鐵路隧道超淺埋漏頂段施工技術(shù)研究

摘要：結(jié)合滬昆鐵路龍海屯隧道淺埋漏頂段施工，分析淺埋隧道淺埋段地質(zhì)情況，運(yùn)用拱部明挖拱下暗挖，拱部采用護(hù)拱封閉保護(hù)隧道，拱下采用三臺(tái)階七步開(kāi)挖法快速穿過(guò)隧道淺埋段。綜合比較本方法與原設(shè)計(jì)在施工進(jìn)度、質(zhì)量安全、成本控制等方面，得出施工后成功的技術(shù)結(jié)論與經(jīng)驗(yàn)，為相類似的工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：淺埋;護(hù)拱;胎膜;地表加固

前言

鐵路隧道由于選線的制約，為滿足高速列車在平曲線與豎曲線線路上的安全行駛與爬坡能力等條件，這就使得淺埋及超淺埋隧道的可能被設(shè)計(jì)應(yīng)用。我單位承建的滬昆鐵路龍海屯隧道位于云貴高原中部，地勢(shì)起伏較大，溝壑切割強(qiáng)烈，隧道穿越地層局部埋深淺，有的段落甚至出現(xiàn)拱部漏頂，隧道開(kāi)挖斷面在150m²以上。淺埋段隧道一般大部分帶有偏壓，圍巖巖體不均勻，巖質(zhì)突變較快，地表水發(fā)育等因素，施工難度較大，很容易造成隧道塌方等事故。

1、工程概況

滬昆高速鐵路客運(yùn)專線云南段龍海屯隧道起迄里程為DK1099+207～DK1109+747，全長(zhǎng)540m，暗洞523m，為單洞雙線隧道。本隧道按速度目標(biāo)350km/h客運(yùn)專線雙線隧道設(shè)計(jì)。洞內(nèi)采用CRTS-Ⅰ雙塊式無(wú)渣軌道，內(nèi)軌頂面至道床底面高度為515mm。洞內(nèi)支護(hù)采用復(fù)合式襯砌，全隧圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，初期支護(hù)輔以超前支護(hù)、臨時(shí)支護(hù);除明洞段外，暗挖段全環(huán)Ⅰ22a型鋼鋼架加強(qiáng)支護(hù)。隧區(qū)地形起伏較大，最大埋深約55m，其中DK1099+505～DK1109+515段原始地貌為山谷，上游山體水系自然沖刷河谷，成“V”字型，與隧道走向正交。河谷谷底侵入隧道建筑界限。巖質(zhì)主要為頁(yè)巖，風(fēng)化剝落程度強(qiáng)，表皮分布有1～3m透鏡狀松軟土。龍海屯隧道淺埋漏頂段縱斷面如圖1所示。

圖1" 淺埋漏頂段縱斷面

2、施工工藝原理及工藝流程

龍海屯隧道淺埋段漏頂段采用明暗相結(jié)合進(jìn)行掘進(jìn)施工，拱部明挖拱下暗挖。其工藝原理是：三臺(tái)階上弧導(dǎo)采用明挖法，沿隧道襯砌外輪廓修筑土胎膜，利用土體做內(nèi)模，清楚多余部分土體，補(bǔ)齊缺少部分。兩測(cè)拱腳采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，提高承載力。按照初期支護(hù)材料要求進(jìn)行整體模筑。隧道內(nèi)中臺(tái)階弧導(dǎo)，下臺(tái)階弧導(dǎo)采用三臺(tái)階七步作業(yè)法依序開(kāi)挖。

工藝流程圖如圖2：

圖2" 工藝流程

3、隧道通過(guò)漏頂段施工方法

3.1防排水：

根據(jù)洞內(nèi)暗挖進(jìn)度，選擇旱季進(jìn)行淺埋漏頂段開(kāi)挖，確保洞內(nèi)正常掘進(jìn)與護(hù)拱明挖段互不影響。施工前，做好臨時(shí)防排水結(jié)構(gòu)，在不破壞主體結(jié)構(gòu)環(huán)境情況下，盡量使得上游水系繞過(guò)開(kāi)挖段。根據(jù)最大流水量及流速在河水上游采取土圍堰截水，水管架空利用兩側(cè)山體較高處固定，繞過(guò)施工作業(yè)面排出水，保證水體不通過(guò)開(kāi)挖工作面巖體進(jìn)入隧道。臨時(shí)排水系統(tǒng)如圖：3

