白堊系砂巖隧道洞口淺埋段施工方案研究

李冬生

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142）

白堊系砂巖隧道洞口淺埋段施工方案研究

李冬生

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142）

文章介紹了某新建山嶺鐵路隧道工程的特殊地形、地質條件，并結合現場監控量測數據等資料進行技術方案對比，提出了通過該隧道洞口不利地形、不良地質段的施工控制技術措施。通過隧道進口淺埋白堊系全風化砂巖砂狀地段施工的反饋證明，采用上述洞內外注漿、密排小導管超前預支護、型鋼鋼架、三臺階臨時仰拱等措施能保證施工安全。

隧道工程；白堊系；砂巖；洞口段；鐵路工程

1 工程概況

某新建山嶺鐵路隧道全長936.15m，為單洞雙線隧道，最大埋深63.49m。該隧道位于陜北毛烏素沙漠與黃土高原過渡區，進口通過地層主要為第四系上更新統風積（Q3eol）砂質新黃土、白堊系下統洛河組（K11）砂巖。其中，白堊系下統洛河組砂巖特性：全風化（W4）～強風化（W3），砂質結構，厚層至巨厚層狀交錯層理構造，巖體較完整，成巖作用差，泥質膠結，巖質較軟，強風化砂巖飽和單軸極限抗壓強度為3.16～4.42，為極軟巖。隧道進口段位于凸出“山咀”正面，兩側沖溝發育，洞口段洞頂地表平緩，覆土厚度約14m，側壁厚度較薄，左側壁厚最薄約12m，右側壁厚最薄約6.4m，隧道位于此地形條件下長度約51m。

圖1 洞口地形

隧道DK240＋848～DK240＋863段，共15m，為直切式明洞門；DK240＋863～DK240＋914段，共51m，為下穿“山咀”地形的隧道暗挖段。

圖2 洞口縱斷面

下穿“山咀”地形段及其鄰近段隧道采用Ⅴ級圍巖Ⅴb型復合式襯砌，支護參數如下：

第一，初期支護：全環25cm厚C25噴射混凝土、全環I18型鋼鋼架（鋼架間距0.75m）、Φ8mm鋼筋網（網格尺寸20cm×20cm），預留變形量8～12cm。

第二，二次襯砌：拱墻厚度45cm，仰拱厚度50cm，環向主筋參數Φ20mm@200mm，Φ8mm拉筋間距200mm×250mm（縱×環）。

第三，超前支護：DK240+863~DK240+903段采用Φ108mm超前大管棚預支護，DK240+903~DK240+923段，采用Φ42mm超前小導管預支護。

第四，施工工法：三臺階臨時仰拱法施工，臨時仰拱采用I16型鋼，噴射220mm混凝土，臨時仰拱設置于上臺階。

圖3 Ⅴ級圍巖Ⅴb型復合式襯砌橫斷面（單位：cm）

圖4 三臺階臨時仰拱法

2 施工揭示情況

2.1 掌子面揭示地質情況

圖5 施工過程中掌子面地質情況

隧道進口DK240＋863～DK240＋928段掌子面揭示地層為白堊系砂巖，呈砂狀，無粘性，結構非常松散，開挖后多處出現溜塌。

2.2 施工情況

隧道進口DK240＋863～DK240＋914段施工過程中，地表隨著掌子面掘進陸續出現多條裂縫，最大寬度為6cm，并有進一步發展的趨勢；同時，初期支護鋼架拱部150°范圍內出現多條環向裂縫，最大寬度為1.5cm。

2.3 洞口沉降及變形

根據監控量測資料，DK240＋863～DK240＋914段拱頂日沉降最大值12.5mm（GD240＋863），累計沉降最大值77.7mm(GD240+863)，收斂日變化最大值收斂累計變化最大值，地表日沉降最大值地表累計沉降最大值。具體數值如表1：

表1 監控量測數據統計表

3 原因分析

根據施工揭示情況進行分析，可知隧道進口掌子面易溜砂、初期支護及地表易開裂主要原因在于以下三點：（1）DK240＋886～DK240＋928段，掌子面揭示的全風化白堊系砂巖，呈砂狀，無粘性，穩定性差；（2）隧道位于突出的“山咀”地形下部，結構豎向荷載明顯較水平向荷載大，同時隧道右側地層厚度較左側薄，隧道結構兩側受力不均；（3）開挖過程中圍巖受擾動，圍巖易變得更加松散，地層自穩能力降低，應力釋放速率加大，造成初期支護易開裂。

4 處理措施

4.1 地表加固方案

通過上述原因分析及根據施工過程中揭示的水平位移相對較大的情況，從考慮降低隧道結構承受的荷載角度出發，將地表加固分為兩個方案進行對比研究，具體如下：

4.1.1 方案一：卸載＋地表注漿方案。

第一，卸載反壓。DK240＋863～DK240＋910段洞頂進行卸載，降低覆土高度約至8.5m，洞頂卸載后土方回填至隧道右側覆土較薄處，回填坡率1∶1.25。

第二，地層加固。考慮右側覆土較薄，且地層基本呈砂狀，為避免施工階段右側土體失穩，考慮對右側土體注漿加固，加固采用Φ42鋼花管注漿加固既有地層，小導管長6m，間距1.5m×1.5m，梅花形布置。

