碳質(zhì)千枚巖地層鐵路隧道進(jìn)洞施工技術(shù)

馬育中

（甘肅信達(dá)建設(shè)工程咨詢有限公司，甘肅 蘭州 730030）

1 工程概況

新建天水—隴南鐵路（簡(jiǎn)稱天隴鐵路）的鐵路等級(jí)為國(guó)鐵Ⅰ級(jí)，設(shè)計(jì)速度160 km/h，單線，正線全長(zhǎng)215 km。杜家溝隧道為天隴鐵路先期標(biāo)，位于隴南市武都區(qū)，隧道全長(zhǎng)2 046 m，最大埋深271.2 m、最小埋深12.0 m，設(shè)計(jì)圍巖全部為Ⅴ級(jí)。

杜家溝隧道地處千枚巖地層，巖石強(qiáng)度低、完整性差、揉皺、節(jié)理極發(fā)育，千枚巖巖性松軟，遇水易泥化、軟化，有漲縮性，工程地質(zhì)較差，開(kāi)挖后巖體變形量大。該隧道所處巖體抗風(fēng)化能力差，易風(fēng)化形成巖屑，產(chǎn)生碎落現(xiàn)象，實(shí)測(cè)探孔最大水平地應(yīng)力7.4 MPa，巖石強(qiáng)度與地應(yīng)力比為0.13，為高地應(yīng)力軟巖大變形隧道，施工過(guò)程中地層應(yīng)力釋放快、圍巖瞬時(shí)變形大；圍巖穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)、累計(jì)變形量大；圍巖支護(hù)強(qiáng)度不足導(dǎo)致圍巖變形范圍不斷擴(kuò)大，以塑流型為主，同一斷面支護(hù)變形數(shù)據(jù)差別較大。隧道開(kāi)挖面易發(fā)生坍塌、初支開(kāi)裂、掉塊、初支侵線、二次襯砌厚度不足等施工危害［1-8］。通過(guò)對(duì)千枚巖地層隧道進(jìn)洞加固措施的研究，能夠更好地控制進(jìn)洞過(guò)程中產(chǎn)生的施工危害，對(duì)保障施工安全、施工質(zhì)量及預(yù)防后期病害具有重要意義［9-10］。該隧道軟巖大變形段落總長(zhǎng)約1 000 m（其中：Ⅰ級(jí)段落530 m、Ⅱ級(jí)段落210 m、Ⅲ級(jí)段落260 m）。設(shè)計(jì)為一級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道。

杜家溝隧道地處青藏高原北部龍門山地震帶，舟曲—武都逆沖推覆體，圍巖扭曲破碎，工程性質(zhì)差。該地區(qū)夏秋季降雨集中、暴雨多發(fā)，易引發(fā)滑坡、泥石流等災(zāi)害。2017、2020 年，甘肅隴南發(fā)生2 次暴洪、泥石流地質(zhì)災(zāi)害，造成較大損失。

該項(xiàng)目作為天隴鐵路先期開(kāi)工試驗(yàn)段，以研究軟巖大變形高風(fēng)險(xiǎn)隧道工程為目的，開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，總結(jié)施工工藝，為全線隧道施工積累經(jīng)驗(yàn)。進(jìn)洞施工是項(xiàng)目主要技術(shù)課題之一。由于項(xiàng)目所在區(qū)域地質(zhì)復(fù)雜，受地震災(zāi)害影響，周邊山體邊坡松動(dòng)、滑坡，道路破壞情況嚴(yán)重（見(jiàn)圖1）；加上雨水較多、雨量集中，對(duì)隧道進(jìn)洞施工邊仰坡穩(wěn)定十分不利，需要采取有效措施，保證進(jìn)洞施工安全和施工期、運(yùn)營(yíng)期洞口穩(wěn)定。

