高鐵隧道下穿河流淺埋段施工技術

劉鵬

西成鐵路客運專線陜西有限責任公司，中國·陜西 西安 710043

1 引言

鐵路隧道需要下穿河流時，施工難度和安全風險很大。一方面，如何防止河流水下滲，避免施工作業面發生突泥突水等工程災患：另一方面，隧道開挖施工將不可避免導致地層變形，當變形過大時將危及地表建筑物的安全和正常運營。因此，如何采取有效的措施和科學的手段來保證施工環境和周圍環境的安全，是此類隧道施工亟待解決的現實難題。

2 工程概況

石鼓山隧道位于寶雞市渭濱區渭河南岸，起訖里程DK639+430～DK643+760，全長4330m，雙線隧道。進出口均緊鄰鄉鎮公路，交通條件較為便利。洞身下穿茵香河、張家溝、劉家河三條較大溝谷，最大埋深133m，最小埋深3m。洞身除DK640+790.559～DK641+455.754 位于直線上，進出口段分別位于半徑R-8000m、8004.6m 的曲線上。洞身縱坡依次為3/1720m、5.3/1200m、20/1410m。

結合隧道所處地形、地質條件，考慮施工工期、救援疏散等要求，采用2 座無軌運輸斜井輔助施工。其中，該隧道經評估為高風險隧道，是寶蘭客專重點控制性工程之一。

3 安全風險

隧道多次穿越均有常年流水的淺埋溝谷，溝谷內地表水發育，隧道洞身處于第四系底層與第三系底層接觸面附近，局部處于強風化的第三系砂巖及泥巖、礫巖層中，該隧道整體地質條件較差。

DK639+930～DK639+280、DK640+825～DK641+025、DK641+970～DK642+470 段分別下穿茵香河、張家溝、劉家河，該三條河流均為常年流水，隧道最小埋深3m，施工中容易發生塌方、大變形、突水（泥）等風險事件。

4 針對工程風險采取的技術措施

4.1 茵香河淺埋段

4.1.1 地質情況

石鼓山隧道DK639+950 ～DK640+070 段，下穿淺埋沖溝，最淺埋深8m，上部溝谷富水，地表水及地下水發育，隧道洞身通過地層主要為第四系中更新統（Q2）洪積粉質黏土、中粗砂、礫砂、細圓礫土、粗圓礫土，地下水滲透性較強。該淺埋溝谷段地表水為茵香河，屬常年流水，百年一遇洪水流量287.5m3/s。

4.1.2 變更原因

由于地方政府對茵香河重新規劃，將石鼓山隧道下穿茵香河段設為影視基地及文化旅游風景區，拓寬河道并在下游修建蓄水壩用以抬高水位，增加了隧道范圍內地下水的補給源，加大了隧道施工及后期運營風險。另外，該段隧道埋深較淺，拱頂以上為粉質粘土、粗圓礫土、礫砂等，施工過程中突泥、突水的安全風險較大[1]。根據以上情況，結合茵香河淺埋地段的地形、地質條件及現場施工實際情況，2015年2月，由建設單位組織召開專家論證會，經討論后，形成了對該段采用地表旋噴及袖閥管注漿加固相結合的處理方案。

4.1.3 變更設計方案

（1）地表加固方案

DK639+950～DK640+010 長60m 地表采用φ800 旋噴樁進行加固。旋噴加固范圍為拱墻開挖輪廓線外1.1m，旋噴樁樁底至仰拱最低面。旋噴樁樁長25～30m。最外側兩排旋噴樁為咬合樁，樁間距縱向0.7m，橫向間距0.6m，梅花形布置。其余隧道范圍內的旋噴樁間距均按1.2m×1.2m 布置。旋噴漿液采用單液漿進行施工，注漿壓力不小于20Mpa[2]。（見圖1）

圖1 茵香河淺埋段地表加固平面圖

DK640+010～DK640+070，長60m 地表采用袖閥管分段注漿工藝，注漿固結地層，封堵地下水。袖閥管注漿孔孔深25m～30m，采用φ50×5 PVC 袖閥管和雙向皮碗式止漿塞和φ25 鍍鋅鋼管做芯管分段進行注漿。注漿范圍為拱墻開挖輪廓線外5m，仰拱以下除進入泥巖或礫巖不小于1m 之外，其余均為3m。注漿鉆孔直徑φ100mm，鉆孔間距1.5m，漿液擴散半徑為100cm。注漿材料第1 排、第2 排、第18 排、第19 排及兩個端頭處兩排孔采用普通水泥-水玻璃雙液漿，其他孔采用水泥單液漿為主。（見圖2）

