雙線鐵路隧道穿越超淺埋段扣拱施工技術研究

劉小果

(中鐵十四局集團第二工程有限公司 山東泰安 271000)

1 引言

自2008年8月1日中國第一條具有完全自主知識產權、世界水平的時速350 km高速鐵路京津城際鐵路通車運營以來，中國高速鐵路飛速發展，至2018年3月5日，中國高鐵運營里程已達25 000 km，占世界高鐵運營里程的三分之二。隨著高速鐵路建設的發展，山區鐵路隧道正大幅增加，復雜環境下的施工的隧道越來越多[1]，受自然地理環境和工程造價等因素限制[2]，不可避免地會穿越各種不良地質和特殊地形地貌，如隧道穿越溶洞、暗河、滑坡體、堆積體、斷層破碎帶等特殊地質，或出現長距離偏壓和淺埋、超淺埋等特殊地形地貌。一般情況下，隧道穿越淺埋、超淺埋段易采用加強超前支護的措施以暗洞形式通過，也有一些工程項目受工期和安全風險影響采用明挖形式以明洞通過，但山區鐵路隧道采用明挖扣軌暗挖施工的案例并不多。縱觀既有報道的資料，國內學者對淺埋隧道的施工技術研究較多[3-5]，對城市地鐵車站和城市地鐵施工采用扣拱工藝的研究也有報道[6-9]，但鮮有山嶺隧道明挖扣拱暗挖施工[10]方面的技術研究。

2 工程概況

新建張吉懷鐵路巖屋沖二號隧道位于湖南省懷化市鶴城區，隧道全長883 m，起訖里程為DK223+999～DK224+882。隧道縱坡設置人字坡，其中，DK223+999～DK224+850段為7.5‰的下坡，DK224+850～DK224+882段為3‰的下坡，隧道埋深4.34～95.66 m，Ⅳ級圍巖270 m、Ⅴ級圍巖613 m。

正洞DK224+287～DK224+307段為超淺埋地段，其中DK224+290～DK224+295段埋深最淺，現場實測埋深僅為0.3 m。該段地表為稻田，且有水流經過。隧道洞身為中～強風化泥質粉砂巖，層厚約0.7～2.0 m，巖體節理裂隙發育，破碎嚴重。

原設計采用反壓回填處理，再進行暗挖施工。由于本段位于溝谷之內，匯水面積較大，易受水流沖刷，為防止雨水沖刷，在反壓回填后上鋪一層35 cm厚M10漿砌片石，處理完成后，方允許進行暗挖施工。

3 工程背景分析

巖屋沖二號隧道全部為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，其中Ⅴ級占比高達69.4%，且為Vb、Vc支護類型，22型鋼鋼架，鋼架間距為0.5 m和0.6 m。采取從進口端獨頭掘進施工，正常情況下月均進尺50 m。從當前的圍巖狀況和進度情況來看，該隧道工期壓力較大。DK224+287～DK224+307段若反壓回填后，再進行暗洞施工，施工進度必然延緩，隧道貫通工期勢必進一步滯后。同時該淺埋段靠近既有便道，且施工至該段落正好處于旱季，具備進行扣拱施作、提前施工的條件。

4 超淺埋段施工技術

充分利用旱季，在地表施作引水管，橫跨隧道，將溝谷內匯水通過管道引至隧道下游的自然水溝內；明挖隧道輪廓，從洞外施作初支；同時，選取合適位置，施作導向墻分別向兩側打設超前長管棚；待暗洞到達該段時，可直接開挖安全通過；安全通過后，再對地表進行鋪砌處理。

4.1 地表排水溝施工

在DK224+287～DK224+307段施工以前，首先要對地表的排水進行處理。根據前期降水過程觀察發現，在豐水期該匯水溝水量最大約0.8 m3/h，在枯水期最大水流量為0.2 m3/h。為確保隧道施工過程不受地表水影響，提前在溝上游人工砌筑一個攔水壩，沿著兩側山體平緩位置布設φ400 mm塑料排水管道跨越隧道，將溝谷匯水引流至隧道下游，具體布置見圖1。其中，攔水壩長度為19 m，最高高度為0.8 m，斷面呈V型與兩側山體連接；隧道小里程側排水管(從DK224+282處跨越隧道)長度為40 m，大里程側引水管(從DK224+307處跨越隧道)長度為46 m。

圖1 地表排水溝布置平面圖

4.2 扣拱施工

經過現場實地勘察，選擇在埋深小于1.0 m的段落采用明挖法扣拱施工，明暗交界位置施作長管棚，分別向兩側設置，確保明暗交界段暗洞安全、快速施工。

4.2.1 施工管棚

根據現場實測斷面，在DK224+290及DK224+304處埋深已達到1.0 m。在扣拱段施工以前，提前在DK224+290及DK224+304里程處施作依托3榀初支鋼架，分別向小里程、大里程打設φ89長管棚，中間的鋼架內輪廓適當增大，確保管棚的外插角控制在1°～3°范圍內，如圖2所示。

