穿越淺埋偏壓長(zhǎng)大不穩(wěn)定斜坡體進(jìn)洞施工技術(shù)

梁 偉

(中鐵十一局集團(tuán)一公司，湖北襄樊 441104)

1 隧道進(jìn)口段工程概況

湘桂鐵路梅子坳隧道為客運(yùn)專線隧道，位于湘桂鐵路廣西壯族自治區(qū)桂林市境內(nèi)，該段均為新修鐵路地段，且為橋隧相連地段，該隧道全長(zhǎng)5 392 m，線路小里程側(cè)緊鄰全線最長(zhǎng)隧道觀音巖隧道(全長(zhǎng)6 387 m)，出口大里程側(cè)連續(xù)為長(zhǎng)大橋隧相連，設(shè)計(jì)方從線路總體考慮，設(shè)置了該段靠山體右側(cè)淺埋進(jìn)洞的方案。

該隧道穿越范圍內(nèi)地質(zhì)條件較差，是全線的重、難點(diǎn)和控制工期工程。其中，隧道進(jìn)口處為傍山進(jìn)洞，坡體植被發(fā)育，斜坡堆積3～15 m厚的崩坡積粗角礫土，土質(zhì)松散;坡腳為洛清江支流，長(zhǎng)年沖刷，對(duì)坡腳處長(zhǎng)期侵蝕，斜坡穩(wěn)定性較差;下伏細(xì)砂巖偶夾頁(yè)巖，全～強(qiáng)風(fēng)化，巖芯破碎呈塊狀，巖厚10～15 m，以下為弱風(fēng)化砂巖。隧道進(jìn)口DK425+155～DK425+280段要穿越長(zhǎng)大不穩(wěn)定斜坡，屬于典型的淺埋、偏壓地段，隧道洞頂?shù)乇砀采w層薄(3～11.0 m)。

2 施工方案論證

2.1 施工特點(diǎn)和難點(diǎn)

(1)梅子坳隧道進(jìn)口125 m均為V級(jí)圍巖，洞頂及洞身范圍內(nèi)多以松散角礫土為主。

(2)梅子坳隧道洞口段為嚴(yán)重淺埋、偏壓地段。

(3)梅子坳隧道洞身地處山體坡腳，坡腳多年受河水沖刷，地下水位高，土體含水量飽和。

(4)梅子坳隧道為客運(yùn)專線隧道，開(kāi)挖斷面跨度大，隧道凈寬14.4 m，凈高12.5 m，結(jié)構(gòu)矢跨比小，受力條件差。

2.2 施工方案選定

結(jié)合以上工程實(shí)際特點(diǎn)，施工中必須解決2個(gè)主要問(wèn)題:一是偏壓山體和開(kāi)挖洞身的圍巖穩(wěn)定，二是減少開(kāi)挖過(guò)程中人為對(duì)軟弱圍巖的擾動(dòng)，盡早閉合開(kāi)挖斷面。經(jīng)方案比較和安全性論證，施工中先對(duì)偏壓山體進(jìn)行刷坡并采取錨網(wǎng)噴防護(hù)，并對(duì)開(kāi)挖洞身范圍內(nèi)地表和巖體進(jìn)行鋼花管注漿預(yù)加固處理，改變土體和圍巖物理化學(xué)結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化圍巖自身強(qiáng)度和整體性;洞身開(kāi)挖采取長(zhǎng)管棚加CRD工法(即交叉中隔壁法)施工，進(jìn)一步減小施工過(guò)程中對(duì)圍巖的擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)順利穿越淺埋偏壓長(zhǎng)大不穩(wěn)定斜坡體。

對(duì)于隧道洞口段125 m的淺埋偏壓斜坡體的處理方案，施工中按2階段組織施工。

第1階段，DK425+155～DK425+195段40 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)，由于洞身開(kāi)挖范圍全部處于強(qiáng)風(fēng)化覆蓋層，且最淺埋深不足3 m，采用明挖法施工，施作明洞，施工前先施工靠山體側(cè)抗滑樁和樁間重力式擋墻，右側(cè)坡積體先進(jìn)行了地表鋼花管注漿永久加固，穩(wěn)定了坡腳，明洞施作后，右側(cè)施作反壓擋墻，洞頂回填反壓平衡了山體造成的偏壓。

第2階段，DK425+195～DK425+280段85 m范圍，由埋深不足3 m逐步過(guò)渡到深埋地段，洞身左側(cè)半部分、仰拱及填充均位于中風(fēng)化地層，避開(kāi)了地層分界線，位于牢固地層中。考慮到洞頂淺埋角礫土覆蓋層自穩(wěn)性差及山體存在偏壓，施工過(guò)程中對(duì)洞頂洞身中心兩側(cè)各15 m范圍內(nèi)的地表進(jìn)行了鋼花管注漿加固，加固深度要求進(jìn)入W2地層不小于1 m。