圖2 旋噴注漿及袖閥管注漿加固設計圖

（2）洞內措施

拱部雙層φ42 超前小導管超前注單液漿。初支鋼架采用工25a 型鋼，間距0.5m，噴射C25 混凝土,厚度35cm；拱墻設置錨桿，錨桿長度4m，間距1.0×1.0m，拱墻設置φ8 鋼筋網，網格間距20×20cm。二次襯砌采用C35 鋼筋混凝土襯砌，拱墻厚度65cm，仰拱厚度75cm。采用CRD 法施工。DK639+950～DK640+070 段采用全包防水設計,全環設2mm厚防水板，板后鋪設無紡布。防水板內側沿縱向設φ80 透水盲管；環向設φ50HDPE 雙壁打孔波紋管，環向盲管間距6m，以排泄透過防水板的可能滲漏水。

（3）配合注漿進行地形平整

DK639+950～DK640+070 段淺埋下穿茵香河，地形平緩，為方便注漿作業，根據地形條件對沖溝內進行相應整平。

（4）設置鋼筋混凝土底板

注漿完成后沿溝心設置厚度30cm 的C25 鋼筋混凝土底板，表層設φ12 鋼筋網，間距20×20cm；設置范圍為線路左側37.5m，右側27.5m。

（5）做好引排措施

本段地表注漿應在枯水季節施工，施工期間做好地表水的臨時引排措施，確保施工安全及質量。

（6）做好地質預報

加強該段的超前地質預報，在每個注漿段落開挖剩余10m 時進行水平鉆探，探明前方的水量及注漿效果。

4.2 張家溝淺埋段

4.2.1 地質情況

張家溝淺埋段（DK640+850～DK640+965）設計為Ⅵ級圍巖，分布的地層巖性主要為第四系全新統人工雜填土、黏質黃土、砂類土及碎石類土；上更新統風積黏質黃土；中更新統洪積粉質黏土、砂類土及碎石類土；下伏上第三系泥巖。

地表水勘察階段張家溝地表水流量約1700m3/d，為常年流水。至施工階段由于溝內人為回填垃圾，溝道已被阻斷，溝內多為積水。地下水類型主要為第四系松散層孔隙潛水，主要接受大氣降水和溝內地表水的側向補給，含水層為細、粗圓礫土及中、細砂，富水性較好，地下水位埋深約14～20m。可能出現的最大涌水量約6711m3/d。

4.2.2 變更原因

張家溝淺埋段地方政府進行了重新規劃，對溝內進行了人工回填，回填厚度約15～30m，成分混雜，主要為磚塊、碎石、砼塊、建筑垃圾等，土質不均。目前為張家溝工業園園區，該段埋深較淺且地質情況復雜，施工開挖過程中風險較大。另外石鼓山隧道下穿張家溝段埋深較淺，隧道拱頂以上為砂類土，施工過程中突泥、突水的安全風險較大。為加快施工進度，由建設單位組織召開專家論證會，根據專家意見，對張家溝淺埋段采用地表旋噴注漿加固方案。

4.2.3 變更設計方案

（1）地表加固

①DK640+850 ～DK640+965，長115m 地表采用φ600旋噴樁進行加固，固結地層，封堵地下水，旋噴樁樁長30m～35m。（見圖3）

圖3 張家溝淺埋段地表注漿加固平面圖

②加固范圍為拱頂以上5m 至隧道仰拱最低點（旋噴樁底端位于砂層時旋噴至砂層與泥巖分界面）。最外側一排樁采用咬合結構，旋噴樁縱向間距0.5m，其余均按1.2×1.2m梅花形布置。