圖2 長管棚依托鋼架施工示意

施工管棚的主要參數為：鋼花管注漿孔孔徑10～16 mm，呈梅花形布置，由外徑89 mm、壁厚5 mm的熱軋無縫鋼管加工；管棚長度為10.0 m；布置在拱部140°范圍內，環向間距為40 cm，共計45根；注漿液采用水泥漿液，水灰比為1∶1(重量比)，注漿壓力為0.5～2.0 MPa。管棚打設并注漿完成后，在管內灌注M10水泥砂漿，并保證密實，以增強管棚強度。

4.2.2 施工扣拱

在DK224+290～DK224+304段，采用明挖扣拱施工初期支護，待隧道正洞襯砌完成后，利用小型機械進行地表回填，并施作引水漿砌片石。

該段落內地表為臺階狀稻田，下部為強風化粉砂巖，采用挖掘機輔以弱爆開挖施工。開挖至隧道上臺階，開挖完成后，對邊坡采用掛網噴錨，噴錨厚度為10 cm，再施工隧道初期支護。開挖深度為3.8～5.0 m，放坡開挖，坡度為1/2～1/1，根據現場實際地質情況進行調整，如圖3所示。

圖3 DK224+290開挖斷面示意

圖4 縱向連接筋加密布置示意

4.3 施工暗洞

暗洞施工至此處時，上臺階已施工完成，中、下臺階開挖循環進尺控制在1.0 m(2榀鋼架間距)。仰拱開挖過程，按照每循環進尺3.0 m施工仰拱初支鋼架。

施工過程中，注意及時施工仰拱初支，確保仰拱初支封閉成環位置距離掌子面不大于35 m。

4.4 地表回填

待DK224+290～DK224+304段初期支護封閉成環后，對上臺階兩側拱腳位置進行第一次回填，回填至拱頂平齊位置，防止拱頂積水滲入隧道，對初支結構造成破壞。

待DK224+270～DK224+328段襯砌施工完成后，對地表進行回填處理，并施作永久排水結構，具體為水泥摻量10%的水泥土進行回填；回填厚度按拱頂開挖線以上不小于6.0 m，在拱頂2.0 m厚度范圍內，采用人工夯填，每層厚度不大于0.25 m，回填密實度不小于0.9，其余可采用機械回填；回填后上鋪一層35 cm厚的M10漿砌片石，防止雨水沖刷。

4.5 施作效果監測分析[11]

施工過程中，工程技術人員嚴格按照鐵路隧道監控量測技術規程要求布點、監測。經過監控量測數據分析，周邊收斂和拱頂沉降最大值均出現在DK224+285斷面，分別為58.4 mm和93 mm，小于預留變形的250 mm，可以滿足設計襯砌厚度要求，如圖5、圖6所示。

圖5 DK224+285斷面收斂變化趨勢

圖6 DK224+285斷面拱頂沉降變化趨勢

5 施工控制要點

(1)淺埋段明挖施工需避開雨季，減小溝谷匯水對施工過程的干擾。

(2)施工過程中，要加強監控量測[12]工作，在地表和洞內做好測點布設和過程保護工作，按規定頻率做好檢測，發現異常情況，及時反饋。

(3)施工扣拱過程中，要加強鎖腳錨管的施工控制。同時初支拱腳必須坐落在堅實的基礎上，如果存在超挖現象，必須采用混凝土塊墊實，防止因拱架下沉導致初支結構破壞。

(4)地表回填過程，嚴禁大型機械橫穿隧道。注意地表回填與既有地形順接，隧道中心線左側按1∶10坡度與自然地表順接；隧道中心線右側8 m內按1∶5坡度回填；隧道中線右側8 m范圍外按1∶2坡度自然地表順接，并設骨架護坡防護。

(5)開挖完成后，及時封閉成環，確保隧道安全距離。

6 結束語

淺埋段施工的關鍵是在安全和保證質量的前提下，加快隧道的施工進度。如何避免明暗交界處的垮塌、扣拱段沉降及回填過程主體結構安全需要重點關注，并采取加強措施。本工程采取了在明暗交界處施作大管棚、在拱腳處加強鎖腳措施及縮短掌子面循環進尺并及時初支封閉成環、在襯砌完成后分次回填且機械配合人工夯實等措施，保證了淺埋段的施工安全。

該隧道淺埋段已完全順利通過，相比較于反壓回填暗洞施工，節約工期20 d，可為類似工程施工提供經驗借鑒。