蒙华铁路中条山隧道施工关键技术

陈 鸿， 殷晓东， 李 勇

(1. 中铁隧道集团二处有限公司， 河北 三河 065201; 2. 中铁隧道勘测设计院有限公司， 天津 300133)

蒙华铁路中条山隧道施工关键技术

陈 鸿1， 殷晓东1， 李 勇2

(1. 中铁隧道集团二处有限公司， 河北 三河 065201; 2. 中铁隧道勘测设计院有限公司， 天津 300133)

针对蒙华铁路中条山隧道在施工过程中遇到的围岩软弱易风化、仰拱开挖后基底承载力不足、斜井砂砾层承压富水和隧道涌水量大等问题，介绍施工过程中所采用的软弱围岩微台阶带仰拱一次开挖快速封闭成环、铁路单线隧道二次衬砌仰拱及仰拱填充大区段、碎石换填基底加固并在基底埋设排水管以及分段截流、反坡排水等关键施工技术。主要研究结论如下： 1)仰拱与下台阶一次爆破成型，减少了爆破围岩的二次扰动，能有效控制周边收敛和拱顶沉降； 2)采用24 m单线隧道全液压履带式栈桥，有效减少了仰拱之间施工缝隙对接次数，提高了仰拱的整体性； 3)对有水软岩地段采用碎石换填并注浆加固，起到了良好的堵水效果； 4)采取分段截流，减少了反坡施工掌子面的排水量，加快了掌子面的施工进度。

带仰拱一次开挖； 快速封闭成环； 仰拱大区段施工； 基底换填加固； 分段截流

0 引言

随着我国基础建设的快速发展，铁路建设进入了一个高潮期，铁路隧道建设越来越多。由于铁路建设标准的不断提高，铁路隧道的长度、埋深和跨度越来越大，穿越地区的自然条件越来越复杂，工程的规模和难度越来越大，施工所面临的诸如软弱破碎围岩、高承压富水岩层等问题也越来越多。国内学者对隧道施工的相关问题进行过诸多研究： 文献[1-2]认为软弱围岩及特殊围岩均可采用开挖断面及早闭合的开挖及支护方法，认为早闭合能把隧道开挖对周边的松弛降低到最小限度； 文献[3-4]认为软弱围岩应尽量采用全断面(含仰拱)法隧道开挖，尽可能快速封闭成环，有利于施工拱脚下沉的控制； 文献[5-7]认为采用仰拱台车与二次衬砌同步施工可以节省投资、保证质量和方便施工。在富水条件下，为确保仰拱基底质量及控制地下水，文献[8-10]采取了“注浆减排、降水降压”的处理方案。为了解决隧道施工期间反坡排水问题，文献[11-15]研究了长距离反坡排水集水坑的设置、排水作业的管理等适宜山岭隧道的反坡排水方法。由于地质条件的复杂性，不同的隧道施工方法不同，结合蒙华公司“三超前、四到位、一强化、两紧跟、一垫实”，即超前预报、超前加固和超前支护，工法选择到位、支护措施到位、快速封闭到位、衬砌跟进到位，强化量测，格栅钢架必须紧贴掌子面、钢架封闭成环紧跟下台阶，钢架脚必须垫实的隧道施工管理理念和技术要求。本文以中条山隧道为例，针对破碎软弱围岩、第三系弱胶结泥岩及斜井砂砾层承压富水等问题，介绍相关施工技术。

1 工程概况

蒙华铁路为国铁Ⅰ级重载铁路，设计速度为120 km/h。中条山隧道穿越中条山山脉，隧道进口端位于运城市盐湖区境内，出口端位于运城市平陆县常乐镇刘卫庄村。设计为双洞单线隧道，线间距为35 m，最大埋深约840 m，左线全长1万8 405 m，右线全长1万8 410 m。线路平面示意如图1所示。隧道设计为“人”字坡，最大纵坡为5.1‰，进口端14.6 km为上坡，出口端3.8 km为下坡。隧道轨面以上净空横断面面积为33.07 m2，隧道内均采用无砟轨道。单线隧道建筑限界及内轮廓如图2所示。