卸載＋地表注漿方案見圖6、圖7所示：

圖6 洞口縱斷面（方案一）

圖7 DK240＋890橫斷面（方案一）

4.1.2 方案二：地表注漿方案。

對DK240＋863～DK240＋905段隧道洞身右側采用鋼花管注漿加固既有地層，鋼花管采用Φ42（t＝3.5mm），管長6m，間距1.5m×1.5m，梅花形布置。注漿參數：普通水泥漿，水灰比1∶1，注漿壓力0.5～1MPa，具體注漿參數應通過現場試驗確定。

地表注漿方案見圖8所示：

圖8 DK240＋873橫斷面（單位：m）

4.1.3 方案比較。通過上述方案分析可知：

方案一（卸載＋地表注漿方案）卸載洞頂山體，降低豎向荷載；同時將卸載的地表土體反壓至洞口右側覆土較薄側，并對右側較薄的原地層進行注漿加固，增強右側水平抗力，從而達到降低豎向荷載并平衡水平受力的目的。

方案二（地表注漿方案）通過對洞口右側地表覆土較薄段落進行地表注漿加固，以增強右側土體抗力。

以上兩種方案從結構受力角度考慮都是可行的，且方案一由于較方案二卸載了洞頂部分土體，更能改善隧道結構受力。但考慮洞頂卸載時需要采取機械設備開挖將加大對已施工段落的擾動，將增加已施工段初期支護的受力，造成結構變形沉降加大。所以綜合比較，采取方案二作為實施方案。

4.2 地表裂縫處理

對洞頂地表裂縫灌注水泥漿封閉，裂縫表層采用50cm厚三七灰土封閉隔水。

4.3 洞內注漿加固

洞內初期支護變形較大且初期支護開裂范圍DK240＋880～DK240＋928段，洞內采用Φ42（t＝3.5mm）長短小導管注漿加固，導管長度為3.5m和4.5m，梅花形間隔布置，注漿范圍為設計斷面最大跨以上拱墻部分，小導管布置間距1.2×1.2m。注漿參數：普通水泥漿，水灰比1∶1，注漿壓力0.5MPa，具體注漿參數應通過現場試驗確定。

圖9 徑向鋼花管注漿示意圖

4.4 進一步施工方案

采用Ⅴ級圍巖Ⅴb（土）型復合式襯砌進行施工，支護參數如下：

4.4.1 初期支護：全環27cm厚C25噴射混凝土、Φ8mm鋼筋網（網眼尺寸20cm×20cm）、全環I20a型鋼鋼架（鋼架間距0.6m）、預留變形量12～15cm。

4.4.2 二次襯砌：采用全環50cm厚C40鋼筋混凝土，環向主筋參數Φ22mm@200mm，Φ8mm拉筋間距200mm×250mm（縱×環）。

4.4.3 超前預支護。拱墻范圍內每榀施作一環Φ40mm（t＝3.5mm）超前密排小導管，小導管長度2.0m，環向間距為20cm，相鄰兩排的搭接長度不小于100cm；外插角10°～15°；小導管注漿采用水泥漿。

4.4.4 施工工法。開挖工法采用三臺階臨時仰拱法，中臺階增設一道臨時仰拱，上、中臺階臨時仰拱鋼架調整為每榀設置，掌子面每循環開挖后及時噴射混凝土封閉。

4.5 施工注意事項

4.5.1 掌子面開挖后及時噴射混凝土封閉，避免掌子面暴露時間過長，造成溜砂。

4.5.2 及時施作臨時仰拱及處置仰拱，以控制好變形和沉降。

4.5.3 盡早施作二次襯砌結構，確保隧道安全。

4.5.4 加強洞內及地表監控量測。

4.5.5 應合理組織施工工序，減少對圍巖的擾動，并做好應急預案，確保施工安全。

5 結語

通過隧道進口淺埋白堊系全風化砂巖砂狀地段施工的反饋證明，采用上述洞內外注漿、密排小導管超前預支護、型鋼鋼架、三臺階臨時仰拱等加強措施，在施工安全、進度和質量方面的控制是有效的。

[1]鐵路工程設計技術手冊．隧道[M]．北京：中國鐵道出版社，1999.

[2]鐵路隧道設計規范（TB10003-2005）[S]．北京：中國鐵道出版社，2005.

[3]朱永全，宋玉香．隧道工程[M]．北京：中國鐵道出版社，2007.

[4]李小青．隧道工程技術[M]．北京：中國建筑工業出版社，2011.

（責任編輯：小 燕）

U455

1009-2374（2017）07-0165-03

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.078

李冬生（1984-），男，黑龍江肇源人，鐵道第三勘察設計院集團有限公司工程師，碩士，研究方向：隧道與地下工程。

A