通過(guò)以上施工，可以確保施工和運(yùn)營(yíng)安全。

3 進(jìn)洞前洞外加固措施

洞外地表預(yù)加固分2步，一是在洞身左側(cè)高邊坡和洞口邊仰坡采用砂漿錨桿錨網(wǎng)噴加固，坡度1∶0.75;在明洞段地表和洞身淺埋段設(shè)置地表注漿加固，注漿管采用φ75 mm無(wú)縫鋼花管，間距1 m×1 m，梅花形布置，打孔深度視圍巖情況而定，要求深入到W2地層以下1 m，洞頂范圍內(nèi)注入開(kāi)挖線以上0.5 m，注漿采用1∶1單液水泥漿，注漿完成后在鋼花管上端用φ12 mm鋼筋連接，澆筑20 cm厚混凝土。

3.1 DK425+130～DK425+220段邊坡加固

梅子坳隧道于2009年6月20日開(kāi)工。首先對(duì)左側(cè)高邊坡強(qiáng)風(fēng)化粗角礫土層進(jìn)行清方，并施作防護(hù)措施。清方順序?yàn)橛缮贤掳?∶0.75穩(wěn)定坡度逐層清方，3 m一層，同時(shí)對(duì)邊坡進(jìn)行錨網(wǎng)噴防護(hù)。施工時(shí)，先清方至隧道頂回填線一級(jí)臺(tái)階處，并施作永久錨網(wǎng)噴防護(hù)，噴C20混凝土厚15 cm，φ22 mm砂漿錨桿長(zhǎng)6 m，間距1 m，梅花形布置，鋼筋網(wǎng)格φ8 mm@20 cm×20 cm;洞口至分界里程段擋墻背后邊坡及明洞段回填面以下開(kāi)挖邊坡施作臨時(shí)錨網(wǎng)噴防護(hù)措施，噴C20混凝土厚10 cm，φ22 mm砂漿錨桿長(zhǎng)4 m，間距1 m，梅花形布置，鋼筋網(wǎng)格φ8 mm@20 cm×20 cm。隧道進(jìn)口邊坡加固措施見(jiàn)圖1。

圖1 隧道進(jìn)口邊坡頂部加固措施(單位:cm)

3.2 DK425+150～DK425+195段明洞地表注漿加固

進(jìn)口段隧底位于不良山體中，DK425+150～DK425+195段以洞外邊墻底為平臺(tái)施作φ75 mm鋼花管注漿加固措施，加固范圍為明洞外8 m范圍，鋼花管加固深度至W2地層以下1 m，鋼花管間距1 m×1 m，梅花形布置，具體布置詳見(jiàn)圖2。

3.3 DK425+195～DK425+280段淺埋偏壓段洞身地表預(yù)加固

圖2 隧道進(jìn)口邊坡底部加固措施(單位:cm)

DK425+195～DK425+280段由于淺埋偏壓，為了確保土體自穩(wěn)形成自然拱，采取地表加固措施，φ108 mm及φ75 mm鋼花管注漿加固，加固寬度為隧道中線兩側(cè)各12.5 m，深度為隧道洞身開(kāi)挖范圍內(nèi)加固至隧頂以上0.5 m、兩側(cè)至W2地層以下2 m。鋼花管間距1 m×1 m，梅花形布置。具體布置詳見(jiàn)圖3。

圖3 DK425+195～DK425+280段地表注漿鋼花管布置示意(單位:cm)

4 進(jìn)洞及淺埋段掘進(jìn)支護(hù)施工

梅子坳隧道進(jìn)口段DK425+195～DK425+280段Ⅴ級(jí)圍巖全風(fēng)化淺埋、偏壓地段，采用CRD法施工，洞口設(shè)置φ108 mm大管棚進(jìn)洞。

4.1 洞口大管棚施工

隧道洞口段DK425+195～DK425+235段設(shè)計(jì)拱部采用φ108 mm×6 mm熱軋無(wú)縫鋼管超前大管棚注漿預(yù)支護(hù)，初期支護(hù)采用型鋼鋼架加強(qiáng)，管身鉆設(shè)注漿孔，孔徑10～16 mm，呈梅花形布置(最后一節(jié)管管尾2 m不鉆孔)。導(dǎo)向墻采用C20混凝土，縱向長(zhǎng)度為1 m，厚度為0.8 m，為確保洞內(nèi)開(kāi)挖后導(dǎo)向墻不發(fā)生落拱，導(dǎo)向墻基底采取打設(shè)φ75 mm鋼花管并注漿加固，同時(shí)導(dǎo)向墻基礎(chǔ)嵌入管棚作業(yè)平臺(tái)1 m。