图1 线路平面示意图

中条山隧道穿过的主要地层有太古界变质岩，震旦系和寒武系沉积岩，第三系半成岩砾岩、泥岩、砂质泥岩，第四系新、老黄土层。不良地质主要有断层破碎带、岩爆及第三系高承压水等，施工风险极高，难度极大，为全线控制性工程，一级风险隧道。尤其洞身长距离穿过第三系上新统砾岩、砂质泥岩、砂层地层，且该段为高承压含水第三系N2洪积扇层，水头高出隧道底板80～177 m，涌水量为3万6 500 m3/d。开挖过程中容易出现“关门”塌方事件，且隧底围岩有水极易软化，施工进度受到制约，基底质量无法控制。在穿越此地层段落施工时掌子面涌水量最大达300 m3/h，整个段落涌水量最大达5万2 000 m3/d。在确保安全情况下，为加快施工进度，除挑顶采用帷幕注浆预加固外，其他段落采取双层小导管，微台阶带仰拱一次开挖快速封闭成环施工，及时对基底进行换填注浆加固，后期进行局部径向注浆堵水，安全顺利通过了第三系地层。

(a) 单线隧道建筑限界及内轮廓图(无砟)

(b) 单线隧道建筑限界及内轮廓图(有砟)

Fig. 2 Construction clearance and inner profile of single-line railway tunnel(unit: cm)

根据区内地形、地貌和岩性构造条件，中条山隧道区内可分为3个水文区划单元，即运城盆地水文区(Ⅰ)、中条山基岩水文区(Ⅱ)和中条山南麓水文区(Ⅲ)。水文地形示意如图3所示。

图3 水文地形示意图

2 影响施工的主要问题

根据区域内的水文地质资料，影响隧道施工的问题主要包括以下方面。

1)软弱围岩施工安全控制问题。隧道洞身通过第三系半成岩砾岩、泥岩、砂质泥岩，第四系新、老黄土层，特别是穿越150 m粉细砂地层，岩体强度低，遇水易软化，施工风险极大，需研究新的工法工艺确保施工安全。

2)仰拱及底板的施工质量问题。隧道底为第三系半成岩砾岩、泥岩、砂质泥岩且富水，开挖后软化的泥砂不断沉积，基底承载力明显下降，对仰拱的质量存在严重隐患。

3)有水地段施工工效问题。中条山隧道3#斜井和5#斜井施工段工程地质、水文地质极为复杂，存在连续第三系砾岩、砂质泥岩，其中第三系富水弱胶结砾岩、泥岩和砂质泥岩单洞长达2 350 m，日常涌水量达3万6 500 m3/d。在这些地段处理好截排水，提高施工工效是重点。

3 中条山隧道施工关键技术

3.1 微台阶带仰拱一次开挖快速封闭成环施工技术

为保证施工安全，软岩隧道一般采用台阶法施工。大量施工案例表明，台阶法施工受到步距限制，极大影响施工效率。如果超步距施工，则可能因初期支护闭合不及时造成安全隐患。针对中条山隧道一般软岩情况(如果地层为细砂层或掌子面为不稳定的软岩则需预加固)，在施工时均采用了微台阶带仰拱一次开挖快速封闭成环的施工技术。开挖台阶长度为5～6 m，上台阶台阶高度为5.5～6 m，下台阶高度为4.0～4.5 m。台阶法开挖示意如图4所示。

