重載鐵路干陽(yáng)溝大跨度富水黃土隧道施工技術(shù)

張 彪

(太原鐵路局，山西 太原 030013)

1 工程概況

山西中南部鐵路通道西起山西瓦唐，銜接南北向主要鐵路干線，東至山東日照港，形成了一條新的“西煤東運(yùn)”能源運(yùn)輸動(dòng)脈，也是我國(guó)東西向路網(wǎng)干線鐵路之一，對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的能源安全保障作用。干陽(yáng)溝隧道位于山西臨汾浮山縣楊村河村，隧道起始里程DK361+735～DK370+195，全長(zhǎng)8 460 m，地面高程在720～920之間，最大埋深200 m，最小埋深10 m;隧道為單洞雙線，縱坡單面上坡，坡度分別為 4.6‰，5.1‰，4.8‰，設(shè)計(jì)行車速度120 km/h。

2 工程地質(zhì)、水文概況

干陽(yáng)溝隧道處于丘陵山區(qū)，地勢(shì)起伏較大，相對(duì)高差約200 m，地面沖溝發(fā)育，多為Ⅴ形溝，無(wú)河流改道地貌特征，主要特點(diǎn)為主溝兩側(cè)發(fā)育較多的支溝，溝兩側(cè)均為砂質(zhì)黃土、粉土、粉土粘土等漫灘沖積物，溝心未見(jiàn)基巖出露。隧道區(qū)通過(guò)第四系上更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土、中更新統(tǒng)粉質(zhì)粘土、下更新統(tǒng)粘土、第三系粘土，下伏基巖為三疊系中統(tǒng)銅川組砂巖夾泥巖，隧道通過(guò)地層較多，工程地質(zhì)條件差，進(jìn)口段砂質(zhì)黃土局部較疏松具有自重濕陷性，為Ⅲ級(jí)嚴(yán)重性濕陷性場(chǎng)地類型。

線路通過(guò)地區(qū)屬中溫帶干旱、半干旱氣候區(qū)，年最大降水量為893.5 mm，年平均降雨量為573.5 mm。該區(qū)域水系為汾河水系支流，汾河流域面積為719 km2，在流域內(nèi)的溝口、谷底、河旁有許多巖石裂隙水和土壤孔隙水出露，全隧道正常涌水量為919 m3/d，最大涌水量2 563 m3/d。富水地段易造成涌水涌泥，甚至引起大的坍塌。

3 大跨度富水黃土段開(kāi)挖支護(hù)和隧底換填加固方法

隧道進(jìn)口DK361+735～DK363+810富水黃土段埋深10 m～85 m，開(kāi)挖橫斷面135 m2，寬度14.02m，高度11.82mm，洞身有滲水，部分地段發(fā)育有50 cm～90 cm粗圓礫砂層，粗圓礫砂層處有涌水，主要為黃土孔隙水，水量860 m3/d，沒(méi)有客水補(bǔ)給，但在豐水季節(jié)，地下水位升高，地表水量豐富，特別是隧道洞身淺埋段，隧道水量有增大現(xiàn)象，安全控制風(fēng)險(xiǎn)極大，施工中難點(diǎn)是如何安全通過(guò)大跨淺埋富水Ⅴ+(黃土)圍巖，并保證隧道底部施工質(zhì)量，防止重載鐵路以后仰拱開(kāi)裂下沉。

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，Ⅴ+(黃土)圍巖采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了優(yōu)化，把上臺(tái)階臨時(shí)仰拱法換成核心土法，中臺(tái)階下臺(tái)階仍按設(shè)計(jì)采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工(見(jiàn)圖1)，考慮到黃土地質(zhì)特性和施工工期要求，為避免沉降和塌方，關(guān)鍵是嚴(yán)格按照“管超前、短進(jìn)尺，強(qiáng)支護(hù)、早閉合、勤量測(cè)”的原則施工。

