重載鐵路干陽溝大跨度富水黃土隧道施工技術

張 彪

(太原鐵路局，山西 太原 030013)

1 工程概況

山西中南部鐵路通道西起山西瓦唐，銜接南北向主要鐵路干線，東至山東日照港，形成了一條新的“西煤東運”能源運輸動脈，也是我國東西向路網干線鐵路之一，對我國國民經濟發展具有重要的能源安全保障作用。干陽溝隧道位于山西臨汾浮山縣楊村河村，隧道起始里程DK361+735～DK370+195，全長8 460 m，地面高程在720～920之間，最大埋深200 m，最小埋深10 m;隧道為單洞雙線，縱坡單面上坡，坡度分別為 4.6‰，5.1‰，4.8‰，設計行車速度120 km/h。

2 工程地質、水文概況

干陽溝隧道處于丘陵山區，地勢起伏較大，相對高差約200 m，地面沖溝發育，多為Ⅴ形溝，無河流改道地貌特征，主要特點為主溝兩側發育較多的支溝，溝兩側均為砂質黃土、粉土、粉土粘土等漫灘沖積物，溝心未見基巖出露。隧道區通過第四系上更新統砂質黃土、中更新統粉質粘土、下更新統粘土、第三系粘土，下伏基巖為三疊系中統銅川組砂巖夾泥巖，隧道通過地層較多，工程地質條件差，進口段砂質黃土局部較疏松具有自重濕陷性，為Ⅲ級嚴重性濕陷性場地類型。

線路通過地區屬中溫帶干旱、半干旱氣候區，年最大降水量為893.5 mm，年平均降雨量為573.5 mm。該區域水系為汾河水系支流，汾河流域面積為719 km2，在流域內的溝口、谷底、河旁有許多巖石裂隙水和土壤孔隙水出露，全隧道正常涌水量為919 m3/d，最大涌水量2 563 m3/d。富水地段易造成涌水涌泥，甚至引起大的坍塌。

3 大跨度富水黃土段開挖支護和隧底換填加固方法

隧道進口DK361+735～DK363+810富水黃土段埋深10 m～85 m，開挖橫斷面135 m2，寬度14.02m，高度11.82mm，洞身有滲水，部分地段發育有50 cm～90 cm粗圓礫砂層，粗圓礫砂層處有涌水，主要為黃土孔隙水，水量860 m3/d，沒有客水補給，但在豐水季節，地下水位升高，地表水量豐富，特別是隧道洞身淺埋段，隧道水量有增大現象，安全控制風險極大，施工中難點是如何安全通過大跨淺埋富水Ⅴ+(黃土)圍巖，并保證隧道底部施工質量，防止重載鐵路以后仰拱開裂下沉。

根據設計文件，Ⅴ+(黃土)圍巖采用三臺階臨時仰拱法施工，現場進行了優化，把上臺階臨時仰拱法換成核心土法，中臺階下臺階仍按設計采用三臺階臨時仰拱法施工(見圖1)，考慮到黃土地質特性和施工工期要求，為避免沉降和塌方，關鍵是嚴格按照“管超前、短進尺，強支護、早閉合、勤量測”的原則施工。

隧道Ⅴ+(黃土)圍巖復合式加強襯砌段(W=160)支護參數，具體如下:超前小導管采用 φ42壁厚 3.5 mm，L=4.5 m，間距40 cm，每環28根，滿足水平搭接1 m;初期支護Ⅰ20型鋼間距0.6 m，邊墻 φ22普通砂漿錨桿 L=4.0 m，每延米24根，鋼筋網20 cm×20 cm，C25網噴纖維混凝土;二次襯砌C35鋼架混凝土P8，厚度50 cm。每個掌子面配備開挖工16人，支護工12人，二襯工14人，電焊工2人，抽水工2人，1臺挖掘機，1臺裝載機，3臺出碴運輸車，每日開挖2～3循環，每月累計進尺60 m。

