高原铁路隧道洞口浅埋段施工技术研究

高云龙GAO Yun-long

（中铁十二局集团第三工程有限公司，太原 030024）

0 引言

高原隧道所处生态环境脆弱，隧道浅埋段通常处于埋深较浅、围岩为碎石土、粗角砾土、全风化花岗岩等，岩体破碎、固结程度低的地层，施工方法不妥极易发生冒顶塌方或地表沉陷，危及施工安全。

本文依托高原地区某铁路隧道，对洞口浅埋段施工技术进行研究，重点分析了主要施工工艺，形成了成套施工技术，可为今后类似工程施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

某高原铁路隧道，隧道洞口海拔约3000m，洞口浅埋段覆盖层为块碎石土，固结程度低，在降雨及日照等作用下，风化严重，稳定性差，极易发生滑塌，地质探测揭露股状出水、渗水，在降雨作用影响下，将进一步加速土体软化，形成险情。[1]

2 施工要点

浅埋段隧道施工中对开挖方案的选择尤为重要，做到“管超前，严注浆、短进尺、弱爆破、强支护、g封闭、勤量测”，其中监控量测是一项必不可少的工作环节，通过对监测数据的及时分析，判断围岩初期支护的变形及滑坡体情况，合理指导施工安全。浅埋段落围岩破碎以采用机械开挖为主，局部松动爆破为辅。

浅埋段施工的防治先从工程地质入手，采取超前加固措施，提高岩体本身结构承载能力和控制其变形，对初期支护进行加强，对受力结构进行完善，确保变形量在可控范围之内。

雨季施工对浅埋段隧道施工影响很大。围岩层间充水逐步松散软化，扩大松弛圈，造成支护体系破坏，同时孔隙水压力对初期支护产生新的附加压力，严重影响隧道施工安全，尽量避免在雨季施工浅埋段。

3 主要施工技术

在施工前，由总工组织技术人员及各级管理人员对浅埋段原地物、地貌以及裸露岩体进行实地踏勘。组织测量队对浅埋段按要求布点，及时进行监控量测，并对参加的施工人员进行技术交底和培训。

3.1 监控量测

3.1.1 地表沉降量测

采用人工测量采集数据进行分析加自动化实时监测相结合的方式对地表沉降进行观测。地表沉降测点按普通水准点埋设，监测范围在隧道开挖影响范围以外，测点横向间距为2～5m。在隧道中线附近测点应适当加密，地表观测点和隧道内监测点布置在同一里程断面，地表下沉量测必须在隧道开挖之前进行。自动观测正洞每断面设置3处，平导、横洞对应里程设置1处。

3.1.2 净空变化量测

隧道净空变化量测包括周边收敛和拱顶下沉，采用全站仪无尺量测。拱顶下沉测点和净空变化测点布置在同一里程断面上。测点对称布设，即“同面等高”，以便数据的相互验证。拱顶下沉、收敛量测初读数宜在开挖后3～6h内完成，其他量测应在每次开挖后12h内取得初读数，最迟不得大于24h，且在下一循环开挖前必须完成。

3.2 预加固桩

洞口开挖前，端墙背后线路两侧各设1根矩形截面预加固桩，截面尺寸2.25m×1.5m，桩长根据地质情况确定，桩身采用C35钢筋混凝土。

3.3 地表预加固

隧道中线两侧各4m范围内采用ϕ75PVC袖阀管地表注浆加固，钻孔直径为ϕ91，间距1m×1m，梅花型布置，加固范围距衬砌间距0.5m；边墙两侧分别设置3排ϕ76钢管袖阀管加固，间距1m×1m，梅花形布置，加固至坑底以下1m处。[2]

3.4 超前地质预报

采用地质雷达法/ZWT2+ZT5+加深炮孔。ZT5为施作超前取芯钻孔1孔，若需进一步确定其产状，再施作超前钻孔2孔，ZWT2为弹性波反射法+电磁法（地质雷达法）。[3]

短距离钻孔（30m以内），连续钻探时前后两次预搭接长度不应小于5m，中长距离钻孔（30m～100m级），连续钻探时前后两次预报搭接长度5m～10m，钻孔方向均向隧道轮廓外侧辐射。ZT5超前地质钻探示意图见图1。

图1 ZT5超前地质钻探示意图

地质雷达每次预报长度控制在30m以内，在连续实施段落前后两次搭接长度不小于5m。弹性波反射法，每次预报长度控制在120m以内，开展连续探测，前后两次搭接长度不小于10m。

3.5 超前支护

3.5.1 大管棚施工

导向墙扩大拱脚宽1.5m，截面尺寸为1.0m×1.0m，砼标号C20，导向墙施工时，架设2榀工18钢拱架，并预埋Φ127/146×8mm导向管。施作导向墙时预埋导向管，对管棚进行编号，采用钻机间隔打眼先打单号再施打双号，安设完毕后采用单液注浆泵注浆，再打眼安设下一根管棚。[4]大管棚施工示意图见图2。

图2 大管棚施工示意图

3.5.2 中管棚施工

中管棚采用热轧无缝钢管，壁厚5mm，长度9m，每5.4m/6m施做一循环，搭接长度不小于3m，施做范围144°，环向间距0.4m，外插角一般不大于10°，可根据实际情况作调整。中管棚施工图见图3。

