隧道浅埋段施工技术

杨文平，刘新立，周大兵

（中交一航局第四工程有限公司，天津 300140）

目前铁路、公路建设在我国大力发展，其中隧道施工是较为普遍的建设项目。隧道的浅埋段往往围岩地质条件较差，开挖施工时容易产生较大变形，给工程带来较大安全隐患。综合考察隧道施工发生的一系列塌方、冒顶等安全事故多发生在隧道的浅埋段，对于隧道施工更关注浅埋段的施工，保证其施工的安全和进度是隧道施工的关键，对于施工效益和合同工期的保障都有不可低估的作用。本文叙述了山西中南部铁路通道工程的秦家凹隧道浅埋段施工技术。

1 工程简介

新建秦家凹隧道里程为DK370+505～DK374+290，全长3785 m。隧道位于山西省临汾市古县与洪洞县交界处，隧道进口位于古县旧县镇卢家岭村西约500 m，隧道出口位于洪洞县古逻乡上峪村边，交通相对便利。隧道处于太岳山前坳起的低山区，地势起伏较大，沟谷深切，多呈U型沟，该段以穿越为主。洞身最大埋深约97.4 m，最小埋深仅约13.1 m。

隧道洞身共通过DK370+780～DK371+030、DK371+350～DK371+400、DK372+310～ DK372+405、DK372+690～DK372+870 、DK373+540～DK373+870、 DK373+800～DK374+165六段不良地质浅埋段地段，施工难度较大，易发生变形，故本隧道的浅埋段施工是关键控制点。目前已经施工完DK370+780～DK371+030浅埋段，本文对该段施工技术进行总结和探讨，为后续浅埋段施工安全和施工技术积累经验和提供借鉴。

2 超前地质预报

在开挖前，为更好地判定该浅埋段的围岩和水文地质情况，获取详实可靠的地质信息，如围岩级别、断层带和破裂带位置、性质、规模、富水等，以便施工时采用合适的开挖工艺和支护参数来保证施工安全和进度，所以在该段开挖前采用了TSP超声波地质探测技术，对该浅埋段围岩进行超前地质预报工作，通过TSPwin软件进行处理后。在TSP超前地质预报成果解释中，以P波资料为主对岩层进行划分，图像见图1。

图1 P波反射偏移剖面

经探测发现，该浅埋段围岩虽没有大型不良地质构造，围岩风化程度一般，隧道围岩中裂隙杂乱，节理密度大于4.61条/m。该段隧道上覆第四系更新世黏质黄土和铜川组砂岩的分化层，围岩岩性主要以三叠纪中统铜川组砂岩为主，下伏围岩呈灰黄色，碎裂镶嵌结构，岩石完整性差，孔隙度高、裂隙率大，岩石风化严重，岩石力学指标衰减明显，岩体现场实测平均P波波速为1200～1560 m/s，较易发生变形，且该段两侧地势都较高，工程地质条件较差，该段隧道施工时应按照铁路施工规范中Ⅴ级围岩的支护标准进行施工。

通过对超前地质预报的地质资料分析研究后，决定对该浅埋段开挖工艺采用三台阶临时仰拱法施工，进行超前小导管配合钢拱架、锚杆等工艺进行围岩支护，以确保施工人员及机械安全，防止冒顶事故发生。

3 超前支护

隧道开挖后拱顶面易发生沉降变形，在支护施工时，顶部常发生掉块、坍塌，会造成超挖严重以及支护工人砸伤事故发生，严重时会发生大面积塌方甚至冒顶事故，为防止此类事件发生，需在开挖前进行超前支护，经研究采用超前小导管工艺。

在该段设计超前小导管支护参数为拱部140°范围内打设外径42 mm热轧无缝钢管，排距3 m，长度4.5 m，环距40 cm。为较好控制开挖面围岩变形和超挖较大现象，使施工速度较快，通过研讨后采用了环距30 cm的小导管支护，这样虽增加了打设小导管的数量和时间，却大大减少了支护时间，并保证了施工安全。

