偏压超浅埋大断面黄土隧道施工技术

史赵鹏

(中铁十二局集团 第二工程有限公司，太原 030032)

1 工程概况

郑西铁路客运专线坳渠隧道全长276 m，隧道按客运专线双线350 km/h设计。隧道衬砌内轮廓最大跨度13.3 m，最大高度11.18 m，隧道内净空面积(轨顶面以上)为100 m2，开挖断面为164 m2。地层岩性为Q2老黄土夹砂卵砾石透镜体及古土壤层，局部含上层滞水，具有膨胀性，上伏第四系上更新统Q3黏质黄土。进口段78 m范围内覆盖层厚仅为3～6 m超浅埋，同时山体偏压，为超浅埋偏压隧道。

2 施工方案

针对进口段超浅埋的特点，原设计为明挖后施作明洞衬砌，后经现场踏勘并约请专家论证，确定为明洞暗作的施工方案。总体施工方案为从出口向进口方向采用“三台阶七步流水作业法”施作(图1)，严格遵循“先预报、管超前、弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则，当施作至浅埋段时停止掘进。同时从进口提前施作大管棚后，从进口向出口方向采用“三台阶七步流水作业法”单工序施工。

图1 三台阶七步流水作业施工工序(单位:m)

2.1 洞口边、仰坡开挖

根据设计边坡、仰坡开挖边线测量放样，安排人工配合挖掘机分层自上而下开挖，随挖随支，分层高度为2 m。开挖边、仰坡时，人工用坡度尺控制坡比，分层支护严格按照设计参数进行，挖至上台阶高度时，预留管棚机作业平台，准备施作超前长管棚。

2.2 大管棚施工

管棚长度为60 m，由φ108 mm的无缝钢管组成，环向间距 40 cm(见图 2)，共 46根，布管范围夹角135°，每根钢管长6 m，壁厚6 mm。钢管的外插角为1°～3°，采用自进式管棚机施工，管棚机型号为北京中易恒通HTG-100型钻机，钢管接长采用内接丝，通过15～20 cm长的内接管车丝及无缝钢管内孔车丝，将6 m长的无缝钢管连接起来，保证两根钢管连接处维持在一个面上(即保证连接处的平整度)。安装好有孔钢花管后即对孔内注浆，浆液由ZJ-400高速制浆机拌制。注浆后再施工无孔钢管，无孔钢管可以作为检查管，检查注浆质量。采用注浆机将砂浆注入管棚钢管内，初压 0.5～1.0 MPa，终压2 MPa，持压 15 min后停止注浆。注浆量一般为钻孔圆柱体的1.5倍，若注浆量超限，未达到压力要求，应调整浆液浓度继续注浆，直至符合注浆质量标准，确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙均由浆液充填，方可终止注浆。注浆时先灌注“单”号孔，再灌注“双”号孔，注浆工艺示意于图3。

图2 大管棚施工横断面(单位:m)

图3 注浆工艺示意

2.3 套拱施工

管棚施工结束后，沿管棚轮廓线在其下方安设I25工字钢架。工字钢架与管棚外露部分用钢筋连接牢固，在管棚外轮廓铺设外模，进行混凝土导向墙施工，为暗洞施工创造条件。

2.4 开挖及初期支护

采用“三台阶七步流水作业法”单工序施工，将开挖断面分为上、中、下及底部四个部分逐级掘进施工。上部宜超前中部3～5 m，中部超前下部3～5 m，下部超前底部10 m以内。为方便机械作业，上部开挖高度控制在4.5 m，中部台阶高度也控制在4.5 m，下部台阶控制在3.38 m。

严格实行单工序作业，开挖上导时停止中下导及底部施工，开挖中导或下导时每次只进行单侧开挖，同时停止上或中下导另一侧及底部施工，其它工序类似。开挖时每一循环开挖长度控制在0.6 m。

为保证安全，开挖前拱部施作φ42 mm超前小导管对拟开挖土体进行注浆预加固，待浆液达到一定强度后，采用挖掘机开挖，预留一定厚度由人工持风镐修边到位。

每一台阶开挖完成后，及时喷射4 cm厚微纤维混凝土对围岩进行封闭，施作系统锚杆，设立型钢钢架及锁脚锚杆，最后铺设钢筋网，分层复喷微纤维混凝土到设计厚度，完成一个开挖循环。

2.5 仰拱施工

下导初期支护完成后，根据黄土隧道地表沉降观测及洞内围岩量测数据获知:在仰拱施作之前，拱顶下沉速度与隧道周边变形速率较大，围岩处于不稳定状态;待仰拱初支完成后，拱顶下沉速度与隧道周边变形速率趋于缓和;待仰拱完成后，拱顶下沉与水平收敛基本停止。故仰拱宜尽量紧跟开挖面施工，以有效地控制其变形，洞口段仰拱与掌子面距离控制在10～15 m以内，一次开挖长度控制在3 m以内，可分两次开挖待仰拱初支达到5 m长度时，采用栈桥进行全幅一次性施工仰拱填充。

