铁路隧道浅埋松散地层出洞施工技术探讨

沈琦

（中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，四川成都 611130）

1 依托工程背景

1.1 工程概况

浩吉铁路（项目名称为蒙华铁路），为国家“北煤南运”新的战略大通道，全长1813.5 公里。新建浩吉铁路土建工程18 标段位于河南省南阳市境内，正线长度为49.787km。浩吉铁路土建工程18 标段方山1 号隧道长1135m，隧道采用单洞双线形式，内设置4.9‰单面上坡。隧道以剥蚀丘陵为主，相对高差80～160m 左右，隧道最大埋深165m，大部分基岩裸露，局部地段有残破积土层分布。

1.2 主要地质情况及病害

方山1 号隧道出口段表层为第四系残坡积层，粉质黏土,棕黄色～棕红色，含少量碎石，硬塑，厚0～1.0m。下伏Z1 变凝灰岩、绿泥片岩，灰绿色，中厚层状，岩质较软，强风化～弱风化，岩体破碎～较破碎。

方山1 号隧道出口段地表岩溶中等发育，受到降雨长期侵蚀作用，出口段边坡形成了岩石与松散土层（残坡积层）的交接面，抵抗变形能力差，隧道开挖施工扰动后，在自重的作用下易发生脱落、透顶，严重时造成初期支护严重变形，侵入二衬施工界限的情况。

1.3 亟待解决的施工难题

在此技术背景下，针对方山1 号隧道浅埋松散地层的出洞施工，亟待解决两大施工问题：

（1）如何选择围岩支护衬砌类型，确保隧道结构稳定，

（2）采用何种方案处理浅埋松散地层，确保隧道安全出洞。

2 施工中遇到问题及过程处理措施

2.1 出口段支护类型加强措施

方山1 号隧道距离洞口0～25 米隧道埋深为0～13m，距离洞口0～15 米为松散残坡堆积体，距离洞口15～45 米地表溶槽发育。

根据超前地质预报情况和现场踏勘实际情况，对出口段围岩级别和衬砌类型进行了提前的预判和调整，具体调整情况见表1。

表1 方山1 号隧道进口K0+0～+45 段变更情况

2.2 开挖过程中初支开裂变形情况

方山1 号隧道在距离洞口19～35 米时开挖过程中，受到出口段边坡松散体的影响，开挖段和已经支护段围岩稳定性开始逐渐变化，并且日趋严重，主要变化表述见表2。

表2 方山1 隧道出口段开挖过程中初支变化情况统计表

2.3 红色预警出现情况

方山1 号隧道在中台阶距离洞口19-18 米时开挖过程中，监控量测数据出现红色预警情况，数据统计见表3。

表3 方山1 号隧道出口段监控量测情况表

监控测量数据出现红色预警后，方山1 号隧道内也出现了严重的次生病害，具体病害情况说明如下：

（1）线路右侧岩土从距离洞口16 米位置向大里程发生局部滑落；

（2）距离洞口15～20 米的洞顶地表土沿岩性分界线发生开裂沉陷；

（3）距离出洞口15 米的位置已喷护的边坡表层连带滑塌；

（4）距离洞口27～15 范围尚未封闭成环段右侧及拱顶拱架整体下沉变形。

2.4 红色预警处理情况

方山1 号隧道出现红色预警出现后，立即暂停所有开挖作业，对线路右侧已开挖的中台阶进行了堆渣反压，并对距离洞口15～20 米范围右侧上中台阶接头处开展注浆加固处理。

采取加固措施后，监控量测值逐渐趋于稳定，初支变形得到有效控制。此时，经测量复核断面，方山1 号隧道距离洞口15～33 米范围发生变形较大、初支侵限严重，距离洞口15～27米实测初支断面侵限情况见表4。

表4 方山1 号隧道进口段实测初支断面侵限情况

3 出洞方案研究与实施

由于方山1 号隧道红色预警的出现，导致隧道距离洞口位置15 米时提前出洞，导致原设计方案无法实施。经过各参与方的研究，提出了拱部采用“暗洞明做”施工方案。即清除表层松散体后，在明洞的情况下施工格栅钢架、喷射混凝土等初期支护措施，同时辅助其他措施加强拱部稳定性。拱部“暗洞明做”施工完成后，再进行初支严重侵限部位的换拱施工，二衬施工完成后回填表土后成洞。

3.1“暗洞明做”施工方案

“暗洞明做”施工方案具体说明如下：

（1）K0+27～+15 段，中台阶、下台阶部位增加临时横撑，横撑采用φ159 钢管；线路左、右侧拱墙部位（格栅钢支撑A 单元拱脚向上2m 范围以下）进行径向注浆加固，采用Φ42 钢花管，注浆深度5m。

（2）K0+15～+0 段，上台阶部位增加临时仰拱，并与A 单元钢架焊接竖向增加横3 排竖撑，支撑均采用φ159 钢管；钢架外侧浇筑素混凝土回填，对外露边仰坡进行防护，防护厚度不小于1.0m，坡度1:1～1：2，混凝土标号采用C15。

具体施工方案见图1。

施工后的效果见图2。

3.2 实施期间监控量测情况

施工期间，距离洞口13 米、18 米的两个监测点出现了日变化量3.91mm、4.74mm，达到黄色预警值。预警发生时，现场正在对K0+15 右侧边墙进行径向注浆加固处理，预警原因分析为：“由于该段埋深较浅，围岩风化严重，结构松散、空隙率较大，在注入较多浆液后（约12m3），初支背后岩体自重增加，受径向注浆施压（设计1～1.5Mpa）共同作用，初支受力加大发生收敛变形，造成预警”。

图1“暗洞明做”施工方案示意图（图片版）

图2“暗洞明做”施工方案效果图

预警发生后，现场立即暂缓了径向注浆，对K0+27～+15 段回填洞碴并开展施做临时仰拱等上述其它加固措施，最后再进行注浆，并采取了“间歇注浆，线路左右侧注浆间隔交替进行，同时严格控制单孔注入量，并在注入率较大时降低注浆压力”措施。采取措施后，现场施工期间，该段监控量测值变化减小，日变化量和累计变化量未再超过预警值。

3.3 侵限部位换拱施工方案

现场将按照三台阶临时仰拱法施工工序，严格控制开挖进尺和台阶步距，做到每循环开挖不超过1 榀钢架距离，逐榀施做下部临时仰拱或仰拱封闭成环后，再逐榀拆除上部临时仰拱，并根据施工进度同步开展径向注浆工作。

待进口段开挖、初支及注浆加固全部施工完毕后，先施做仰拱混凝土，在最大限度确保围岩稳定和隧道结构安全前提下，再进行侵限严重段的换拱施工。

施工过程中，加强监控量测和观察工作，当监控量测数据出现异常时，及时采取应急措施。

4 结论

浩吉铁路方山1 号隧道出口段45 米范围内，埋深0～13m，受到岩溶地表水长期侵蚀影响，隧道到岩石与松散岩体分界线明显，形成了软弱互层。松散岩体由于自稳能力能力差，自重、地应力等直接施加于隧道初期支护，造成了隧道局部初期支护严重变形，初期支护侵入二衬限界，发生了多次监控量测红色预警。针对实际地质情况，首先提出了支护类型加强的方案，当松散覆盖层小于5 米时，提出了“暗洞明做”的施工方案，取得了良好的效果，处理完成后，支护结构稳定，监控量测数据未出现超限。目前浩吉铁路已经开通，通过运营情况来看，处理效果良好，形成的隧道浅埋松散地层出洞施工技术对国内外类似工程施工有着重要的指导意义。