浅埋偏压红砂岩隧道洞口施工技术

赵洪强

新建蒙华铁路MHTJ-4标位于陕北毛乌素沙漠和黄土高原过渡区，地形地貌以边缘沙漠和侵蚀性梁峁沟谷地貌为主，“V”字型冲沟发育，呈树枝状分布，支离破碎，地形较为复杂。大部分隧道洞口位于冲沟两侧，地形陡峭，场地狭小，洞口多有砂质新黄土或全风化砂岩覆盖，部分黄土覆盖层深达隧底20m以下。

浅埋砂质新黄土、砂层隧道施工稍有扰动极易发生溜塌，结构破坏后对洞内初支压力增大，造成较大变形；偏压砂质新黄土、砂层隧道施工扰动后极易发生横向溜塌，对初支产生较大侧向压力，改变拱架受力形式；部分砂质新黄土隧道洞口浅埋、偏压同时存在。因此，如何减少施工扰动，维持围岩自稳，控制沉降变形，杜绝发生溜塌，保证洞口安全是浅埋、偏压砂质新黄土隧道进出洞施工的最大难题。

1 工程概况

薛家畔1号隧道进口段位于“牛鼻子”山脊中，洞顶最大覆盖层厚度17m，拱腰最小覆盖层厚度6m，属于超浅埋隧道。进口处及仰坡上覆砂质新黄土，下伏白垩系砂岩。砂质新黄土，具湿陷性，属中等湿陷性黄土。砂岩，紫红色，全风化，原岩结构已破坏，呈角砾松散状结构，自稳能力差。原工法为三台阶大拱脚临时仰拱法，上导开挖后揭示围岩为散体状结构的砂质新黄土，多数为破碎带强风化构造，自稳能力极差，开挖后出现溜塌、涌砂现象。

施工过程中，地表伴随着出现纵横向裂缝，裂缝超前掌子面20m左右。完成初期支护段裂缝较大，数量较多，横缝间距约1～2m，最大的横缝上部基本贯通，宽10cm左右；纵向缝数量较少，基本伴随隧道中线，集中在隧道两侧边坡部位。裂缝封闭，初支成环后，裂缝基本稳定。

2 主要采取的技术措施

管棚：洞口超前支护采用φ108长管棚，长40m，一次施做，环向间距40cm，倾角 0～3°。

密排小导管：拱墙范围施作φ42mm密排小导管，长3.5m，环向间距20cm，纵向搭接不小于 1.0m，外插角 10～15°。

开挖：采用四台阶大拱脚3道临时仰拱法开挖，微台阶工艺，1.5倍洞径成环。

支护：初期支护全环I20a工字钢架，间距0.6m，C25喷射混凝土27cm厚，三台阶均每榀增设I18临时仰拱，上台阶锁脚采用4根长度6mφ42（t-5mm）热轧无缝钢管，中、下台阶采用 4根长度 6mφ76（t-5mm）热轧无缝钢管。全环采用网眼20×20cm的φ8钢筋网。

洞内径向注浆加固：地表有裂缝段洞内拱部采用φ42mm小导管注浆加固，导管采用4.5m、3.5m二种，长短交错布置，间距1.2×1.2m。浆液采用1：1普通水泥浆，注浆压力按0.5MPa控制。

地表注浆加固：地表开裂缝段，先灌浆封闭裂缝，再采用φ42mm小导管注浆固结，小导管长6m，间距1.5×1.5m，浆液采用1：1普通水泥浆，注浆压力按0.5～1.0MPa控制。

3 施工方法

3.1 施工步骤

（1）上台阶弧形导坑开挖，拱部超前支护完成后，完成上台阶闭合，即上台阶临时仰拱。

（2）上台阶封闭成环后，进行中台阶上断面两侧开挖，左右侧错开2～3m，待上台阶与中台阶上断面错开3～5m后，完成中台阶上断面封闭，即中台阶上断面临时仰拱。同时拆除部分上台阶临时仰拱以减轻自重。要求上台阶临时仰拱与中台阶上断面临时仰拱搭接长度不小于两榀拱架间距，确保同一横断面始终处于封闭成环状态。

（3）中台阶上断面封闭成环后，进行中台阶下断面两侧开挖，左右侧错开2～3m，待中台阶上断面与中台阶下断面错开3～5m后，完成中台阶下断面封闭，即中台阶下断面临时仰拱。同时拆除部分中台阶上断面临时仰拱以减轻自重。要求中台阶上断面临时仰拱与中台阶下断面临时仰拱搭接长度不小于两榀拱架间距，确保同一横断面始终处于封闭成环状态。

（4）中台阶下断面封闭成环后，进行下台阶两侧开挖，左右侧错开2～3m，待中台阶下断面与下台阶错开3～5m后，完成下台阶封闭，即仰拱初期支护。同时拆除部分中台阶下断面临时仰拱以减轻自重。要求中台阶下断面临时仰拱与下台阶仰拱搭接长度不小于两榀拱架间距，确保同一横断面始终处于封闭成环状态。

