碳质千枚岩地层铁路隧道进洞施工技术

马育中

（甘肃信达建设工程咨询有限公司，甘肃 兰州 730030）

1 工程概况

新建天水—陇南铁路（简称天陇铁路）的铁路等级为国铁Ⅰ级，设计速度160 km/h，单线，正线全长215 km。杜家沟隧道为天陇铁路先期标，位于陇南市武都区，隧道全长2 046 m，最大埋深271.2 m、最小埋深12.0 m，设计围岩全部为Ⅴ级。

杜家沟隧道地处千枚岩地层，岩石强度低、完整性差、揉皱、节理极发育，千枚岩岩性松软，遇水易泥化、软化，有涨缩性，工程地质较差，开挖后岩体变形量大。该隧道所处岩体抗风化能力差，易风化形成岩屑，产生碎落现象，实测探孔最大水平地应力7.4 MPa，岩石强度与地应力比为0.13，为高地应力软岩大变形隧道，施工过程中地层应力释放快、围岩瞬时变形大；围岩稳定时间长、累计变形量大；围岩支护强度不足导致围岩变形范围不断扩大，以塑流型为主，同一断面支护变形数据差别较大。隧道开挖面易发生坍塌、初支开裂、掉块、初支侵线、二次衬砌厚度不足等施工危害［1-8］。通过对千枚岩地层隧道进洞加固措施的研究，能够更好地控制进洞过程中产生的施工危害，对保障施工安全、施工质量及预防后期病害具有重要意义［9-10］。该隧道软岩大变形段落总长约1 000 m（其中：Ⅰ级段落530 m、Ⅱ级段落210 m、Ⅲ级段落260 m）。设计为一级高风险隧道。

杜家沟隧道地处青藏高原北部龙门山地震带，舟曲—武都逆冲推覆体，围岩扭曲破碎，工程性质差。该地区夏秋季降雨集中、暴雨多发，易引发滑坡、泥石流等灾害。2017、2020 年，甘肃陇南发生2 次暴洪、泥石流地质灾害，造成较大损失。

该项目作为天陇铁路先期开工试验段，以研究软岩大变形高风险隧道工程为目的，开展技术攻关，总结施工工艺，为全线隧道施工积累经验。进洞施工是项目主要技术课题之一。由于项目所在区域地质复杂，受地震灾害影响，周边山体边坡松动、滑坡，道路破坏情况严重（见图1）；加上雨水较多、雨量集中，对隧道进洞施工边仰坡稳定十分不利，需要采取有效措施，保证进洞施工安全和施工期、运营期洞口稳定。

图1 千枚岩地层边坡垮塌

2 方案比选与优化

2.1 设计参数

杜家沟隧道进口设计采用柱式洞门，明洞8.45 m，明暗分界里程DK226+038，暗洞进洞超前支护设计为30 mφ108 m管棚，内插φ42 m超前小导管。初期支护为全断面16工字钢，间距0.8 m。进洞开挖方法为短台阶预留核心土。临时边仰坡采取砂浆锚杆，挂网喷锚。洞口上方设置3道被动防护网。

2.2 前期施工情况

隧道进口连接沟坝河大桥，桥隧相连。进口边坡较陡，约56°，边坡高度>120 m。洞口基岩外露，灰色薄层千枚岩，节理发育，风化程度高。薄层千枚岩层间黏结差，边仰坡及周边岩体松散，扰动后易滑塌。进洞施工地形、地质条件较差。隧道进洞前完成边仰坡刷坡、加固，被动网防护，天沟及排水系统等施工准备，完成导向墙和管棚施工。各项准备工作完成后，正式进洞掘进施工。进洞采取短台阶预留核心土工法，上台阶2.5 m、中台阶3.5 m、下台阶3.0 m，每循环开挖1 榀。上台阶进尺7 m 后，在洞口段开挖导向墙右侧中台阶，进尺1 榀0.8 m，开挖台阶深度3.5 m。开挖后，导向墙底部侧壁岩层开始掉块，侧壁土体坍塌较多，导向墙底部分悬空，现场采用湿喷混凝土将底部坍塌空间填充，及时封闭。前期施工情况示意见图2。

图2 前期施工情况示意图

根据监控数据，12 h 内导向墙顶部沉降85.0 mm；36 h 后稳定，导向墙拱顶累计沉降16.2 cm。仰坡顶部天沟上方缓坡、陡坡交接位置，出现垂直线路方向地表裂纹。因进口沉降预留量25.0 cm，导向墙和已施工初支没有侵限，初支未出现开裂情况。由于洞口出现较大变形沉降，考虑洞口边坡陡、千枚岩地层稳定性差、雨水多等不利条件，为防范和降低施工过程及后期运营期间安全隐患，进行方案调整，停止掘进施工，对洞口进行加固。

