劉建中

(中國鐵路總公司建設管理部，北京　100844)

淺埋、偏壓、軟巖隧道進洞施工技術研究

劉建中

(中國鐵路總公司建設管理部，北京100844)

摘要：淺埋、偏壓、軟弱圍巖隧道進洞施工一直是隧道施工的難點，通過實例介紹此類隧道施工關鍵技術，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、超前小導管及套拱法處理隧道淺埋，采用三臺階七步流水法進行軟弱圍巖洞內施工，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。

關鍵詞：隧道工程；淺埋；偏壓；軟弱圍巖；施工技術

近年來，隨著國內基本建設規(guī)模逐年擴大，隧道工程數量越來越多，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，重則破壞隧道結構，偏壓對隧道施工潛在威脅最大。進洞措施如果處理不好，經常造成塌方事故，進洞施工難度和風險較大。采取可靠安全的進洞施工技術，是此類隧道施工的關鍵。

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)域構造影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。隧道進口端位于滑坡體上，滑坡體物質松散，巖體穩(wěn)定性差，圍巖類別為Ⅴ級或Ⅴ級加強，屬軟弱圍巖；進口50 m埋深為12～19 m，覆蓋層厚度小于2.5倍洞跨；進口端山體縱向坡度48°～62°，橫向坡度40°～50°，左側發(fā)育一大沖溝，隧道右側受壓明顯較大。該隧道屬典型淺埋偏壓隧道。

隧道進口位于滑坡體右側邊緣，為基巖滑坡，滑坡體長約50 m，寬約55 m，厚15～30 m，滑坡體物質主要為細角礫土，稍密～密實，稍濕?；麦w后壁高陡，平臺明顯，平臺上有當地灌溉用水渠，常年流水，不適宜明挖進洞。如圖1～圖3所示。

圖1　隧道平面

圖2　隧道進口洞門

圖3　隧道進口縱斷面

2總體施工方案

分析該隧道所處地形特點，其偏壓來自左右兩側山體不對稱，洞口左側沖溝發(fā)育，右側相對邊坡較高，偏壓明顯；巖體主要為細角礫土，自身穩(wěn)定性差；隧道頂部有當地灌溉用水渠，常年流水，不適宜明挖進洞。根據以上特點，處理總體設想為：采用地表注漿加固邊坡及仰坡，穩(wěn)定地表；左側采用擴大基礎擋墻，并在擋墻后拱頂部回填土，增加結構重力，抵抗山體側向推力，加強平衡穩(wěn)定；進洞采用套拱法，進洞前施工超前長管棚并注漿，使破碎巖體粘結為整體，以形成加固承載環(huán)，增強開挖面圍巖自穩(wěn)性；洞內采用三臺階七步流水作業(yè)法施工，加強初期支護，及時封閉成環(huán)，二襯緊跟。同時，為確保施工安全，施工中加強監(jiān)控量測，隨時觀察變形情況，及時修正施工參數；針對隧道風險控制關鍵點，制定應急預案，確保施工安全可靠、有序可控。

3專項方案

3.1偏壓處理

結合實際地形及地質狀況，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

對邊仰坡進行錨噴支護，部分地段施作鋼花管注漿。根據設計邊、仰坡開挖線，利用機械與人工配合，進行排砟開挖，坡面整修，坡面施作鋼筋網并噴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，小導管單根長4 m，間距1.5 m，梅花形布置，鋼筋網采用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

隧道左側施作重力式擋墻(圖4、圖5)，擋墻采用1.5 m深擴大基礎，支護開挖，基礎底部碎石換填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　隧道進口明洞及擋墻橫斷面(單位：cm)

圖5　隧道進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，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

采用套拱法進洞，大管棚(參數為43根φ108 mm×6 mm長30 m熱軋無縫鋼管，管內穿φ18 mm鋼筋籠，灌注水泥砂漿填充密實)及小導管注漿(φ42 mm，1∶1水泥漿)預加固及超前支護。

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，然后開挖兩側套拱位置的土體，邊開挖邊支護至邊墻底高度以后，漿砌套拱基礎，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。在鋼支撐上以設計大管棚間距安裝φ127 mm，長2 m的孔口導向鋼管，用儀器仔細精確無誤地檢查其中線、方向與水平，確保導向良好，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面上，澆筑60 cm厚的C25混凝土包裹鋼支撐和導向管。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散到地層中。安裝同孔導管時將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。導管內插加勁鋼筋籠，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，并用紅油漆標注在掌子面上。

(3)導向管的安裝：為使大管棚安裝在設計的位置，鉆機施鉆時要按設計的角度鉆孔，故鉆孔前需安裝導向管，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、由兩邊至中間根據孔位依次搭成“井”字形，上面用木板鋪平。要求鉆機平臺搭建必須牢固，鉆機安放到平臺上以后，要用鋼絲繩緊固。

