浅埋风积砂质新黄土隧道零开挖进洞技术

张卫国

（中铁十七局集团第三工程有限公司，山西 太原 030000）

隧道工程是铁路、公路设计中广泛采用的一种结构形式，地形、地貌、地质情况是影响隧道施工的重要因素。在陕西、山西、甘肃、宁夏等黄土普遍分布区域，隧道洞口存在浅埋、偏压、溜塌、陷穴等特殊黄土地质，进洞施工是一项关键控制性工程。传统方法采用套拱加大管棚的进洞方法，该方法工期长、造价高、对周边环境破坏大[1]。随着隧道建造技术不断发展，进洞方案不断优化，文章通过研究现场地形地貌地质，提出一种零开挖超前小导管进洞方案，实施效果良好，是大管棚进洞的一种较好的替代方案。

1 工程概况

浩吉铁路是国家北煤南运的战略大通道，全长1814km，银山3号隧道位于陕西省安塞县，全长426.73m，单洞双线隧道，最大埋深67.70m，由进口单口掘进。

隧址区地形受地台抬升及黄土高原水流向源侵蚀的影响，下切作用明显，呈V字型冲沟发育，为典型的黄土高原侵蚀性梁峁沟谷地貌。进口段埋深为1.5～15.5m，属超浅埋隧道[2]。进口为第四系上更新统风积砂质新黄土，浅黄色，以粉粒为主，含少量白色菌丝与姜石，具多孔性、垂直节理发育、层理不明显、透水性强、湿陷性等特点，是非饱和的欠压密土，洞口浅埋段受风化节理、滑塌节理、湿陷节理、卸荷节理、原生节理等影响，形成渗水通道，导致黄土围岩软化，结构破坏，强度大幅下降至丧失，极大影响隧道安全施工和围岩稳定[2]。为避免施工引起洞口地质灾害，零开挖、不扰动是洞口施工的重要原则。

2 超前小导管进洞设计方案

经过对现场地形地貌地质的研究，杜绝施工扰动边仰坡，按“早进晚出”“零开挖”的原则，确定采用超前小导管进洞方案代替原设计大管棚（φ108）进洞方案，进洞里程向洞外方向移动5m，实现“零仰坡开挖”“早5m进洞”。

进洞方案：采用φ42×3.5mm超前长导管加密排小导管预支护，上层超前长导管，拱部120°施作，长6m，环向间距40cm，每环31根，纵向每6榀钢架设一环。下层超前密排小导管，拱部150°施作，长4m，环向间距20cm,每环83根，纵向每2榀钢架设一环。首环导管采用双层型钢格栅做为导向架，以后均为单层型钢格栅。每循环长3.6m，共设计11个循环完成进洞施工转入洞身施工，导管用1∶1水泥浆液注浆。

洞身方案：洞口段40m采用Ⅴb（土）复合式衬砌，初期支护I20a钢架，间距60cm，钢架间钢筋连接，C25喷射混凝土厚度27cm，拱架拱脚每处施作2根4m长φ42（t=5mm）锁脚锚管。全环设置φ8@20×20cm钢筋网。仰拱、二衬为C40钢筋混凝土，厚度均为50cm。

3 超前小导管进洞施工方案

3.1 总体施工顺序

边仰坡整理→截水沟施工→型钢导向架支立→上层长导管安装、注浆→下层密排小导管安装、注浆→按微台阶工法逐榀开挖、支护→洞口锁口圈。

3.2 总体施工方案

采用“零开挖”“早进洞”方法，对边仰坡稍做修整即进行超前小导管施工，然后用微台阶工法进行洞身施工，加强洞内、外监控量测，做好超前地质预报。黄土隧道开挖后时空效应十分明显，承载拱维持时间较短，必须快挖快支，尽量减少围岩暴露时间。

采用人工对边仰坡陷穴、小冲沟进行平整、回填，保证排水顺畅、不积水。洞顶截水沟人工开挖，立模浇筑混凝土，将水向两侧自然沟渠引排。双层型钢导向支架采用机械开挖基础，挖机配合人工支立钢架，用钢筋临时固定。风枪钻孔进行长导管和小导管安装或采用风枪直接送管安装，用注浆泵对导管进行注浆。

洞身采用微台阶工法进行洞内逐榀开挖、支护，上、中、下台阶高度分别为4.14m、3.4m、3.7m，台阶总长度控制在15m（不超过2倍洞径），人工配合机械开挖，自卸车配合装载机出碴。预留沉降量结合施工经验先按40cm控制，根据监控量测数据及时进行调整。格栅钢架人工分段支立，锁脚锚管用风枪钻孔安装，喷射混凝土采用湿喷机械手施工。

3.3 主要工序施工工艺及方法

（1）洞口临时防护。避免洞口开挖造成边仰坡失稳，洞口段施工以少刷或不刷仰坡为原则，超前支护施工前对明暗交界处直立掌子面进行喷锚支护，采用4m长φ22砂浆锚杆，间距1.5m×1.5m，梅花型布置；C25喷混凝土厚15cm，采用φ8@25×25cm钢筋网，钢筋网片在加工厂制作，现场安装。锚杆采用风枪钻孔施工，网片焊接于锚杆尾部，网片搭接不小于一个网格间距，喷射混凝土采湿喷机械手自下而上，分段分片分层逐步完成。