隧道Ⅴ+(黃土)圍巖復(fù)合式加強(qiáng)襯砌段(W=160)支護(hù)參數(shù)，具體如下:超前小導(dǎo)管采用 φ42壁厚 3.5 mm，L=4.5 m，間距40 cm，每環(huán)28根，滿足水平搭接1 m;初期支護(hù)Ⅰ20型鋼間距0.6 m，邊墻 φ22普通砂漿錨桿 L=4.0 m，每延米24根，鋼筋網(wǎng)20 cm×20 cm，C25網(wǎng)噴纖維混凝土;二次襯砌C35鋼架混凝土P8，厚度50 cm。每個(gè)掌子面配備開(kāi)挖工16人，支護(hù)工12人，二襯工14人，電焊工2人，抽水工2人，1臺(tái)挖掘機(jī)，1臺(tái)裝載機(jī)，3臺(tái)出碴運(yùn)輸車，每日開(kāi)挖2～3循環(huán)，每月累計(jì)進(jìn)尺60 m。

圖1 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱核心土法斷面圖

3.1 開(kāi)挖拱部上臺(tái)階環(huán)形Ⅰ部

黃土隧道土質(zhì)比較松散，開(kāi)挖后易形成分層坍塌，故需較強(qiáng)的初期支護(hù)，采用 φ42壁厚3.5 mm，L=4.5 m，間距 40 cm，小導(dǎo)管超前棚架方案。

1)利用上循環(huán)架立的鋼架施工隧道超前小導(dǎo)管支護(hù)，并將小導(dǎo)管管尾與鋼架進(jìn)行焊接，使小導(dǎo)管管尾端擔(dān)在鋼拱上，最大限度地發(fā)揮棚架的作用，小導(dǎo)管水平搭接大于1 m;

2)開(kāi)挖采用人工配合小型挖機(jī)的方法開(kāi)挖拱部環(huán)形Ⅰ部，每次開(kāi)挖一榀鋼架進(jìn)尺，注意開(kāi)挖時(shí)，預(yù)留20 cm土體用人工開(kāi)挖，嚴(yán)格控制超欠挖。同時(shí)在上臺(tái)階預(yù)留核心土，核心土長(zhǎng)度同上臺(tái)階長(zhǎng)度，距拱頂1.4 m～1.6 m，坡腳距拱腳2 m左右，在滿足施工情況下盡量減少掌子面臨空面積，防止坍塌;

3)施作初期支護(hù)，架立工字鋼架，底部采用25 cm×50 cm木板墊實(shí)，鋼架之間每隔1 m設(shè)1根φ25縱向連接筋;

4)鉆設(shè)系統(tǒng)錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

在開(kāi)挖過(guò)程中，上臺(tái)階滲水量較少，土體天然含水率23.0%左右，監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)沉降收斂最大值一般為距掌子面最近的量測(cè)點(diǎn)，變化速率開(kāi)挖后第一天最大，一般為1.4 mm/d～3.0 mm/d之間，在規(guī)范允許范圍。有時(shí)開(kāi)挖時(shí)發(fā)現(xiàn)頂部土體有裂紋或疏松現(xiàn)象，采用邊開(kāi)挖邊支撐，支撐用木板加φ40鋼管，鋼管底部撐在核心土上。

3.2 開(kāi)挖中臺(tái)階Ⅱ部

在滯后于上臺(tái)階Ⅰ部約5 m，人工配合機(jī)械開(kāi)挖中臺(tái)階Ⅱ部，一次開(kāi)挖2榀鋼架進(jìn)尺。首先用挖掘機(jī)將一側(cè)Ⅱ部的土體由上至下開(kāi)挖1.0 m，并將土扒出核心土范圍以外，便于裝載機(jī)裝碴，開(kāi)挖時(shí)側(cè)面開(kāi)挖輪廓線處預(yù)留厚50 cm土體，這是由于挖掘機(jī)開(kāi)挖時(shí)對(duì)土體的振動(dòng)比較大，如果直接按輪廓線開(kāi)挖易造成土體坍方，形成超挖。然后人工用洋鎬將預(yù)留的50 cm土體沿輪廓線開(kāi)挖，邊開(kāi)挖邊支撐，同時(shí)出碴。此時(shí)，挖掘機(jī)則換至另一側(cè)Ⅱ部進(jìn)行開(kāi)挖，如此左右側(cè)交替進(jìn)行。開(kāi)挖時(shí)注意拱腳處至少留深20 cm土體用人工開(kāi)挖，嚴(yán)禁超挖，并用25 cm×50 cm木板墊實(shí)拱腳，防止混凝土拱架下沉。施作初期支護(hù)，架立工字鋼架，通過(guò)鋼墊板用4個(gè)φ16螺栓將上中臺(tái)階鋼架連成整體，鋼架之間每隔1 m設(shè)1根φ25縱向連接筋，同時(shí)施作臨時(shí)仰拱，臨時(shí)仰拱采用Ⅰ20臨時(shí)鋼架間距1.2 m，并噴混凝土8 cm，最后鉆設(shè)系統(tǒng)錨桿噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度(見(jiàn)圖2)。