(a) 台阶法开挖工序断面示意图

(b) 台阶法开挖现场照片

微台阶带仰拱一次开挖快速封闭成环施工，即上、下台阶及仰拱同步钻孔爆破，起爆后首先进行上台阶扒碴，待拱架进至上台阶并开始立拱后进行下台阶及仰拱出碴与立拱。如果局部出现欠挖，则采用手持风镐对欠挖处进行处理，满足净空条件后才能立拱。立拱完成后，按仰拱、下台阶、上台阶顺序施作初期支护混凝土，下台阶与仰拱初期支护混凝土施作完成后采用洞碴回填仰拱以满足行车要求，待施作仰拱二次衬砌与填充时再以人工配合机械进行仰拱回填洞碴的清运。微台阶带仰拱一次开挖快速封闭成环施工工艺流程如图5所示。

图5 微台阶带仰拱一次开挖快速封闭成环施工工艺流程图

Fig. 5 Flowchart of construction sequence of rapid closed ring by micro-bench with one-time inverted arch excavation

该技术施工要点： 1)做好上、下台阶开挖高度和长度，以及仰拱开挖进尺的控制； 2)为减少变形，避免“关门”塌方，开挖后应及时架设仰拱初期支护拱架，下台阶及仰拱支护作业同步进行，一次施工1—2榀，初期支护拱架与下台阶拱架连接牢固； 3)遵守“先仰拱后下台阶”的喷混凝土顺序，同时尽量采用湿喷机械手喷射混凝土作业，缩短封闭时间，完成后及时回填仰拱和吊移上台阶台架，然后喷上台阶混凝土。

为使现场施工工序衔接紧凑、工序之间平行作业，上台阶配置开挖人员10人(8台YT-28)，下台阶配置开挖人员6人(4台YT-28)进行施工。在施工期间为确保每道工序时间可控，现场对每道施工工序时间进行统计，主要施工工序作业时间(单循环)见表1。每月实际进度为70～75 m。

采用微台阶带仰拱一次开挖快速封闭成环施工，单循环作业时间与传统台阶法施工相比增加0.5 h左右，但减少了后期仰拱开挖对掌子面施工的干扰。与传统台阶开挖法相比，具有如下优点： 1)成环时间短，确保掌子面不出现 “关门” 塌方事故； 2)仰拱与掌子面同时开挖爆破，减少了后期仰拱开挖爆破对围岩的扰动； 3)仰拱与下台阶初期支护拱架一次性安装到位，确保了钢架之间的连接质量，初期支护的施工质量能得到很好控制。

3.2 大区段施工技术

为确保仰拱基底清理干净，保证仰拱施工质量，减少仰拱之间施工缝隙对接次数，蒙华公司提出与铁路隧道工程施工技术指南要求(仰拱分段长度宜为4～6 m)不一样的仰拱施工工法，即每次仰拱基底清理长度不得小于24 m，每次浇筑仰拱长度尽量与二次衬砌台车长度一致，做到仰拱、二次衬砌同缝，简称大区段仰拱施工。

表1主要施工工序作业时间表(单循环)

Table 1 Time needed of main construction sequences (single cycle)

施工工序工序时间/min备注施工准备20含风水管、风钻到位开挖台架就位10测量放线15平行作业,不占循环时间上、下台阶及仰拱钻眼爆破170 含布孔、钻孔、清孔、验孔,合计130min,装药爆破40min扒碴、开挖台架就位50含装药、装水袋、炮泥出碴180 与上台阶支护平行作业,不占循环时间(含上台阶钢架、锚杆、钢筋网、超前小导管安装)下台阶及仰拱支护110 下台阶及仰拱钢架、锚杆、钢筋网安装,不包含与上台阶平行作业的60min仰拱、下台阶喷混凝土30自下而上,先仰拱后下台阶仰拱初期支护面回填30回填洞碴上台阶喷混凝土120 湿喷机械手前行和上台阶喷混凝土

