黃河高階地復雜地質大斷面隧道施工技術

趙彥旭

線路與橋隧

黃河高階地復雜地質大斷面隧道施工技術

趙彥旭

摘 要：結合蘭新鐵路第二雙線蘭州鐵路樞紐引入工程孔家營隧道施工，介紹不同圍巖地層斷面所采用的開挖方法和輔助施工方法，總結高階地復雜地質大斷面不同地層組合隧道圍巖的施工技術，以期對類似工程有一定借鑒作用。

關鍵詞：黃河高階地；蘭新鐵路第二雙線；孔家營隧道；三臺階臨時仰拱法；三臺階七步法

0 引言

隨著近年來鐵路建設的全面、快速發展，我國鐵路建設在隧道施工過程中面對復雜多變的地質條件，特別是地質單元的復雜性與多樣性時，較早期的鐵路建設有了很大的進步。

蘭州黃河階地是國內最為典型的河流階地，地層結構復雜，階地構造變形劇烈[1]。對于黃河高階地復雜地質條件下，大斷面隧道的開挖施工實踐較少，傳統施工方法的適用性及其參數的選擇有待論證[2-6]。通過蘭新鐵路第二雙線蘭州鐵路樞紐引入工程孔家營隧道的施工，在高階地復雜地質條件下大斷面隧道的施工方法和施工組織方面獲取了寶貴的經驗。

1 工程概況

孔家營隧道為雙線隧道，全長2959m，位于甘肅省蘭州市西固區境內，地處祁呂賀蘭山字型構造體系前弧西翼與河西系武威蘭州構造帶的復合部位（見圖1）。本區主要受北北西向及北西西向兩組構造的控制，構造運動十分強烈，以間歇性垂直升降運動為主，形成多級階地，各級階地臺面高差十分顯著。隧道洞身穿越地層主要為第四系上更新統風積沖積黃土、沖積圓礫土及白堊系泥巖夾砂巖，鉆孔未揭示到地下水。

2 總體施工方案

2.1 進洞方案比選

孔家營隧道進口處于西固區馬耳山溝內，溝谷較深且窄，洞口沒有施工場地，進洞施工難度較大。根據現場實際測量，對3種進洞方案進行比選。

方案1：由馬耳山市場經便橋沿溝直接進入隧道洞口。該方案需經馬耳山市場進入馬耳山溝，即使能夠解決好市場賠償問題，但溝內有常年流水，施工便道需修在半坡上，施工難度較大，且棄渣場選址較遠。

圖1 孔家營隧道平面位置

方案2：由一分部便橋出發沿鄉村公路一分部棄渣場、垃圾場沿山盤旋路至隧道洞口。該方案利用一分部便橋和馬耳山隧道進口的棄渣場便道，可減少重復投資。但垃圾場到隧道口高差63m，沿山盤旋進入隧道洞口，按照8%的坡度，需640m才能到達隧道口。山溝需填高40m，棄渣和原材料運輸困難，且經過鄉村公路和馬耳山村，村民阻工風險較大。另外，該方案同樣面臨溝內常年流水，無法棄渣，棄渣場選址較遠的問題。

方案3：從蘭州石化林場開挖進入隧道。該方案經過鄉村公路1．7km。該處樹木較多，均屬于蘭州石化。賠償問題屬于與單位協商，較為簡單。同時可將開挖土方棄至同側溝內，減少運距。

經比選，方案3較為合理，原因：（1）臨建總額低于前兩種方案；（2）棄渣場處于明挖段出口，較為方便，減少運距。

2.2 設計方案優化

初步設計隧道施工方案為：隧道采用無砟軌道運輸。洞門段采用明挖法，Ⅴ級圍巖段淺埋段隧道，施工方法采用交叉中隔壁法（CRD法），Ⅴ級圍巖、Ⅳ級圍巖段深埋段隧道，施工方法采用三臺階七步法。

