铁路浅埋偏压隧道护拱法技术研究

候金鹏

(中铁十八局集团 市政工程有限公司,天津 300222）

1 引言

修建铁路隧道时经常遇到浅埋、偏压等特殊地段。在遇到类似工程情况时，及时选取合理、经济、有效的解决方案至关重要。

2 案例分析

2.1 工程概况

玉磨铁路某隧道纵断面见图1。该隧道为标段重难点工程，起讫里程为DK261+615～DK265+085。本隧道为双线隧道，隧道全长3470m，其中Ⅲ级围岩193m，Ⅳ级围岩1187m，Ⅴ级围岩2046m，隧道设进口、出口2个施工单元，2个工作面。

图1 隧道纵断面图

洞身穿越白垩系下统曼岗组（K1m）砂岩、泥岩、砾岩，强风化，以软质岩为主，地质构造较发育，受区域性构造影响，节理裂隙发育，岩体较破碎，围岩稳定性较差，为Ⅴ级围岩。该段属于浅埋段，拱顶以上埋深7～10m。隧区属中山地貌，山间浅沟发育，地形波状起伏，地面高程1280～1480m，最大高差200m，自然横坡15°～45°，进出口边坡较陡。丘坡上覆土层较薄，基岩部分裸露，植被茂密。

隧区上覆第四系全新统人工填土层（Q[4](ml)）碎石土、滑坡堆积层（Q[4](del)）、坡洪积层（Q[4](dl+pl)）、坡残积层（Q[4](dl+el)）粉质黏土，下伏基岩为白垩系下统曼岗组（K[1]m）砂岩、泥岩、砾岩、景星组（K[1]j）泥岩夹粉砂岩、石英砂岩及断层角砾（Fbr）。

隧区位于青藏滇缅印尼“歹”字型构造中段的东支哀劳山西侧及永平-思茅槽地的东南部，构造行迹属于经向构造体系。段内构造发育，发育有正兴向斜、白庙断层。受构造影响，隧区岩石节理发育，岩体破碎，牵引褶曲较发育，产状变化较大。隧区内地表水主要为地表季节性沟水，均属澜沧江水系，由大气降水补给，流量受季节控制明显，雨季水量较大，旱季相对较小。

该隧道DK265+045～DK265+085段为浅埋偏压段，衬砌顶部露出地表最大值约为5m，属于“地形偏压”；详见图2。

图2 浅埋段埋深最浅（DK265+080）横断面图

2.2 方案比选

对于浅埋偏压隧道，目前国内外对偏压边坡的加固处理方法较多，常见处理方法有:削坡减载法、护拱法、回填反压法、地表注浆法、设置抗滑桩、预应力锚杆和混凝土挡墙等，本隧道“地形偏压”段原设计采用6%水泥土回填反压，暗洞法施工，线路左侧高边坡采用锚索加固防护[1]。

通过对施工安全风险、工期、环境影响及费用进行对比分析，削坡减载法及地表注浆法安全风险较大，而抗滑桩及挡墙加固措施不仅成本较高，且施工难度大，所以均不适合[2]；进一步对护拱法（回填反压及锚索加固辅助）与水泥土反压回填法（锚索加固辅助）作对比分析，最终确定采用“护拱法（回填反压及锚索加固辅助）+三台阶临时仰拱”的解决方案，见图3。

图3 护拱法（回填反压及锚索加固辅助）+三台阶临时仰拱防护方案图

2.3 护拱方案

护拱段施工工序：施工准备→地表清理、截水沟施工→拱脚地基夯实→护拱施工→护拱段隧道开挖、初支施工→仰拱、二衬施工[3]。

（1）护拱厚60cm，采用C30混凝土；在护拱内侧设I18工字钢，保护层厚5cm，钢架间距1m/榀，纵向利用Φ22钢筋连接，环向间距80cm；两侧护拱基础为C35钢筋混凝土扩大基础（宽1m，厚30cm），并采用2m长Φ22砂浆锚杆（按0.5×0.5m的梅花型布设）将其锚入基岩。护拱横断面图见图4。

