堆積體大斷面隧道進洞施工工法

張小明

(中鐵十二局集團有限公司，太原 030024)

1 工程概況及洞口圍巖分析

1.1 工程概況

上東京隧道起訖里程為GDK289+824-GDK295+151，全長5 327 m，本隧道正洞圍巖主要有Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級，其中Ⅱ級占37.1%，Ⅲ級占51.8%，Ⅳ級占7.8%，Ⅴ級占3.3%。隧道進口采用倒切式帽檐洞門(1∶1.25)，出口采用斜切式帽檐洞門(1∶1.5)。該隧道位于長白山脈東北段，線路穿越低山丘陵區(qū)，多為“V”形河谷，少部分為“U”形河谷，谷底與分水嶺相對高差100～320 m，山頂一般呈渾圓狀，地面高程為142～510 m，山坡自然坡度較陡傾，變化較大，部分上陡下緩，部分下陡上緩，縱向自然坡腳為16°～28°，進口縱向坡度19°，出口縱向坡度15°，隧址區(qū)多為闊葉與針葉混生林，植被覆蓋率約95%。工程地質(zhì)設計為隧道進出口邊坡土質(zhì)分別為花崗閃長巖的殘坡積層及全風化層，抗剪強度低，且邊坡坡度較大，邊坡穩(wěn)定性差。但通過隧道進口洞口開挖發(fā)現(xiàn)洞口圍巖以沙加石堆積體為主。

1.2 洞口圍巖分析

通過管棚及臨時邊仰坡施工過程，通過現(xiàn)場觀察及記錄，將上東京隧道進口洞口段圍巖情況通過圖表的方式經(jīng)過分析如下。

洞口段9 m范圍內(nèi)圍巖以沙加石堆積體為主，密實度差，孔隙多，部分空隙較大，巖體穩(wěn)定性差。拱頂松散體較厚，拱腰往下較薄，松散堆積體與基巖交界面坡度與山體自然坡度相近，坡度約為1∶0.9。線路左側(cè)松散體較薄，距基巖面較近，右側(cè)較厚，距基巖面較遠。若不進行相關的加固措施，開挖后，松散體肯定會有局部以及大范圍的塌落，以松散堆積體與基巖交界面為滑動面，產(chǎn)生滑坡的危險。

通過管棚施工，以及預注漿，洞口段松散的堆積體的整體穩(wěn)定性有所提高，滑動面的摩阻系數(shù)加大，產(chǎn)生滑坡的可能性大大降低，但由于洞口段圍巖以沙加石堆積體為主，密實度差，孔隙多，預注漿及管棚注漿大部分流入洞口下部及兩側(cè)，滲透到拱部的較少，所以拱部范圍圍巖穩(wěn)定性還是較差。加上由于管棚施工誤差及操作不當，會有部分管棚掉入洞內(nèi)，部分傾角遠遠大于設計，故部分管棚將失去應有的作用，這也將影響開挖后拱部圍巖的穩(wěn)定性和滑動面的摩阻系數(shù)。所以開挖后還會有拱部掉塊及產(chǎn)生滑坡的危險。

2 施工方案

上東京隧道進口洞口段根據(jù)工期要求應優(yōu)先采用三臺階預留核心土七步流水作業(yè)(上臺階拱架預留臨時仰拱鋼板)，在施工過程中嚴格按照加強監(jiān)控量測結(jié)果指導施工，及時反饋圍巖變化情況，圍巖變形超過規(guī)范規(guī)定時，，采取上臺階加臨時仰拱穩(wěn)定圍巖，轉(zhuǎn)換為三臺階臨時仰拱法，如果圍巖持續(xù)變形，應采取上臺階加豎向支撐減跨來穩(wěn)定圍巖變形，具體開挖方法根據(jù)監(jiān)控量測的結(jié)果反饋確定開挖方法，施工方法如下。

2.1 采用超前小導管進行超前預支護

對于上東京隧道進口段洞口堆積體段，采取在超前管棚間加設超前小導管補充管棚注漿，以保證拱頂松散體注漿固結(jié)的效果，減少在開挖拱頂松散體失穩(wěn)的幾率，同時施做洞口全環(huán)保溫層加固預注漿，擴大在松散體中注漿的范圍，增大隧道固結(jié)圈，增強隧道的水平摩擦力，使隧道初支能抵消拱頂松散體對隧道初支的水平推力，如圖1所示。