基于黃河高階地巖土體地質特性，經施工實踐，提出新方案，即Ⅴ級圍巖淺埋段（黃土地層及黃土圓礫土地層）隧道采用三臺階臨時仰拱法，Ⅴ級圍巖、Ⅳ級圍巖段深埋段（圓礫土軟巖地層、黃土圓礫土軟巖地層）隧道，施工方法采用三臺階七步法。

3 施工方法

3.1 洞口明挖施工

3.1.1 洞口刷坡、防排水及防護

按設計要求的坡比，首先對邊坡、仰坡進行開口線的放樣。由于洞口圍巖為黃土，在開口線5m以外做雙向截水溝，以攔截地表水，防止雨季地表匯流水對邊坡及洞口造成沖刷，導致邊、仰坡的失穩及沖刷洞門造成危害。同時，也防止地表水滲入開挖面，影響明洞邊坡和成洞面的穩定。截水溝施工完成后，根據測量放樣的開口線位置，利用挖掘機直接刷坡，人工配合修整邊坡。采用裝載機或挖掘機裝渣，自卸汽車運渣。

當邊坡開挖整修完成，經檢測合格后及時采用噴錨掛網方法進行邊、仰坡的防護加固。

3.1.2 開挖方法及支護措施

孔家營隧道洞口地質條件較差，為符合“早進晚出”的原則，隧道進、出口設置長度30m的大管棚進行超前支護。管棚鋼管采用節長5m和10m，從而保證隧道縱向同一橫斷面內接頭數不大于50%，相鄰鋼管的接頭錯開5m。管棚采用φ108mm熱軋無縫鋼管及鋼花管，環向間距40cm，用φ114mm×5mm熱軋無縫鋼管及鋼花管，環向間距40cm，用φ114mm絲扣連接鋼管，連接鋼管長度30cm。每一洞口管棚共有50根鋼管。為了保證鉆孔方向及成洞面的穩定，在明洞襯砌輪廓線外施作長1．0m、厚1m的C20鋼筋混凝土導向墻和φ140mm孔口管。鋼管設計仰角1°～3°，方向與路線中線平行。注漿漿液采用水泥漿液，水泥漿液以水泥為主，水泥漿水灰比1∶1。注漿壓力：初壓0．5～1．0MPa，終壓2．0MPa。一般按單管達到設計注漿量作為注漿結束的標準。當注漿壓力達到設計終壓不少于20min，進漿量仍達不到設計注漿量時，也可結束注漿。注漿結束后清除花管內漿液，最后和普通管一起逐根壓填M20水泥砂漿。

3.2 三臺階臨時仰拱法

隧道Ⅴ級圍巖淺埋偏壓段（黃土地層及黃土圓礫土地層）隧道采用三臺階臨時仰拱開挖法。老黃土土質結構膠結強度大，直立性好，有一定的自穩能力，局部易坍塌掉塊。因此在該地層中施工時要求施工工序緊湊，及時封閉，否則將會出現噴層開裂、局部掉塊現象。

三臺階臨時仰拱開挖法是將隧道斷面分成上中下3部分進行開挖的施工工法（見圖2），要求及時施作各部臨時仰拱，各部位的開挖與支護沿隧道縱向錯開、平行推進，具體施工步驟如下：

（1）開挖①部；施作①部導坑周邊的初期支護，鋼架設鎖腳錨管，拱腳采用鋼墊板，為保證拱腳基礎牢固，防止拱頂下沉量過大，對拱腳位置采用槽鋼或木板支墊；底部架立臨時仰拱，噴射10cm混凝土封閉。

（2）在滯后①部5～10m距離后，先拆除①部2～3榀臨時鋼架，再人工配合機械開挖②部，開挖進尺為2～3榀鋼拱架間距；施作②部導坑周邊的初期支護；架立臨時仰拱，打設鎖腳錨管，封閉臨時仰拱。