3.1 工艺流程

超前小导管施工工艺流程见图2所示。

图2 超前小导管施工工艺流程

3.2 超前小导管加工

超前小导管应和钢架配合使用，采用外径42 mm，壁厚3.5 mm的热轧无缝钢管加工，钢管前端宜做成尖锥状，尾部焊接φ6 mm钢筋加劲箍，管壁上每隔15 cm交错钻直径10 mm的眼孔。小导管在构件加工厂制作，其加工见图3。

图3 超前小导管加工图

3.3 小导管注浆

采用水泥砂浆，注浆参数如下：

1）水泥砂浆水灰比：0.5～1.0（重量比）。

2）注浆压力：0.5～1.0 MPa。

3）围岩空隙率参考值：砂土40%，黏土20%，断层破碎带5%。

3.4 施工要求

1）小导管安设采用钻孔打入法，钻孔直径比钢管大3～5 mm，将小导管穿过钢架，用锤击或钻机顶入，顶入长度不小于钢管长度的90%，用高压风将钢管内的砂石吹出。

2）其纵向搭接长度1.25 m；外插角：5°～7°。

3）小导管安设后，用塑胶泥封堵孔口及周围裂隙，必要时在小导管附近及工作面喷射混凝土，以防止工作面坍塌。

4）隧道的开挖长度小于小导管的注浆强度，预留部分作为下一次循环的止浆墙。

5）注浆前进行压水实验，检查机械设备是否正常，管路连接是否正确，为加快注浆速度和发挥设备效率，可采用群管注浆（每次3～5根）。

6）注浆量达到设计注浆量及注浆压力达到设计终压时结束注浆。

7）注浆过程中要随时观察注浆压力及注浆泵排浆量的变化，分析注浆情况，防止堵管、跑浆、漏浆。小导管注浆工艺流程见图4。

图4 超前小导管注浆工艺流程图

4 爆破开挖

该浅埋段采用三台阶临时仰拱法进行开挖作业，围岩开挖采用爆破作业。

4.1 爆破作业

炮眼凿孔宜采用凿岩台车，炮眼布置应符合下列规定：

1）周边眼应沿隧道开挖轮廓线布置，保证开挖断面符合设计断面加大5～10 cm。底板和仰拱底面采用预留光爆层爆破。

2）辅助炮眼交错均匀布置在周边眼与掏槽眼之间，力求爆破出的石块块度适合装碴的需要。

3）周边炮眼与辅助炮眼的眼底应在同一垂直面上，掏槽炮眼应加深10 cm。

4）岩石隧道的爆破作业，应采用光面爆破或预裂爆破。光面爆破和预裂爆破参数应通过试验确定。当无试验条件时，有关参数可参照表1选用。

表1 爆破作业有关参数

4.2 三台阶临时仰拱法施工工艺

三台阶临时仰拱法就是对隧道整个断面分成三个相互错开台阶进行同时开挖和支护。同时在中台阶采用间隔一榀的方式构筑临时仰拱。上、中、下台阶依次错开5～10 m左右。开挖施工工序如图5所示，然后再进入下一循环。

5 初期支护

5.1 初喷

图5 三台阶临时仰拱法开挖示意图

隧道开挖到设计断面尺寸后，应立即组织对开挖面进行初喷处理，减少开挖面和空气的接触时间，尽早使开挖表面固结为一整体硬壳，来抵抗围岩失去平衡后的初期变形，并防止围岩掉块发生，有利于拱架支设和锚杆打设等工作进行，加快施工进度。

5.2 架设拱架

钢拱架加工要准确，根据设计断面尺寸外扩5 cm，在加工棚采用台车工厂化生产，钢拱架连接板大小一致，打眼尺寸位置严格要求，全部采用机床切割和机械钻孔，在施工前做好技术交底，严禁工人采用气焊切割和烧孔处理。并在每榀拱架加工好后在加工区进行试拼装，检验加工尺寸和连接板拼装质量，做到不小于设计断面尺寸，连接板结合紧密，连接孔不发生错位现象，方可运往开挖掌子面进行拱架架设工作。并做好钢拱架之间的纵向连接筋焊接工作，保证数量和焊接质量。