2.3 方案优化

根据现场情况，洞顶天沟上方陡坡部分山体稳定性较好，围岩产状主要为竖向，薄层千枚岩结构较紧密。山体前部缓坡，千枚岩产状混乱，风化程度高，靠近陡坡坡脚地表开裂，前端坡体有前倾下滑趋势，主要对前端坡体进行加固。

2.3.1 地表钢管桩注浆加固方案

通过地表打设钢管注浆进行加固（见图3）：

图3 地表钢管桩注浆加固方案

（1）加固宽度。隧道轮廓线外5.0 m。

（2）加固深度。隧道轮廓范围内：至轮廓线外0.5 m；隧道轮廓范围外：加固至仰拱底部。

（3）地表设25 cm喷射混凝土C25止浆层。

（4）注浆采用76 mm 钢花管，尾部1.5 m 不设注浆孔。

2.3.2 钢筋混凝土方桩加固方案

为增加陡坡前端风化千枚岩坡体稳定性，在洞口两侧边坡设置2 m×3 m（横×纵）加固方桩，桩长23 m。右侧2 根，桩顶高程1 117 m；左侧1 根，桩顶高程1 114 m。右侧桩中心里程为DK226+039.5，左侧桩中心里程为DK226+041.5，隧道中心线与左右两侧桩中心距为7.2 m，右侧第2 根桩与第1 根桩中心间距4.0 m。钢筋混凝土加固桩方案见图4。

图4 钢筋混凝土方桩加固方案

2.3.3 方案对比

对以上2种方案进行对比：

（1）地表钢管桩注浆加固方案。根据前期施工情况，千枚岩注浆量较小，注浆加固效果不明显。地表注浆在坡面搭设支架施工，施工相对方便。

（2）钢筋混凝土方桩加固方案。坡体加固受力明确、可靠，需要采取人工挖孔桩施工，如坡面已有变形，有一定施工难度，施工安全措施要求较高。

考虑陇南地区暴雨、地质灾害多发，为确保进洞安全，选择钢筋混凝土方桩加固方案。加固桩采取人工挖孔，采取反压平衡稳定作业面，制定详细的安全专项方案和安全预案，严格按规范作业。

3 加固桩施工

3.1 主要技术参数

加固方桩截面2 m×3 m，桩长最长23 m，桩体为C30 钢筋混凝土，护壁为30 cm 厚C20 钢筋混凝土。锁口总高度为1 m，高处地面50 cm，壁厚50 cm，采用C20钢筋混凝土。护壁结构采用逆作法分节施工，每节1 m，护壁壁厚30 cm，采用C20钢筋混凝土。上2节纵向钢筋搭接长度25 cm。桩身截面为2 m×3 m，采用C30钢筋混凝土。桩身钢筋采用直螺纹套筒连接。每次开挖深度1 m，侧壁土软弱、易塌方适当缩短开挖深度。加固桩配筋示意见图5。

图5 加固桩配筋示意图

3.2 主要施工工艺

（1）施工作业平台填筑。由于洞口坡面较陡，为提供施工工作面，填筑施工作业平台，增加边坡稳定性效果。施工作业平台填筑高度高出挖孔桩桩顶，平台宽度边缘距挖孔桩外侧>3.5 m，材料采用砂砾石土，测量放线从原山体坡脚处逐层填筑密实，采用小型压路机碾压，坡度≤1∶1，确保边坡稳定。边缘安装防护栏杆及警示标志。挖孔桩施工完成后挖除平台至隧道底板标高（非关键工艺）。加固桩施工作业平台示意见图6。

图6 加固桩施工作业平台示意图

（2）锁口施工。测量放样锁口平面，人工开挖锁口基槽，安装锁口模板，浇筑混凝土。

（3）开挖施工。由于桩体地层为软弱破碎状千枚岩（见图7），桩体采用人工风镐配合开挖、电动提升装置出土。挖孔至一定深度，孔内设置12 V 安全电压照明系统。孔深超过5 m 时，应向孔内连续送风、送氧。起吊吊绳采用8 mm 钢丝绳，手动和电动葫芦均应有可靠制动措施。提料时，孔内人员站在防护板下，桩孔开挖连续施工，避免围岩长时间暴露，及时完成护壁混凝土浇筑。开挖过程中，应随时校对桩基中心线，发现偏差应及时纠正。

图7 软弱破碎状千枚岩

从挖孔桩开挖揭示围岩情况，上层2～5 m围岩走向较乱，较松散，下层围岩以竖向千枚岩为主。围岩内部有边坡变形产生的破碎面（见图8）。在反压平台保证边坡整体稳定的前提下，通过减少开挖深度，破碎地段采取每50 cm分层开挖，及时支护，对护壁钢筋进行加密。开挖过程中严格按要求进行监测，保证施工安全。

