淺埋偏壓紅砂巖隧道洞口施工技術

趙洪強

新建蒙華鐵路MHTJ-4標位于陜北毛烏素沙漠和黃土高原過渡區，地形地貌以邊緣沙漠和侵蝕性梁峁溝谷地貌為主，“V”字型沖溝發育，呈樹枝狀分布，支離破碎，地形較為復雜。大部分隧道洞口位于沖溝兩側，地形陡峭，場地狹小，洞口多有砂質新黃土或全風化砂巖覆蓋，部分黃土覆蓋層深達隧底20m以下。

淺埋砂質新黃土、砂層隧道施工稍有擾動極易發生溜塌，結構破壞后對洞內初支壓力增大，造成較大變形；偏壓砂質新黃土、砂層隧道施工擾動后極易發生橫向溜塌，對初支產生較大側向壓力，改變拱架受力形式；部分砂質新黃土隧道洞口淺埋、偏壓同時存在。因此，如何減少施工擾動，維持圍巖自穩，控制沉降變形，杜絕發生溜塌，保證洞口安全是淺埋、偏壓砂質新黃土隧道進出洞施工的最大難題。

1 工程概況

薛家畔1號隧道進口段位于“牛鼻子”山脊中，洞頂最大覆蓋層厚度17m，拱腰最小覆蓋層厚度6m，屬于超淺埋隧道。進口處及仰坡上覆砂質新黃土，下伏白堊系砂巖。砂質新黃土，具濕陷性，屬中等濕陷性黃土。砂巖，紫紅色，全風化，原巖結構已破壞，呈角礫松散狀結構，自穩能力差。原工法為三臺階大拱腳臨時仰拱法，上導開挖后揭示圍巖為散體狀結構的砂質新黃土，多數為破碎帶強風化構造，自穩能力極差，開挖后出現溜塌、涌砂現象。

施工過程中，地表伴隨著出現縱橫向裂縫，裂縫超前掌子面20m左右。完成初期支護段裂縫較大，數量較多，橫縫間距約1～2m，最大的橫縫上部基本貫通，寬10cm左右；縱向縫數量較少，基本伴隨隧道中線，集中在隧道兩側邊坡部位。裂縫封閉，初支成環后，裂縫基本穩定。

2 主要采取的技術措施

管棚：洞口超前支護采用φ108長管棚，長40m，一次施做，環向間距40cm，傾角 0～3°。

密排小導管：拱墻范圍施作φ42mm密排小導管，長3.5m，環向間距20cm，縱向搭接不小于 1.0m，外插角 10～15°。

開挖：采用四臺階大拱腳3道臨時仰拱法開挖，微臺階工藝，1.5倍洞徑成環。

支護：初期支護全環I20a工字鋼架，間距0.6m，C25噴射混凝土27cm厚，三臺階均每榀增設I18臨時仰拱，上臺階鎖腳采用4根長度6mφ42（t-5mm）熱軋無縫鋼管，中、下臺階采用 4根長度 6mφ76（t-5mm）熱軋無縫鋼管。全環采用網眼20×20cm的φ8鋼筋網。

洞內徑向注漿加固：地表有裂縫段洞內拱部采用φ42mm小導管注漿加固，導管采用4.5m、3.5m二種，長短交錯布置，間距1.2×1.2m。漿液采用1：1普通水泥漿，注漿壓力按0.5MPa控制。

地表注漿加固：地表開裂縫段，先灌漿封閉裂縫，再采用φ42mm小導管注漿固結，小導管長6m，間距1.5×1.5m，漿液采用1：1普通水泥漿，注漿壓力按0.5～1.0MPa控制。

3 施工方法

3.1 施工步驟

（1）上臺階弧形導坑開挖，拱部超前支護完成后，完成上臺階閉合，即上臺階臨時仰拱。

（2）上臺階封閉成環后，進行中臺階上斷面兩側開挖，左右側錯開2～3m，待上臺階與中臺階上斷面錯開3～5m后，完成中臺階上斷面封閉，即中臺階上斷面臨時仰拱。同時拆除部分上臺階臨時仰拱以減輕自重。要求上臺階臨時仰拱與中臺階上斷面臨時仰拱搭接長度不小于兩榀拱架間距，確保同一橫斷面始終處于封閉成環狀態。

（3）中臺階上斷面封閉成環后，進行中臺階下斷面兩側開挖，左右側錯開2～3m，待中臺階上斷面與中臺階下斷面錯開3～5m后，完成中臺階下斷面封閉，即中臺階下斷面臨時仰拱。同時拆除部分中臺階上斷面臨時仰拱以減輕自重。要求中臺階上斷面臨時仰拱與中臺階下斷面臨時仰拱搭接長度不小于兩榀拱架間距，確保同一橫斷面始終處于封閉成環狀態。

（4）中臺階下斷面封閉成環后，進行下臺階兩側開挖，左右側錯開2～3m，待中臺階下斷面與下臺階錯開3～5m后，完成下臺階封閉，即仰拱初期支護。同時拆除部分中臺階下斷面臨時仰拱以減輕自重。要求中臺階下斷面臨時仰拱與下臺階仰拱搭接長度不小于兩榀拱架間距，確保同一橫斷面始終處于封閉成環狀態。