2.6 二衬施工

隧道衬砌要遵循“仰拱超前、衬砌紧跟、墙拱整体衬砌”的原则，仰拱施作完成后，衬砌与掌子面距离控制在50 m以内，利用多功能作业平台人工铺设防水板、绑扎钢筋后，采用液压整体式衬砌台车进行二次衬砌(采用拱墙一次整体灌筑施工)。混凝土在洞外采用自动计量拌合站集中拌合，混凝土搅拌运输车运至洞内，混凝土输送泵泵送入模。混凝土浇筑要左右对称进行，防止钢模台车偏移。

3 施工中出现的问题及对策

3.1 施工中出现的问题

隧道套拱施工完毕后，即开始进行上导掘进，当上导掘进5 m时，发现地表开始出现5 mm左右环向裂缝，当上导掘进至10 m时，中导跟进至5 m，地表裂缝进一步扩展至2 cm，同时在洞顶线路方向右侧距中线4～6 m范围出现3条纵向裂缝，裂缝最大宽度达到3 cm。同时监控量测数据显示，地表沉降最大值为106 mm，拱顶沉降最大值为228 mm。根据观测到的数据显示，施工段地表裂缝扩展与拱顶下沉具有加剧的趋势，因此决定立即停止掌子面掘进。

3.2 原因分析

初步分析引起该段沉降及裂缝较大的原因主要有:

1)该段覆盖层厚度为3～6 m，全部为第四系粉质黄土，地质条件较差，对大跨度隧道难以形成成拱效应，虽然施作了大管棚，但初期支护难以完全承受上部荷载;

2)山体存在严重偏压，致使洞身存在偏压现象;

3)施工时未严格按照单工序施工，施工中导时未按照单边开挖的原则，而是交错开挖了两侧中导;

4)施工中仰拱未能及时闭合;

5)施工过程因下雨造成部分雨水下渗。

3.3 采取的主要对策

1)进一步减小拱架间距，将拱架间距由原设计0.6 m缩小至0.4 m，同时针对拱顶下沉量较大，采取抬高钢架，预留沉降量调整为25 cm的措施，确保二次衬砌厚度。

2)增加锁脚锚管数量与长度，数量由原设计4根增加为8根，长度由4 m增加至6 m，以增加初期支护的刚度。

3)扩大拱脚基础，增设支撑垫板来增强拱脚承载力，减小拱顶下沉，提高钢架支承能力。

4)对洞顶部分土方进行减载，对线路右侧进行反压回填，防止洞顶山体向右侧位移。

5)对洞顶裂缝进行注浆及堵塞处理，并在洞顶覆盖彩条布，以防止雨水下渗。

6)严格按照单工序作业，停止掌子面施工，将开挖掌子面采用挂网喷射混凝土封闭，立即进行封闭仰拱施工。

7)必要时增设临时仰拱进行封闭，根据量测值加设工字钢横撑。

采取上述处理措施后，洞内及地表沉降变形趋于稳定，确保了隧道的安全与正常施工。

4 体会

通过该偏压超浅埋大断面黄土隧道洞口段的施工，主要体会及结论如下:

1)洞口段虽然设计有大管棚，具有良好的拱梁效应，但对超浅埋偏压隧道作用有限，对沉降与变形仍要引起高度重视。

2)地表沉降观测与围岩量测是隧道施工的重要工序，也是施工现场判定围岩是否稳定的依据之一，应根据监测资料采取相应的工程措施。从洞口段隧道监测资料发现，洞内沉降值远大于地表沉降值，洞内沉降值上导开挖时较小，随着中下导的开挖数值逐渐变大，到仰拱初支封闭后沉降值变小，仰拱填充施作完毕后，沉降趋于停止。所以尽早进行仰拱封闭是控制变形的一道关键工序。

3)浅埋隧道围岩及初期支护变形过大或变形不收敛，又难以及时补强时，可提前施作二次衬砌，以改善施工阶段结构的受力状态，此时二次衬砌应予以加强。

4)“三台阶七步流水作业法”应用于大断面浅埋黄土隧道有其独特之处，始终要坚持“先预报、管超前、弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则。对浅埋洞口段一定要坚持单工序作业，根据地质变化合理选择预留沉落量，增加锁脚锚管、扩大拱脚基础、增设支撑垫板，同时以仰拱初喷混凝土增强地基承载力来减小围岩松弛、收敛变形。

5)对浅埋黄土隧道，要特别注意地表水下渗，影响隧道结构稳定。采取回填夯实、封闭等改变地表水径流条件等工程措施，避免地表水下渗影响结构安全。

6)对浅埋、偏压、黄土等特殊地质隧道，施工方案的确定一定要邀请专家进行可行性论证，以确保方案的安全性与有效性。

［1］中华人民共和国铁道部.TZ214—2005 客用专线铁路隧道工程施工技术指南［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

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