唐應鵬 劉代賢

【摘 要】蒙華鐵路紅土嶺隧道出口段采取洞口排水及黏土層封閉、加強地表及洞內監(jiān)控量測、采用長大管棚超前支護、三臺階臨時仰拱開挖、鋼格柵柔性支護，及時形成洞口鎖口圈等一系列工藝方法，確保膨脹土超淺埋大斷面隧道安全進洞，可為類似隧道施工提供借鑒。

【Abstract】 A series of technological methods are adopted in the exit section of the Hongtuling tunnel of the Inner Mongolia-Jiangxi railway， such as the drainage at the entrance of the tunnel and closure of the clay layer， strengthening the monitoring and measurement of the surface and the inside of the tunnel， adopting long pipe shed advanced support， three-step temporary inverted arch excavation， flexible steel grille support， timely forming the entrance lock ring and so on， so as the safe entry of super shallow buried and large section tunnel with expansive soil， which can provide reference for the similar tunnel construction.

【關鍵詞】膨脹土；超淺埋大斷面隧道；進洞施工；關鍵技術

【Keywords】expansive soil； super shallow buried and large section tunnel； tunnel-entering construction； key technology

【中圖分類號】U455 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）09-0163-03

1 引言

紅土嶺隧道位于河南省內鄉(xiāng)縣師崗鎮(zhèn)境內，為蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運通道單洞雙線隧道，全長2995m，開挖直徑12m，隧道設進出口兩個工作面同時掘進。隧道出口采用正切Ⅱ式洞門，外接路塹，洞頂為弱膨脹土，具有遇水膨脹、失水收縮的特點，最小埋深僅3.93m，圍巖強度低、自穩(wěn)能力差，變形控制和施工難度極大，安全風險高。為此，選擇合理的進洞方案，對膨脹土進行隔水封閉，采取切實可行的超前支護、開挖方法、初期支護等措施，是隧道安全進洞的重要技術保障。

2 進洞方案的選擇

方案比選階段，主要提出了兩種方案，一是洞口段暗挖法改明洞或暗墻明挖，二是超長大管棚超前支護。

2.1 暗挖改明洞或暗墻明拱

洞口段暗挖法改明洞或暗墻明拱，即延長現(xiàn)有明洞長度，可以解決沉降甚至開挖冒頂?shù)碾y題。由于洞口上方均為基本農田，改明洞開挖會擴大原始地貌擾動范圍，不符合“少刷坡、早進洞”的要求，同時，會增加紅線征地，開挖后的邊坡臨時支護及明洞再回填處理均會產生較大成本，雖然在技術上可行，但經(jīng)濟上不合理。同期考慮到的暗墻明拱法，盡管可以較明洞開挖減少部分地表擾動和征地，但仍然在經(jīng)濟上不合理，且洞口有一定偏壓，封頂之后的拱腳開挖亦存在較大施工安全風險。

2.2 超長大管棚超前支護

超長大管棚超前支護，即在洞口邊仰坡臨時網(wǎng)噴的基礎上，設置導向墻，采用長55m，直徑108mm的管棚進行超前支護。由于洞口為具有弱膨脹性的黏性土，水平鉆孔過長后，鉆孔角度和方位的控制異常困難，鉆孔偏斜加之鉆孔被擠壓變形，會造成鋼管下設困難，甚至部分管棚侵限或管棚冒頂，無法實現(xiàn)預期的超前加固目的。

2.3 超前支護與初期支護優(yōu)化

遵循少刷坡、技術上可行、經(jīng)濟上合理的原則，對管棚方案進行優(yōu)化，將55m長管棚縮短，采用42根108mm，長33m的管棚，大大減少鉆孔偏斜的風險。加大預留沉降變形量至30cm，改變原設計型鋼支撐，采用H230格柵鋼架進行柔性支護，三臺階臨時仰拱法短進尺，快封閉，待洞口形成1-2倍洞徑鎖扣圈后，根據(jù)開挖掌子面圍巖情況，實時采取在洞身段設置10m長108mm管棚，按有效長度6m循環(huán)漸進，安全通過V級圍巖淺埋段。

3 方案的實施

3.1 洞口排水系統(tǒng)及黏土層的封閉

完善洞口排水系統(tǒng)，對黏土層進行封閉，防止雨水滲入弱膨脹性黏土層。洞口施工首先施工截水天溝，由于洞頂有一緩坡平臺，在洞頂平緩地段與山坡坡腳交界處增設一條漿砌片石臨時排水溝，與設計天溝連通。天溝末端設集水坑，采用機械抽排入當?shù)厮怠?/p>

