觀察：洞內(nèi)觀察分開挖工作面觀察和已施工地段觀察，每次開挖后應(yīng)進(jìn)行開挖工作面觀察，繪制開挖工作面地質(zhì)素描圖，填寫地質(zhì)狀況記錄表，并與勘查資料對比；初支施工后，要及時記錄噴混凝土、錨桿、鋼架變形等。洞外觀察重點(diǎn)是記錄地表開裂、地表變形、邊坡及仰坡穩(wěn)定情況、地表水滲漏情況等，還要注意洞頂灌溉水渠變化情況。

(2)拱頂下沉量測：采用精密水準(zhǔn)儀和銦鋼掛尺測量。在隧道拱頂軸線附件焊接測點(diǎn)，測點(diǎn)與隧道外監(jiān)控量測基準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測。監(jiān)測斷面5 m間距，測量頻率為，監(jiān)測斷面距開挖面10 m以內(nèi)2次/d，10～20 m范圍1次/d，20～50 m范圍1次/3d，50 m以上1次/7d。

(3)凈空變形量測：采用鋼尺收斂儀測量，每臺階1條水平測線，3條斜測線，測點(diǎn)焊接在測線兩端，每5 m設(shè)1處量測斷面。量測頻率同拱頂下沉。

(4)地表下沉量測：采用精密水準(zhǔn)儀、銦鋼尺測量，測點(diǎn)在隧道開挖前布設(shè)測點(diǎn)橫向間距2～5 m，中線附近3 m間距，橫向范圍不小于埋深+隧道開挖寬度，縱向間距10 m，和隧道內(nèi)測點(diǎn)布置在同一斷面里程，測量頻率同拱頂下沉量測頻率。

監(jiān)控量測數(shù)據(jù)取得后，要及時進(jìn)行校對和整理。數(shù)據(jù)分析采用散點(diǎn)圖和回歸分析法，數(shù)據(jù)分析主要包括以下內(nèi)容：

(1)根據(jù)量測值繪制時態(tài)曲線；(2)選擇回歸曲線，預(yù)測最終值，并與控制基準(zhǔn)比較；(3)對支護(hù)及圍巖狀態(tài)、工法、工序進(jìn)行評價；(4)及時反饋評價結(jié)論，提出相關(guān)工程對策建議。

3.5施工中的變形處理對策

施工現(xiàn)場根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析提出的建議，采用相應(yīng)應(yīng)對措施。分為一般措施和輔助施工措施。

(1)一般措施：主要有穩(wěn)定開挖工作面、調(diào)整開挖方法、調(diào)整初支強(qiáng)度和剛度并及時支護(hù)、圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)間回填注漿。

(2)應(yīng)急措施：主要有地層預(yù)處理，如注漿加固、降水等，加強(qiáng)超前支護(hù)，施工中增加臨時仰拱等。

該隧道施工中根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)拱頂下沉速度超標(biāo)，山體出現(xiàn)裂縫，立即啟動了大拱腳施工應(yīng)急預(yù)案，增加臨時仰拱，并及時施作仰拱二次襯砌及填充，遏制了山體變形，保證了隧道施工質(zhì)量(圖11)。

圖11　臨時仰拱

4結(jié)語

淺埋、偏壓隧道施工，必須結(jié)合地形、地質(zhì)、水文、圍巖具體情況，科學(xué)制定施工方案。同時對施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)要重點(diǎn)把握。

(1)防水措施是隧道施工順利進(jìn)行的保證。水是隧道施工的百害之源，更是軟巖、破碎圍巖隧道施工的大敵。該隧道頂部有當(dāng)?shù)毓喔扔盟Ｄ炅魉?，圍巖松散軟弱，做好防水尤其關(guān)鍵。在施工中，該隧道加強(qiáng)了地表水的疏導(dǎo)和防滲，增加了邊坡、工作面土體的穩(wěn)定性，保證了初期支護(hù)的穩(wěn)定和洞內(nèi)掘進(jìn)的順利進(jìn)行。