為保證大管棚施工精度，導(dǎo)向墻內(nèi)按圍巖類型設(shè)I20b型鋼鋼架，鋼架外設(shè)導(dǎo)向鋼管。管棚采用管棚鉆機(jī)施工，利用套管跟進(jìn)的方法鉆進(jìn)，分節(jié)安裝，套筒絲扣聯(lián)接，長(zhǎng)管安裝一次完成;注漿采用高壓注漿泵注漿，漿液為水泥凈漿，注漿壓力控制在1.0～2.0 MPa。洞口大管棚布置示意見(jiàn)圖4。

4.2 洞身CRD法掘進(jìn)支護(hù)施工

針對(duì)洞口段淺埋偏壓地形，為進(jìn)一步減小開(kāi)挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)，施工采用CRD法。該工法在隧道中部設(shè)置隔墻，斷面分6部開(kāi)挖，每步縱向長(zhǎng)度3～5 m，開(kāi)挖后初期支護(hù)通過(guò)中隔墻和臨時(shí)仰拱封閉成環(huán)，初期支護(hù)全部完成封閉后，施作二次襯砌的仰拱和填充，最后分段拆除中隔墻和臨時(shí)拱腰仰拱，一次灌注二次襯砌混凝土，其施工工序見(jiàn)圖5。

現(xiàn)場(chǎng)拆除中隔墻，主要采用位移量測(cè)監(jiān)控來(lái)判斷拆除各構(gòu)件的順序及安全度。

(1)選擇拆除長(zhǎng)度 L=0.5 m，D=7.2 m，D 為洞身寬度。現(xiàn)場(chǎng)模注長(zhǎng)度為10 m。先拆除③、④部橫撐(臨時(shí)仰拱)。拆除時(shí)，要考慮異常因素，切口要求窄小，便于迅速焊接。

(2)在③、④部橫撐拆除后，量測(cè)收斂值和下沉值。在無(wú)大變化情況下，進(jìn)一步拆除①、②部橫撐。

(3)拆除中隔墻。先拆除拱頂以下1 m范圍內(nèi)的混凝土，當(dāng)拆除長(zhǎng)度在6 m時(shí)，其收斂值無(wú)變化，再切斷頂部工字鋼，再進(jìn)行量測(cè)，觀察收斂值情況，確保累積值都在設(shè)計(jì)允許值內(nèi)。

圖4 洞口大管棚超前支護(hù)示意(單位:cm)

圖5 CRD法施工工序示意(單位:cm)

5 監(jiān)控量測(cè)

施工過(guò)程中加強(qiáng)沉降觀測(cè)，定人、定時(shí)、定點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，雨天時(shí)加密觀測(cè)頻率。

5.1 埋設(shè)點(diǎn)的布置位置、量測(cè)斷面間距及量測(cè)頻率

(1)根據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》要求，洞內(nèi)每臺(tái)階設(shè)置1條水平測(cè)線(由線左及線右各埋設(shè)1量測(cè)點(diǎn)組成)，隧道中心設(shè)置1拱頂下沉量測(cè)點(diǎn)，即洞內(nèi)每一量測(cè)斷面共設(shè)置5個(gè)量測(cè)點(diǎn)，隨著開(kāi)挖進(jìn)程逐步埋設(shè)。

(2)以DK425+200斷面為起始斷面開(kāi)始埋設(shè)監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)，此段監(jiān)控量測(cè)斷面間距為5 m。洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)在開(kāi)挖后12 h內(nèi)取得起始讀數(shù)，最遲不得超過(guò)24 h，且在下一循環(huán)開(kāi)挖前必須完成。之后量測(cè)頻率根據(jù)量測(cè)斷面點(diǎn)距掌子面的距離和位移速度確定，如兩者的量測(cè)頻率有沖突時(shí)以頻率高者為準(zhǔn)。

(3)DK425+195～DK425+280隧道淺埋地段須進(jìn)行地表沉降觀測(cè)，觀測(cè)點(diǎn)在隧道暗洞開(kāi)挖前布設(shè)。布設(shè)點(diǎn)采用水泥護(hù)樁，并且與洞內(nèi)觀測(cè)點(diǎn)布置在同一斷面里程，布設(shè)斷面里程間距為5 m，地表下沉量測(cè)頻率與洞內(nèi)量測(cè)頻率一致。