圖3" 臨時(shí)排水示意圖

3.2邊坡開(kāi)挖及山體加固防護(hù)：

根據(jù)測(cè)量放樣后，進(jìn)行放坡，放坡坡度1：0.75～1：0.5。開(kāi)挖完成后，大里程方向DK1099+515邊坡土體為粘土，不侵水的情況下自穩(wěn)能力較好，護(hù)拱拱腳處為微風(fēng)化灰?guī)r，巖質(zhì)整體性好，較堅(jiān)硬。而DK1099+505向小里程方向地表覆土較薄，覆土厚度不足1m，土層下面為強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖，較破碎，中間夾泥，穩(wěn)定性較差。為保證護(hù)拱質(zhì)量且按要求工期順利施工，對(duì)邊坡及地表進(jìn)行加固防護(hù)。

根據(jù)開(kāi)挖兩側(cè)不同地質(zhì)情況：對(duì)大里程端進(jìn)行掛網(wǎng)噴錨支護(hù)，施工參數(shù)為垂直開(kāi)挖面打設(shè)2～3m長(zhǎng)?22鋼筋作為錨桿，掛設(shè)?6.5間距20×20cm/2.16平方的網(wǎng)片，噴射C25混凝土。密封開(kāi)挖面，避免因雨水進(jìn)入土層破壞原始土體結(jié)構(gòu)，使土體抗剪能力減小導(dǎo)致邊坡滑塌，影響作業(yè)面正常施工。DK1099+505端頭，由于覆土下巖體風(fēng)化程度高，破碎較為強(qiáng)烈，故采取打設(shè)小導(dǎo)管注漿加固。小導(dǎo)管間距50cm，注漿小導(dǎo)管施工參數(shù)如圖4。

圖4" 小導(dǎo)管注漿加固示意圖

圖5" 梅花型布置小導(dǎo)管注漿擴(kuò)散示意圖

通過(guò)注漿加固后，水泥漿液在巖體內(nèi)擴(kuò)散并迅速凝固，漿液擴(kuò)散如圖5。注漿漿液對(duì)破碎松散巖體及地表覆土（粘土）進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改良，粘土層抗剪力得到增強(qiáng);松散巖體在注漿作用下，整體性得到了加強(qiáng)。減小了因隧道爆破震動(dòng)及雨水沖刷等外界因素引起的地表開(kāi)裂或邊坡滑塌。

3.3護(hù)拱施工

3.3.1土胎膜開(kāi)挖，對(duì)開(kāi)挖后的邊坡防護(hù)完成后，進(jìn)行護(hù)拱胎膜開(kāi)挖。預(yù)留拱頂以上50cm厚待人工開(kāi)挖，對(duì)侵入胎膜內(nèi)水溝用片石回填并壓實(shí)。采用機(jī)械開(kāi)挖，人工修整，土胎膜要求圓順，胎膜輪廓比設(shè)計(jì)輪廓加大20cm以上，兩側(cè)拱腳加大到200cm以上，形成擴(kuò)大基礎(chǔ)，提高護(hù)拱承載力。胎膜完成后，用塑料布包裹整個(gè)胎膜，防止在混凝土澆筑時(shí)沖垮胎膜導(dǎo)致護(hù)拱侵陷，防止拱圈混凝土與胎膜土石粘結(jié)導(dǎo)致護(hù)拱內(nèi)拱圈混凝土面凹凸不平。護(hù)拱結(jié)構(gòu)如圖6。

圖6" 護(hù)拱結(jié)構(gòu)圖

3.3.2鋼拱架安裝，經(jīng)過(guò)成本、功效等綜合優(yōu)化，采用與隧道暗挖拱架一致的單元長(zhǎng)度，上臺(tái)階采用在胎膜上立鋼拱架，中下臺(tái)階采取洞內(nèi)下接護(hù)拱內(nèi)拱架。在胎膜上安裝拱架與洞內(nèi)初期支護(hù)一致，拱架參數(shù)為設(shè)計(jì)參數(shù)（I22a型鋼，間距0.6m;連接筋?22螺紋鋼，間距50cm，梅花形布置;網(wǎng)片?8/20cm×20cm）。鋼架與土模預(yù)留5cm空隙以保證有混凝土保護(hù)層。鋼架拱腳連接板必須落如擴(kuò)大基礎(chǔ)底部，用細(xì)砂土或其它充填物包裹，使暗挖后下接拱架較易的連接。

