重载铁路干阳沟大跨度富水黄土隧道施工技术

张 彪

(太原铁路局，山西 太原 030013)

1 工程概况

山西中南部铁路通道西起山西瓦唐，衔接南北向主要铁路干线，东至山东日照港，形成了一条新的“西煤东运”能源运输动脉，也是我国东西向路网干线铁路之一，对我国国民经济发展具有重要的能源安全保障作用。干阳沟隧道位于山西临汾浮山县杨村河村，隧道起始里程DK361+735～DK370+195，全长8 460 m，地面高程在720～920之间，最大埋深200 m，最小埋深10 m;隧道为单洞双线，纵坡单面上坡，坡度分别为 4.6‰，5.1‰，4.8‰，设计行车速度120 km/h。

2 工程地质、水文概况

干阳沟隧道处于丘陵山区，地势起伏较大，相对高差约200 m，地面冲沟发育，多为Ⅴ形沟，无河流改道地貌特征，主要特点为主沟两侧发育较多的支沟，沟两侧均为砂质黄土、粉土、粉土粘土等漫滩冲积物，沟心未见基岩出露。隧道区通过第四系上更新统砂质黄土、中更新统粉质粘土、下更新统粘土、第三系粘土，下伏基岩为三叠系中统铜川组砂岩夹泥岩，隧道通过地层较多，工程地质条件差，进口段砂质黄土局部较疏松具有自重湿陷性，为Ⅲ级严重性湿陷性场地类型。

线路通过地区属中温带干旱、半干旱气候区，年最大降水量为893.5 mm，年平均降雨量为573.5 mm。该区域水系为汾河水系支流，汾河流域面积为719 km2，在流域内的沟口、谷底、河旁有许多岩石裂隙水和土壤孔隙水出露，全隧道正常涌水量为919 m3/d，最大涌水量2 563 m3/d。富水地段易造成涌水涌泥，甚至引起大的坍塌。

3 大跨度富水黄土段开挖支护和隧底换填加固方法

隧道进口DK361+735～DK363+810富水黄土段埋深10 m～85 m，开挖横断面135 m2，宽度14.02m，高度11.82mm，洞身有渗水，部分地段发育有50 cm～90 cm粗圆砾砂层，粗圆砾砂层处有涌水，主要为黄土孔隙水，水量860 m3/d，没有客水补给，但在丰水季节，地下水位升高，地表水量丰富，特别是隧道洞身浅埋段，隧道水量有增大现象，安全控制风险极大，施工中难点是如何安全通过大跨浅埋富水Ⅴ+(黄土)围岩，并保证隧道底部施工质量，防止重载铁路以后仰拱开裂下沉。

根据设计文件，Ⅴ+(黄土)围岩采用三台阶临时仰拱法施工，现场进行了优化，把上台阶临时仰拱法换成核心土法，中台阶下台阶仍按设计采用三台阶临时仰拱法施工(见图1)，考虑到黄土地质特性和施工工期要求，为避免沉降和塌方，关键是严格按照“管超前、短进尺，强支护、早闭合、勤量测”的原则施工。

隧道Ⅴ+(黄土)围岩复合式加强衬砌段(W=160)支护参数，具体如下:超前小导管采用 φ42壁厚 3.5 mm，L=4.5 m，间距40 cm，每环28根，满足水平搭接1 m;初期支护Ⅰ20型钢间距0.6 m，边墙 φ22普通砂浆锚杆 L=4.0 m，每延米24根，钢筋网20 cm×20 cm，C25网喷纤维混凝土;二次衬砌C35钢架混凝土P8，厚度50 cm。每个掌子面配备开挖工16人，支护工12人，二衬工14人，电焊工2人，抽水工2人，1台挖掘机，1台装载机，3台出碴运输车，每日开挖2～3循环，每月累计进尺60 m。

