蔡 養(yǎng) 弟

(中鐵一局集團有限公司，陜西 西安 710054)

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30 t軸重鐵路雙線富水黃土隧道塌方處理及施工

蔡 養(yǎng) 弟

(中鐵一局集團有限公司，陜西 西安 710054)

以山西中南部30 t軸重鐵路臨汾地區(qū)富水黃土雙線隧道為例，從隧道設計、塌方處理、安全開挖、沉降控制、隧底加強等方面，闡述了隧道施工的技術措施，并歸納了黃土隧道在施工中的注意事項，可為今后類似工程施工提供參考。

軸重鐵路，富水黃土隧道，塌方處理，安全開挖，沉降控制

1 工程概況

山西中南部鐵路通道黃土隧道主要分布在山西省臨汾市，第四系黃土隧道群起始里程DK339+980～DK370+198，主要分布有馬家莊隧道全長495 m，北卦地隧道全長1 147 m，南卦地隧道全長1 470 m，孔峪隧道全長1 219 m，楊家掌隧道全長2 610 m，紅木溝隧道全長2 197 m，兩屆莊隧道全長1 737 m，林馬莊隧道全長545 m，干陽溝隧道全長8 460 m,秦家凹隧道全長3 785 m，地面高程間于700～970，隧道以Ⅳ，Ⅴ級圍巖為主,地層為第四系新黃土最大埋深270 m，最小埋深12 m，隧道為單洞雙線，軌道為彈性支撐塊無砟軌道。

山西臨汾地區(qū)處于黃土高原丘陵山區(qū)，支溝發(fā)育較多，隧道開挖揭示為砂質(zhì)黃土、粉土、粉土黏土，棕褐色，土質(zhì)均勻，結構松散含沙量高，掌子面中下部及仰拱有滲水現(xiàn)象，為Ⅲ級嚴重性濕陷性場地類型。該區(qū)域水系為汾河水系支流，谷底有許多土壤孔隙水出露，其中干陽溝隧道、紅木溝隧道、兩屆莊隧道正常涌水量約1 019 m3/d，最大涌水量2 863 m3/d。

2 富水段塌方處理

干陽溝隧道在進口累計開挖430 m時，DK362+215～DK362+245富水黃土發(fā)生地表沉降洞內(nèi)塌方冒頂，隧道洞身位于第四系中更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土層、粉質(zhì)黏土中，屬于Ⅲ級自重濕陷場地類型，埋深約40 m，設計為Ⅴ級圍巖。現(xiàn)場施工采用三臺階七步法開挖，掌子面為粉質(zhì)黏土，含水量較高約23%，仰拱處開挖后有滲水現(xiàn)象，土體遇水弱化、初期支護承受荷載增大的情況下未及時調(diào)整施工方法，施工工藝不規(guī)范，工序銜接不及時，質(zhì)量控制不嚴格，監(jiān)控量測未能及時反映塌方段沉降等綜合原因造成本次塌方。地表出現(xiàn)長約29 m，寬約25 m，深3 m～4 m沉陷，塌落土體向洞口方向滑落，填充了約30 m洞身。由于安全員發(fā)現(xiàn)預警及時，現(xiàn)場操作人員緊急逃生，未造成人員受傷和受困。現(xiàn)場塌方處置方案主要如下：

1)對地面沉陷坑搭設防雨棚，四周設計截排水溝，防止雨水滲入塌方段洞頂土體擾動區(qū)；

2)對隧道掌子面進行噴混25 cm封閉，掌子面后10 m范圍增加橫豎門架式工鋼支撐，并在掌子面和塌方體后方30 m范圍內(nèi)每5 m增加5個監(jiān)控量測點，每天測量一次進行分析，發(fā)現(xiàn)異常及時加強支護；

3)初期支護開裂地段加固處理后，在地表沉陷坑外3.5 m采用φ42壁厚3.5 mm鋼花管對塌陷土體進行間歇式自下而上注漿加固，注漿壓力不大于0.6 MPa，水灰比0.8∶1，注漿量按照空隙率1.5倍計算，最后綜合評判注漿結束標準。注漿完成后將地面沉陷坑用三七灰土回填密實，并高出地表約50 cm，最后埋設監(jiān)控量測點定期測量分析；

4)洞內(nèi)開始施工35 m長φ108管棚支護，間距40 cm，外插角5°～10°，大管棚施工完成后采用4.5 m長φ42壁厚3.5 mm鋼花管施作超前小導管，間距40 cm，水平搭接長度不小于1 m，與大管棚環(huán)向間隔設置；

5)嚴格按照三臺階臨時仰拱法組織施工，Ⅰ20鋼拱間距加密至60 cm一榀，橫向連接鋼筋加密1倍，每天開挖1榀～2榀鋼架距離，經(jīng)過45 d開挖塌方段順利處理完成。