（2）洞口超前支护。采用φ42（t=3.5mm）的钢花管作为超胶前支护，在已完成临时防护的明暗交界处支立钢架，施作超前支护。在DK266+210处施工双层I20a钢架，上层钢架作为导向架，下层钢架为初支钢架，钢架位置采用全站仪定位，两层钢架间距离为100mm。上层导向钢架腹板处割孔，对应安装φ42×3.5mm的长导管，外插角约15°，导向架施作完成后立即施作初支钢架，在导向架与初支刚架之间施作密排小导管，外插角约10°。钢架和超前导管施工完成后采用C25喷射混凝土封闭，导管焊接止浆阀，采用注浆泵注1∶1水泥浆液，压力为0.5～1.0MPa，注浆由两边向中间隔孔进行。

（3）洞身微台阶施工工艺。开挖采用微台阶工法，上台阶长5～7m，中台阶长5～8m，上台阶预留核心土，中台阶设临时仰拱。人工配合机械进行开挖。微台阶施工必须做到“两紧跟”，即钢架紧跟掌子面，仰拱初支封闭紧跟下台阶。上台阶以人工开挖为主，作业人员在核心土上完成断面修整及立架作业，C25喷射混凝土采用湿喷机械手（20m³/h）作业。施工中应重点观测拱顶围岩节理、层理、裂隙发育情况，当出现围岩不稳定，应加强超前支护或设置局部钢架加固方式。中台阶左右交错施工，开挖进尺0.6m。下台阶与仰拱同步开挖、支护，及时形成初支封闭圈。尽快形成不小于1倍洞径的洞口锁口圈，保证洞口稳定。

（4）监控量测方法。采用非接触量测方法，洞身开挖前及时布置地表沉降观测点，每个断面以隧道中心线向两侧每隔2m布点，超出隧道开挖线后按5m间距布点。洞内沉降、收敛观测点断面间距5m，每个断面5个点，分别在拱顶、上中台阶左右拱脚处各布1个点，洞内、外观测点尽量布置在同一断面。做好点位保护，按频率测量。

4 实施效果分析

2016年5月24日—6月30日，38d开挖45m，变形稳定，拱顶最大沉降6.3mm，与大管棚进洞方案对比有较大优势。

（1）技术方面。超前小导管缩短了一次施工长度，由40m减少为6m，导管位置、角度更准确，在技术上比长管棚更容易实现。

（2）经济方面。大管进棚进洞，土方量1457m³，无缝钢管24.75t（1640m），钢筋笼20.12t，合计24.09万元。小导管进洞，基本无土方，无缝钢管30.4t（9148m），合计18.07万元。小导管进洞比大管棚进洞节约费用6.02万元。

（3）安全方面。大管棚进洞由于管棚施工扰动较大，影响边坡稳定，而小导管施工对围岩扰动很小。

（4）工期方面。大管棚进洞开挖土方量大，加上导向墙、管棚钻孔、送管、注浆等，正常施工需21d，而小导管进洞零开挖、工序少、作业简单，仅需5d，节约16d。

（5）环保方面。采用大管棚进洞，边仰坡刷坡面积较大，土方量较多，造成原地貌的破坏，弃碴量增加。小导管零开挖进洞，不破坏原有植被，保护了原地貌，减少弃渣量和临时用地。

银山3号隧道成功实施了零开挖进洞，施工过程安全，各项质量指标检验合格，监控量测量数据均在可控范围，是一种经济、安全、绿色环保的进洞方案。

5 结束语

从银山3号隧道零开挖小导管进洞的成功实施说明该进洞技术方案具有以下特点：

（1）实现了“零开挖”“早进洞”隧道施工理念，保护了环境，避免了大量土方作业，降低了洞口边仰坡失稳的风险，实现了绿色环保施工理念。

（2）小导管代替大管棚，不需导向墙，没有长大钻孔作业，减少了大型设备使用数量，节约了材料，缩短了工期，实现了经济施工理念。

（3）小导管代替大管棚，减少了施工对围岩的扰动，安全更有保障。

（4）采用微台阶开挖工法，实施“两紧跟”和“洞口锁口圈”工艺，钢架及时落底、初支及时封闭，有效控制拱顶下沉和周边收敛，质量安全可控，提高了了工作效率。

大量隧道施工中，真正具备零开挖条件的并不多见，一些隧道往往需要先回填再开挖、先做护拱再开挖、先做前置洞门再开挖，不论那种情况都应遵循“早进晚出”的经济、环保、安全理念[3]。小导管进洞是利用超前小导管，通过注浆对围岩预加固，提高围岩承载能力，形成一定长度的承载环，提供安全进洞空间。适用于浅埋、超浅埋土质隧道和软岩隧道进洞施工。但由于一次加固围岩较短（一般不超过5m），注浆效果不易评价，对开挖进尺、封闭速度、注浆技术水平有较高要求，否则可能会有变形、掉块、塌方等危险，危及施工安全和进度，该项技术在细节还待进一步研究完善。