預加固采用在大管棚間間隔使用超前小導管預支護，小導管采用φ42 mm熱軋無縫鋼管加工，長度為3.5 m，環(huán)向間距0.4 m，縱向間距3 m，超前小導管配合剛架使用，其縱向搭接長度不小于1 m。

2.2 三臺階預留核心土七步流水作業(yè)法

三臺階預留核心七步流水作業(yè)法施工工序示意見圖2。

2.2.1 上中下導坑開挖

隧道上部導坑采用挖機、風鎬配合人工或弱爆破，爆破中應采取預裂爆破，爆破中嚴格控制裝藥量，毫秒雷管的段位要錯開，形成交叉起爆，減少對圍巖的擾動;上、中、下臺階開挖進尺為1榀拱架，上臺階開挖至3.5 m時進行中臺階開挖，中臺階先開挖圍巖相對較差的一側(cè)，中臺階左右兩側(cè)臺階錯開2.4 m，中臺階開挖長度宜為2.4 m，兩側(cè)不能同時開挖，拱架要錯開3榀以上，防止拱架懸空造成安全隱患;下臺階與中臺階保持2.4 m間距，兩側(cè)不能同時開挖，拱架要錯開3榀以上，防止拱架懸空造成安全隱患，左右掌子面要先開挖圍巖較差的一側(cè)，左右錯開2.4 m，各部開挖時預留核心土，以保證掌子面的穩(wěn)定，各部開挖后及時封閉子面，噴、網(wǎng)、錨及鋼架聯(lián)合支護作業(yè)，拱腳采取擴大拱角的方法來穩(wěn)定上導坑、上中導墻角增設鎖腳錨管，拱架超挖部分應回填密實。

圖1 超前預加固示意(單位:cm)

2.2.2 仰拱開挖

為了使初期支護及早封閉成環(huán)，當上中下臺階開挖13 m時，封閉掌子面暫停掌子面施工，再進行仰拱開挖，仰拱開挖長度一次為3 m，采用風動鑿巖機鉆孔，非電毫秒雷管微差起爆，開挖后應及時將地下水抽取干凈，不得有積水和浮渣并應及時進行初期支護施工及混凝土施工，及時封閉成環(huán)。

2.3 三臺階臨時仰供法

采用超前小導管進行預支護。上部導坑采用風鎬配合人工或弱爆破，中下導及仰拱采用風鎬及挖掘機或控制爆破開挖，以保護圍巖;各部之間的間距2.4 m。各部開挖后及時封閉掌子面，噴、網(wǎng)、錨及格柵鋼架聯(lián)合支護作業(yè)，施作臨時仰拱。拱腳、中下導墻角增設鎖腳錨管，初期支護及時成環(huán)。爆破時采用風動鑿巖機鉆孔，非電毫秒雷管微差起爆，濕噴機濕噴作業(yè)。仰拱施工長度3 m。各部實行平行作業(yè)，在監(jiān)控量測中如發(fā)現(xiàn)沉降過大應在上臺階采用豎向臨時支撐，以穩(wěn)定圍巖，確保安全，三臺階臨時仰拱法施工工序流程見圖3。

3 施工運輸

隧道進入正洞后采用無軌運輸方式，挖掘機械扒砟，側(cè)卸式裝載機裝砟，大噸位自卸汽車運砟。

圖2 三臺階七步開挖法施工工序(單位:m)

圖3 三臺階臨時仰拱法施工工序(必要時加豎向支撐)(單位:m)

4 初期支護

本隧道進洞初期支護全環(huán)采用I20鋼拱架，間距0.6 m;φ6 mm鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm;拱部采用φ22 mm組合中空錨桿，邊墻采用φ22 mm砂漿錨桿;拱墻采用28 cm厚 C30噴射混凝土，仰拱采用28 cm厚C25噴射混凝土，支護緊跟開挖面及時施作，盡量減少圍巖暴露時間，抑制圍巖變形，防止圍巖在短期內(nèi)松弛剝落。

鋼架、鋼筋網(wǎng)和錨桿在洞外鋼構(gòu)件廠加工，人工安裝鋼架，掛設鋼筋網(wǎng)，螺旋鉆施作系統(tǒng)錨桿，濕噴機噴射混凝土。

4.1 系統(tǒng)錨桿

本隧道系統(tǒng)錨桿采用φ22 mm組合式中空組合錨桿及砂漿，錨桿采用廠家訂購。

施工時錨桿鉆孔位置及孔深必須準確;錨桿要除去油污、鐵銹和雜質(zhì);錨桿體插入孔內(nèi)不小于設計長度的95%，注漿應飽滿。

4.2 鋼筋網(wǎng)