5.3 打设锚杆

按设计图纸要求在隧道拱部打设足够数量的组合中空锚杆，在端墙打设不少于设计要求的砂浆锚杆，并安装好锚垫板。

5.4 挂设钢筋网片

钢筋网片加工和挂设，保证搭接尺寸满足设计规范要求，不小于1个网格。

5.5 喷射混凝土

采用四川岩峰TK600A型号的湿喷机进行喷浆作业，每次喷浆厚度不大于10 cm，本段喷浆共分3次进行（设计25 cm），下一次在上一次混凝土初凝后进行，并保证喷浆总厚度不少于设计值。

6 仰拱、仰拱填充施做

为了保证隧道施工满足安全步距的要求，要及时施做仰拱。为了保证施工进度，决定加工两幅栈桥，一幅12 m，一幅18 m，分别采用20b和40b工字钢加工而成。保证了两版仰拱可以连续流水施工，缩短了施工周期，可以满足开挖面进度和安全步距要求。

7 二衬施工

浅埋段和正常段二衬工艺和技术要求基本一样，都是要重点控制钢筋焊接和混凝土浇筑质量，保证混凝土外观质量，在施工中保持二衬跟进及时，确保安全步距要求。

8 施工成果和经验总结

在施工中，配合监控量测实时监控施工安全，并将监测数据及时分析处理后反馈指导施工，根据监测数据合理调整施工、爆破参数和施工进度控制。将监测数据及时绘制出监测项目变化曲线和回归曲线，分析变化量和变化趋势，而后将监测结果反馈到施工中，进一步优化施工组织设计和确保施工安全。

在该段施工之初，采用设计间距40 cm打设了超前小导管，开挖后2 h内布设好监测点并及时读取了初始观测值。对监测点每天进行及时观测和分析，发现在开挖后前期拱顶沉降变化较快，致使变化总量最大值达59 mm，已经超过了预留沉降量50 mm，造成隧道净空被侵占，同时也说明了支护参数抵抗围岩变形的能力不足，对于围岩支护和后期施工及净空值都留下了安全和质量隐患。我们及时分析研讨后对超前小导管施工间距进行了调整，间距调整为30 cm，打设范围扩大到拱部的140°范围（设计为120°）。调整施工后的监测数据表明，拱顶沉降变化速率和变化量都得到了较好的控制，较好地控制住了围岩变形，消除了围岩支护和后期施工的安全和质量隐患。分别以DK370+790和DK370+820两个监测断面为超前支护参数调整前后的监测数据的代表，拱顶下沉监测数据变化和回归曲线图如图6～图7。

图6 秦家凹隧道进口DK370+790拱顶下沉回归分析图

图7 秦家凹隧道进口DK370+820拱顶下沉回归分析图

由图可表明调整超前支护参数后，围岩变形得到较好控制，施工参数调整合理，使后续施工得到有力保障。

同时，为了加快施工进度和保证仰拱和填充混凝土施工质量，采用两幅栈桥交替使用，使隧道施工仰拱施做及时，完成早封闭，确保了隧道施工安全步距要求，也保证了隧道施工安全。

9 结语

通过合理施做超前支护、控制开挖爆破效果、及时支护和施做仰拱，遵循短进尺、多循环等施工原则，该段隧道施工安全质量得到较好保证，顺利实施了施工风险较大的该浅埋段施工，没有发生一起质量和安全事故，同时该浅埋段隧道施工的进度基本可以保证在2.25～3 m/d，满足了施工进度计划要求，使工程整体施工计划得到保证，也为施工后续的浅埋段和同类工程提供了经验和借鉴。

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