3.2 施工要点

（1）开挖：上台阶一次开挖不超过一榀。

（2）锚杆：边墙采用φ22药包锚杆，长度3.5m，间距环向1.0m×纵向1.0m。

（3）钢筋网：φ8×φ8，间距 20cm×20cm。

（4）钢拱架：钢拱架采用I20a工字钢，纵向间距60cm，拱架连接钢板240×220×14mm，采用4个M27高强螺栓连接，钢拱架之间采用φ22钢筋连接，每根连接筋长0.808m，连接筋纵向连接长度单面焊10d，双面焊5d（d为钢筋直径）。连接钢筋环向间距1m，单排交错布置；拱架安装允许偏差：横向和高程偏差均为+50mm，垂直度偏差为+2°，钢架间距允许偏差为+100mm，钢架保护层厚度允许偏差为-5mm。

（5）临时仰拱：每台阶每1榀钢架施做一道临时仰拱，临时仰拱采用I18工字钢，采用湿喷喷射C25混凝土24cm。

（6）拱部锁脚锚杆采用φ42无缝钢管，壁厚5mm，长度6m，每个拱脚施作四根，斜向下45°，锁脚锚管采用φ22“L”型螺纹钢筋与钢拱架焊接，钢筋与钢拱架翼缘采用双面焊接，焊接饱满、牢固。中台阶与下台阶采用φ76无缝钢管，每个拱脚施作四根斜向下45°，锁脚锚管采用φ22“L”型螺纹钢筋与钢拱架焊接，钢筋与钢拱架翼缘采用双面焊接，焊接饱满、牢固，无缝钢管锁脚锚管注入砂浆，砂浆采用M20水泥砂浆，注浆饱满。

（7）超前小导管为φ42热轧无缝钢管，壁厚3.5mm，环向间距30cm，钢管长3.5m，外插角10～15°，搭接长度≥1.0m，压注水泥浆液。施作范围拱部120°，现场实际施工中由于边墙垮塌现象严重，边墙位置也施作超前小导管。

4 取得效果

通过采取洞内、洞外一系列措施，薛家畔1号隧道进口实现了安全进洞，施工中逐步调整工法，落实两紧跟，快速封闭成环，有效控制了沉降变形。采用洞内、洞外相结合注浆，对围岩进行了固结，增强整体受力性能，有效控制了洞内、地表开裂。

通过方案优化，将浅埋、偏压砂质新黄土隧道进口段原设计三台阶临时仰拱法优化为四台阶三道临时仰拱法，配合洞内围岩注浆及地表注浆加固同步施工，能有效解决了浅埋、偏压且围岩极差环境下的隧道施工问题，大大减小了该段洞内施工安全风险，为隧道顺利进洞以及最终的顺利贯通会起到关键性作用。

薛家畔1号隧道进口进洞施工由于前期对围岩特性认识不足，施工中出现了较大沉降、地表开裂等问题，通过工法调整、注浆得以有效解决。浅埋、偏压不良地质隧道进洞“先加固后进洞”原则非常重要，在今后施工中应引起重视。

这种采用多台阶开挖多临时仰拱支护的隧道施工技术不仅适用于浅埋、偏压且围岩极差环境下的隧道施工，对于一般软弱围岩、或者偏压隧道施工同样适用。

5 经验总结

根据浅埋偏压隧道的施工情况，我认为红砂岩隧道施工主要控制以下几个环节：

（1）开挖过程中，严格控制超挖，欠挖现象，若采用机械开挖，必须预留30～50cm人工进行修整（开挖应尽量避免对岩层的扰动）。

（2）支护过程中拱架紧贴掌子面，开挖完成后应尽快施作锁脚锁死，锁脚锚杆按与水平方向45°角度向下打射，锁脚锚管采用φ22“L”型螺纹钢筋与钢拱架焊接，焊接必须饱满。现场除采用焊接外，还采取钢架中间钻孔，采用φ42无缝钢管穿过钢架，架立在锁脚锚管上，能够更好的控制下沉。

（3）钢架架设之前必须对断面进行检查，及时对欠挖部位进行处理，拱脚和墙角以上1m范围内断面严禁欠挖，清除松动岩块及拱脚松碴，拱脚部位必需垫实。

（4）喷射作业应分段、分片、分层，由下而上按先墙后拱顺序进行，在有钢架喷射混凝土时，保证钢架与壁面之间的混凝土充填密实，先喷射钢架与壁面之间的混凝土，待钢架与壁面之间及钢架周围填满混凝土之后，再喷射钢架之间的混凝土。，避免出现空洞。

（5）现场施工严格把控“三超前、四到位、一加强”，即超前地质预报、超前支护、超前加固；工法选择到位、支护措施到位、快速封闭到位、衬砌质量到位；强化量测。

[1]韩毅，李隽蓬.铁路工程地质.北京：中国铁道出版社，1988.

[2]李永华，王清江.铁路隧道工程施工技术.北京：中国铁道出版社，2014.

[3]赵勇，李国良，喻渝.黄土隧道工程.北京：中国铁道出版社，2011.