圖1 三臺階臨時仰拱核心土法斷面圖

3.1 開挖拱部上臺階環形Ⅰ部

黃土隧道土質比較松散，開挖后易形成分層坍塌，故需較強的初期支護，采用 φ42壁厚3.5 mm，L=4.5 m，間距 40 cm，小導管超前棚架方案。

1)利用上循環架立的鋼架施工隧道超前小導管支護，并將小導管管尾與鋼架進行焊接，使小導管管尾端擔在鋼拱上，最大限度地發揮棚架的作用，小導管水平搭接大于1 m;

2)開挖采用人工配合小型挖機的方法開挖拱部環形Ⅰ部，每次開挖一榀鋼架進尺，注意開挖時，預留20 cm土體用人工開挖，嚴格控制超欠挖。同時在上臺階預留核心土，核心土長度同上臺階長度，距拱頂1.4 m～1.6 m，坡腳距拱腳2 m左右，在滿足施工情況下盡量減少掌子面臨空面積，防止坍塌;

3)施作初期支護，架立工字鋼架，底部采用25 cm×50 cm木板墊實，鋼架之間每隔1 m設1根φ25縱向連接筋;

4)鉆設系統錨桿后復噴混凝土至設計厚度。

在開挖過程中，上臺階滲水量較少，土體天然含水率23.0%左右，監控量測數據沉降收斂最大值一般為距掌子面最近的量測點，變化速率開挖后第一天最大，一般為1.4 mm/d～3.0 mm/d之間，在規范允許范圍。有時開挖時發現頂部土體有裂紋或疏松現象，采用邊開挖邊支撐，支撐用木板加φ40鋼管，鋼管底部撐在核心土上。

3.2 開挖中臺階Ⅱ部

在滯后于上臺階Ⅰ部約5 m，人工配合機械開挖中臺階Ⅱ部，一次開挖2榀鋼架進尺。首先用挖掘機將一側Ⅱ部的土體由上至下開挖1.0 m，并將土扒出核心土范圍以外，便于裝載機裝碴，開挖時側面開挖輪廓線處預留厚50 cm土體，這是由于挖掘機開挖時對土體的振動比較大，如果直接按輪廓線開挖易造成土體坍方，形成超挖。然后人工用洋鎬將預留的50 cm土體沿輪廓線開挖，邊開挖邊支撐，同時出碴。此時，挖掘機則換至另一側Ⅱ部進行開挖，如此左右側交替進行。開挖時注意拱腳處至少留深20 cm土體用人工開挖，嚴禁超挖，并用25 cm×50 cm木板墊實拱腳，防止混凝土拱架下沉。施作初期支護，架立工字鋼架，通過鋼墊板用4個φ16螺栓將上中臺階鋼架連成整體，鋼架之間每隔1 m設1根φ25縱向連接筋，同時施作臨時仰拱，臨時仰拱采用Ⅰ20臨時鋼架間距1.2 m，并噴混凝土8 cm，最后鉆設系統錨桿噴混凝土至設計厚度(見圖2)。

在開挖的過程中，中臺階有一定量的滲水積水，開挖完成后需要施作臨時仰拱噴射8 cm厚的混凝土封閉，監控量測數據沉降收斂較上臺階減小，變化速率開挖后第一天最大，一般為0.8 mm/d～1.5 mm/d之間，在規范允許范圍。黃土隧道拱腰處土體最易發生坍塌，所以在進行Ⅱ部開挖時，應邊開挖邊支護，如有滑塌，即用木板緊貼開挖輪廓表面，用φ40鋼管支撐土體，交錯布置。

3.3 開挖下臺階Ⅲ部

在滯后于中臺階Ⅱ部5 m～8 m，拆除中臺階臨時仰拱2榀，人工配合機械開挖中臺階Ⅲ部，一次開挖2榀鋼架進尺。開挖時注意側面輪廓線處預留厚50 cm土體，拱腳處應至少預留20 cm厚土體用于人工開挖，嚴禁超欠挖，并用25 cm×50 cm木板墊實拱腳，防止混凝土拱架下沉。施作初期支護，架立工字鋼架，通過鋼墊板用4個φ16螺栓將中下臺階鋼架連成整體，鋼架之間每隔1 m設1根φ25縱向連接筋，鉆設系統錨桿后噴混凝土至設計厚度。