③注漿采用注單液漿，注漿壓力不小于20Mpa。

（2）洞內措施（DK640+850～DK640+965 段）

①拱部設置雙層φ42 小導管超前注單液漿。

②初支鋼架采用工25a 型鋼，間距0.5m，噴射C25 混凝土厚度35cm；拱墻設置錨桿，錨桿長度4m，間距1.0×1.0m，拱墻設置φ8 鋼筋網，網格間距20×20cm。

③二次襯砌采用C35 鋼筋混凝土襯砌，拱墻厚度65cm，仰拱厚度75cm。

④CRD 法施工。（見圖4）

圖4 張家溝淺埋段旋噴注漿加固設計圖

⑤DK640+850～DK640+965 段采用全包防水設計,全環設2mm 厚防水板，板后鋪設無紡布。防水板內側沿縱向設φ80 透水盲管；環向設φ50HDPE 雙壁打孔波紋管，環向盲管間距6m，以排泄透過防水板的可能滲漏水。

（3）配合注漿進行地形平整

DK640+850～DK640+965 段淺埋下穿張家溝，地形平緩，為方便注漿作業，根據地形條件對沖溝內進行相應整平。

（4）注漿后鋪砌

注漿完成后沿溝心采用漿砌片石進行鋪砌。

（5）做好引排措施

本段地表注漿應在枯水季節施工，施工期間做好地表水的臨時引排措施，確保施工安全及質量。

（6）做好地質預報

加強該段的超前地質預報，探明前方的水量及注漿加固效果。

5 茵香河、張家溝淺埋段施工措施

5.1 洞內施工措施

5.1.1 超前支護

洞內拱部設置φ89 管棚+φ42 超前小導管注單液漿，根據地表加固評估結論和洞內超前水平鉆探情況，局部采用洞內超前預注漿加固補強。

5.1.2 開挖工法

原設計工法采用雙側壁導坑法或CRD 法，通過圍巖加固后，采用優化的三臺階臨時仰拱法施工，上臺階留置2m左右的核心土，核心土后方的上臺階及中臺階設置臨時仰拱。開挖橫斷面及縱斷面圖如下圖。（見圖5、圖6）

圖5 三臺階臨時仰拱法工序橫斷面示意圖

圖6 三臺階臨時仰拱法工序縱斷面示意圖

5.1.3 初期支護、二襯

初支鋼架采用I25a 型鋼，間距0.5m，C25 噴射混凝土厚度35cm，襯砌類型采用Ⅵ-Ⅲ型。

根據石鼓山隧道風險特點，以安全為原則，響應緊襯砌的要求，石鼓山隧道仰拱安全步距按30m 控制，二襯安全步距按60m 控制。施工過程中采用重要構件工廠化生產、襯砌鋼筋卡具、二襯剛端模、仰拱弧形模板等手段控制施工質量。

5.1.4 防排水

DK639+965 ～DK640+085 段采用全包防水設計，環向盲管間距6m。小邊墻中埋式止水帶安裝使用特制鋼筋卡定位；襯砌端頭用兩根角鋼將每根止水帶夾在中間，兩根角鋼用卡子螺栓連接，保證止水帶順直；防水板采用熱熔焊接[3]。

5.2 地表加固措施

5.2.1 茵香河淺埋段地表加固

DK639+988 ～DK640+025 長37m 段地表采用φ800 旋噴樁加固局部注漿補強，加固范圍為拱頂以上5m 至仰拱最低點，隧道兩側開挖輪廓線各設置2 排縱向旋噴樁止水，樁間距70cm，梅花形布置，中部樁間距按1.2m×1.2m 梅花形布置。（見圖7）

圖7 旋噴樁施工作業

DK639+950～DK639+988 段和DK640+025～DK640 +085段長98m 段地表采用袖閥管注漿固結地層，縱向寬度25.02m地表采用袖閥管分段注漿工藝，注漿范圍為拱墻開挖輪廓線外5m，仰拱以下3m。注漿采用L.SAC42.5 硫鋁酸鹽水泥。（見圖8）

圖8 袖閥管注漿作業

5.2.2 張家溝淺埋段地表加固

DK640+850 ～DK640+965 長115m 地表采用φ600mm旋噴樁固結地層，加固范圍為拱頂以上5m 至隧道仰拱最低點，隧道兩側開挖輪廓線外各設置2 排縱向旋噴樁止水，樁間距50cm，梅花形布置。開挖輪廓線內樁間距按1.2m×1.2m梅花形布置。