图1 三台阶临时仰拱核心土法断面图

3.1 开挖拱部上台阶环形Ⅰ部

黄土隧道土质比较松散，开挖后易形成分层坍塌，故需较强的初期支护，采用 φ42壁厚3.5 mm，L=4.5 m，间距 40 cm，小导管超前棚架方案。

1)利用上循环架立的钢架施工隧道超前小导管支护，并将小导管管尾与钢架进行焊接，使小导管管尾端担在钢拱上，最大限度地发挥棚架的作用，小导管水平搭接大于1 m;

2)开挖采用人工配合小型挖机的方法开挖拱部环形Ⅰ部，每次开挖一榀钢架进尺，注意开挖时，预留20 cm土体用人工开挖，严格控制超欠挖。同时在上台阶预留核心土，核心土长度同上台阶长度，距拱顶1.4 m～1.6 m，坡脚距拱脚2 m左右，在满足施工情况下尽量减少掌子面临空面积，防止坍塌;

3)施作初期支护，架立工字钢架，底部采用25 cm×50 cm木板垫实，钢架之间每隔1 m设1根φ25纵向连接筋;

4)钻设系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度。

在开挖过程中，上台阶渗水量较少，土体天然含水率23.0%左右，监控量测数据沉降收敛最大值一般为距掌子面最近的量测点，变化速率开挖后第一天最大，一般为1.4 mm/d～3.0 mm/d之间，在规范允许范围。有时开挖时发现顶部土体有裂纹或疏松现象，采用边开挖边支撑，支撑用木板加φ40钢管，钢管底部撑在核心土上。

3.2 开挖中台阶Ⅱ部

在滞后于上台阶Ⅰ部约5 m，人工配合机械开挖中台阶Ⅱ部，一次开挖2榀钢架进尺。首先用挖掘机将一侧Ⅱ部的土体由上至下开挖1.0 m，并将土扒出核心土范围以外，便于装载机装碴，开挖时侧面开挖轮廓线处预留厚50 cm土体，这是由于挖掘机开挖时对土体的振动比较大，如果直接按轮廓线开挖易造成土体坍方，形成超挖。然后人工用洋镐将预留的50 cm土体沿轮廓线开挖，边开挖边支撑，同时出碴。此时，挖掘机则换至另一侧Ⅱ部进行开挖，如此左右侧交替进行。开挖时注意拱脚处至少留深20 cm土体用人工开挖，严禁超挖，并用25 cm×50 cm木板垫实拱脚，防止混凝土拱架下沉。施作初期支护，架立工字钢架，通过钢垫板用4个φ16螺栓将上中台阶钢架连成整体，钢架之间每隔1 m设1根φ25纵向连接筋，同时施作临时仰拱，临时仰拱采用Ⅰ20临时钢架间距1.2 m，并喷混凝土8 cm，最后钻设系统锚杆喷混凝土至设计厚度(见图2)。

在开挖的过程中，中台阶有一定量的渗水积水，开挖完成后需要施作临时仰拱喷射8 cm厚的混凝土封闭，监控量测数据沉降收敛较上台阶减小，变化速率开挖后第一天最大，一般为0.8 mm/d～1.5 mm/d之间，在规范允许范围。黄土隧道拱腰处土体最易发生坍塌，所以在进行Ⅱ部开挖时，应边开挖边支护，如有滑塌，即用木板紧贴开挖轮廓表面，用φ40钢管支撑土体，交错布置。

3.3 开挖下台阶Ⅲ部

在滞后于中台阶Ⅱ部5 m～8 m，拆除中台阶临时仰拱2榀，人工配合机械开挖中台阶Ⅲ部，一次开挖2榀钢架进尺。开挖时注意侧面轮廓线处预留厚50 cm土体，拱脚处应至少预留20 cm厚土体用于人工开挖，严禁超欠挖，并用25 cm×50 cm木板垫实拱脚，防止混凝土拱架下沉。施作初期支护，架立工字钢架，通过钢垫板用4个φ16螺栓将中下台阶钢架连成整体，钢架之间每隔1 m设1根φ25纵向连接筋，钻设系统锚杆后喷混凝土至设计厚度。