在開(kāi)挖的過(guò)程中，中臺(tái)階有一定量的滲水積水，開(kāi)挖完成后需要施作臨時(shí)仰拱噴射8 cm厚的混凝土封閉，監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)沉降收斂較上臺(tái)階減小，變化速率開(kāi)挖后第一天最大，一般為0.8 mm/d～1.5 mm/d之間，在規(guī)范允許范圍。黃土隧道拱腰處土體最易發(fā)生坍塌，所以在進(jìn)行Ⅱ部開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)邊開(kāi)挖邊支護(hù)，如有滑塌，即用木板緊貼開(kāi)挖輪廓表面，用φ40鋼管支撐土體，交錯(cuò)布置。

3.3 開(kāi)挖下臺(tái)階Ⅲ部

在滯后于中臺(tái)階Ⅱ部5 m～8 m，拆除中臺(tái)階臨時(shí)仰拱2榀，人工配合機(jī)械開(kāi)挖中臺(tái)階Ⅲ部，一次開(kāi)挖2榀鋼架進(jìn)尺。開(kāi)挖時(shí)注意側(cè)面輪廓線處預(yù)留厚50 cm土體，拱腳處應(yīng)至少預(yù)留20 cm厚土體用于人工開(kāi)挖，嚴(yán)禁超欠挖，并用25 cm×50 cm木板墊實(shí)拱腳，防止混凝土拱架下沉。施作初期支護(hù)，架立工字鋼架，通過(guò)鋼墊板用4個(gè)φ16螺栓將中下臺(tái)階鋼架連成整體，鋼架之間每隔1 m設(shè)1根φ25縱向連接筋，鉆設(shè)系統(tǒng)錨桿后噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

在開(kāi)挖過(guò)程中，下臺(tái)階有滲水積水，開(kāi)挖完成后需盡快施工下部仰拱工程早日成環(huán)閉合支護(hù)系統(tǒng)。監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)沉降收斂較中臺(tái)階減小，變化速率開(kāi)挖后第一天最大，一般為0.5 mm/d～0.8 mm/d之間，在規(guī)范允許范圍。黃土隧道土體易發(fā)生坍塌，所以在進(jìn)行Ⅲ部開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)邊開(kāi)挖邊支護(hù)，如有滑塌，即用木板緊貼開(kāi)挖輪廓表面，用φ40鋼管支撐土體，交錯(cuò)布置。

3.4 開(kāi)挖仰拱及隧底加強(qiáng)處理技術(shù)

隧道仰拱段施工前，應(yīng)在仰拱開(kāi)挖段與掌子面間設(shè)置積水井，左右兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)1 m3積水井，同時(shí)在已施工仰拱段每間隔30 m施作橫向截水溝及積水井，并安排專人負(fù)責(zé)抽排水，避免積水浸泡拱腳和出水漫流，確保仰拱施工時(shí)無(wú)大量積水。同時(shí)由于地下水影響，黃土已飽和成泥，隧道基底開(kāi)挖無(wú)法將積水、軟化的流泥清除干凈，導(dǎo)致基底承載力無(wú)法滿足設(shè)計(jì)120 kPa要求，為防止以后仰拱開(kāi)裂下沉，并保證隧道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期穩(wěn)定滿足重載鐵路30 t軸重要求，經(jīng)研究決定，采取如下工程措施對(duì)隧底進(jìn)行加固處理:

1)隧底采用50 cm厚級(jí)配碎石加摻量5%水泥換填。

2)在隧底填充內(nèi)設(shè)置橫向、縱向盲溝，橫向盲溝坡度大于1%，盲溝采用土工布包裹碎石，溝內(nèi)設(shè)置通長(zhǎng)φ100開(kāi)孔波紋管?？v向盲溝沿隧道左右兩側(cè)邊墻底部設(shè)置，每6 m設(shè)一道橫向盲溝連接縱向盲溝，在中心水溝下方處設(shè)置φ150 PVC管，連通中心水溝和橫向盲溝，PVC管口應(yīng)高于中心水溝底部15 cm。

