麻科義隧道砂層段施工關鍵技術研究

申運濤 謝江勝

（中鐵二十局集團有限公司 陜西西安 710016）

1 前言

近年來我國中西部地區的路網設施建設步伐加快。由于中西部地區多為丘陵高原地貌，地質復雜，廣泛分布有砂質新黃土、風積砂地質，多以長大隧道的方式通過。砂層隧道［1-3］在施工中受開挖擾動影響，極易出現漏砂、涌砂、塌方冒頂、沉降大變形等現象，施工難度極大。

針對該種工況，通常做法是采取洞內或洞外注漿加固等措施。本文從另一個角度出發，采取改變施工工法、加強支護措施、合理組織施工管理等措施方面進行專項研究。

2 砂層段地質情況及施工難度分析

2.1 不良地質情況

新建蒙西至華中地區鐵路煤運通道工程麻科義隧道位于陜西省延安市姚店鎮境內，為單洞雙線隧道，正洞全長8 728.55 m，最大埋深約234 m。隧道洞身穿越部分多夾有細砂層、細圓礫土，層間結合差，開挖后易發生剝落、產生坍塌。

隧道DK359＋900～DK360＋035段存在砂層，主要位于黃土和土石界面之間。洞身斷面拱部1～3 m范圍內為中砂，黃褐色，密實，稍濕，砂質均勻，呈松散結構；礫巖，灰褐色，碎屑結構，塊狀構造，強風化～弱風化；砂巖，灰褐色，砂質結構，層狀構造，強風化～弱風化，呈角礫碎石狀松散結構。淺埋段洞身地下水為基巖裂隙水，水量較大，見圖1。

圖1 DK359+943斷面地質素描

2.2 施工面臨的主要困難

（1）拱部砂層垮塌

隧道開挖拱部為中細砂層，自穩性較差，其余部分為礫石土、砂巖夾泥巖，需爆破開挖。受爆破擾動，拱部砂層垮塌嚴重，形成大的空洞，對下方施工人員的人身安全帶來了安全隱患，見圖2［4］。

圖2 拱部砂層垮塌

（2）掌子面溜塌

由于隧道淺埋砂層段上覆地層較薄，開挖引起的變形極易誘發地表變形和圍巖大變形。由于砂層的物理力學性質較差，開挖后圍巖自身難以形成支撐環來維持洞室穩定。若施工方法和支護加固措施選取不合理，會使圍巖產生過大變形，從而引起圍巖坍塌破壞，甚至冒頂。因此合理選擇開挖方法以及超前支護（加固）技術對掌子面的溜塌控制具有決定性作用。

（3）圍巖變形

受到隧道開挖擾動的影響，圍巖中原始應力的平衡狀態被破壞，產生應力重分布，巖體的受力狀態改變，致使巖體的強度降低，承載能力下降。當二次應力值大于巖體強度時，巖體發生塑性變形，形成圍巖松動圈，隧道發生內空收斂變形［5］。

圍巖中砂層及破碎的泥巖夾砂巖穩定性差，若采取的初支結構承載力不足，當圍巖應力集中達到一定值后，會造成初支急劇變形破壞。初支結構被破壞后，變形進一步加劇，極易造成初支侵限。因此應根據圍巖的變化情況及時調整支護參數及預留變形量。

3 施工關鍵技術

參照大斷面黃土隧道施工關鍵技術［6-8］，確定主要施工順序：上臺階（兩側拱腳部分石質）及中下臺階測量放線，嚴格控制炮眼間距→固定人員鉆孔爆破→使用帶松土器的挖機進行拱部砂層開挖修整→人工修整拱部開挖輪廓線→上中臺階出渣→上中臺階初支鋼架安裝→下臺階及仰拱開挖出渣→下臺階及仰拱初支鋼架安裝（同時上中臺階噴射混凝土）→下臺階及仰拱噴射混凝土→進入下一循環施工。

3.1 開挖工法選擇

拱部砂層段落圍巖綜合判定為V級，采用Vb土復合式襯砌。該段落采用三臺階預留核心土法［9］開挖，上臺階長度不超過4m，中臺階長度5m。為減少爆破擾動，下臺階長度適當加長，但最長不得超過20 m。

因拱部砂層自穩性較差，故采用逐榀開挖，嚴格控制每一循環的開挖進尺。在下部石質部分松動爆破完成后，應立即采用人工配合機械（安裝了松土器的挖掘機）進行上臺階的開挖修整，盡量縮短圍巖的暴露時間。下臺階開挖與上中臺階支護施作，下臺階支護與上中臺階噴射混凝土作業交叉進行。

