软弱围岩隧道浅埋段施工研究

杨 文 平

(神华包神铁路集团有限责任公司,内蒙古 鄂尔多斯 017000)

1 概述

软弱围岩浅埋隧道，施工难度大，常容易发生变形、坍塌、冒顶等险情，因此在施工前应制定切实可行的施工方案，将监控量测和超前预报等施工措施纳入正常的施工工序中，“动态设计、动态施工”，有效降低施工风险，确保软弱围岩浅埋隧道施工安全和质量。

塔韩铁路是神华集团为开发“三西”煤炭基地东胜煤田塔然高勒矿区而配套修建的运煤专用线，铁路自既有包神线韩家村车站接轨，向西经过色连、李家、泊江海子三个车站后终到塔然高勒车站，线路全长78.06 km。塔韩铁路控制性工程张家渠隧道起讫里程GDK71+475～GDK72+870，全长1 395 m，单线隧道。Ⅵ级围岩40 m，其余均为Ⅴ级围岩1 304 m，最小埋深仅7.3 m，最大埋深27 m，采用台阶法施工。经实地勘察发现GDK72+220～GDK72+350段地表有3条天然冲沟，隧道从沟底穿过，与冲沟成约80°交角，最小埋深仅约7.3 m。

2 超前地质预报

超前地质预报是在隧道开挖时，采用地质调查、物探、超前地质钻探和超前导坑等手段，对掌子面前方及其周边的围岩与地层情况做出超前预报的一种地质探明手段，是现代隧道设计、施工必不可少的可及时提供隧道掘进方向前方的地质及含水性情况，进行围岩工程级别划分的先进技术手段，可为设计、施工单位制定设计方案、施工方案和防范措施提供详实可靠的依据。

张家渠隧道围岩主要为细砂岩，岩性单一，强风化，黄色、青灰色，节理层理发育，结合性差，岩质软弱，遇水泥化，V级围岩。基岩裂隙水较发育，接受大气降水及地表水的下渗补给。

根据《铁路隧道超前地质预报技术指南》(铁建设[2008]105号)规定和地质灾害对隧道施工安全的危害程度，张家渠隧道地质复杂程度分级可定为中等复杂，隧道超前地质预报主要采用地质雷达法、地质分析法和红外探测法。

2.1 地质雷达

地质雷达探测是基于电磁波遇到不同反射界面其反射振幅和相位不同来判断前方传播介质的变化，推测前方围岩岩性、构造、风化程度及其含水量的变化。

本次地质探测采用美国SIR-3000型地质雷达和100 MHz天线，为准确掌握浅埋段隧道地层岩性分层情况，更好地预报隧道浅埋段围岩情况，根据现场实际情况，在隧道(GDK72+220～GDK72+350)地表中线附近布置了测线，连续测试。在隧道洞内掌子面前方15 m～30 m设置“井”字形测线。采集参数为：连续测量，每扫描采样数为512，采集时窗为500 ns，采用64次迭加。

超前预报表明：张家渠隧道浅埋段范围内电磁波反射较明显，振幅较大，同向轴错乱，特别是埋深10 m以下。在深度范围内未有明显的反射同向轴，表明岩体介电常数差异较小，围岩岩性变化连续，差异小，推测隧道里程GDK72+320～GDK72+270范围围岩主要为全～强风化细砂岩，岩质软弱，节理裂隙发育，破碎，完整性差，见图1。

根据预报结果建议施工过程：坚持短进尺，弱爆破或者不爆破，同时必须提高超前支护能力，开挖后及时施作支护及锚喷，确保喷层质量和锁脚锚管施工质量，杜绝虚焊。开挖过程预防拱顶掉块和局部坍塌，必要时改变施工工法，确保安全。

2.2 红外探水

红外探测是根据红外辐射原理，即一切物质都在向外辐射红外电磁波的原理，通过接收和分析红外辐射信号进行超前预报的一种物探方法。红外探测适用于定性判断隧道前方有无水体存在及其方位，但其不能定量给出水量大小等参数。

本次探测采用HW-304型红外探测仪，沿隧道掘进方向在初期支护上左右边墙、左右拱腰、拱顶和仰拱布置6条探测线，同时在掌子面水平布置4条测线，探测每个测点的场强值。红外探测表明：掌子面测点中最大场强和最小场强的能量差为9<10，不存在含水构造体；初期支护红外探测曲线斜率随掘进掌子面的推进基本不变，可以推断前方不存在含水构造体。因此结合掌子面地质调查，可以推定：张家渠隧道浅埋段范围内不存在大含水构造体，但由于施工过程处于鄂尔多斯高原雨季，受大气降水及地表水的下渗补给影响，基岩裂隙水较发育。

2.3 地质探孔

在GDK72+340隧道拱顶位置人工挖直径1 m的探孔，校核地质雷达预报成果，探孔表明隧道上伏基岩为强～全风化细砂岩，层理发育，薄～中层状，直立性好，未见发育基岩裂隙水，与地质雷达和红外探水超前预报成果一致。同时该探孔可以兼做隧道施工通风、排水孔。