對洞頂溝、坑等凹處進行回填夯實，紅線范圍內平緩地段采用5cm厚M10水泥砂漿進行封閉，平臺后矮邊坡進行臨時噴射混凝土封閉。隧道出口進洞段臨時邊仰坡、出口明挖段邊坡均采用噴錨（網(wǎng)）加固，錨桿采用φ22砂漿錨桿，L=4m，間距1.5×1.5m，梅花型布置。噴射混凝土采用10cm厚C25網(wǎng)噴混凝土，鋼筋網(wǎng)采用φ8，網(wǎng)格間距25×25cm。沿擋墻1m寬度范圍內邊仰坡采用M10漿砌片石護坡，厚30cm。

3.2 長管棚與導向墻施作

超前支護采用“導向墻+超前長大管棚”。導向墻采用C30混凝土，在開挖輪廓線以外拱部150°范圍內施作，斷面尺寸為1.0×1.0m，導向墻內埋設2榀I18工字鋼架支撐，導向墻兩拱腳在設計基礎上，擴大60cm，以避免或減小由于地基沉降而造成導向墻失穩(wěn)。導向墻完成后，在拱圈及空口周邊采用10cm厚C25噴射混凝土對周圍仰坡面進行封閉，以防止注漿時向開挖面跑漿。

隧道頂部設42根長33m大管棚，導向墻澆筑前，在工字鋼架外緣設φ140壁厚5mm導向鋼管，采用φ12加勁箍筋固定導向管，導向鋼管及加勁箍筋與鋼架焊接，防止?jié)仓炷習r產生位移，以此保證管棚鉆孔孔向準確。

在膨脹土地層采用普通鉆桿鉆孔施工時，返碴困難、卡鉆，鉆孔施工效率非常低，通過探索，采用對螺旋鉆桿、鉆頭進行改進。在鉆頭上加焊薄鋼板，將通氣、通水孔正面遮擋，采用側面通氣通水，確保鉆進時不堵孔；將鉆桿的螺旋片切割掉1/3，確保返渣有充分的通道。徹底解決的堵孔和不返碴難題，工效大大提高。

管棚環(huán)向間距40cm。采用直徑Φ108mm，壁厚6mm熱軋無縫鋼管，鋼管上鉆注漿孔，孔徑10～16mm，孔間距15cm，呈梅花形布置，尾部留110cm不鉆孔的止?jié){段。鋼管軸線與襯砌外緣夾角1°～3°；注漿采用水灰比為1：1（重量比）水泥漿液，注漿壓力0.5～2MPa。

3.3 超前地質預報與監(jiān)控量測

3.3.1 加強超前地質預報

隧道開挖前，根據(jù)邊仰坡開挖情況，結合管棚鉆孔施工，對洞口30m范圍內圍巖情況已較充分了解，在開挖之前，進一步采用地質雷達進行超前地質預報，通過多方位印證和掌握了進洞地質條件與預判基本一致，洞頂淺埋弱膨脹土，洞身下部為強風化泥質頁巖。

3.3.2 重視監(jiān)控量測

監(jiān)控量測工作納入工序管理，所有監(jiān)測數(shù)據(jù)傳入監(jiān)控量測管理系統(tǒng)，建立預警預報機制，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，必須根據(jù)預警機制采取相應措施，查明原因。設置地表沉降觀測、洞內拱頂下沉和水平收斂觀測點，及時了解和掌握隧道支護結構變形情況，保障施工安全，為調整施工方法，指導二襯施作時機，進行動態(tài)設計提供可靠依據(jù)。

3.3.2.1地表沉降測點

①在隧道開挖前布設地表沉降觀測點，橫向間距為2～5m，在隧道中線附近測點應適當加密。

②隧道中線兩側監(jiān)測范圍不應小于隧道埋深+隧道寬度。

③基準點應設置在隧道施工影響范圍以外穩(wěn)定處，并設置復核性測點，保證其數(shù)據(jù)可靠性。

當變形處于初期勻速變形階段和平穩(wěn)發(fā)展階段時，隧道處于相對安全的狀態(tài)；圍巖變形過程中，在圍巖不失穩(wěn)的正常情況下，在量測斷面附近進行開挖施工時，受施工擾動，存在一定的變形加速現(xiàn)象，屬于正常加速，其余變形加速屬于異常加速。異常加速是圍巖失穩(wěn)的征兆，隧道施工安全存在威脅，應進行預警。

3.3.2.2 拱頂下沉和水平收斂測點

在開挖支護過程中，洞口段在洞內拱頂布設1個工點下沉檢測點，拱墻布設兩條水平收斂觀測線，洞內觀測斷面與地表沉降觀測點在同一樁號。初支與圍巖密貼，測點埋設在格柵鋼架、柵格等初期支護上。測點在初支支護后立即埋設，初始讀數(shù)在測點埋設12h內讀取。