图8 围岩开裂

（4）护壁施工。护壁采用内齿式护壁，高1 m，厚≥30 cm，采用C20混凝土。开挖过程中，发现侧壁土塌方严重，在上节护壁底部施作临时支撑，保证安全。护壁模板采用竹胶板，加型钢肋板，保证足够承载力和刚度。加固完成后，浇筑护壁、振捣密实。为提高护壁早期强度，混凝土掺加早强剂。当护壁混凝土强度达到70%设计值，进行下一层护壁开挖。

（5）挖孔桩桩身钢筋安装。钢筋笼质量较大，如按每节长5 m、质量2.2 t，受场地限制，吊车吊桩非常困难，根据施工规范，采取孔内绑扎方式。在孔口上方加工龙门架，先在桩基四角安装吊筋，下放箍筋，从下至上绑扎箍筋，箍筋绑扎达到1节主筋长度（9 m），在卷扬机配合下放安装主筋，绑扎主筋和箍筋形成整体。继续绑扎箍筋，下放安装主筋，循环完成钢筋绑扎。钢筋每根长9 m，用卷扬机送料入孔，孔内工人逐根连接安装。钢筋机械连接接头应符合JGJ 107—2010《钢筋机械连接技术规程》规定，并按要求进行质量检查。

4 导向墙加固

为防止导向墙进一步前移，在导向墙两侧正面各设2根φ1 m钻孔桩，单侧2根桩平行于线路布置，2根桩之间、桩与导向墙之间，均灌注混凝土刚性连接，限制导向墙进一步前移，提高整体刚度及稳定性。加固桩桩径φ1 m，为钢筋混凝土钻孔桩，桩长17.3 m，高度高于导向墙根部以上2 m。

钻孔桩采用220型旋挖钻机施工，由于施工地层内无地下水，为千枚岩质地层，宜采用干孔作业。为防止塌孔，孔口段采取8 m长护筒跟进。旋挖钻机成孔效率高，约2 h 完成单根桩基钻孔，成孔后立即采用吊车安装钢筋笼，浇筑混凝土，减少暴露放置时间，避免塌孔。混凝土灌注采用套管至孔底引流，不得直接从孔口倒入。导向墙钻孔桩加固示意见图9。

图9 导向墙钻孔桩加固示意图

5 进洞施工

完成洞口挖孔桩、导向墙加固后，施作洞顶边坡截排水系统，清理填筑作业平台，完善沉降观测系统后，组织进洞施工。进洞开挖采用挖掘机、破碎锤、铣挖机配合作业；在机械开挖困难地段，采用弱爆破松动再进行开挖。开挖工法采用隧道施工常用的短台阶法、短台阶预留核心土法，台阶长度控制在5～8 m。上台阶开挖进洞至约20 m，下台阶已落底，应及时施作洞口处仰拱初支及仰拱衬砌，封闭成环，确保稳定。然后，按正洞正常隧道开挖作业工序进行正常施工。

在实际开挖中，揭示情况与设计基本相符。洞口段千枚岩围岩破碎，产状凌乱，岩层走向变化快，风化程度高，开挖易滑塌掉块。开挖进洞14 m 时，掌子面揭示有1处斜岩石面，表面较平整，表面破碎后可见竖向千枚岩，灰黑色薄层状。斜岩面地表植物根系分布，推测斜岩面位置为原山体界面，之前洞口范围为山体崩塌堆积体。以斜岩面为界限，进入斜岩面前岩层走向变化快，围岩破碎，稳定性差。进入斜岩面后，岩石走向逐步稳定，呈竖向薄层状，挤压密实，上台阶开挖后能自稳成拱，施工中监控量测数据正常，围岩稳定，正常掘进。

6 结论

（1）隧道洞口采用钢筋混凝土方桩加固措施，可控制边仰坡开挖范围，减少对围岩扰动，隧道洞口围岩变形得到有效控制，避免隧道开挖面发生坍塌、初支开裂、掉块、初支侵线、二次衬砌厚度不足等施工危害。

（2）千枚岩隧道洞口受自然环境影响大，在长期荷载作用下不断发生蠕变，围岩塑性区不断扩大，岩体松动范围也逐渐增大，千枚岩隧道洞口段围岩变形只能控制在设计允许范围内，无法从根本上解决千枚岩围岩变形问题。

（3）钢筋混凝土方桩加固措施在杜家沟隧道进洞工程的成功应用，将千枚岩的变形速率、变形量控制在设计要求范围内，保证了施工质量、降低了施工安全风险、加快了施工进度，对类似工程有一定参考作用。天陇铁路杜家沟隧道施工过程中，通过地表调查、测量监控和岩层揭示分析，及时发现进洞时的不良地质、变形问题和潜在风险，通过加固桩等措施，保证了边仰坡整体稳定，虽然开挖中有局部变形，但整体安全可控，开挖顺利通过进口软弱地段，保证了后续施工的顺利进行。