3.3.3護(hù)拱外弧模板安裝及混凝土澆筑

在護(hù)拱外弧與擴(kuò)大基礎(chǔ)處安裝模板，模板采用柔性較好的竹膠板以達(dá)到外弧的形狀。模板加固牢靠后進(jìn)行C30混凝土澆筑，澆筑采取分層對(duì)稱澆筑，根絕澆筑速度分層厚度不大于50cm。澆筑時(shí)保證胎膜的完整，避免混凝土沖塌或壓塌胎膜。澆筑完成后進(jìn)行混凝土養(yǎng)生，采用草簾覆蓋后灑水養(yǎng)護(hù)保證混凝土質(zhì)量。

3.3.4隧道暗挖穿過(guò)護(hù)拱段施工，待拱圈混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%以上后，在護(hù)拱的保護(hù)下按三臺(tái)階七步作業(yè)法依序進(jìn)行洞深開(kāi)挖。開(kāi)挖步驟如下：

①上導(dǎo)采取預(yù)留核心土環(huán)形開(kāi)挖，每個(gè)循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺一榀，最大開(kāi)挖進(jìn)尺不得大于2榀，上臺(tái)階要求開(kāi)挖矢跨比大于1/3。

②中臺(tái)階及時(shí)跟進(jìn)作業(yè)，中導(dǎo)左右兩側(cè)錯(cuò)開(kāi)開(kāi)挖，錯(cuò)開(kāi)距離不小于2m，進(jìn)尺不大于3榀拱架。及時(shí)施做初期支護(hù)。

③下臺(tái)階及時(shí)跟進(jìn)作業(yè)，下導(dǎo)左右兩側(cè)錯(cuò)開(kāi)開(kāi)挖，錯(cuò)開(kāi)距離不小于2m，進(jìn)尺不大于3榀拱架。及時(shí)施做初期支護(hù)。

④掘進(jìn)3-5m后，按上中下順序挖除核心土，保證臺(tái)階長(zhǎng)度3-5m。

⑤分段開(kāi)挖仰拱，依序完成隧道后續(xù)作業(yè)。

3.3.5拱頂回填，待洞內(nèi)二次襯砌完成后達(dá)到100%強(qiáng)度后，進(jìn)行拱頂回填，施做防排水系統(tǒng)。對(duì)護(hù)拱與暗挖相接部位進(jìn)行防水材料處理，采用瀝青灌縫后砂漿抹面。護(hù)拱外弧用防水卷材包裹以保證拱頂部位滴水不漏。洞內(nèi)加強(qiáng)防水層施工，嚴(yán)格保證防水板的施工質(zhì)量。洞頂回填2m厚素土，人工夯實(shí)后，進(jìn)行50cm厚漿砌片石包砌。對(duì)隧道界限外10m范圍或開(kāi)挖范圍內(nèi)進(jìn)行片石包砌。中間順接自然水溝施做水溝，滿足排水坡度。

3.4圍巖監(jiān)控量測(cè)

對(duì)于護(hù)拱段隧道內(nèi)每隔5m布設(shè)一個(gè)測(cè)量斷面，每個(gè)斷面布置一個(gè)拱頂下沉觀測(cè)點(diǎn)，3條水平收斂量測(cè)基準(zhǔn)線，每日量測(cè)2次;并在洞外護(hù)拱拱頂與洞頂?shù)乇聿荚O(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，每日量測(cè)一次。

在護(hù)拱段暗挖過(guò)程中，觀測(cè)結(jié)果如下表：

注：累計(jì)變形量為過(guò)度護(hù)拱過(guò)程中，從開(kāi)始到穩(wěn)定的累加之和;平均變形量為在所有觀測(cè)數(shù)據(jù)中去掉最大變形量與最小變形量之后的平距值;觀測(cè)周期7天。

根據(jù)穩(wěn)定后量測(cè)結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工工序分析：施工過(guò)程中，洞身的掘進(jìn)爆破對(duì)圍巖體穩(wěn)定影響較大，最大變形量均在掌子面爆破中產(chǎn)生的，在后續(xù)施工應(yīng)采取“弱爆破”進(jìn)行開(kāi)挖掘進(jìn)。

3.5淺埋漏頂段施工注意事項(xiàng)

①開(kāi)挖前，排水結(jié)構(gòu)必須做好，保證水體不進(jìn)入護(hù)拱工作面。邊坡加固防護(hù)完成后達(dá)到穩(wěn)定后在進(jìn)行護(hù)拱施工。

②安裝護(hù)拱拱架時(shí)，兩側(cè)拱腳的拱架連接板必須采取砂土埋設(shè)或用土工布寶石，避免連接板處被混凝土包死，造成中導(dǎo)拱架不能順利安裝。