隧道鋼筋網(wǎng)預先在洞外鋼構(gòu)件廠加工成型。鋼筋類型及網(wǎng)格間距按設計要求施作。鋼筋冷拉調(diào)直后使用，鋼筋表面不得有裂紋、油污、顆粒或片狀銹蝕。安裝搭接長度為1～2個網(wǎng)格，采用焊接。先鋪掛鋼筋網(wǎng)，沿環(huán)向壓緊后再噴混凝土。鋼筋網(wǎng)隨受噴面起伏鋪設，與受噴面的間隙一般不大于3 cm。與錨桿或其他固定裝置連接牢固。開始噴射時，縮短噴頭至受噴面的距離，并調(diào)整噴射角度，鋼筋保護層厚度不得小于5 cm。噴射中如有脫落的土塊或混凝土塊被鋼筋網(wǎng)卡住時，應及時清除。

4.3 鋼架

(1)鋼架按設計預先在洞外鋼構(gòu)件廠利用冷彎機加工成型，在洞內(nèi)用螺栓連接成整體。

(2)鋼架架設要求

安裝前清除底腳下的虛砟及雜物。鋼架安裝允許偏差:鋼架間距、橫向位置和高程與設計位置的偏差不超過±5 cm，垂直度誤差為±2°。

鋼架拼裝可在開挖面以外進行，各節(jié)鋼架間以螺栓連接，連接板密貼。

沿鋼架外緣每隔2 m用鋼楔或混凝土預制塊楔緊。

鋼架底腳置于牢固的基礎上，不得有虛砟。鋼架盡量密貼圍巖并與錨桿焊接牢固，鋼架之間按設計縱向連接，連接牢固。

分步開挖法施工時，鋼拱架拱腳打設鎖腳錨管(錨桿)，并設置“U”卡，加強錨桿與拱架的連接，錨桿長度不小于5.0 m，數(shù)量為上、中臺階各4根。下臺階開挖后鋼架及時落底接長，封閉成環(huán)。

鋼架與噴混凝土形成一體，鋼架與圍巖間的間隙用噴混凝土充填密實;各種形式的鋼架全部被噴射混凝土覆蓋，保護層厚度不得小于50 mm。

4.4 噴射混凝土

噴射混凝土采用洞外自動計量拌和站拌和，濕式噴射混凝土施工，濕噴混凝土可減少回彈量，降低粉塵，提高工作效率和施工質(zhì)量。

5 徑向注漿

采取在噴射混凝土預留注漿孔的方法進行注漿，注漿范圍按2 m范圍設置，注漿孔按梅花形布置，孔口環(huán)向間距1.8 m，孔底間距2.5 m，縱向間距1.8 m，注漿采用風槍開孔，孔徑為52 mm，孔口管采用φ50 mm，壁厚3.5 mm的熱壓無縫鋼管，鋼管全長1 m，孔口管設置牢固，并有良好的止?jié){措施，一般采取尾部焊接閥門的辦法來實施，注漿壓力宜為0.5～1.0 MPa，注漿材料選普通水泥漿，初次注漿完成后再進行二次補漿，具體詳見圖徑向開挖注漿如圖4所示。

圖4 環(huán)向3 m全斷面加固注漿布置(單位:cm)

6 二次襯砌施工

由于洞口段圍巖處于堆積體的特殊情況，要及時施工，施工之前要提前做好臺車的拼裝及鋪掛防水板臺車的拼裝，本隧道二襯臺車長度12 m，防水板及鋼筋臺車采用6 m臺車，當仰拱距離洞口24 m開始施工二襯混凝凝土，及時進行封閉。

7 要素配置

隧道前期施工安排1個隧道施工隊伍，隧道施工隊伍配置70人，勞動力安排見表1。

表1 勞動力安排

結(jié)合工期和架子隊伍實際情況，配置相關機械設備，保證前期正常施工。機械設備配置見表2。

表2 機械設備配置

8 預警機制和應急預案

突發(fā)事件應急工作，遵循預防為主、常備不懈的方針，貫徹統(tǒng)一領導、分級負責、反應及時、措施果斷、依靠科學、加強合作的原則。下列生產(chǎn)安全事故和自然災害制定應急救援預案。