3 设计方案

3.1 原设计方案

张家渠隧道为单线隧道，围岩整体性较好，仅局部发育裂隙水，根据前期设计勘察阶段地质调查情况，设计浅埋段施工采用上下短台阶法。按Ⅴ级围岩复合式加强衬砌断面设计，初期支护参数为：Ⅰ16型钢拱架支护，间距80 cm/榀，喷射混凝土(C25)厚度23 cm，单层钢筋网片(φ8，间距20 cm×20 cm)，拱部系统锚杆采用φ25中空注浆锚杆,边墙φ22砂浆锚杆,L=3 m(环1.2 m×纵1.0 m)，超前支护采用φ42×3.5 mm双层小导管，L=4.5 m，环向间距为25 cm,纵向水平投影搭接长度不小于150 cm，外插角为40°和10°交错布置。二衬厚度40 cm，C35钢筋混凝土结构。

3.2 设计变更

在隧道开挖即将进入浅埋段(GDK72+358，埋深约13 m)时，施工期间连续降雨，致使隧道洞内出现大量渗漏水，掌子面土体受水影响变得泥化，岩质软化较严重。经业主、设计、监理、施工单位现场联合调查，认为浅埋段施工正值雨季，虽土体本身不存在含水构造体，但受降雨影响，地表水下渗严重，造成隧道掌子面及初支渗水严重，有坍塌、冒顶等安全隐患，因此将原设计浅埋段GDK72+250～GDK72+320段钢架间距由0.8 m调整为0.6 m，并随之将锚杆间距调整为环1.2 m×纵0.8 m，锁脚位置增加1组砂浆锚杆，同时在隧道浅埋段地表作防排水处理。

4 施工方案

隧道浅埋段施工时间在7月～9月份，根据鄂尔多斯地区的气象特征降雨多集中在7月，8月，日最大降水量为284.2 mm。地下水类型为基岩孔隙、裂隙水，主要含水地层为基岩风化层，地下水主要储存于岩石孔隙及裂隙内。

张家渠隧道在GDK72+255～GDK72+320浅埋段内有三条不规则冲沟，顺线路方向地形为左低右高，为避免雨季雨水下渗，软化围岩破坏围岩和支护的稳定性，将隧道浅埋段地表顺线路中心左右各25 m内土体进行整平，使其形成1条较大的“U”形冲沟，将多余土方外运至隧道出口弃碴场。在“U”形冲沟表面施作20 cm厚C15混凝土保护层(长65 m，宽50 m)，并在四周施作0.3 m×0.6 m混凝土垂裙，防止水流冲刷铺砌底部，使冲沟汇水能够快速通过混凝土面排向冲沟下游，减少汇水对地表的冲刷及渗透。

为保证安全顺利通过浅埋段，施工前根据超前预报和既有监控量测成果确定浅埋段施工方案，严格执行“管超前、短开挖、严注浆、不爆破、强支护、勤量测、早封闭、快衬砌”的施工原则，掌子面开挖停止爆破，改用机械开挖方式进行，上台阶单榀掘进，边墙每循环开挖进尺不大于2榀，严格控制开挖进尺速度。采用双层超前小导管，严格注浆，确保预加固效果及作用。另，隧道开挖完成后初期支护及时施作并封闭成环，严格控制安全步距，仰拱每循环不大于3 m，浅埋段仰拱封闭位置距离掌子面不大于20 m，二衬距离掌子面不大于50 m。严格控制每道施工工序，加强各工序间的衔接保证施工安全、质量。

为防止渗漏水将围岩浸泡软化，在施工完仰拱的部位靠近边墙一侧预留积水井，将掌子面渗水及时引排至积水井后排出，对于边墙的出水点在初支喷射混凝土时预埋排水管进行引排。并在洞内储备抽水设备，以防抽水设备损坏时能够及时更换，保证掌子面围岩及初支底部无积水，确保安全。

5 监控量测

张家渠隧道洞身岩体属极软岩，Ⅴ级围岩，而且浅埋段施工时间正值雨季，施工过程极易产生掉块、塌方甚至冒顶事故。因此在隧道浅埋段的施工进程中，须加强隧道监控量测，对可能出现的失稳、冒顶、大变形等安全事故及时进行预警，提供及时、可靠的信息用以评定浅埋段施工期间围岩和支护结构的稳定性、安全性，避免事故的发生。监控量测的重点内容为：1)根据隧道开挖情况紧跟开挖面埋设测点；2)重点对上台阶水平收敛测线和拱顶下沉进行重点量测；3)密切关注监测断面相对应的下台阶及仰拱开挖对收敛和拱顶下沉的影响。