圖1 千枚巖地層邊坡垮塌

2 方案比選與優(yōu)化

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

杜家溝隧道進(jìn)口設(shè)計(jì)采用柱式洞門，明洞8.45 m，明暗分界里程DK226+038，暗洞進(jìn)洞超前支護(hù)設(shè)計(jì)為30 mφ108 m管棚，內(nèi)插φ42 m超前小導(dǎo)管。初期支護(hù)為全斷面16工字鋼，間距0.8 m。進(jìn)洞開(kāi)挖方法為短臺(tái)階預(yù)留核心土。臨時(shí)邊仰坡采取砂漿錨桿，掛網(wǎng)噴錨。洞口上方設(shè)置3道被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)。

2.2 前期施工情況

隧道進(jìn)口連接溝壩河大橋，橋隧相連。進(jìn)口邊坡較陡，約56°，邊坡高度>120 m。洞口基巖外露，灰色薄層千枚巖，節(jié)理發(fā)育，風(fēng)化程度高。薄層千枚巖層間黏結(jié)差，邊仰坡及周邊巖體松散，擾動(dòng)后易滑塌。進(jìn)洞施工地形、地質(zhì)條件較差。隧道進(jìn)洞前完成邊仰坡刷坡、加固，被動(dòng)網(wǎng)防護(hù)，天溝及排水系統(tǒng)等施工準(zhǔn)備，完成導(dǎo)向墻和管棚施工。各項(xiàng)準(zhǔn)備工作完成后，正式進(jìn)洞掘進(jìn)施工。進(jìn)洞采取短臺(tái)階預(yù)留核心土工法，上臺(tái)階2.5 m、中臺(tái)階3.5 m、下臺(tái)階3.0 m，每循環(huán)開(kāi)挖1 榀。上臺(tái)階進(jìn)尺7 m 后，在洞口段開(kāi)挖導(dǎo)向墻右側(cè)中臺(tái)階，進(jìn)尺1 榀0.8 m，開(kāi)挖臺(tái)階深度3.5 m。開(kāi)挖后，導(dǎo)向墻底部側(cè)壁巖層開(kāi)始掉塊，側(cè)壁土體坍塌較多，導(dǎo)向墻底部分懸空，現(xiàn)場(chǎng)采用濕噴混凝土將底部坍塌空間填充，及時(shí)封閉。前期施工情況示意見(jiàn)圖2。

圖2 前期施工情況示意圖

根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，12 h 內(nèi)導(dǎo)向墻頂部沉降85.0 mm；36 h 后穩(wěn)定，導(dǎo)向墻拱頂累計(jì)沉降16.2 cm。仰坡頂部天溝上方緩坡、陡坡交接位置，出現(xiàn)垂直線路方向地表裂紋。因進(jìn)口沉降預(yù)留量25.0 cm，導(dǎo)向墻和已施工初支沒(méi)有侵限，初支未出現(xiàn)開(kāi)裂情況。由于洞口出現(xiàn)較大變形沉降，考慮洞口邊坡陡、千枚巖地層穩(wěn)定性差、雨水多等不利條件，為防范和降低施工過(guò)程及后期運(yùn)營(yíng)期間安全隱患，進(jìn)行方案調(diào)整，停止掘進(jìn)施工，對(duì)洞口進(jìn)行加固。

2.3 方案優(yōu)化

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，洞頂天溝上方陡坡部分山體穩(wěn)定性較好，圍巖產(chǎn)狀主要為豎向，薄層千枚巖結(jié)構(gòu)較緊密。山體前部緩坡，千枚巖產(chǎn)狀混亂，風(fēng)化程度高，靠近陡坡坡腳地表開(kāi)裂，前端坡體有前傾下滑趨勢(shì)，主要對(duì)前端坡體進(jìn)行加固。