③護(hù)拱為初期支護(hù)的一部分，混凝土為模筑混凝土，中下導(dǎo)初期支護(hù)由鋼架，錨桿，鋼筋網(wǎng)片及噴射混凝土組成。施工時(shí)，護(hù)拱混凝土澆筑時(shí)，加強(qiáng)振搗，并及時(shí)養(yǎng)護(hù)。澆筑過(guò)程中分層澆筑，采用輸送泵澆筑，澆筑管口嚴(yán)禁沖刷土胎膜，以免造成胎膜被沖垮。

④隧道洞深暗挖接近護(hù)拱時(shí)，嚴(yán)格控制開(kāi)挖進(jìn)尺，加強(qiáng)超前支護(hù)。根據(jù)地質(zhì)情況，若粘土層比較厚，加密超前小導(dǎo)管數(shù)量，使小導(dǎo)管進(jìn)入護(hù)拱混凝土不小于1m的長(zhǎng)度，并注漿。護(hù)拱進(jìn)暗挖時(shí)，根據(jù)圍巖情況，停止中下臺(tái)階開(kāi)挖，待護(hù)拱與暗挖部相接處穩(wěn)定后，再行開(kāi)挖中下臺(tái)階跟進(jìn)。

⑤護(hù)拱內(nèi)上臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，嚴(yán)禁一次性挖完上臺(tái)階核心土體。中臺(tái)階嚴(yán)控超挖現(xiàn)象，防止因超挖過(guò)大導(dǎo)致護(hù)拱拱腳懸空較大，降低護(hù)拱擴(kuò)大基礎(chǔ)的地基承載力。

⑥隧道在護(hù)拱段開(kāi)挖必須遵循“短進(jìn)尺，快封閉，弱爆破，零擾動(dòng)”。避免進(jìn)尺過(guò)大造成凌空面過(guò)大使護(hù)拱基礎(chǔ)承載被減弱;采用弱爆破，盡量不擾動(dòng)護(hù)拱結(jié)構(gòu)。

⑦對(duì)護(hù)拱內(nèi)弧不平正面進(jìn)行補(bǔ)噴噴射混凝土，使表面較為平整。

⑧護(hù)拱段二次襯砌施做時(shí)，加強(qiáng)防排水層的施工;加密環(huán)向盲管，每2m設(shè)一環(huán)盲管，增大排水水量。

4、施工方法比選

4.1 淺埋段過(guò)漏頂施工方法

4.1.1洞內(nèi)大管棚加超前小導(dǎo)管法

該方法為垂直隧道洞身軸線方向打設(shè)φ108mm管棚，并輔以φ42mm小導(dǎo)管超前支護(hù)，架立I22a鋼拱架，并掛網(wǎng)錨噴砼，每次掘進(jìn)長(zhǎng)度0.6m。此種方案有如下優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：

① 不需要對(duì)山體開(kāi)挖，確保山坡土體的整體性，有利于山體自身的穩(wěn)定。

② 由于先施工順著隧道軸向的超前管棚及垂直于隧道軸線走向的橫向小導(dǎo)管，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，洞頂覆蓋層薄弱地方的圍巖安全系數(shù)得以提高。

缺點(diǎn)：

① 施工工序多，工序較復(fù)雜，工期較長(zhǎng)。且與掌子面掘進(jìn)為同一工作面，待完成管棚作業(yè)后才可以進(jìn)行隧道掘進(jìn)作業(yè)，嚴(yán)重影響施工工期。

② 洞內(nèi)管棚及超前小導(dǎo)管施工工藝較復(fù)雜，對(duì)松散類巖體注漿固漿效果不理想，對(duì)圍巖的注漿固結(jié)效果不能保證，開(kāi)挖時(shí)仍易塌落。

③ 施工采用洞內(nèi)大管棚，造價(jià)相對(duì)比較高。

4.1.2拱部明作護(hù)拱拱下暗挖施工法

本方法的應(yīng)用首先應(yīng)滿足條件為：首先優(yōu)選旱季施工;根據(jù)洞內(nèi)暗挖掘進(jìn)速度計(jì)算出護(hù)拱施工的時(shí)間，待暗挖掘進(jìn)至漏頂段時(shí)，護(hù)拱已達(dá)到拱下暗挖的要求;施工護(hù)拱前做好排水系統(tǒng)，避免水體進(jìn)入開(kāi)挖工作面，影響隧道圍巖的性質(zhì)。

施工方法上，由于淺埋段場(chǎng)地較開(kāi)闊，露天施工，與洞內(nèi)施工無(wú)干擾，可提前施工。主要工作在土胎模開(kāi)挖部分，施工安全，可平行施工，機(jī)械和人工利用率高，工序少。此種方案有如下優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：