(5)鉆機就位：將鉆機安放在施鉆平臺上，調整好高度、鉆桿的傾角和方位角，然后將鉆機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向管，對準已作好標記的孔位孔心，慢慢開動鉆機，注意鉆孔應平直，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：導向管導向；為了能順利下管，成孔后再進行掃孔，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頂進，鋼管間為絲扣連接，用自由鉗旋轉擰緊，相鄰兩孔的鋼管接頭要相互錯開。頂進鋼管時要保證導管的傾角和方位角與鉆孔鉆桿前進的傾角和方位角一致。最好在鉆完一個孔后不要移動鉆機，立即將該孔的導管頂入孔內，安裝好導管后，再移開鉆機進行下一孔的鉆進。

(8)注漿：注漿采用M20水泥砂漿，前進式注漿，水泥砂漿注漿參數根據現場試驗情況進行調整。

注漿達到預定壓力后，即停止注漿，關上止?jié){閥門，打開泄壓閥，待管內壓力降為0后，關上泄壓閥，同時將吸漿管放進旁邊早已準備好的清水中，開動注漿機及時清洗管路。

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，以防孔內空氣頂住漿液不能注到孔底。對于單孔在注漿結束后，迅速拔除注漿管，并立即用M20砂漿閉孔口止?jié){，是完成注漿的標志。

3.2.3小導管施工

超前小導管采用外徑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。小導管布置見圖7、圖8。

圖7　超前支護橫斷面布置

圖8?、?Ⅰ斷面(單位：cm)

3.3洞內施工

根據本隧道地質情況，考慮到施工進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，局部爆破時嚴格控制炮眼深度及裝藥量。各步開挖循環(huán)進尺不大于0.6 m(鋼架間距0.6 m)，預留核心土，開挖后及時對圍巖采用C25混凝土進行初噴，然后架立鋼架并設鎖腳鋼管、系統錨桿后復噴混凝土至設計厚度。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：施作超前支護后，開挖拱部弧形導坑，預留核心土，施作拱部初期支護；

第2、3步：開挖左右側中臺階并施作初期支護；

第4、5步：開挖左右側下臺階并施作初期支護；

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，必須加強隧道變形監(jiān)控量測，檢測內容為：洞內外觀察、拱頂下沉、凈空變化、地表下沉量測。

(1)洞內外觀察：洞內觀察分開挖工作面觀察和已施工地段觀察，每次開挖后應進行開挖工作面觀察，繪制開挖工作面地質素描圖，填寫地質狀況記錄表，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：采用精密水準儀和銦鋼掛尺測量。在隧道拱頂軸線附件焊接測點，測點與隧道外監(jiān)控量測基準點聯測。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，測點焊接在測線兩端，每5 m設1處量測斷面。量測頻率同拱頂下沉。

(4)地表下沉量測：采用精密水準儀、銦鋼尺測量，測點在隧道開挖前布設測點橫向間距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，和隧道內測點布置在同一斷面里程，測量頻率同拱頂下沉量測頻率。

監(jiān)控量測數據取得后，要及時進行校對和整理。數據分析采用散點圖和回歸分析法，數據分析主要包括以下內容：

(1)根據量測值繪制時態(tài)曲線；(2)選擇回歸曲線，預測最終值，并與控制基準比較；(3)對支護及圍巖狀態(tài)、工法、工序進行評價；(4)及時反饋評價結論，提出相關工程對策建議。

3.5施工中的變形處理對策

施工現場根據監(jiān)控量測數據分析提出的建議，采用相應應對措施。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、調整開挖方法、調整初支強度和剛度并及時支護、圍巖及支護結構間回填注漿。

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

該隧道施工中根據監(jiān)控量測數據發(fā)現拱頂下沉速度超標，山體出現裂縫，立即啟動了大拱腳施工應急預案，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，保證了隧道施工質量(圖11)。

圖11　臨時仰拱

4結語

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

(1)防水措施是隧道施工順利進行的保證。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。該隧道頂部有當地灌溉用水渠，常年流水，圍巖松散軟弱，做好防水尤其關鍵。在施工中，該隧道加強了地表水的疏導和防滲，增加了邊坡、工作面土體的穩(wěn)定性，保證了初期支護的穩(wěn)定和洞內掘進的順利進行。

(2)偏壓平衡措施是保證偏壓隧道施工和運營安全的關鍵。偏壓對于隧道施工安全威脅很大，對將來運營安全也有較大的影響，因此，應根據不同隧道洞口地形、地質特點，判明偏壓的嚴重程度，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、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構等減少對邊坡的擾動后進行邊坡加固處理等措施。

(3)監(jiān)控量測是隧道施工順利進行的必要手段。監(jiān)控量測是掌握圍巖動態(tài)變化、科學指導施工的必要手段。該隧道通過配置專業(yè)人員、精密測量儀器以及嚴格的監(jiān)控量測，發(fā)現了施工中的異常，現場及時采取了應急處置措施，改善了圍巖及初期支護的受力條件，控制了支護結構的變形，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的有效手段。通過本隧道施工實踐，長管棚作為軟弱地層，大跨、淺埋地段隧道的超前支護技術，對注漿加固地層、封堵地下水滲漏，仰制圍巖變形，加快施工進度，確保施工安全作用明顯。

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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

文獻標識碼：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)于蘭州鐵道學院鐵道工程專業(yè)，工學學士。

收稿日期：2014-07-22； 修回日期：2014-09-11