8.1 可能出現(xiàn)的應急事故

項目經(jīng)理部對隧道工程施工中可能發(fā)生的事故制訂應急預案:隧道洞口松散體變形坍塌事故、機械事故等。

8.2 應急管理措施

施工現(xiàn)場設置調(diào)度人員值班，發(fā)現(xiàn)隱患及時報告各項目經(jīng)理部領導，發(fā)生事故迅速報告項目部，以便及時采取措施組織救援。

發(fā)生事故后，項目經(jīng)理負責組織工程管理、安全、質(zhì)量、物資供應、設備管理等相關部門和現(xiàn)場架子隊進行救援，按自救、互救的原則采取一切行之有效的措施，確保人身安全及財產(chǎn)安全。

8.3 應急預案

(1)現(xiàn)場搶救措施

接到險情報告，應急小組根據(jù)險情性質(zhì)判斷啟動營救預案，由調(diào)度組織，通過高音喇叭、對講機、手機等聯(lián)系方式組織工程搶修組、救護組、運輸組、物資組、外協(xié)組、作業(yè)隊長、工班長、工人進入應急狀態(tài)，由衛(wèi)生所長負責與當?shù)蒯t(yī)院、急救中心聯(lián)系，安全部部長負責現(xiàn)場指揮并按救護車輛、工程車輛先后順序進洞搶險救人，控制事故蔓延，并且在洞口安排一人，通過對講機聯(lián)系，指揮車輛進出。

由衛(wèi)生所組織救護組、運輸隊及時、穩(wěn)妥地疏散現(xiàn)場人員，正確快速地引導救援、救護車輛。救護小組及時聯(lián)系當?shù)蒯t(yī)院和急救中心作好搶救準備。工地醫(yī)生在洞內(nèi)對受傷人員進行初步搶救，并將傷員及時送到醫(yī)院進行搶救，隨時將傷員的病情向指揮機構(gòu)通報。

待傷員被救出洞后，洞內(nèi)無險情，工程搶修組、物資組由安全部部長組織人員將洞內(nèi)機械、物資撤到安全地帶，由物資設備部部長組織洞內(nèi)物資供應，由安全部部長組織將搶險用的物資、機具分批運進洞內(nèi)，由安質(zhì)部長組織作業(yè)隊長、工班長、工人進行塌方體的有效支護、清理。

(2)注意事項

①應急事故領導小組成員要求堅守崗位、隨時保持警惕狀態(tài)，觀察洞內(nèi)情況要仔細，對危險地段更要密切關注。

②應急事故領導小組成員要求心理素質(zhì)好，有經(jīng)驗能夠臨危不亂，遇到緊急情況要思路清晰、判斷準確、指揮有力，并隨時與洞外保持聯(lián)系，以備發(fā)生緊急情況時能夠處理得當，迅速指揮施工人員撤離危險地段。

③洞內(nèi)施工人員要求臨危不亂、組織有序、服從指揮。各工班長要起到帶頭作用，并清點、組織好本工班施工人員。

有下述現(xiàn)象發(fā)生時，由安全部部長組織指揮撤出工作面施工人員和機械設備:圍巖量測所反映的圍巖變形速度急劇加快;圍巖面不斷掉塊剝落;支護噴混凝土表面龜裂、裂縫或脫皮掉塊，鋼架嚴重變形。

當出現(xiàn)坍塌事故跡象時，快速組織工作面施工人員和機械設備撤離。在發(fā)生坍塌事件后，由隧道及地質(zhì)工程師對塌方處進行觀察、記錄，以提供對該事件分析的原始資料，在確保安全的前提下，在后方起拱線、邊墻設置橫向支撐，必要時在拱部設傘形支撐以防坍塌向后方蔓延。經(jīng)綜合分析后制定相對安全、保守的處理方案和加固措施。在加固處理完成后經(jīng)綜合檢測處理措施達到預期的作用和目的，確認險情排除后方可恢復工作面施工。

當出現(xiàn)機械事故時，發(fā)現(xiàn)險情的人員立即向機械隊隊長報告。并在需要時，切斷電源。機械隊隊長召集搶險小組進入應急狀態(tài)，由架子隊隊員上報項目部調(diào)度，由項目經(jīng)理組織技術人員對險情制定搶修方案。各小組按職責實施方案。

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［2］趙勇，等.鄭西客運專線砂質(zhì)黃土大斷面隧道淺埋暗挖法施工技術［J］.鐵道標準設計，2007(S1).

［3］王武現(xiàn).客運專線大斷面淺埋黃土隧道進洞施工技術［J］.鐵道標準設計，2008(8).

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