2.3.1 地表鋼管樁注漿加固方案

通過(guò)地表打設(shè)鋼管注漿進(jìn)行加固（見(jiàn)圖3）：

圖3 地表鋼管樁注漿加固方案

（1）加固寬度。隧道輪廓線外5.0 m。

（2）加固深度。隧道輪廓范圍內(nèi)：至輪廓線外0.5 m；隧道輪廓范圍外：加固至仰拱底部。

（3）地表設(shè)25 cm噴射混凝土C25止?jié){層。

（4）注漿采用76 mm 鋼花管，尾部1.5 m 不設(shè)注漿孔。

2.3.2 鋼筋混凝土方樁加固方案

為增加陡坡前端風(fēng)化千枚巖坡體穩(wěn)定性，在洞口兩側(cè)邊坡設(shè)置2 m×3 m（橫×縱）加固方樁，樁長(zhǎng)23 m。右側(cè)2 根，樁頂高程1 117 m；左側(cè)1 根，樁頂高程1 114 m。右側(cè)樁中心里程為DK226+039.5，左側(cè)樁中心里程為DK226+041.5，隧道中心線與左右兩側(cè)樁中心距為7.2 m，右側(cè)第2 根樁與第1 根樁中心間距4.0 m。鋼筋混凝土加固樁方案見(jiàn)圖4。

圖4 鋼筋混凝土方樁加固方案

2.3.3 方案對(duì)比

對(duì)以上2種方案進(jìn)行對(duì)比：

（1）地表鋼管樁注漿加固方案。根據(jù)前期施工情況，千枚巖注漿量較小，注漿加固效果不明顯。地表注漿在坡面搭設(shè)支架施工，施工相對(duì)方便。

（2）鋼筋混凝土方樁加固方案。坡體加固受力明確、可靠，需要采取人工挖孔樁施工，如坡面已有變形，有一定施工難度，施工安全措施要求較高。

考慮隴南地區(qū)暴雨、地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)，為確保進(jìn)洞安全，選擇鋼筋混凝土方樁加固方案。加固樁采取人工挖孔，采取反壓平衡穩(wěn)定作業(yè)面，制定詳細(xì)的安全專項(xiàng)方案和安全預(yù)案，嚴(yán)格按規(guī)范作業(yè)。

3 加固樁施工

3.1 主要技術(shù)參數(shù)

加固方樁截面2 m×3 m，樁長(zhǎng)最長(zhǎng)23 m，樁體為C30 鋼筋混凝土，護(hù)壁為30 cm 厚C20 鋼筋混凝土。鎖口總高度為1 m，高處地面50 cm，壁厚50 cm，采用C20鋼筋混凝土。護(hù)壁結(jié)構(gòu)采用逆作法分節(jié)施工，每節(jié)1 m，護(hù)壁壁厚30 cm，采用C20鋼筋混凝土。上2節(jié)縱向鋼筋搭接長(zhǎng)度25 cm。樁身截面為2 m×3 m，采用C30鋼筋混凝土。樁身鋼筋采用直螺紋套筒連接。每次開(kāi)挖深度1 m，側(cè)壁土軟弱、易塌方適當(dāng)縮短開(kāi)挖深度。加固樁配筋示意見(jiàn)圖5。

圖5 加固樁配筋示意圖

3.2 主要施工工藝

（1）施工作業(yè)平臺(tái)填筑。由于洞口坡面較陡，為提供施工工作面，填筑施工作業(yè)平臺(tái)，增加邊坡穩(wěn)定性效果。施工作業(yè)平臺(tái)填筑高度高出挖孔樁樁頂，平臺(tái)寬度邊緣距挖孔樁外側(cè)>3.5 m，材料采用砂礫石土，測(cè)量放線從原山體坡腳處逐層填筑密實(shí)，采用小型壓路機(jī)碾壓，坡度≤1∶1，確保邊坡穩(wěn)定。邊緣安裝防護(hù)欄桿及警示標(biāo)志。挖孔樁施工完成后挖除平臺(tái)至隧道底板標(biāo)高（非關(guān)鍵工藝）。加固樁施工作業(yè)平臺(tái)示意見(jiàn)圖6。