(4)DK425+130～DK425+220段洞口高邊坡地段按縱向5 m間距在邊坡頂部埋設(shè)20個(gè)邊坡觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)頻率為2次/d;如出現(xiàn)邊坡下沉及位移較明顯的情況時(shí)，則每4 h 1次。

5.2 洞內(nèi)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)及量測(cè)方法

(1)使用數(shù)顯收斂計(jì)進(jìn)行洞內(nèi)凈空收斂量測(cè)。埋設(shè)點(diǎn)設(shè)置方法:開(kāi)挖后在設(shè)計(jì)的量測(cè)點(diǎn)位置分別向圍巖打入2 m長(zhǎng)的φ22 mm螺紋鋼，預(yù)留伸出初支面5～8 cm，以備焊上量測(cè)掛鉤(測(cè)量精度為0.1 mm)。

(2)采用全站儀進(jìn)行拱頂下沉量測(cè)。拱頂監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)亦采用預(yù)埋鋼筋頭的方式，且必須在鋼筋頭上標(biāo)出油漆觀測(cè)點(diǎn)(測(cè)量精度為1 mm)。

(3)采用全站儀進(jìn)行地表下沉量測(cè)。布設(shè)點(diǎn)采用水泥護(hù)樁，樁頭刻鉆十字花(測(cè)量精度為1 mm)。

(4)測(cè)試中按各項(xiàng)量測(cè)操作規(guī)程安裝好儀器儀表，每測(cè)點(diǎn)測(cè)讀3次，取算術(shù)平均值作為觀測(cè)值。每次測(cè)試都要認(rèn)真做好原始數(shù)據(jù)記錄，并記錄開(kāi)挖里程、支護(hù)施工情況以及環(huán)境溫度等，保持原始記錄的準(zhǔn)確性。地表檢測(cè)每天1次，洞內(nèi)檢測(cè)頻率見(jiàn)表1。各項(xiàng)量測(cè)作業(yè)均應(yīng)持續(xù)到變形基本穩(wěn)定后2～3周后結(jié)束。

表1 根據(jù)位移速度確定的監(jiān)控量測(cè)頻率

5.3 監(jiān)控量測(cè)結(jié)果分析

(1)在梅子坳隧道進(jìn)口的施工過(guò)程中，邊坡發(fā)生了位移和沉降，從隧道開(kāi)工至成功穿越淺埋段進(jìn)洞后邊坡趨于穩(wěn)定，期間最大位移量為58.0 mm，最大沉降量為32.0 mm，從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，邊坡在刷坡和明洞段坡腳開(kāi)挖后坡面發(fā)生了少量的位移和下沉;尤其在明洞作業(yè)平臺(tái)開(kāi)挖過(guò)程中，坡面位移變化顯著，下沉變化較小，其主要原因是坡腳受到擾動(dòng)，但在地表進(jìn)行鋼花管注漿加固施工后期，坡面位移和沉降逐漸趨于穩(wěn)定。

(2)隧道進(jìn)口段洞內(nèi)拱頂下沉及收斂最大值發(fā)生在監(jiān)控量測(cè)斷面DK425+220，其拱頂下沉最大值為63 mm，斷面收斂最大值為34 mm;該處地表下沉亦較明顯，隧道內(nèi)左側(cè)偏壓也較大，在隧道進(jìn)洞開(kāi)挖前如果不對(duì)洞身進(jìn)行長(zhǎng)管棚和地表鋼花管注漿預(yù)加固等措施，勢(shì)必會(huì)影響隧道進(jìn)洞開(kāi)挖后隧道洞身圍巖的穩(wěn)定和施工安全。

6 結(jié)論

(1)梅子坳隧道進(jìn)口段隧頂覆蓋層薄，地形淺埋偏壓，施工難度大;隧頂左側(cè)高邊坡穩(wěn)定對(duì)施工影響大，存在較大安全隱患，采取有效的加固方案、并根據(jù)動(dòng)態(tài)的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工是取得成功的關(guān)鍵。

(2)在隧道進(jìn)洞開(kāi)挖前，應(yīng)根據(jù)隧道洞口地形和地勢(shì)，并結(jié)合水文地質(zhì)情況選擇合理的施工處治方案，創(chuàng)造良好的洞外施工環(huán)境是確保下一步隧道施工安全和質(zhì)量的前提條件。

(3)淺埋偏壓隧道無(wú)論是在施工還是在今后的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，均存在較大安全隱患，建議在鐵路選線設(shè)計(jì)時(shí)盡量避免將隧道設(shè)在不穩(wěn)定地層中。

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