3.4 三臺階臨時仰拱法

3.4.1 調整預留沉降量

紅土嶺隧道出口段圍巖為Ⅴ級，洞口33m長管棚施工完成后，隧道按新奧法原理設計與施工采用三臺階臨時仰拱法施工，設計V級圍巖預留沉降量8-12cm，施工階段洞口30m調整為30cm，以防止變形較大后初支侵入隧道設計凈空。

3.4.2 機械開挖設備改進

進洞30m主要為弱膨脹土和強風化泥質頁巖，采用機械開挖的方式，避免爆破引起圍巖失穩(wěn)，常規(guī)挖機和開挖設備在隧道周邊較困難，需要采用人工，安全風險高，施工效率低，在此基礎上，改裝一種新型隧道土質區(qū)域開挖輔助設備，在挖機斗背面兩側按照開挖鋼叉，確保周邊和拱頂開挖到位。

3.4.3 三臺階臨時仰拱法施工工序

①先施作超前支護（管棚）；開挖拱頂；施作上臺階周邊的初期支護，并設鎖腳鋼管；施作上臺階臨時仰拱，鋪設H230格柵鋼架，噴23cm厚混凝土；封閉掌子面8cm；復噴混凝土至設計厚度。

②在滯后于上臺階一段距離（不大于10m）后，開挖中臺階；臺階周邊初噴混凝土，施作中臺階臨時仰拱，及掌子面封閉。

③在滯后于中臺階一段距離（不大于15m）后，開挖下臺階；初期支護并設鎖腳鋼管。

3.5 初期支護

初期支護在開挖后立即施作，以保護圍巖的自然承載力。初期支護由噴射混凝土、錨桿（管）、鋼筋網(wǎng)和格柵鋼架等組成，各部分聯(lián)合受力。將原設計I22工字鋼型鋼支撐改為H230格柵鋼筋，以適應圍巖變形，充分發(fā)揮支護結構的柔性支護作用。

格柵鋼架采用H230格柵鋼架，每榀間距0.6m。拱墻采用φ22砂漿錨桿，錨桿長3.5m，間距1.0m×0.8m；鋼筋網(wǎng)采用φ8，網(wǎng)眼間距20×20cm；濕噴機械手噴射C25噴射混凝土。

完善洞內臨時防排水系統(tǒng)，嚴禁積水浸泡拱（墻）腳及在施工現(xiàn)場漫流，防止基底承載力降低。

3.6 短進尺，及時封閉成環(huán)，形成鎖口圈

3.6.1開挖進尺控制

臺階開挖循環(huán)進尺應根據(jù)圍巖地質條件和初期支護格柵鋼架間距合理確定，上臺階每循環(huán)開挖支護進尺不應大于0.6m，邊墻每循環(huán)開挖支護進尺不得大于1.2m，仰拱每循環(huán)開挖進尺不得大于3m。

3.6.2 臺階高度、長度控制

應根據(jù)圍巖條件，合理確定臺階長度和高度。各部臺階長度不宜過長，上臺階長度不得大于5m。中臺階長度不得大于15m。下臺階開挖左、右側應錯開3m拱架的距離。

3.6.3 及時封閉成環(huán)

初期支護仰拱設置格柵鋼架地段應及時封閉成環(huán)，仰拱緊跟下臺階施工（特殊情況仰拱距離掌子面的極限距離：三臺階施工時按2倍洞徑控制，兩臺階施工時按1倍洞徑控制）。

3.6.4 盡早形成洞口鎖口圈

紅土嶺隧道出口為Vc級圍巖，采用三臺階臨時仰拱法施工。為保證施工質量安全，進洞后應及時形成鎖口圈（鎖口圈長度不得小于1倍洞徑）。

進洞12m（紅土嶺隧道出口Vc類圍巖開挖洞徑為11.52m）內按上臺階3m、中臺階4m開挖，當中臺階形成4m的臺階后下臺階即可開挖，下臺階開挖后及時封閉成環(huán)。最終形成上臺階3m，中臺階4m，下臺階5m的格局，確保進洞12m范圍內能以最快的速度封閉成環(huán)，形成鎖口圈。

4 總結

紅土嶺隧道出口段進洞前，施作洞頂排水系統(tǒng)，封閉黏土層，防止雨水滲入，避免了膨脹土軟化變形；加強超前地質預報、地表沉降觀測和洞內監(jiān)控量測，為施工決策提供了科學依據(jù)。采用“導向墻+超長管棚注漿”加強超前支護，順利成拱；采用三臺階臨時仰拱法進行開挖，格柵鋼架小間距進行柔性初期支護，并及時封閉成環(huán)，盡早形成洞口鎖口圈，實現(xiàn)了施工安全；適當加大預留變形量，確保了初支斷面不侵限。實踐證明，采取上述措施和工法，能夠實現(xiàn)膨脹土地層超淺埋、大斷面隧道順利進洞。

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