圖6 加固樁施工作業(yè)平臺(tái)示意圖

（2）鎖口施工。測(cè)量放樣鎖口平面，人工開(kāi)挖鎖口基槽，安裝鎖口模板，澆筑混凝土。

（3）開(kāi)挖施工。由于樁體地層為軟弱破碎狀千枚巖（見(jiàn)圖7），樁體采用人工風(fēng)鎬配合開(kāi)挖、電動(dòng)提升裝置出土。挖孔至一定深度，孔內(nèi)設(shè)置12 V 安全電壓照明系統(tǒng)。孔深超過(guò)5 m 時(shí)，應(yīng)向孔內(nèi)連續(xù)送風(fēng)、送氧。起吊吊繩采用8 mm 鋼絲繩，手動(dòng)和電動(dòng)葫蘆均應(yīng)有可靠制動(dòng)措施。提料時(shí)，孔內(nèi)人員站在防護(hù)板下，樁孔開(kāi)挖連續(xù)施工，避免圍巖長(zhǎng)時(shí)間暴露，及時(shí)完成護(hù)壁混凝土澆筑。開(kāi)挖過(guò)程中，應(yīng)隨時(shí)校對(duì)樁基中心線，發(fā)現(xiàn)偏差應(yīng)及時(shí)糾正。

圖7 軟弱破碎狀千枚巖

從挖孔樁開(kāi)挖揭示圍巖情況，上層2～5 m圍巖走向較亂，較松散，下層圍巖以豎向千枚巖為主。圍巖內(nèi)部有邊坡變形產(chǎn)生的破碎面（見(jiàn)圖8）。在反壓平臺(tái)保證邊坡整體穩(wěn)定的前提下，通過(guò)減少開(kāi)挖深度，破碎地段采取每50 cm分層開(kāi)挖，及時(shí)支護(hù)，對(duì)護(hù)壁鋼筋進(jìn)行加密。開(kāi)挖過(guò)程中嚴(yán)格按要求進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證施工安全。

圖8 圍巖開(kāi)裂

（4）護(hù)壁施工。護(hù)壁采用內(nèi)齒式護(hù)壁，高1 m，厚≥30 cm，采用C20混凝土。開(kāi)挖過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)側(cè)壁土塌方嚴(yán)重，在上節(jié)護(hù)壁底部施作臨時(shí)支撐，保證安全。護(hù)壁模板采用竹膠板，加型鋼肋板，保證足夠承載力和剛度。加固完成后，澆筑護(hù)壁、振搗密實(shí)。為提高護(hù)壁早期強(qiáng)度，混凝土摻加早強(qiáng)劑。當(dāng)護(hù)壁混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%設(shè)計(jì)值，進(jìn)行下一層護(hù)壁開(kāi)挖。

（5）挖孔樁樁身鋼筋安裝。鋼筋籠質(zhì)量較大，如按每節(jié)長(zhǎng)5 m、質(zhì)量2.2 t，受場(chǎng)地限制，吊車吊樁非常困難，根據(jù)施工規(guī)范，采取孔內(nèi)綁扎方式。在孔口上方加工龍門架，先在樁基四角安裝吊筋，下放箍筋，從下至上綁扎箍筋，箍筋綁扎達(dá)到1節(jié)主筋長(zhǎng)度（9 m），在卷?yè)P(yáng)機(jī)配合下放安裝主筋，綁扎主筋和箍筋形成整體。繼續(xù)綁扎箍筋，下放安裝主筋，循環(huán)完成鋼筋綁扎。鋼筋每根長(zhǎng)9 m，用卷?yè)P(yáng)機(jī)送料入孔，孔內(nèi)工人逐根連接安裝。鋼筋機(jī)械連接接頭應(yīng)符合JGJ 107—2010《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，并按要求進(jìn)行質(zhì)量檢查。

4 導(dǎo)向墻加固

為防止導(dǎo)向墻進(jìn)一步前移，在導(dǎo)向墻兩側(cè)正面各設(shè)2根φ1 m鉆孔樁，單側(cè)2根樁平行于線路布置，2根樁之間、樁與導(dǎo)向墻之間，均灌注混凝土剛性連接，限制導(dǎo)向墻進(jìn)一步前移，提高整體剛度及穩(wěn)定性。加固樁樁徑φ1 m，為鋼筋混凝土鉆孔樁，樁長(zhǎng)17.3 m，高度高于導(dǎo)向墻根部以上2 m。

鉆孔樁采用220型旋挖鉆機(jī)施工，由于施工地層內(nèi)無(wú)地下水，為千枚巖質(zhì)地層，宜采用干孔作業(yè)。為防止塌孔，孔口段采取8 m長(zhǎng)護(hù)筒跟進(jìn)。旋挖鉆機(jī)成孔效率高，約2 h 完成單根樁基鉆孔，成孔后立即采用吊車安裝鋼筋籠，澆筑混凝土，減少暴露放置時(shí)間，避免塌孔。混凝土灌注采用套管至孔底引流，不得直接從孔口倒入。導(dǎo)向墻鉆孔樁加固示意見(jiàn)圖9。