3 富水段設計優(yōu)化及施工技術

DK361+740～DK363+780富水黃土段埋深12 m～85 m，開挖橫斷面136 m2,寬度14.0 m，高度11.8 m，洞身有孔隙滲水，水量1 019 m3/d，地下水豐富，安全控制風險極大，施工重難點是如何安全通過大跨富水Ⅴ+(黃土)圍巖，并保證施工質(zhì)量和工期要求。

原設計采用Ⅴ級圍巖大部分段落采用格柵鋼架支護間距1 m，施工中發(fā)生格柵鋼架多次變形，平均每月進尺只有約30 m且存在較大安全隱患，結合現(xiàn)場掌子面地質(zhì)水文情況，建設單位組織設計、咨詢、監(jiān)理、施工等單位進行現(xiàn)場會勘，圍巖變更為Ⅴ(黃土)，部分中臺階出水地段采用Ⅴ+(黃土)支護參數(shù)，開挖按照三臺階臨時仰拱法，主要把格式鋼架優(yōu)化成Ⅰ20型鋼，Ⅴ(黃土)間距0.8 m，Ⅴ+(黃土)間距0.6 m加強了初期支護，二襯設計參數(shù)未做調(diào)整。現(xiàn)場施工中發(fā)現(xiàn)上臺階施工臨時仰拱極其不方便且因每次等噴混凝土強度開挖進度緩慢，經(jīng)分析研究進行了優(yōu)化，把上臺階臨時仰拱法換成核心土法，中臺階、下臺階仍按設計采用臨時仰拱法施工，在出水較大情況下中臺階臨時仰拱中增加工鋼橫撐加強，平均每月累計進尺50 m～60 m。開挖工法效果圖見圖1。

3.1 開挖上臺階

利用上循環(huán)架立的鋼架施工隧道超前小導管支護，人工配合小型挖機每次開挖一榀鋼架進尺，同時在上臺階預留核心土，在滿足施工情況下盡量預留大的核心土減少掌子面臨空面積，防止坍塌。

3.2 開挖中臺階

在滯后于上臺階約5 m，人工配合機械，一次開挖2榀鋼架進尺。中臺階有一定量滲水積水，土體天然含水率大于23%時，開挖完成后需施作臨時仰拱噴射8 cm混凝土封閉，噴混厚度可根據(jù)水量適當調(diào)整，可用Ⅰ20鋼支撐代替中臺階臨時仰拱。

3.3 開挖下臺階

在滯后于中臺階約7 m，拆除中臺階臨時仰拱2榀，開挖下臺階2榀鋼架進尺。下臺階有大量滲水積水，土體浸泡在水中，開挖完成后需盡快施工下部仰拱早日成環(huán)閉合支護系統(tǒng)。

3.4 開挖仰拱及隧底換填

隧道仰拱段施工前，應在仰拱開挖段與掌子面間設置積水井，左右兩側各設置一個1.2 m3鐵方桶，同時在已施工仰拱段每間隔60 m左右，施作橫向截水溝及積水井，對圍巖滲水采取分段集中，反坡接力抽排至洞外。同時由于地下水影響，黃土已成飽和狀泥，隧道基底無法將積水、軟化的流泥清除干凈，為防止以后仰拱開裂下沉，并保證隧道結構長期穩(wěn)定滿足30 t軸重后期運營，經(jīng)四方研究決定，對隧底采用50 cm厚級配碎石加摻量5%水泥換填。同時在換填級配碎石層預埋注漿花管，間距2 m梅花形布置，后期進行定量注漿充填。

開挖后滲水效果圖見圖2。

4 沉降控制

富水黃土隧道主要工程特點是具有嚴重濕陷性，中下臺階有孔隙滲水積水，仰拱基底有小股流水積水，同時隧底因積水浸泡擾動形成大量流泥。如何控制濕陷性富水黃土段隧道施工中沉降變形和隧底后期仰拱沉降變形成為關鍵，現(xiàn)場采取了以下主要措施：

1)采用三臺階分部勻速開挖，控制每天最大開挖進尺，使沉降分部均勻釋放，同時考慮黃土隧道鎖腳錨桿比巖石隧道效果差，在中臺出水地段臨時仰拱中增加工鋼進行加強。

2)各工序緊密銜接，初期支護及時成環(huán)，仰拱緊跟下導，二襯緊跟仰拱，臨時仰拱和結構仰拱間距小于12 m，仰拱離掌子面控制在35 m。

3)施工期間應做好抽排水工作，避免積水長時間浸泡仰拱。

4)進行基地換填，在仰拱開挖過程中，因滲水較大仰拱低有流水積水，無法保證隧底施工質(zhì)量，增大后期仰拱沉降，并且無法在軟泥中進行下道工序架設鋼架，嚴重影響了施工功效。本工程采用級配碎石換填后，可在基底暫時形成流水通道，隔離了飽和泥，保證了仰拱施工質(zhì)量，確保了重載鐵路隧底結構長期穩(wěn)定。