① 施工方法比較簡(jiǎn)單，施工難度低，不需要大型機(jī)械設(shè)備。

② 施工工序少，進(jìn)度快，在進(jìn)行該淺埋段處理的同時(shí)，可同時(shí)進(jìn)行隧道其它部分洞身的施工，減少各專業(yè)交叉作業(yè)，降低相互干擾，總工期受影響較小。

③ 開(kāi)挖后，坡面的錨噴支護(hù)和洞身的回填夯實(shí)，施工安全性高。

④ 洞內(nèi)開(kāi)挖時(shí)減少超前大管棚及小導(dǎo)管支護(hù)施工的部分工程措施，降低成本。

缺點(diǎn)：

① 由于地層自穩(wěn)性差，最大挖深達(dá)10多米，在進(jìn)行巖體開(kāi)挖時(shí)，如坡體采用較陡的坡率，采用錨噴支護(hù)，難以保證坡面巖體的穩(wěn)定，如采用較緩的坡率，巖體開(kāi)挖土石方工作量大。

②不易雨季施工，如施工組織不合理或施工進(jìn)度計(jì)劃不緊湊，很難快速完成坡體的開(kāi)挖和錨噴防護(hù)，可能會(huì)拖延工期。

③勞動(dòng)力及施工機(jī)具設(shè)備投入較大。

4.2護(hù)拱段暗挖部分施工方法

4.2.1CRD施工法

淺埋護(hù)拱段暗挖部分設(shè)計(jì)為CRD法開(kāi)挖，CRD法的各部開(kāi)挖及支護(hù)自上而下，步步成環(huán)，及時(shí)封閉。各分部封閉成環(huán)時(shí)間段，但分布較多，施工速度慢，不利于機(jī)械化作業(yè)，后續(xù)的開(kāi)挖和拆除臨時(shí)支撐對(duì)前面施工形成的力學(xué)平衡體系產(chǎn)生較大影響，圍巖應(yīng)力狀態(tài)多次改變，可能會(huì)出現(xiàn)較大的變形量。施工工作面多，作業(yè)干擾大，拆除臨時(shí)支撐安全性較差。

4.2.2三臺(tái)階七步開(kāi)挖法

洞身暗挖施工，變更原CRD開(kāi)挖方法為三臺(tái)階七步開(kāi)挖法，拱墻部及隧底支護(hù)按原設(shè)計(jì)支護(hù)施工，拱墻部拱架與護(hù)拱型鋼拱架相連。

三臺(tái)階七步開(kāi)挖法因?yàn)轭A(yù)留核心土臺(tái)階，核心土對(duì)掌子面巖體有支撐作用。在隧道開(kāi)挖過(guò)程中分上、中、下和仰拱4個(gè)臺(tái)階，不同的開(kāi)挖面相互錯(cuò)開(kāi)并同時(shí)開(kāi)挖，同時(shí)支護(hù)，形成支護(hù)整體，縮短作業(yè)循環(huán)時(shí)間，逐步向縱深掘進(jìn)。其實(shí)質(zhì)是臺(tái)階開(kāi)挖法的一種，拱部采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土，利用核心土施壓掌子面。鋼架拱腳處的特殊設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了初期支護(hù)，提高了鋼架支護(hù)的穩(wěn)定性，圍巖受力結(jié)構(gòu)得到了完善。

5.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)龍海屯隧道超淺埋段施工方案的優(yōu)化，采用拱部明挖做護(hù)拱，封閉隧道，洞內(nèi)暗挖采用三臺(tái)階七步作業(yè)法的施工。在施工工藝，工期成本控制及質(zhì)量安全控制等方面均有良好的結(jié)果。與洞內(nèi)管棚法大大的減少了超前支護(hù)，避免了因工序繁雜而導(dǎo)致的進(jìn)度緩慢。采取護(hù)拱施工既不需要超前支護(hù)，也不需要臨時(shí)支護(hù)，從而節(jié)約大量成本，而且使施工工序簡(jiǎn)化，提高了施工進(jìn)度，而且避免了明挖法存在的大量技術(shù)難題。

參考文獻(xiàn)：

[1]關(guān)寶樹(shù)" 趙勇 . 軟弱圍巖隧道施工技術(shù)[M] 北京：人民交通出版社

[2]王利民" 谷孝軍.超淺埋大斷面隧道明暗結(jié)合施工工法

[3]黃勝平. 高速鐵路大斷面隧道淺埋段軟弱圍巖施工方法優(yōu)化[J]" 鐵道建筑技術(shù)