5.1 监控量测项目及测点布置

5.1.1洞内、外观察

浅埋段施工过程中洞内观察分成开挖工作面观察和已施工地段观察两部分进行。初期支护施工完成后要及时对喷射混凝土的表面裂缝及其发展情况、支护渗水及变形情况进行观察和记录。洞外观察重点记录地表开裂、地表变形、地表水渗漏情况等。

5.1.2周边收敛

周边收敛与拱顶下沉及地表沉降布置在同一断面。每个台阶布设1条测线。

5.1.3拱顶下沉

拱顶下沉量测主要用于确认围岩和初期支护的稳定性，拱顶下沉量测在开挖后尽早进行，每个量测断面设置1个量测点，初读数在开挖12 h内取得，最迟不得大于24 h且在下一循环开挖前读取。

5.1.4地表沉降

地表沉降量测断面与隧道中心线垂直，将沉降监测中心测点设在隧道中线对应的地表位置，其他测点以隧道中线为轴对称分布，测点间距由中心测点开始至距隧道中线最远一点由密至疏(按2 m～5 m原则)布置。W(测点宽度范围)=B(隧道开挖宽度)+H/2(隧道埋深的一半)。

5.2 监控量测周期

监控量测按照《关于进一步明确软弱围岩及不良地质铁路隧道设计施工有关技术规定的通知》(铁建设[2010]120号)要求，软弱围岩隧道每隔5 m设置一个监控量测断面，量测频率按照TB 10121—2007铁路隧道监控量测技术规程规定执行。量测中严格执行既定的位移管理等级、信息反馈和报告制度。

5.3 隧道稳定性判别标准

根据规范和设计文件确定隧道稳定性判别标准。

1)实测最大值或回归预测值最大值应不大于允许值或设计最大值，根据设计文件Ⅴ级、Ⅵ级围岩预留变形量为8 cm～12 cm。2)根据位移速率判别：当周边位移速率小于0.10 mm/d～0.20 mm/d时或拱顶下沉速率小于0.07 mm/d～0.15 mm/d时，则认为围岩位移达到基本稳定；当周边位移或拱顶下沉速率大于1.0 mm/d时，表明位移不稳定，应加强观测；当周边位移或拱顶下沉速率大于5.0 mm/d时，围岩处于急剧变化状态，应报警，进行加固[1]。

5.4 监控监测方法

为提高量测效率，减少对施工的干扰，周边位移和拱顶下沉监测采用全站仪非接触量测方法，在测点位置粘贴反光片，测量中强光手电配合全站仪快速捕捉测点目标。周边收敛采用对边测量模式，每次记录对边长度，相减后获得周边收敛值。拱顶下沉随隧道开挖进洞，在洞内不断引入后视点，后视点一般设置在仰拱上，定期与洞外绝对高程点校核。测量时采用绝对高程测量方法，通过比较测点绝对高程的变化，确定拱顶下沉值。比较断面实测绝对高程和设计初支轮廓线测点位置的绝对高程，可以确定该断面是否侵陷。

5.5 监控量测结果

监测表明：浅埋段施工中上台阶L1测线累计收敛值为-16.50 mm～-44.75 mm，下台阶L2测线累计收敛值为-3.90 mm～-22.90 mm，其中GDK72+330(L1)测线收敛速度最大为-2.94 mm/d，GDK72+330(L1)测线累计收敛值最大为-44.75 mm。拱顶下沉累计值为-10.4 mm～-37.0 mm，其中GDK72+315断面拱顶下沉速度最大为-2.64 mm/d，GDK72+315断面累计下沉值最大为-37.0 mm。地表下沉累计值为-13.2 mm～-40.3 mm，其中GDK72+300断面中桩D4点下沉速度最大为-1.63 mm/d，GDK72+280断面中桩D4点累计下沉值最大为-40.3 mm，量测数据累计值和变形速率未超过规范允许值。监控量测中发现，掌子面区域和下台阶开挖阶段周边收敛数据变化大，但随着仰拱闭合初期支护成环后，量测数据变化又显著减小，图2为GDK72+300断面量测数据随时间变化曲线和速度值曲线，可以明显看出上下台阶开挖过程累计值—时间曲线斜率变化大，累计值增长快，速度—时间变化曲线量测速度均超过-1.00 mm/d，由此可见施工过程必须坚持短进尺及仰拱及时闭合的原则，同时应确保锁脚锚管施工质量达到设计要求。

洞内、外观察表明：初期支护和地表未发现结构性裂缝。

6 结语

塔然高勒矿区配套铁路运煤专用线(塔韩铁路)张家渠隧道浅埋段，围岩软弱、遇水泥化、施工风险等级高，施工前超前预报围岩情况，并根据施工季节及现场情况及时调整设计，预先对地表进行加固处理，施工中根据既定的施工方案严格施工，缩小钢架间距，严控安全步距，将超前预报和监控量测纳入整个施工管理全过程，大大降低了浅埋段隧道施工安全风险，有力地保障了隧道施工的安全和质量。

[1] TB 10121—2007,铁路隧道监控量测技术规程[S].