5)加強監(jiān)控量測,嚴格把測控量測納入施工工序進行監(jiān)控。上臺階滲水量較少，監(jiān)控量測拱頂沉降為1.6 mm/d～2.0 mm/d之間，水平收斂為1.4 mm/d～1.6 mm/d之間；中臺階有少量滲水，監(jiān)控量測拱頂沉降為0.7 mm/d～1.3 mm/d之間，水平收斂為0.8 mm/d～1.2 mm/d之間，沉降收斂較上臺階減??；下臺階及仰拱監(jiān)控量測拱頂沉降為1.7 mm/d～2.3 mm/d之間，水平收斂為1.4 mm/d～1.8 mm/d之間，沉降收斂較中臺階增大。

結合監(jiān)控量測數(shù)據(jù)及各階段臨空面及施工時間長短，下臺階及仰拱開挖是富水黃土隧道施工最危險的工序，本項目采用短進尺、多循環(huán)、強支護、快封閉、勤量測原則，同時施工仰拱開挖支護一次控制在3 m，并保證臨時仰拱與結構仰拱間距不大于12 m，同時每處增設鎖腳錨桿2根，確保初期支護穩(wěn)定安全。拱頂監(jiān)控量測曲線圖見圖3。

5 結語

1)黃土隧道宜根據(jù)隧道斷面、埋深、含水率等綜合考慮圍巖自穩(wěn)能力，選擇合適的工法，如本隧道有滲水，就不適宜三臺階七步法，宜采用三臺階臨時仰拱法；如隧道在斷面高度滲水情況變化較大，可以把上臺階臨時仰拱法優(yōu)化成核心土法，節(jié)約臨時仰拱措施費用，提高了功效。

2)黃土Ⅲ級自重濕陷性軟弱圍巖施工中，必須采用強支護限制開挖后洞體沉降變形，建議黃土隧道特別是黃土富水隧道初期支護全環(huán)設置，并盡量采用工鋼，現(xiàn)場施工出現(xiàn)多次格柵鋼架變形，經(jīng)過現(xiàn)場施工總結分析Ⅰ16工鋼比正洞每延米用鋼量大的φ20鋼筋制作的格柵鋼架控制變形效果好。

3)黃土隧道塌方后土體已不具備自穩(wěn)能力，因此需采用注漿和超前管棚支護，并且開挖時以人工為主，機械配合，根據(jù)鋼架間距逐榀開挖，開挖后及時施工初期支護，并加強監(jiān)控量測，仰拱距掌子面不大于30 m，二砌距掌子面不大于45 m。

4)黃土隧道含水率小于23%，用核心土代替上臺階臨時仰拱，用Ⅰ20鋼支撐代替中臺階、下臺階臨時仰拱施工，因工鋼可重復利用節(jié)省臨時仰拱費用，單口平均月進尺60 m，提高開挖效率約45%。

5)黃土隧道含水率大于23%采用上臺階核心土法，二、三臺階施作臨時仰拱施工，需長時間停工時臨時仰拱中增加工鋼橫撐加強，并堅持“管超前、短進尺、強支護、早成環(huán)、勤量測”的原則，有效的控制了塌方、拱部沉降與收斂，并在保證安全的情況下加快了施工進度，單口平均月進尺50 m，提高開挖效率約35%。

[1] 賀延西，蘇萬軍.石太鐵路客運專線大斷面黃土隧道施工技術[J].鐵道標準設計，2006(7)：139-140.

[2] 張 彪.重載鐵路干陽溝大跨度富水黃土隧道施工技術[J].山西建筑，2013，39(15)：189-191.

Collapse treatment and construction technology of double-line water-rich losses tunnel of 30 t axle-load railway

Cai Yangdi

(China Railway 1st Bureau Group Co., Ltd, Xi’an 710054, China)

Taking double-line water-rich loose tunnel in Linfen region of 30 t axle-load railway in central south region of Shanxi province as an example, starting from aspects of tunnel design, collapse treatment, safe excavation, subsidence control and bottom tunnel strengthening, the paper describes tunnel construction technologies, and summarizes matters needing attention in loose tunnel construction, which will provide some guidance for similar engineering construction in future.

axle-load railway, water-rich losses tunnel, collapse treatment, safe excavation, subsidence control

1009-6825(2016)12-0135-03

2016-02-17

蔡養(yǎng)弟(1982- )，男，工程師

U455.49

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