分部開挖法在富水粉細砂巖地層隧道中的應用

朱 寶

（中鐵十九局集團有限公司，北京 100176）

1 工程概況

胡麻嶺雙線隧道是蘭渝鐵路最后一座隧道，全長13 611 m，共設有7 個輔助坑道（6 個斜井和1 個豎井，6 號斜井設計優化時被取消）。輔助坑道平面布置如圖1所示。

圖1 胡麻嶺隧道輔助坑道平面布置示意（單位：m）

胡麻嶺隧道斜（豎）井（3 座斜井和1 座豎井）1 567.5 m和正洞3 250 m段落均處于第三系富水粉細砂巖地層中。這種地層呈粉細粒結構，泥質弱膠結，手捏即成散沙狀。其物理力學指標見表1［1］。

表1 第三系富水粉細砂巖物理力學指標

2 施工情況

富水粉細砂巖滲透性低，地下水位高。剛開挖時，掌子面穩定性較好，一經開挖擾動圍巖表面開始滲水并逐步軟化、層層剝離，逐漸坍塌；水長時間浸潤或浸泡后，掌子面附近含水率逐漸增大，圍巖逐漸軟化，數小時后呈流塑狀，有水從掌子面或初期支護背后流出，開挖及支護困難。拱部及邊墻出現較大沉降和收斂，個別段落甚至出現初期支護、二次襯砌整體沉降。在水頭差的作用下開挖掌子面時常伴有滲水，局部有股狀涌水、涌砂現象［2-3］。

通常軟巖隧道的開挖方法有雙側壁導坑法、交叉中隔壁法（Center Cross Diagram method，CRD法）、中隔壁法（Center Diagram method，CD 法）、環形開挖預留核心土法［4-5］。胡麻嶺隧道第三系富水粉細砂巖地層中施工時采用了CD 法、三臺階預留核心土法和CRD 法，但施工中面臨圍巖穩定性極差、斷面滑塌、突水涌砂、初期支護易沉降等問題。

2.1 CD法

2013年11月—2014年9月取 DK77+394—DK77+454段作為CD 法的試驗段。由于CD 法各分部斷面較大，仍需將每個分部再細分為上下臺階施工，初期支護不能及時閉合，收斂大。經統計，60 m 長的試驗段中較大變形段長46 m，發生突水涌砂4 次，拆換拱16 m，歷時264 d，平均進度0.23 m/d，施工進度極其緩慢。CD法不能滿足胡麻嶺隧道施工進度要求。

2.2 三臺階預留核心土法

DK79+545—DK79+567 段采用三臺階預留核心土法開挖。2014年10月下旬由于施工擾動滲水量逐漸變大，無法形成核心土（見圖2），掌子面不穩定。上臺階支護后沉降和收斂較大，最大收斂值達428 mm，最大沉降量達348 mm，造成該段上臺階右側侵入二次襯砌限界，拆換拱22 m，3 個月無法向前施工。因此，三臺階預留核心土法不適用于胡麻嶺隧道。

圖2 三臺階預留核心土法無法形成核心土

2.3 CRD法

2014年3月23日在 DK76+577—DK76+601 段 采用CRD 法施工，分6 部開挖，見圖3。⑥部開挖過程中有流塑狀的粉細砂涌出，并伴隨溜滑、片幫，同時③部和④部出現臨時仰拱變形、橫支撐扭曲現象。隨后1 d內出現初期支護鋼架響動，③部和④部臨時仰拱傾斜下沉、橫支撐混凝土開裂、鋼架鼓起，⑤和⑥部邊墻開裂掉塊，6個月沒有向前施工。可見，CRD 法不能有效控制涌沙引起的結構失穩，不適合在胡麻嶺隧道施工中采用。

圖3 CRD法橫斷面示意

3 分部開挖法的應用

為確保胡麻嶺隧道施工安全，開挖時間不宜過長，對圍巖的擾動要小，初期支護須快速閉合成環；當出現流塑或涌水、涌砂時能控制規模，不出現較大變形；支護結構要相對穩定。經研究提出了分部開挖法，將掌子面分隔為左、中、右3 個區，每個區再分為上、中、下 3 個分部，共劃分出 9 個分部，如圖4所示。開挖順序為先兩邊后中間、由上而下。先挖兩側①～⑥部，是為了避免側面的土壤脫落；再開挖中間的⑦部，初期支護做好后，可避免頂部土壤脫落；最后開挖⑧部和⑨部，頂部或側壁支護先完成可避免塌陷，從而確保施工人員的安全。