圖9 導(dǎo)向墻鉆孔樁加固示意圖

5 進(jìn)洞施工

完成洞口挖孔樁、導(dǎo)向墻加固后，施作洞頂邊坡截排水系統(tǒng)，清理填筑作業(yè)平臺(tái)，完善沉降觀測(cè)系統(tǒng)后，組織進(jìn)洞施工。進(jìn)洞開(kāi)挖采用挖掘機(jī)、破碎錘、銑挖機(jī)配合作業(yè)；在機(jī)械開(kāi)挖困難地段，采用弱爆破松動(dòng)再進(jìn)行開(kāi)挖。開(kāi)挖工法采用隧道施工常用的短臺(tái)階法、短臺(tái)階預(yù)留核心土法，臺(tái)階長(zhǎng)度控制在5～8 m。上臺(tái)階開(kāi)挖進(jìn)洞至約20 m，下臺(tái)階已落底，應(yīng)及時(shí)施作洞口處仰拱初支及仰拱襯砌，封閉成環(huán)，確保穩(wěn)定。然后，按正洞正常隧道開(kāi)挖作業(yè)工序進(jìn)行正常施工。

在實(shí)際開(kāi)挖中，揭示情況與設(shè)計(jì)基本相符。洞口段千枚巖圍巖破碎，產(chǎn)狀凌亂，巖層走向變化快，風(fēng)化程度高，開(kāi)挖易滑塌掉塊。開(kāi)挖進(jìn)洞14 m 時(shí)，掌子面揭示有1處斜巖石面，表面較平整，表面破碎后可見(jiàn)豎向千枚巖，灰黑色薄層狀。斜巖面地表植物根系分布，推測(cè)斜巖面位置為原山體界面，之前洞口范圍為山體崩塌堆積體。以斜巖面為界限，進(jìn)入斜巖面前巖層走向變化快，圍巖破碎，穩(wěn)定性差。進(jìn)入斜巖面后，巖石走向逐步穩(wěn)定，呈豎向薄層狀，擠壓密實(shí)，上臺(tái)階開(kāi)挖后能自穩(wěn)成拱，施工中監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)正常，圍巖穩(wěn)定，正常掘進(jìn)。

6 結(jié)論

（1）隧道洞口采用鋼筋混凝土方樁加固措施，可控制邊仰坡開(kāi)挖范圍，減少對(duì)圍巖擾動(dòng)，隧道洞口圍巖變形得到有效控制，避免隧道開(kāi)挖面發(fā)生坍塌、初支開(kāi)裂、掉塊、初支侵線、二次襯砌厚度不足等施工危害。

（2）千枚巖隧道洞口受自然環(huán)境影響大，在長(zhǎng)期荷載作用下不斷發(fā)生蠕變，圍巖塑性區(qū)不斷擴(kuò)大，巖體松動(dòng)范圍也逐漸增大，千枚巖隧道洞口段圍巖變形只能控制在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，無(wú)法從根本上解決千枚巖圍巖變形問(wèn)題。

（3）鋼筋混凝土方樁加固措施在杜家溝隧道進(jìn)洞工程的成功應(yīng)用，將千枚巖的變形速率、變形量控制在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，保證了施工質(zhì)量、降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)、加快了施工進(jìn)度，對(duì)類似工程有一定參考作用。天隴鐵路杜家溝隧道施工過(guò)程中，通過(guò)地表調(diào)查、測(cè)量監(jiān)控和巖層揭示分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)進(jìn)洞時(shí)的不良地質(zhì)、變形問(wèn)題和潛在風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)加固樁等措施，保證了邊仰坡整體穩(wěn)定，雖然開(kāi)挖中有局部變形，但整體安全可控，開(kāi)挖順利通過(guò)進(jìn)口軟弱地段，保證了后續(xù)施工的順利進(jìn)行。