(2)偏壓平衡措施是保證偏壓隧道施工和運(yùn)營安全的關(guān)鍵。偏壓對于隧道施工安全威脅很大，對將來運(yùn)營安全也有較大的影響，因此，應(yīng)根據(jù)不同隧道洞口地形、地質(zhì)特點(diǎn)，判明偏壓的嚴(yán)重程度，采取不同處置措施。本隧道采用重力式擋墻平衡偏壓，采取錨噴支護(hù)、地表注漿等措施穩(wěn)定邊坡，有效處理了偏壓。對于偏壓較大的隧道還可以采取錨固樁平衡偏壓，也可采取半明半暗結(jié)構(gòu)等減少對邊坡的擾動后進(jìn)行邊坡加固處理等措施。

(3)監(jiān)控量測是隧道施工順利進(jìn)行的必要手段。監(jiān)控量測是掌握圍巖動態(tài)變化、科學(xué)指導(dǎo)施工的必要手段。該隧道通過配置專業(yè)人員、精密測量儀器以及嚴(yán)格的監(jiān)控量測，發(fā)現(xiàn)了施工中的異常，現(xiàn)場及時采取了應(yīng)急處置措施，改善了圍巖及初期支護(hù)的受力條件，控制了支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，確保了隧道施工安全。

(4)長管棚是軟弱地層淺埋隧道超前支護(hù)的有效手段。通過本隧道施工實(shí)踐，長管棚作為軟弱地層，大跨、淺埋地段隧道的超前支護(hù)技術(shù)，對注漿加固地層、封堵地下水滲漏，仰制圍巖變形，加快施工進(jìn)度，確保施工安全作用明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張安迪.大斷面軟巖淺埋偏壓隧道施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2008(5)：102-105.

[2]宮兵.鄭西客運(yùn)專線張茅隧道七步臺階法施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2008(10):78-80.

[3]王武現(xiàn).客運(yùn)專線大斷面淺埋黃土隧道進(jìn)洞施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2007(8)：43-45.

[4]中華人民共和國鐵道部.鐵建設(shè)[2010]241號高速鐵路隧道工程施工技術(shù)指南[S].北京：中國鐵道出版社，2007.

[5]中華人民共和國鐵道部.鐵建設(shè)[2009]181號TB10304—2009/J947—2009鐵路隧道工程施工安全技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，2009.

[6]中華人民共和國鐵道部.鐵建設(shè)[2010]240號TB10753—2010/J1149—2011高速鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

[7]中華人民共和國鐵道部.鐵建設(shè)[2007]138號TB10121—2007/J721—2007鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，2007.

[8]楊林德.公路施工手冊-隧道[M].北京：人民交通出版社，2011.

[9]王東杰.公路隧道施工[M].北京：中國電力出版社，2010.

Construction of Tunnels with Shallow Depth， Unsymmetrical Loading and Soft Rock

LIU Jian-zhong

(Construction Management Department of Chinese Railway Corporation， Beijing 100844, China)

Abstract：Excavation in shallow depth， unsymmetrical loading and soft rock tunnel remains a challenge in tunnel construction. This paper introduces construction practices in shallow depth， unsymmetrical loading and soft rock tunnels. The gravity retaining wall and the consolidation of side and front slopes are used to treat unsymmetrical loading， and large pipe shed， advanced small pipe and overlap arch way are employed to deal with shallow depth. Three-stage-and-seven-step flowing method is applied in the tunnel with soft rock. Meanwhile， the monitoring and measuring methods， the treatment of surrounding rock deformation are elaborated.

Key words：Tunnel engineering; Shallow depth; Unsymmetrical loading; Soft rock; Construction technology.

中圖分類號：U455

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.028

文章編號：1004-2954(2015)06-0126-05

作者簡介：劉建中(1971—)，男，高級工程師，1995年畢業(yè)于蘭州鐵道學(xué)院鐵道工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士。

收稿日期：2014-07-22； 修回日期：2014-09-11