在开挖过程中，下台阶有渗水积水，开挖完成后需尽快施工下部仰拱工程早日成环闭合支护系统。监控量测数据沉降收敛较中台阶减小，变化速率开挖后第一天最大，一般为0.5 mm/d～0.8 mm/d之间，在规范允许范围。黄土隧道土体易发生坍塌，所以在进行Ⅲ部开挖时，应边开挖边支护，如有滑塌，即用木板紧贴开挖轮廓表面，用φ40钢管支撑土体，交错布置。

3.4 开挖仰拱及隧底加强处理技术

隧道仰拱段施工前，应在仰拱开挖段与掌子面间设置积水井，左右两侧各设置一个1 m3积水井，同时在已施工仰拱段每间隔30 m施作横向截水沟及积水井，并安排专人负责抽排水，避免积水浸泡拱脚和出水漫流，确保仰拱施工时无大量积水。同时由于地下水影响，黄土已饱和成泥，隧道基底开挖无法将积水、软化的流泥清除干净，导致基底承载力无法满足设计120 kPa要求，为防止以后仰拱开裂下沉，并保证隧道结构长期稳定满足重载铁路30 t轴重要求，经研究决定，采取如下工程措施对隧底进行加固处理:

1)隧底采用50 cm厚级配碎石加掺量5%水泥换填。

2)在隧底填充内设置横向、纵向盲沟，横向盲沟坡度大于1%，盲沟采用土工布包裹碎石，沟内设置通长φ100开孔波纹管。纵向盲沟沿隧道左右两侧边墙底部设置，每6 m设一道横向盲沟连接纵向盲沟，在中心水沟下方处设置φ150 PVC管，连通中心水沟和横向盲沟，PVC管口应高于中心水沟底部15 cm。

3)在换填级配碎石层后预埋注浆花管，间距2 m梅花形布置，后期进行定量注浆加强。

准备就绪后，采用栈桥一次开挖仰拱3 m，隧底开挖深度大于设计50 cm，在仰拱槽没有积水情况下快速在隧底采用50 cm厚级配碎石加掺量5%水泥换填基槽，架立钢架并连接，喷射10 cm混凝土，随后重复上述工序，仰拱开挖已架立钢架长度约6 m时，开始绑扎钢筋，并浇筑仰拱及隧底混凝土。同时在施工中还需注意仰拱环、纵向施工缝防水的施工质量，确保防水效果满足设计要求。

在仰拱开挖的过程中，因渗水较大仰拱底有流水，黄土饱和成泥，要将积水、流泥清除干净非常困难，在没有清除干净时喷射10 cm混凝土，因流水冲刷和积水流泥影响，无法进行下道工序架设钢架，解决此问题成为施工的重难点。采用级配碎石换填，可在隧底暂时形成流水通道，并隔离了饱和泥对上部钢架污染，成功解决了此问题，同时预埋注浆管后期定量注浆，对隧底进行补强加固，确保了重载铁路隧底结构长期稳定(如图3所示)。

图2 中台阶开挖效果图

图3 隧底碎石换填效果图

4 控制要点及技术对策

4.1 拱部沉降和拱脚收敛的控制

富水黄土隧道控制要点就是拱部沉降和拱脚收敛较大易变形坍塌，针对这种情况采取了以下措施:

1)采用三台阶分部开挖，使沉降分部释放，并在上台阶预留核心土，同时考虑黄土隧道锁脚锚杆比岩石隧道效果差，中台阶增设临时仰拱。

2)及时封闭仰拱，保证15 d内仰拱封闭成环，并将仰拱步距控制在30 m以内。

3)及时封闭二次衬砌永久支护，保证30 d内二衬封闭，并将二衬步距控制在70 m以内。

4)加设锁脚锚杆，在拱脚处每侧加设2根锁脚锚杆，锚杆为φ42钢管，长4 m，垂直于拱脚外侧面打入土中3.7 m，剩余0.3 m与喷射混凝土浇筑在一起。

5)加强监控量测，严格把测控量测纳入施工工序进行监控，每5 m在拱部设置一个沉降观测点，每开挖台阶两侧设计一组水平收敛观测点，洞内共计设置7个观测点，浅埋段洞顶增设地表观测点，专人负责用收敛计和水平仪分别观测，并及时对数据进行分析，预测变形发展趋势，以正确指导施工。干阳沟隧道富水黄土段拱顶下沉最大速率为1.5 mm/d～3.3 mm/d，累计最大下沉30 mm～60 mm，测量频次前3 d每天观测2次，随后7 d内1 d观测1次，以后1个月内3 d观测1次，之后每月观测1次。在施工期间未发现变化速率大于5 mm/d，累计变化大于100 mm。如发生应严格按照制定的专项方案，停止开挖增加竖向支撑分析并加固变形段，并在以后开挖中优化加强支护参数。

4.2 预防塌方

在开挖的过程中，应遵循“管超前、短进尺、强支护、早成环、勤量测”的原则，随时观察土质情况，发现土质疏松、节理发育时，应加设调整循环进尺，同时加密超前小导管数量。开挖工法中上台阶预留核心土，中台阶及时跟进临时仰拱，并缩短开挖与仰拱、二衬之间时间间隔。如发生较大变形或坍塌，第一时间增设竖向横向支撑并封闭掌子面，最后空腔用相同强度等级的混凝土填塞密实。

5 施工注意事项

1)开挖需采用人工配合机械开挖，轮廓线处预留厚20 cm～50 cm土体，采用人工开挖，严禁超欠挖。

2)上台阶开始时因Ⅴ+(黄土)级围岩掌子面自稳能力差，预留核心土应尽量大，减少掌子面的临空面积，同时加大拱脚木板面积，可有效防止下沉及坍塌;下台阶施工时，钢架C单元和D单元同时架立形成L形并喷混凝土增大受力面积，确保钢架稳定，以保证施工安全。

3)隧道仰拱段施工前，应在仰拱开挖段与掌子面间设置积水井，专人负责抽排水，避免积水浸泡拱脚和出水漫流，确保仰拱施工段开挖槽内施工时无积水。

4)初期支护及时成环，各分部工序之间紧密衔接，仰拱要紧跟下导，二衬要紧跟仰拱。

5)充分利用矿山法原则隧道施工理论，采用强支护限制围岩变形，确保初期支护与围岩之间密贴。

6)工作面因故停工时，应采取有效措施稳定工作面，防止土体因水出现变形坍塌。

7)开挖时一定预留足够沉降量，通过监控量测，寻找初支下沉与收敛的规范，正确指导施工。

8)隧道施工时，注意对隧道基础土层的保护，尽量减少施工车辆、人员活动对隧道底部土体的扰动。

9)尽量避免在雨季穿越黄土浅埋地段，若不能避免，施工前应在洞顶设置防洪措施。

6 结语

1)黄土隧道采用三台阶核心土临时仰拱法，按照“管超前、短进尺、强支护、早成环、勤量测”的原则，可有效控制塌方、拱部沉降与收敛，使隧道各部的尺寸达到设计要求，并在保证安全的情况下加快了施工进度，单口平均月进尺60 m，最高单口月进尺70 m。

2)隧道仰拱基地加固处理，采用50 cm级配碎石加掺量5%水泥换填，并预留注浆孔，有效的解决了隧底流水和积水流泥对施工的影响，同时提高基底承载力，防止了仰拱开裂和下沉，并为以后防止仰拱的下沉预留后续注浆措施，考虑全面，满足了重载铁路30 t轴重要求。

［1］中铁工程设计咨询集团有限公司.干阳沟隧道设计图［A］.晋中南洪汤施(S)隧道，2010.