在開挖過程中，下臺階有滲水積水，開挖完成后需盡快施工下部仰拱工程早日成環閉合支護系統。監控量測數據沉降收斂較中臺階減小，變化速率開挖后第一天最大，一般為0.5 mm/d～0.8 mm/d之間，在規范允許范圍。黃土隧道土體易發生坍塌，所以在進行Ⅲ部開挖時，應邊開挖邊支護，如有滑塌，即用木板緊貼開挖輪廓表面，用φ40鋼管支撐土體，交錯布置。

3.4 開挖仰拱及隧底加強處理技術

隧道仰拱段施工前，應在仰拱開挖段與掌子面間設置積水井，左右兩側各設置一個1 m3積水井，同時在已施工仰拱段每間隔30 m施作橫向截水溝及積水井，并安排專人負責抽排水，避免積水浸泡拱腳和出水漫流，確保仰拱施工時無大量積水。同時由于地下水影響，黃土已飽和成泥，隧道基底開挖無法將積水、軟化的流泥清除干凈，導致基底承載力無法滿足設計120 kPa要求，為防止以后仰拱開裂下沉，并保證隧道結構長期穩定滿足重載鐵路30 t軸重要求，經研究決定，采取如下工程措施對隧底進行加固處理:

1)隧底采用50 cm厚級配碎石加摻量5%水泥換填。

2)在隧底填充內設置橫向、縱向盲溝，橫向盲溝坡度大于1%，盲溝采用土工布包裹碎石，溝內設置通長φ100開孔波紋管?？v向盲溝沿隧道左右兩側邊墻底部設置，每6 m設一道橫向盲溝連接縱向盲溝，在中心水溝下方處設置φ150 PVC管，連通中心水溝和橫向盲溝，PVC管口應高于中心水溝底部15 cm。

3)在換填級配碎石層后預埋注漿花管，間距2 m梅花形布置，后期進行定量注漿加強。

準備就緒后，采用棧橋一次開挖仰拱3 m，隧底開挖深度大于設計50 cm，在仰拱槽沒有積水情況下快速在隧底采用50 cm厚級配碎石加摻量5%水泥換填基槽，架立鋼架并連接，噴射10 cm混凝土，隨后重復上述工序，仰拱開挖已架立鋼架長度約6 m時，開始綁扎鋼筋，并澆筑仰拱及隧底混凝土。同時在施工中還需注意仰拱環、縱向施工縫防水的施工質量，確保防水效果滿足設計要求。

在仰拱開挖的過程中，因滲水較大仰拱底有流水，黃土飽和成泥，要將積水、流泥清除干凈非常困難，在沒有清除干凈時噴射10 cm混凝土，因流水沖刷和積水流泥影響，無法進行下道工序架設鋼架，解決此問題成為施工的重難點。采用級配碎石換填，可在隧底暫時形成流水通道，并隔離了飽和泥對上部鋼架污染，成功解決了此問題，同時預埋注漿管后期定量注漿，對隧底進行補強加固，確保了重載鐵路隧底結構長期穩定(如圖3所示)。

圖2 中臺階開挖效果圖

圖3 隧底碎石換填效果圖

4 控制要點及技術對策

4.1 拱部沉降和拱腳收斂的控制

富水黃土隧道控制要點就是拱部沉降和拱腳收斂較大易變形坍塌，針對這種情況采取了以下措施:

1)采用三臺階分部開挖，使沉降分部釋放，并在上臺階預留核心土，同時考慮黃土隧道鎖腳錨桿比巖石隧道效果差，中臺階增設臨時仰拱。

2)及時封閉仰拱，保證15 d內仰拱封閉成環，并將仰拱步距控制在30 m以內。

3)及時封閉二次襯砌永久支護，保證30 d內二襯封閉，并將二襯步距控制在70 m以內。

4)加設鎖腳錨桿，在拱腳處每側加設2根鎖腳錨桿，錨桿為φ42鋼管，長4 m，垂直于拱腳外側面打入土中3.7 m，剩余0.3 m與噴射混凝土澆筑在一起。

5)加強監控量測，嚴格把測控量測納入施工工序進行監控，每5 m在拱部設置一個沉降觀測點，每開挖臺階兩側設計一組水平收斂觀測點，洞內共計設置7個觀測點，淺埋段洞頂增設地表觀測點，專人負責用收斂計和水平儀分別觀測，并及時對數據進行分析，預測變形發展趨勢，以正確指導施工。干陽溝隧道富水黃土段拱頂下沉最大速率為1.5 mm/d～3.3 mm/d，累計最大下沉30 mm～60 mm，測量頻次前3 d每天觀測2次，隨后7 d內1 d觀測1次，以后1個月內3 d觀測1次，之后每月觀測1次。在施工期間未發現變化速率大于5 mm/d，累計變化大于100 mm。如發生應嚴格按照制定的專項方案，停止開挖增加豎向支撐分析并加固變形段，并在以后開挖中優化加強支護參數。

4.2 預防塌方

在開挖的過程中，應遵循“管超前、短進尺、強支護、早成環、勤量測”的原則，隨時觀察土質情況，發現土質疏松、節理發育時，應加設調整循環進尺，同時加密超前小導管數量。開挖工法中上臺階預留核心土，中臺階及時跟進臨時仰拱，并縮短開挖與仰拱、二襯之間時間間隔。如發生較大變形或坍塌，第一時間增設豎向橫向支撐并封閉掌子面，最后空腔用相同強度等級的混凝土填塞密實。

5 施工注意事項

1)開挖需采用人工配合機械開挖，輪廓線處預留厚20 cm～50 cm土體，采用人工開挖，嚴禁超欠挖。

2)上臺階開始時因Ⅴ+(黃土)級圍巖掌子面自穩能力差，預留核心土應盡量大，減少掌子面的臨空面積，同時加大拱腳木板面積，可有效防止下沉及坍塌;下臺階施工時，鋼架C單元和D單元同時架立形成L形并噴混凝土增大受力面積，確保鋼架穩定，以保證施工安全。

3)隧道仰拱段施工前，應在仰拱開挖段與掌子面間設置積水井，專人負責抽排水，避免積水浸泡拱腳和出水漫流，確保仰拱施工段開挖槽內施工時無積水。

4)初期支護及時成環，各分部工序之間緊密銜接，仰拱要緊跟下導，二襯要緊跟仰拱。

5)充分利用礦山法原則隧道施工理論，采用強支護限制圍巖變形，確保初期支護與圍巖之間密貼。

6)工作面因故停工時，應采取有效措施穩定工作面，防止土體因水出現變形坍塌。

7)開挖時一定預留足夠沉降量，通過監控量測，尋找初支下沉與收斂的規范，正確指導施工。

8)隧道施工時，注意對隧道基礎土層的保護，盡量減少施工車輛、人員活動對隧道底部土體的擾動。

9)盡量避免在雨季穿越黃土淺埋地段，若不能避免，施工前應在洞頂設置防洪措施。

6 結語

1)黃土隧道采用三臺階核心土臨時仰拱法，按照“管超前、短進尺、強支護、早成環、勤量測”的原則，可有效控制塌方、拱部沉降與收斂，使隧道各部的尺寸達到設計要求，并在保證安全的情況下加快了施工進度，單口平均月進尺60 m，最高單口月進尺70 m。

2)隧道仰拱基地加固處理，采用50 cm級配碎石加摻量5%水泥換填，并預留注漿孔，有效的解決了隧底流水和積水流泥對施工的影響，同時提高基底承載力，防止了仰拱開裂和下沉，并為以后防止仰拱的下沉預留后續注漿措施，考慮全面，滿足了重載鐵路30 t軸重要求。

［1］中鐵工程設計咨詢集團有限公司.干陽溝隧道設計圖［A］.晉中南洪湯施(S)隧道，2010.