图4 护拱横断面图（长度/cm）

（2）护拱基础地基承载力[4]不小于500kPa。

（3）施工作业期间加强边仰坡的监控，每日测量不少于2次；

（4）边仰坡防护及排水措施按照设计先行施工完成。

2.4 护拱方案的实施

依据设计坡率对边坡定位放线，由上至下开挖，并施作锚网喷临时防护。开挖至护拱拱脚扩大基础平面后，按设计要求对线路左侧边坡施作锚索防护，锚索为3φl5.24mm，长18m，按3×3m的梅花型布设，及时进行锚墩施工并张拉锚索，锚索设计吨位40OKN[5]，见图5。

图5 锚索图

2.4.1 护拱施工

（1）在护拱范围进行初支施工，采用I22钢架，间距0.6m/榀，纵向Φ22钢筋连接，在每榀钢架的拱脚位置布设2根φ42mm×3.5mm×4m的无缝钢管进行锁脚，喷射28cm厚的初支混凝土，见图6。

图6 浅埋段初支图（钢架及喷砼）

（2）护拱外模骨架钢架施工时（I18工字钢，间距1m/榀），拱脚落于扩大基础上，钢架由Φ22钢筋纵向连接牢固，钢筋环向间距80cm；施作护拱外模环向骨架钢筋，铺设木模板;分两段浇筑DK265+045～DK265+085段护拱（60cm厚C30混凝土，保护层厚5cm）。

2.4.2 护拱段开挖、二次衬砌及时施作

护拱段隧道采用“三台阶+临时仰拱法”开挖及支护[6]，施工步序图见图7，开挖断面见图8。严格执行“弱爆破，短进尺，强支护,早封闭，勤量测”的原则；及时施作二次衬砌，拱墙及仰拱分别采用65cm、70cm的C35钢筋混凝土浇筑。

2.4.3 回填及地表处理

（1）护拱衬砌外表面涂刷2mm厚水泥基渗透结晶涂料，之后施工5cm水泥砂浆保护层[7]；

（2）施作护拱段排水体系（布设纵横向波纹管，施作无砂混凝土反滤层），之后采用改良土分层回填及夯实（回填至拱顶以上100cm）,人工夯实每层厚度不大于25cm，机械夯实每层厚度不大于30cm；在回填面表层设置50cm的粘土隔水层，由线路左侧向线路右侧设置斜向排水坡；

（3）施作钢筋混凝土排水沟，顺接至原冲沟。

2.4.4 监控量测

按设计及规范要求，对浅埋段洞内外进行监控量测，该段洞内每3m设置一个监测断面，每个断面布设7个相邻间距为3m的监测点；洞口地表部位设置5个环向监测断面，断面相距3m，每个断面布设7个相邻间距为2m的观测点[8]。

监测工作从正洞开挖到该段二次衬砌施工完成为止，其中沉降最显著的监测点位于DK265+080的位置，其日沉降最大值为3mm,累计最大沉降值为35mm,对应沉降散点布置图见图11；在施工过程中，该浅埋段无预警情况发生。

图7 三台阶临时仰拱法施工步骤图

图8 三台阶临时仰拱开挖断面图

图9 累计沉降值-量测时间散点线图

3 结语

(1)隧道浅埋段已顺利完成二次衬砌，隧道监控量测数据正常，实践证明，采用“护拱法”处理“地形偏压”是可行的；

(2)该段护拱发挥的功能有：防落石；防冲沟流水渗入到隧道洞内；与边坡锚索配合抵抗围岩偏压；节约施工时间，加快施工进度；

(3)虽然护拱技术在理论上能够抵抗偏压，但可能由于拱脚扩大基础的尺寸或布设位置不到位，导致其丧失此功能，并且也可能引起在正洞暗挖过程中，因护拱拱脚脱空致使护拱倾覆的情况发生，所以护拱技术特别是护拱基础工艺仍需根据实际工程状况进一步完善。