（3）在滯后于②部5～10m距離后，開挖③部，同時錯開2m開挖④部兩側邊墻，以便施作鋼架，每循環開挖進尺保持在2～3m；施作臺階周邊的初期支護。

（4）開挖④部其余仰拱部位，每次循環開挖進尺不大于3～4m。及時施作仰拱部位初期支護并封閉成環，封閉位置距離掌子面不得大于35m。

（5）根據監控量測結果分析，待初期支護收斂后，拆除②部臨時仰拱；澆筑Ⅳ部仰拱及Ⅴ部仰拱填充。

（6）利用襯砌模板臺車一次性灌注Ⅵ部拱墻二次襯砌（拱墻襯砌一次施作）。

3.3 三臺階七步法工序

利用上一循環施工的鋼架作為隧道超前支護開挖①部→掌子面噴射混凝土封閉→①部導坑周邊初期支護施工→交錯開挖②和③部→掌子面噴射混凝土封閉→周邊初噴、鋼拱架施工→④和⑤部交錯施工→導坑周邊初噴、鋼拱架施工→分臺階開挖⑥部→開挖⑦部→灌筑Ⅷ部仰拱及隧底填充（仰拱及隧底填充應分次施作）→根據監控量測結果分析，待初期支護收斂后，利用襯砌模板臺車一次性澆筑Ⅸ部襯砌（拱墻襯砌一次施作）。具體工序示意見圖3。

4 結論

黃河高階地復雜地質條件下大斷面隧道的開挖施工實踐較少。蘭新鐵路第二雙線蘭州鐵路樞紐引入工程孔家營、東坪村和小坪村等隧道穿越黃河Ⅲ級階地，地質條件較為復雜。其中，孔家營隧道被蘭新鐵路甘青有限公司定義為二級風險隧道。通過孔家營隧道的施工實踐，選用合理的施工方法、嚴密的施工組織，可以保證高階地復雜地質條件下大斷面隧道的安全施工和質量。

圖2 三臺階臨時仰拱法工法示意圖

圖3 三臺階七步法工法工序示意圖

（1）選擇合理的施工方法。經過比選，黃河高階地隧道Ⅴ級圍巖淺埋段（黃土地層及黃土圓礫土地層）隧道可采用三臺階臨時仰拱法，Ⅴ級圍巖和Ⅳ級圍巖段深埋段（圓礫土軟巖地層、黃土圓礫土軟巖地層）隧道可采用三臺階七步法。

（2）根據現場實際情況在隧道縱深開挖過程中挑選了黃土斷面DK14+190、黃土圓礫土斷面DK14+240、黃土圓礫土基巖斷面DK15+175、圓礫土基巖斷面DK15+226四個不同地層組合的典型斷面進行現場監控量測驗證[7]，三臺階臨時仰拱法臨時仰拱能有效阻止水平方向圍巖壓力，減少隧道圍巖變形。三臺階七步開挖法可在不同的部位采用機械開挖和弱爆破等不同的開挖方式；尤其是斷面上部為圓礫土時，在保證安全和滿足凈空要求的前提下，能盡快調整閉合時間，有效阻止拱頂圍巖壓力。

（3）三臺階臨時仰拱法和三臺階七步開挖法支護封閉時間短，初期支護變形小，圍巖穩定快，二次襯砌支護可控制偏壓對隧道穩定性的影響，確保隧道的施工安全，并加快施工進度。

5 參考文獻

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[6]TZ204—2008客運專線鐵路隧道工程施工技術指南[S]．

[7]呂擎峰，劉洋，趙彥旭．蘭州黃河高階地復雜地質大斷面隧道監控測量[J]．鐵道建筑技術，2014(2)：1-6．

趙彥旭：中鐵二十一局集團有限公司，教授級高級工程師，甘肅 蘭州，730000

責任編輯 苑曉蒙

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文獻標識碼：A

文章編號：1672-061X（2015）05-0025-03