注： 1)施工现场环境复杂，制约因素较多，工序时间为经统计分析后的平均值。2)单循环时间合计735 min。

采取大区段仰拱施工后传统的仰拱栈桥无法满足现场施工，现场仰拱二次衬砌混凝土及仰拱填充采用了铁路单线隧道全液压履带式栈桥(有效跨距25.5 m)，分区段同步平行作业。仰拱大栈桥外观尺寸为36.5 m(长)×3.8 m(宽)×3 m(高)，桥面与填充面之间高76 cm。单线隧道二次衬砌仰拱大区段栈桥及施工现场照片如图6所示。

仰拱二次衬砌施工时主要施工工序如下： 回填洞碴清理—栈桥行走—仰拱钢筋绑扎、施工缝处理—仰拱二次衬砌模板安装—仰拱混凝土浇筑—仰拱二次衬砌模板拆除及填充模板安装—填充混凝土浇筑—模板拆除及混凝土养生。二次衬砌仰拱及仰拱填充大区段施工工艺流程如图7所示。

(a) 单线隧道二次衬砌仰拱大区段栈桥照片

(b) 单线隧道二次衬砌仰拱大区段施工现场照片

Fig. 6 Trestle and inverted arch construction site of large-section inverted arch for secondary lining for single-line railway tunnel

图7 二次衬砌仰拱及仰拱填充大区段施工工艺流程图

Fig. 7 Flowchart of construction sequence for inverted arch of secondary lining and large-section filling of inverted arch

大区段仰拱施工要点： 1)由于栈桥前引桥较长，每次清碴区段长6 m，每次清理完成后，二次衬砌仰拱栈桥前行6 m。前行过程中，为保证栈桥后端已施工完成的仰拱填充面不因受力面积小而压坏，在仰拱填充面上铺设钢板(长1.2 m，宽1.5 m，厚6 mm)以扩大受力面积。2)利用掌子面钻眼时间进行捡底，减少施工干扰。3)当仰拱穿过不同地层时，必须从分界处断开，防止不均匀沉降，造成仰拱开裂。

采用大区段仰拱二次衬砌施工，有钢筋地段配置32人，单循环时间在110 h左右(含养护时间40 h)，每月进尺140 m左右； Ⅲ级围岩仰拱二次衬砌单循环时间在90 h左右，每月进尺190 m左右。

采用仰拱大区段施工工法，仰拱可分区段进行清碴、钢筋绑扎、仰拱弧形模板安装等工序平行作业，施工集中，减少工序衔接，提高工效。和传统施工工法相比： 减少了劳动力投入，减少了纵向钢筋接头和施工缝设置，减少了机械设备投入，节约了成本； 而且实现了仰拱二次衬砌施工机械化，改善了仰拱二次衬砌的施工安全条件，推动了隧道仰拱二次衬砌施工技术的发展。

3.3 软弱围岩基底施工技术

1)为确保施工安全，初期支护仰拱紧跟掌子面下台阶，仰拱初期支护与下台阶一次开挖成型，并及时封闭成环。但由于第三系弱胶结砾岩、泥岩和砂质泥岩富水，地下水和施工用水不断向仰拱汇集，导致隧道基底出现大面积积水，其遇水后软化，软化后的泥砂不断沉积，施工中泥水难以清除干净，将导致仰拱初期支护和围岩之间存在软弱泥砂夹层。同时由于隧底汇水量较大，导致仰拱内积水抽完之后，水又迅速汇集，基底扰动圈泥化，水的渗透性强和人工对泥化层进行清理时产生二次扰动，下层基底又出现软化，人工不断清理基底软化层，导致超挖较大。为确保基底淤泥不对基底质量造成隐患，在安装仰拱拱架前沿基底弧形圈铺设厚度为20～30 cm的碎石(直径2～3 cm)，并采用小型打夯机夯实，然后再安装仰拱拱架，防止喷射混凝土与底部淤泥混合，影响混凝土质量。碎石回填见图8。待仰拱初期支护完成后对基底采取钢花管注浆固结加固。二次衬砌仰拱及仰拱填充采用铁路单线隧道全液压履带式栈桥，进行全幅一次性施工(单次施工不小于24 m)，栈桥断面高，基底加固在栈桥下进行。基底注浆加固施工程序如下： 施工准备—虚碴清理—测量放样—钻孔—清孔—安装注浆管—配制水泥浆、注浆—注浆效果检查。