3)在換填級(jí)配碎石層后預(yù)埋注漿花管，間距2 m梅花形布置，后期進(jìn)行定量注漿加強(qiáng)。

準(zhǔn)備就緒后，采用棧橋一次開(kāi)挖仰拱3 m，隧底開(kāi)挖深度大于設(shè)計(jì)50 cm，在仰拱槽沒(méi)有積水情況下快速在隧底采用50 cm厚級(jí)配碎石加摻量5%水泥換填基槽，架立鋼架并連接，噴射10 cm混凝土，隨后重復(fù)上述工序，仰拱開(kāi)挖已架立鋼架長(zhǎng)度約6 m時(shí)，開(kāi)始綁扎鋼筋，并澆筑仰拱及隧底混凝土。同時(shí)在施工中還需注意仰拱環(huán)、縱向施工縫防水的施工質(zhì)量，確保防水效果滿足設(shè)計(jì)要求。

在仰拱開(kāi)挖的過(guò)程中，因滲水較大仰拱底有流水，黃土飽和成泥，要將積水、流泥清除干凈非常困難，在沒(méi)有清除干凈時(shí)噴射10 cm混凝土，因流水沖刷和積水流泥影響，無(wú)法進(jìn)行下道工序架設(shè)鋼架，解決此問(wèn)題成為施工的重難點(diǎn)。采用級(jí)配碎石換填，可在隧底暫時(shí)形成流水通道，并隔離了飽和泥對(duì)上部鋼架污染，成功解決了此問(wèn)題，同時(shí)預(yù)埋注漿管后期定量注漿，對(duì)隧底進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，確保了重載鐵路隧底結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期穩(wěn)定(如圖3所示)。

圖2 中臺(tái)階開(kāi)挖效果圖

圖3 隧底碎石換填效果圖

4 控制要點(diǎn)及技術(shù)對(duì)策

4.1 拱部沉降和拱腳收斂的控制

富水黃土隧道控制要點(diǎn)就是拱部沉降和拱腳收斂較大易變形坍塌，針對(duì)這種情況采取了以下措施:

1)采用三臺(tái)階分部開(kāi)挖，使沉降分部釋放，并在上臺(tái)階預(yù)留核心土，同時(shí)考慮黃土隧道鎖腳錨桿比巖石隧道效果差，中臺(tái)階增設(shè)臨時(shí)仰拱。

2)及時(shí)封閉仰拱，保證15 d內(nèi)仰拱封閉成環(huán)，并將仰拱步距控制在30 m以內(nèi)。

3)及時(shí)封閉二次襯砌永久支護(hù)，保證30 d內(nèi)二襯封閉，并將二襯步距控制在70 m以內(nèi)。

4)加設(shè)鎖腳錨桿，在拱腳處每側(cè)加設(shè)2根鎖腳錨桿，錨桿為φ42鋼管，長(zhǎng)4 m，垂直于拱腳外側(cè)面打入土中3.7 m，剩余0.3 m與噴射混凝土澆筑在一起。

5)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，嚴(yán)格把測(cè)控量測(cè)納入施工工序進(jìn)行監(jiān)控，每5 m在拱部設(shè)置一個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，每開(kāi)挖臺(tái)階兩側(cè)設(shè)計(jì)一組水平收斂觀測(cè)點(diǎn)，洞內(nèi)共計(jì)設(shè)置7個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，淺埋段洞頂增設(shè)地表觀測(cè)點(diǎn)，專人負(fù)責(zé)用收斂計(jì)和水平儀分別觀測(cè)，并及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)變形發(fā)展趨勢(shì)，以正確指導(dǎo)施工。干陽(yáng)溝隧道富水黃土段拱頂下沉最大速率為1.5 mm/d～3.3 mm/d，累計(jì)最大下沉30 mm～60 mm，測(cè)量頻次前3 d每天觀測(cè)2次，隨后7 d內(nèi)1 d觀測(cè)1次，以后1個(gè)月內(nèi)3 d觀測(cè)1次，之后每月觀測(cè)1次。在施工期間未發(fā)現(xiàn)變化速率大于5 mm/d，累計(jì)變化大于100 mm。如發(fā)生應(yīng)嚴(yán)格按照制定的專項(xiàng)方案，停止開(kāi)挖增加豎向支撐分析并加固變形段，并在以后開(kāi)挖中優(yōu)化加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)。