圖4 分部開挖法橫斷面示意

3.1 2種施工方法的轉換

DK76+910—DK76+925 段采用 CRD 法施工。開挖擾動后圍巖多呈飽和粉細砂狀態，穩定性極差，突涌較嚴重，累計涌出固體量約30 m3。

開挖方法調整為分部開挖法，首先從掌子面到仰拱端頭間已安裝臨時支撐段增加2道豎支撐＋掛網噴射混凝土；然后拆除原CRD 法中隔壁，向前方開挖逐步形成分部開挖法的斷面，完成體系轉換，如圖5和圖6所示。

圖5 從CRD法向分部開挖法的轉換

圖6 分部開挖法斷面

分部開挖法的優點：劃分為9個分部后各分部面積變小，最先施工的①部和②部開挖面積均小于15 m2；開挖后初期支護能立即閉合成環，避免了應力集中導致的大變形。各分部的支護結構均能及時閉合成環，承受外部荷載的能力增加，坍塌的范圍和規模較易控制，保證了整個初期支護結構的穩定。

3.2 主要措施

①對掌子面先進行掛網封閉，然后進行注漿加固；②拱部超前支護并注漿；③初期支護期間全環設置I25a型鋼鋼架并噴射C30早強混凝土；④臨時支護采用I20b型鋼鋼架并噴射C25 混凝土；⑤拱墻背后徑向回填注漿；⑥基底采用級配碎石換填；⑦襯砌采用C40鋼筋混凝土。具體施工參數見表2。

表2 主要措施及其施工參數

3.3 施工組織

9部開挖和支護各分部作為1個獨立的施工單元，單獨進行施工組織設計。①部的1 個循環施工流程為：施作φ42超前小導管并注漿→人工開挖，噴射混凝土封閉掌子面→施作初期支護和豎向臨時支護（初噴混凝土，架立臨時鋼架，并打設鎖腳錨管）→安設橫支撐閉合鋼架→復噴混凝土至設計厚度→打設徑向注漿管并注漿。其他各部和①部工序基本相似。

最多5個工作面同時開挖、支護，①，②部進度慢，設置4 個工班，其余各部設置3 個工班，共13 個工班，循環作業，開挖99人、支護88人，共計187人。各部以6 m 作為一個開挖支護大循環，0.5 m 作為一個開挖支護小循環組織施工。每個大循環10.5 d。其中拆除6 m 臨時支護影響72 h（每次拆除3 m）、降水（洞內超前水平真空降水和深井降水）影響24 h、仰拱施工及物料上下運輸影響12 h，有效開挖時間僅6 d，各部每天進尺1 m。在保證降水效果的情況下，每天可進行2個循環，月進度可達17.1 m。

胡麻嶺隧道正洞3 250 m 富水粉細砂巖段中有2 475 m采用了分部開挖法，初期支護變形均在預留變形量35 cm范圍內，月進度最高可達20.8 m，未出現垮塌、變形侵限等問題。

4 各種施工方法對比

對胡麻嶺隧道各種施工方法進行對比，見表3。可見，4 種施工方法中分部開挖法適用于第三系富水粉細砂地層。

表3 各施工方法對比

5 結論

在胡麻嶺隧道施工以前，第三系富水粉細砂巖地層在國內工程中很少見，沒有成熟的開挖技術。現行TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》和Q/CR 9604—2015《高速鐵路隧道工程施工技術規程》中也沒有該特殊地質條件下的施工方法。胡麻嶺隧道施工證明了富水粉細砂巖地層隧道采用分部開挖法切實可行。該施工方法具有以下優點：

1）將掌子面分成9 個獨立的施工單元，開挖斷面小，初期支護能夠快速閉合成環，有利于掌子面的穩定。

2）有利于控制初期支護的沉降和收斂變形，初期支護更穩定。

3）多分部同時開挖，有利于施工組織。

4）與綜合降水、局部注漿相結合，解決了第三系富水粉細砂巖地層流塑、突涌等問題。