(a) 仰拱初期支护底部回填碎石现场照片

(b) 仰拱初期支护喷射混凝土前现场照片

注浆孔采用移动钻机开孔，孔径为52 mm，孔环、纵向间距为1.5 m×1.5 m，梅花形布置。注浆管

采用φ50 mm、壁厚3.5 mm的热轧无缝钢管，钢管长2.5 m，浆液采用双快硫铝酸盐水泥单液浆及部分超细水泥单液浆。基底注浆加固每24 m分4个5 m段、1个4 m段施工，每段注浆孔间隔打设，跳孔注浆。为防止浆液向外部扩散，由隧道两侧向隧道中间分序注浆。为确保基底加固质量，每段基底注浆加固完成后对隧道中线两侧各1.5 m进行补注浆，起到整体补强，补充薄弱点作用。每24 m补注23孔，孔深为1.5 m，横向间距为1.5 m，纵向间距为2.0 m，梅花形布置。仰拱基底注浆加固孔位布置如图9所示。

2)初期支护仰拱完成后，在初期支护仰拱内底部纵向铺设土工布，无纺布上铺设凹凸排水板，土工布与排水板间铺设环纵向盲管，盲管均外裹无纺布。在初期支护仰拱上隧道中线位置纵向贯通并排铺设3根φ100 mm HDPE双孔波纹管，横向每隔3 m设置1道φ50 mm加劲软式透水盲管，环向盲管直接引入隧道水沟，其上采用HDPE凸壳型排水板(宽0.5 m，厚1 mm，凸壳高10 mm)覆盖，排水板沿两侧射钉固定，最后在纵向排水管上采用1.0 m宽EVA防水板覆盖。仰拱底部水通过仰拱底部排水管与横向透水盲管排出，减少仰拱底部积水。初期支护仰拱内底部环纵向盲管铺设及排水效果如图10所示。

图9 仰拱基底注浆加固孔位布置图(单位： cm)

(a) 初期支护仰拱内底部环纵向盲管铺设现场照片

(b) 初期支护仰拱内底部纵向盲管排水现场照片

3)沿隧道排水沟打设φ50 mm泄水降压孔，孔间距为5 m，孔深入沟槽以下5 m。在水沟底降压孔口安设单向压力阀门，基底压力水升高至沟底时压力阀自动顶开，水位下降时压力阀自动关闭。

3.4 软弱围岩富水地段截排水处理

斜井涌水采取掌子面上、下台阶分别抽排，掌子面后方分段截流抽排，形成灵活高效的组合截排水系统。掌子面涌水快速排出洞外，改善了掌子面作业环境，确保工程质量和安全。斜井分段截排水布置如图11所示。

在掌子面后方底板分段设置集水井和横向截水沟截水。集水井沿隧道纵向每隔15～20 m设置1道，横向截水沟将集水井和边沟连通，集水井尺寸为2 m×2 m×1.5 m，横向截水沟深0.3 m，宽0.4 m。在集水井及水沟上方覆盖2 cm厚钢板并用麻筋填塞。每个集水井安装3 kW污水泵1台进行排水，φ60 mm软管连接至排水主管道进入洞内大排水箱。集水井结构如图12所示。集水井效果如图13所示。

图11 斜井分段截排水布置示意图(单位： cm)

图12 集水井结构图(单位： cm)

图13 集水井效果图

4 结论与讨论

4.1 结论

1)将仰拱初期支护纳入台阶法工序，减少了仰拱单独开挖工序，缩短了仰拱施工循环时间，杜绝了“关门”塌方事故的发生。仰拱与下台阶一次爆破成型，减少了爆破围岩的二次扰动，能有效控制周边收敛和拱顶沉降。采取微台阶带仰拱一次开完，及时封闭成环后与前期未一次开挖封闭成环对比，累计变形值明显减少。