4.2 預(yù)防塌方

在開(kāi)挖的過(guò)程中，應(yīng)遵循“管超前、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早成環(huán)、勤量測(cè)”的原則，隨時(shí)觀察土質(zhì)情況，發(fā)現(xiàn)土質(zhì)疏松、節(jié)理發(fā)育時(shí)，應(yīng)加設(shè)調(diào)整循環(huán)進(jìn)尺，同時(shí)加密超前小導(dǎo)管數(shù)量。開(kāi)挖工法中上臺(tái)階預(yù)留核心土，中臺(tái)階及時(shí)跟進(jìn)臨時(shí)仰拱，并縮短開(kāi)挖與仰拱、二襯之間時(shí)間間隔。如發(fā)生較大變形或坍塌，第一時(shí)間增設(shè)豎向橫向支撐并封閉掌子面，最后空腔用相同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土填塞密實(shí)。

5 施工注意事項(xiàng)

1)開(kāi)挖需采用人工配合機(jī)械開(kāi)挖，輪廓線處預(yù)留厚20 cm～50 cm土體，采用人工開(kāi)挖，嚴(yán)禁超欠挖。

2)上臺(tái)階開(kāi)始時(shí)因Ⅴ+(黃土)級(jí)圍巖掌子面自穩(wěn)能力差，預(yù)留核心土應(yīng)盡量大，減少掌子面的臨空面積，同時(shí)加大拱腳木板面積，可有效防止下沉及坍塌;下臺(tái)階施工時(shí)，鋼架C單元和D單元同時(shí)架立形成L形并噴混凝土增大受力面積，確保鋼架穩(wěn)定，以保證施工安全。

3)隧道仰拱段施工前，應(yīng)在仰拱開(kāi)挖段與掌子面間設(shè)置積水井，專人負(fù)責(zé)抽排水，避免積水浸泡拱腳和出水漫流，確保仰拱施工段開(kāi)挖槽內(nèi)施工時(shí)無(wú)積水。

4)初期支護(hù)及時(shí)成環(huán)，各分部工序之間緊密銜接，仰拱要緊跟下導(dǎo)，二襯要緊跟仰拱。

5)充分利用礦山法原則隧道施工理論，采用強(qiáng)支護(hù)限制圍巖變形，確保初期支護(hù)與圍巖之間密貼。

6)工作面因故停工時(shí)，應(yīng)采取有效措施穩(wěn)定工作面，防止土體因水出現(xiàn)變形坍塌。

7)開(kāi)挖時(shí)一定預(yù)留足夠沉降量，通過(guò)監(jiān)控量測(cè)，尋找初支下沉與收斂的規(guī)范，正確指導(dǎo)施工。

8)隧道施工時(shí)，注意對(duì)隧道基礎(chǔ)土層的保護(hù)，盡量減少施工車輛、人員活動(dòng)對(duì)隧道底部土體的擾動(dòng)。

9)盡量避免在雨季穿越黃土淺埋地段，若不能避免，施工前應(yīng)在洞頂設(shè)置防洪措施。

6 結(jié)語(yǔ)

1)黃土隧道采用三臺(tái)階核心土臨時(shí)仰拱法，按照“管超前、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早成環(huán)、勤量測(cè)”的原則，可有效控制塌方、拱部沉降與收斂，使隧道各部的尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并在保證安全的情況下加快了施工進(jìn)度，單口平均月進(jìn)尺60 m，最高單口月進(jìn)尺70 m。

2)隧道仰拱基地加固處理，采用50 cm級(jí)配碎石加摻量5%水泥換填，并預(yù)留注漿孔，有效的解決了隧底流水和積水流泥對(duì)施工的影響，同時(shí)提高基底承載力，防止了仰拱開(kāi)裂和下沉，并為以后防止仰拱的下沉預(yù)留后續(xù)注漿措施，考慮全面，滿足了重載鐵路30 t軸重要求。

［1］中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司.干陽(yáng)溝隧道設(shè)計(jì)圖［A］.晉中南洪湯施(S)隧道，2010.