3.2 支護參數及預留變形量設置

（1）初支采用H230格柵鋼架，間距60 cm；C25噴射混凝土，厚度30 cm；單層φ8鋼筋網片，20 cm×20 cm。在上、中、下臺階每節點處各打設4根φ42×5的鎖腳錨管，每根長4 m，在施作之前預注1∶1水泥漿，以增強鎖腳錨管的抗壓強度。施作角度為向下30°～45°。

（2）二次襯砌采用C35模筑鋼筋混凝土，厚度50 cm。

（3）預留變形量根據監控量測數據進行動態調整，含水砂層段按照10～15 cm設置，無水砂層段按照15 cm設置。

3.3 超前支護施工

超前支護措施為φ89超前短管棚＋φ42超前密排小導管。

（1）φ89超前短管棚施工

為防止塌孔，采用潛孔鉆機從兩側拱腳向拱部方向依次施作。φ89超前短管棚配合3～4環φ42超前密排小導管為一個循環。

（2）φ42超前密排小導管施工

超前小導管施工直接影響拱部圍巖的超欠挖及穩定性。

若開挖臺車長度不能滿足小導管的施工要求，則先采用2 m的短鉆桿預先成孔，完成后更換成3.5 m的長鉆桿成孔。超前小導管外插角應控制在10°～15°，鉆孔時風槍前端位于鋼架腹板上固定孔位處且保證距離掌子面1 m（與線路中線平行）處，風槍槍身高度為18～27 cm。

3.4 下部石質松動爆破及超挖控制技術

因拱部的砂層自穩性較差，在隧道下部為石質需爆破開挖的地段，采用分區域、分段位、多打眼、少裝藥、間隔爆破等方式，以減少爆破施工對拱部砂層的擾動。

3.5 初支施工

（1）鋼架安裝

若因超挖或坍塌造成進尺過大（超過10 cm）時，應增設一榀鋼架，確保鋼架緊貼掌子面圍巖。在上、中臺階拱腳處采用泡沫鋁或混凝土墊板進行支墊［11］，見圖 3。

圖3 拱腳處支墊

（2）鋼筋網片施工

相鄰網片搭接不小于一個網格；若超挖較大，則采用2～3層鋼筋網片，噴射混凝土直接封閉。

（3）鎖腳錨管施工

為保證鎖腳施工角度，采用洞渣或簡易小平臺，實現洞身“中間高，兩側低”，為作業人員創造條件，提高鎖腳施工質量。

（4）噴射混凝土施工

(1) 開挖后的層狀巖質邊坡，圍巖的應力場會重新分布，應力集中主要發生在拱頂附近，為壓應力，其值隨深度的增大而增大。拉應力集中發生在坡面附近。剪切應力主要發生在第二控制軟弱結構表面附近。第一控制結構面上的剪應變最大，且主要的剪切應變沿著控制結構面分布。

采用濕噴機械手進行噴射作業。每次施工時，必須將靠近掌子面的初支鋼架端頭采用噴射混凝土封閉密實，避免臨空面過大而造成圍巖坍塌。

在支護過程中安排專職安全員時刻觀察拱部砂層的穩定情況，一是確保下方施工人員的人身安全，二是發現有漏砂處及時插入網片加強支護。每循環的鋼架必須緊貼掌子面，在噴射混凝土時鋼架與掌子面的間隙必須封閉，防止拱部的砂層繼續向前方垮塌，形成惡性循環。

（5）初支背后回填注漿

雖然采取了一定的超前加固措施，但受到過大的爆破振動或施工工序銜接不緊促等因素的影響，松散的砂層結構極易產生坍塌掉塊現象。若產生較大坍塌，需要在常規噴射作業完成后，再使用粉煤灰砂漿或C20細石混凝土進行拱部回填。

對于拱部超挖最大的位置，在初支鋼架安裝時預埋φ89注漿鋼管，鋼管外露15 cm，且不能緊貼巖面，距離超挖頂面預留5 cm，以免注漿料無法灌入。根據拱部需要回填的范圍確定預留鋼管的根數，一般預留2～3根即可，見圖4。

圖4 拱部預留注漿管

回填時間一般在初支施工后3 d左右，噴射混凝土3 d強度約為15 MPa。根據拱部需要回填的方量可分為兩種情況進行回填注漿：回填方量不大于10 m3，可直接使用車載泵進行拱部回填；回填方量大于10 m3，需要在已支護好的上臺階鋼架處設置臨時鋼支撐加固，并布置監控量測點進行觀測。