图3 中管棚施工图

3.5.3 小导管施工

超前小导管采用42无缝热轧钢管制成，配合钢架使用，其纵向搭接长度不小于1m。超前小导管注浆压力低，长度短，单孔的扩散半径根据现场试验确定。

3.6 掌子面超前预加固

浅埋段地质较差段落采用掌子面加固，掌子面喷射厚度为3cm的混凝土进行封闭，上半断面采用Φ25全螺纹玻璃纤维中空注浆锚杆加固，锚杆长度9m，循环搭结长度3m。锚杆间距为1.2m×1.2m（1.8m×1.8m），梅花型布设，布置在上台阶。

钻孔采用钻机垂直于掌子面进行钻孔，钻孔深度9m，梅花形布置，间距1.5m×1.5m。清孔采用高压风进行，确保孔内无松渣、积水。玻璃纤维锚杆插入孔内的长度不得短于设计长度的95%。注浆采用1:1水泥浆进行注浆。玻璃纤维锚杆施工正面示意图见图4，纵断面见图5。

图4 玻璃纤维锚杆施工正面示意图

图5 玻璃纤维锚杆施工纵断面示意图

3.7 开挖及初期支护

3.7.1 微台阶法

开挖施工过程中严格按照“管超前、严注浆、弱爆破、强支护、勤量测、g封闭”的原则，根据浅埋段的地质实际情况，采用微台阶法进行开挖。

掌子面分①部和②部，②部滞后于①部3-5m的微台阶，施工开挖形成微台阶后，同时开挖①部和②部，根据掌子面开挖揭示情况，当掌子面不稳定时，采用喷砼封闭或锚杆注浆加固；施作本循环①部台阶和上一循环②部周边的初期支护，系统锚杆安装时必须设置垫板，垫板应与基面密贴。在滞后②部3-5m后，洞渣回填③部作为施工平台。在滞后于③部6-12后，清除④部回填。微台阶法施工正面示意图见图6，纵断面图见图7。

图6 微台阶法施工正面示意图

图7 微台阶法施工纵断面示意图

3.7.2 钢架安装

根据测设的位置，各节钢架在掌子面以螺栓连接，连接板应密贴。为保证各节钢架在全环封闭之前置于稳固的地基上，安装前应清除各节钢架底脚下的虚碴及杂物，在钢架基脚处设槽钢以增加基底承载力，同时每侧安设2根锁脚锚管将其锁定。钢架按设计位置安设，在安设过程中当钢架和初喷层之间有较大间隙应每隔2m用砼预制块楔紧，钢架背后用喷砼填充密实。为增强钢架的整体稳定性，将钢架与锚杆焊接在一起。钢架纵向连接采用钢管（钢筋），环向间距1m。

3.7.3 低预应力锚杆

根据采用锚杆台车或凿岩机钻孔，钻进至设计深度后，高压风清孔。清孔后，将树脂卷装入孔底，再将安装好的锚杆插入孔道，一端安上安装工具，使用工厂提供的钎尾，利用风炮扳手转动锚杆，以达到搅匀树脂锚固剂。静置3～5分钟，带锚固剂凝固后，安装垫板，螺母，施加预应力5kN。安装排气管，排气管采用Φ15mm硬质塑料管，并用锚固剂将垫板四周封闭，防止漏浆。将注浆管与锚杆端头通过快速接头连接，开动泵注浆，整个过程连续不停顿，一次完成，观察到浆液从排气管流出即可停泵。当完成一根锚杆注浆后，迅速卸下注浆软管并安装至另一根锚杆，进行注浆。[5]

3.7.4 二衬及仰拱

洞身开挖的同时，陆续将仰拱栈桥、衬砌台车运至现场进行组装，确保仰拱、二衬能够及时施作。洞口浅埋段V级围岩初期支护设计为全封闭钢拱架段落的，一般地段封闭成环距掌子面距离不大于65m，其他软弱破碎、富水、浅埋等特殊地段封闭成环距掌子面距离不大于35m，V级围岩拱墙二次衬砌距离掌子面不宜大于150m。V级围岩，距离洞口70m范围内，初支钢拱架封闭成环距掌子面距离不大于35m，二次衬砌距离掌子面不大于90m。

3.7.5 施工排水

隧道结构防排水采取“防、排、截、堵相结合，因地制宜，综合治理”的原则，充分利用结构自身防水能力，并构筑隧道结构内外完善的防排水系统。

洞口施工前施作截水天沟，天沟设于边、仰坡顶以外不小于5m。截水天沟宜平顺，不宜设置内凹的曲线，截水天沟沟身采用C35钢筋混凝土，截水天沟所截水流排向附近的排水沟，保证洞口截水天沟顺畅。

隧道在施工过程中掌子面渗水采用顺坡自然排水方式，在掌子面沿隧道中线拉中心槽将掌子面渗水排至仰拱初支前方，避免拱脚遭受浸泡。在仰拱初支前端设置集水井，集水井长宽各0.5m，底面低于仰拱开挖面不小于0.5m，采用水泵抽排至中心水沟，后续仰拱施工前清除坑内淤泥后采用同级混凝土回填密实。污水经洞口污水处理站处理后排放，防止隧道污水对周边环境造成污染。隧道内有股装流水时，利用软管引排。

4 结论与建议

遵循“管超前，严注浆、短进尺、弱爆破、强支护、g封闭、勤量测”的施工原则，采用洞口预加固桩、地表预加固限制洞口坡面位移，加固洞身范围土体，超前大管棚、中管棚及超前小导管为开挖支护提供了保障，通过微台阶法开挖、支护及地表、洞身同步监控量测等施工工艺，实现洞口浅埋段的安全、快速施工。