3.2 施工要點

（1）開挖：上臺階一次開挖不超過一榀。

（2）錨桿：邊墻采用φ22藥包錨桿，長度3.5m，間距環向1.0m×縱向1.0m。

（3）鋼筋網：φ8×φ8，間距 20cm×20cm。

（4）鋼拱架：鋼拱架采用I20a工字鋼，縱向間距60cm，拱架連接鋼板240×220×14mm，采用4個M27高強螺栓連接，鋼拱架之間采用φ22鋼筋連接，每根連接筋長0.808m，連接筋縱向連接長度單面焊10d，雙面焊5d（d為鋼筋直徑）。連接鋼筋環向間距1m，單排交錯布置；拱架安裝允許偏差：橫向和高程偏差均為+50mm，垂直度偏差為+2°，鋼架間距允許偏差為+100mm，鋼架保護層厚度允許偏差為-5mm。

（5）臨時仰拱：每臺階每1榀鋼架施做一道臨時仰拱，臨時仰拱采用I18工字鋼，采用濕噴噴射C25混凝土24cm。

（6）拱部鎖腳錨桿采用φ42無縫鋼管，壁厚5mm，長度6m，每個拱腳施作四根，斜向下45°，鎖腳錨管采用φ22“L”型螺紋鋼筋與鋼拱架焊接，鋼筋與鋼拱架翼緣采用雙面焊接，焊接飽滿、牢固。中臺階與下臺階采用φ76無縫鋼管，每個拱腳施作四根斜向下45°，鎖腳錨管采用φ22“L”型螺紋鋼筋與鋼拱架焊接，鋼筋與鋼拱架翼緣采用雙面焊接，焊接飽滿、牢固，無縫鋼管鎖腳錨管注入砂漿，砂漿采用M20水泥砂漿，注漿飽滿。

（7）超前小導管為φ42熱軋無縫鋼管，壁厚3.5mm，環向間距30cm，鋼管長3.5m，外插角10～15°，搭接長度≥1.0m，壓注水泥漿液。施作范圍拱部120°，現場實際施工中由于邊墻垮塌現象嚴重，邊墻位置也施作超前小導管。

4 取得效果

通過采取洞內、洞外一系列措施，薛家畔1號隧道進口實現了安全進洞，施工中逐步調整工法，落實兩緊跟，快速封閉成環，有效控制了沉降變形。采用洞內、洞外相結合注漿，對圍巖進行了固結，增強整體受力性能，有效控制了洞內、地表開裂。

通過方案優化，將淺埋、偏壓砂質新黃土隧道進口段原設計三臺階臨時仰拱法優化為四臺階三道臨時仰拱法，配合洞內圍巖注漿及地表注漿加固同步施工，能有效解決了淺埋、偏壓且圍巖極差環境下的隧道施工問題，大大減小了該段洞內施工安全風險，為隧道順利進洞以及最終的順利貫通會起到關鍵性作用。

薛家畔1號隧道進口進洞施工由于前期對圍巖特性認識不足，施工中出現了較大沉降、地表開裂等問題，通過工法調整、注漿得以有效解決。淺埋、偏壓不良地質隧道進洞“先加固后進洞”原則非常重要，在今后施工中應引起重視。

這種采用多臺階開挖多臨時仰拱支護的隧道施工技術不僅適用于淺埋、偏壓且圍巖極差環境下的隧道施工，對于一般軟弱圍巖、或者偏壓隧道施工同樣適用。

5 經驗總結

根據淺埋偏壓隧道的施工情況，我認為紅砂巖隧道施工主要控制以下幾個環節：

（1）開挖過程中，嚴格控制超挖，欠挖現象，若采用機械開挖，必須預留30～50cm人工進行修整（開挖應盡量避免對巖層的擾動）。

（2）支護過程中拱架緊貼掌子面，開挖完成后應盡快施作鎖腳鎖死，鎖腳錨桿按與水平方向45°角度向下打射，鎖腳錨管采用φ22“L”型螺紋鋼筋與鋼拱架焊接，焊接必須飽滿。現場除采用焊接外，還采取鋼架中間鉆孔，采用φ42無縫鋼管穿過鋼架，架立在鎖腳錨管上，能夠更好的控制下沉。

（3）鋼架架設之前必須對斷面進行檢查，及時對欠挖部位進行處理，拱腳和墻角以上1m范圍內斷面嚴禁欠挖，清除松動巖塊及拱腳松碴，拱腳部位必需墊實。

（4）噴射作業應分段、分片、分層，由下而上按先墻后拱順序進行，在有鋼架噴射混凝土時，保證鋼架與壁面之間的混凝土充填密實，先噴射鋼架與壁面之間的混凝土，待鋼架與壁面之間及鋼架周圍填滿混凝土之后，再噴射鋼架之間的混凝土。，避免出現空洞。

（5）現場施工嚴格把控“三超前、四到位、一加強”，即超前地質預報、超前支護、超前加固；工法選擇到位、支護措施到位、快速封閉到位、襯砌質量到位；強化量測。

[1]韓毅，李雋蓬.鐵路工程地質.北京：中國鐵道出版社，1988.

[2]李永華，王清江.鐵路隧道工程施工技術.北京：中國鐵道出版社，2014.

[3]趙勇，李國良，喻渝.黃土隧道工程.北京：中國鐵道出版社，2011.