2)采用24 m单线隧道全液压履带式栈桥，有效减少了仰拱之间施工缝隙对接次数，节约了成本，提高了仰拱的整体性，对改善隧道质量通病、提高仰拱施工质量具有极大效果。在满足各种运输车辆正常通行的前提下可进行仰拱同步作业，且能满足不同工况需要，可实现快速移动就位。

3)对有水软岩地段采用碎石换填并注浆加固，起到了对仰拱初期支护混凝土与围岩间的软弱夹层或碎石层的充填和固结作用，并具有良好的堵水效果，整体提高了基底的强度和刚度，有效解决了基底软弱及承载力不足等问题。

4)采取分段截流，减少了反坡施工掌子面排水量，加快了掌子面的施工进度，减少了循环时间，提高了施工工效。

4.2 讨论

1)采用微台阶带仰拱一次开挖快速封闭成环施工技术，仰拱及时封闭成环后沉降和收敛累计值远远小于设计预留值，现场安全、质量可控。有必要进一步通过理论与现场试验的方法探索当仰拱及时封闭成环后最终位移值的预留，以及二次衬砌与掌子面的合理步距要求。同时，应进一步研究微台阶带仰拱一次开挖可否全面推广运用，尤其是在高地应力软岩环境和富水软弱围岩环境下。

2)采用24 m长栈桥施工对仰拱施工质量有了显著提高，但还需进一步研究采用24 m长栈桥后仰拱填充施工的合理长度，研究合理的栈桥长度施工，力争做到二缝(二次衬砌、仰拱)合一。

3)第三系富水地层采用碎石换填加固，效果较好，但还应进一步研究富水软岩施工时仰拱基底水的处理及仰拱施工质量的控制方法，确保基底质量。

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KeyConstructionTechnologiesforZhongtiaoshanTunnelonMenghuaRailway

CHEN Hong1, YIN Xiaodong1, LI Yong2

(1.The2ndEngineeringCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Sanhe065201,Hebei,China; 2.ChinaRailwayTunnelSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300133,China)

During the construction of Zhongtiaoshan Tunnel on Menghua Railway, a series of problems, i.e. soft and weak and weathered surrounding rock, inadequate bearing capacity of inverted arch base, rich water of sandy-cobble load bearing strata of inclined shaft and large volume of water inrush of tunnel, were encountered. Key technologies, i.e. rapid closed ring by micro-bench of soft and weak surrounding rock with one-time inverted arch excavation, large-section filling of inverted arch of secondary lining and inverted arch of single-line railway tunnel, spall filling and reinforcement of inverted arch base and drainage pipe set in inverted arch base (including sectioned water stop and reverse-slope drainage technology), are introduced. Some conclusions are drawn as follows: 1) The secondary disturbance of surrounding rock can be reduced and the surrounding convergence and crown top settlement can be effectively controlled by one-time blasting and shaped of inverted arch and lower bench. 2) The connecting time of construction joints between inverted arches can be reduced and the integrity of inverted arch can be improved by 24 m-long hydraulic crawler-type trestle. 3) The water stop effect of water-contained soft rock section can be improved by spall filling and grouting reinforcement. 4) The water drainage volume of reserve slope-face excavation can be reduced and the construction schedule of excavation face can be shortened by sectioned water stopping technology.

one-time excavation with inverted arch; rapid closed ring; large-section construction of inverted arch; base filling reinforcement; sectioned water stop

2017-07-14;

2017-09-20

陈鸿(1976—)，男，四川大竹人，2000年毕业于山东科技大学，采矿工程专业，本科，高级工程师，现从事隧道及地下工程的施工管理技术工作。E-mail： 599306545@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.12.012

U 45

B

2096-4498(2017)12-1585-08