考慮到旋噴樁加固的特點和張家溝淺埋地質復雜的特點，采用取芯法探測相應段落地層加固的薄弱區域與鎖定，并對可能存在的滲水、地層軟弱等不良地質因素展開攻堅加固，進而提高旋噴樁加固效果，并滿足于工程開挖的要求。根據探測鎖定結果DK640+900～DK640+965 旋噴樁段采用地表袖閥管注漿補強加固，長度65m，共計114 孔，袖閥管補注漿孔設置在已完成的旋噴樁中間位置，橫向間距2.4m，縱向間距3.6m，注漿采用L.SAC42.5 硫鋁酸鹽水泥。

5.2.3 地表永久排水措施

注漿完成后沿溝心設置厚度30cm 的C25 鋼筋混凝土底板，表層設φ12 鋼筋網，間距20×20cm，設置范圍為線路左側37.5m，右側27.5m。

5.2.4 地表其他措施

施工前對淺埋段線路通過區域黃土陷穴、坑洞進行詳細調查，對隧道施工及運營安全有影響的應回填密實，表層鋪設三七灰土，嚴防地表水下滲。

茵香河跨線路段通過鋼管排水，鋼管上、下游管口附近水流渠化并底部鋪設防水板，防止河水下滲。在洞內二襯通過后及時施作地表永久排水體系。

地表公路實行交通限制，24h 專人值班，禁止重型車輛通過隧道頂部。交通限制期限為洞內掌子面距公路10m 至二襯施工通過公路。

6 取得的經驗

石鼓山隧道茵香河、張家溝兩條常年流水河溝。隧道埋深淺，洞身通過第四系的黏質黃土、粉質粘土、砂類土、碎石類土，第三系的泥巖、砂巖、礫巖等，地層雜亂，地下水發育，工程地質及水文地質條件復雜，施工難度極大，安全風險極極高。

采用進行地表旋噴樁或袖閥管注漿加固后洞內三臺階臨時仰拱法開挖的工藝性試驗的方式。試驗段過程嚴格以“地表加固一段、評估一段、洞內開挖一段、支護一段、總結一段”為原則，緊緊圍繞過程受控、取芯受控、水量受控、變形受控四個方面綜合評價掌子面安全情況，同時試驗過程中按照“探測鎖定、加固驗證、局部處置、強化監控”的原則對地表袖閥管（旋噴樁）注漿加固薄弱處（盲區）進行動態設計。

洞內采用三臺階臨時仰拱法掘進過程中，通過材料檢驗、施工記錄、注漿情況分析、鉆孔取芯、洞內驗證等注漿效果保證和驗證手段，通過開挖過程中監控量測、工效分析及兩個淺埋段進行綜合評估。

（1）通過淺埋段地表袖閥管注漿、旋噴樁加固和開挖后洞內驗證，注漿參數和工藝可指導施工，注漿加固效果良好，可以達到加固圍巖、提高自穩能力的目的，可在類似工程推廣應用。

（2）采用三臺階臨時仰拱法開挖過程中采取了超前管棚+超前小導管、縱向角鋼連接、上中臺階均設置臨時仰拱等技術措施和系統的管理措施，監控量測分析結果顯示，圍巖變形速率及累計變形值可控制在正常范圍內，基本無預警，安全可控，可在類似工程推廣應用。

（3）通過工效分析，淺埋段通過地表加固后采用三臺階臨時仰拱法開挖，加快了施工進度，提高了工效，為實現工期目標提供了有利支持，可在類似工程推廣應用。

（4）通過數月的精心組織，“高標準、高質量、高效率、零事故”的圓滿穿越淺埋段。說明“地表加固一段、評估一段、洞內開挖一段、支護一段、總結一段”的試驗原則是合理的，圍繞“過程受控、取芯受控、水量受控、變形受控”的安全評估思想是全面的，處理薄弱區采用“探測鎖定、加固驗證、局部處置、強化監控”的原則是到位的。

石鼓山隧道茵香河、張家溝淺埋段的順利通過，為軟弱圍巖隧道淺埋段安全快速施工總結出了有效的技術措施，積累了豐富的管理經驗，為此類隧道的設計和施工提供了成功范例。