使用車載泵進行泵送時，采用間歇式泵送，泵送速度不得超過10 m3/h，并時刻觀察監控數據，每15 min采集一次數據，當兩次采集的累計數據大于5 mm時應立即停止泵送，加強臨時支撐系統，以提高泵送回填時原初支的穩定性，見圖5。

圖5 拱部回填注漿及監測現場

3.6 安全步距控制

根據砂層段變形釋放快、易失穩的特點，在原鐵道部120號文的基礎上，結合蒙華公司施工理念和現場實際圍巖的特性，施工過程中以“仰拱封閉成環距掌子面距離不超過25 m，二襯仰拱、拱墻襯砌緊跟”的強制性規定來指導施工，這一強有力的措施很大程度上保證了施工安全［12］。

4 監控量測數據分析

4.1 監控量測情況

按5 m間距設置量測斷面，每個斷面埋設5個觀測標，進行變形觀測。該砂層段落長135 m，埋設監測斷面28個，共埋設140個觀測標。

經統計，拱頂沉降GD累計最大值為13.8 mm，其最大變形速率為3.9 mm/d。水平收斂SL1累計最大值為-19.9 mm，其最大變形速率為-4.1 mm/d；水平收斂SL2累計最大值為-17.06 mm，其最大變形速率為-4 mm/d。

為體現出砂層段的變形特征，選取該段落中拱頂沉降和周邊收斂累計值最大的斷面DK359＋940、DK360＋020作為典型斷面。

（1）DK359＋940典型斷面

上臺階施工時間2017年6月4日，中臺階施工時間2017年6月7日，下臺階施工時間2017年6月24日。典型斷面的變形趨勢見圖6。

圖6 隧道DK359+940典型斷面測點變形曲線

GD累計變形13.8 mm，SL1累計變形-4.2 mm，SL2累計變形-3.2 mm。初支成環時，GD累計變形量占總變形量的101%，SL累計變形量占總變形量的69%。初支外觀無異常。

（2）DK360＋020典型斷面

上臺階施工時間2017年4月26日，中臺階施工時間2017年4月29日，下臺階施工時間2017年5月11日。典型斷面的變形趨勢見圖7。

圖7 隧道DK360+020典型斷面測點變形曲線

GD累計變形12.6 mm，SL1累計變形-19.9 mm，SL2累計變形-5.2 mm。初支成環時，GD累計變形量占總變形量的88%，SL累計變形量占總變形量的104%。初支外觀無異常。

4.2 典型斷面數據分析

對上述典型斷面的量測數據進行分析，得出以下結論：

（1）通過分析累計變形值可知，采用超前加固和超前支護措施的砂層段初支水平收斂SL2大于拱頂沉降GD和水平收斂SL1，其變形特征以收斂變形為主，拱頂沉降和水平收斂變形均在可控范圍之內，整體上初支變形累計值均不大（20 mm以內）。

（2）初支變形主要發生在施工初支成環之前，故控制上、中臺階開挖支護時初支變形和壓縮上臺階開挖至初支成環的時間間隔，可減少初支累計變形量。

（3）采用超前加固和超前支護措施后，在施工過程中各量測斷面均未出現預警，初支表面未出現起皮開裂等異常情況。監控量測方案確定的預警值適用于該種工況下的黃土隧道。

（4）在監測數據無異常時，監測數據采集頻率按設計的1次/d來進行。施工過程未出現異常情況，故此量測頻率滿足施工安全需求。

5 結束語

（1）砂層的自穩性較差，導致超挖難以控制，是施工過程中最難解決的問題，所以合理地選擇支護參數是關鍵。

（2）施工人員在砂層段下方施工，首先要保證人身安全，所以在施工過程中必須要配備專職安全員，對拱部砂層的變化情況實時觀察。

（3）需要爆破開挖的地段，采用分區域、分段位、多打眼、少裝藥、間隔爆破的措施，以減少對拱部砂層的擾動。

（4）超前支護小導管的間距應根據砂層分布情況進行動態調整，間距應控制在15～20 cm。且小導管端頭入巖深度不能小于1 m。小導管越密集，越能防止大塊的圍巖掉落，保證施工人員的人身安全。

（5）鋼架支護必須緊貼掌子面，噴射混凝土時鋼架與圍巖之間必須封閉，防止垮塌砂層繼續向前發展。開挖過程中要注意對各臺階鋼架連接板的保護，只有連接板不被破壞，鋼架間才能有效連接，起到初支的作用。

（6）拱部的空洞及時回填，回填過程采用間歇式泵送，泵送過程中要對初支進行觀察。