张集线旧堡隧道修建技术

孟庆余

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

1 工程概况

1.1 隧道概况

旧堡隧道是张集线最长的隧道，起讫里程为DK25+270～DK34+855，全长9585 m，隧道最大埋深为493 m。采用双线双箱限界，隧道轨上净空88.29 m2。

1.2 地形地貌

隧道地处洋河断陷盆地西缘之冀北低中山区，海拔高度950～1 550 m。区内山体多基岩裸露，植被稀疏。隧道范围内地势总体西北高，东南低，隧道顶部山势雄伟，地形崎岖复杂，沟谷切割强烈。隧道附近河流主要有洗马林河、东洋河，主要流向为自北向南，均汇入洋河。进口端为洗马林河，出口端为东洋河，沿线河流均属海河流域洋河水系。

2 隧道修建过程中遇到的特殊情况

2.1 特殊工程地质

隧道地处区域性构造交汇部位，通过古老的太古界变质岩，因受多期地质构造运动作用，断裂构造极为发育，岩浆活动强烈，隧道通过1条大断裂(F3)和12条较大断裂及大量岩浆侵入岩体、岩脉。施工揭示的地层普遍发育隐性节理、断层、糜棱岩化破碎带、节理密集带、岩脉等，将岩体切割成碎石状结构，结构面多擦痕镜面和动力变质及热液蚀变矿物，并普遍含泥化夹层，围岩自稳性极差，且遇水易软化。

2.2 地下水丰富

隧道洞身范围地下水较发育，且水压力较大，地质钻孔内有地下水喷出地面高达2 m，在施工过程中出现多次突泥突水现象。

2.3 围岩大变形

隧道施工过程中，一直伴随着隧道围岩大变形，这种变形状态前期体现不明显，在初期支护施作完成后12～17 d，随着地下水的渗漏侵蚀，围岩整体强度迅速下降，一旦变形难以控制，主要表现为作用延迟并且危害性大。

2.4 溜砟、突泥突水

隧道在施工过程中出现过多次突水突泥、溜砟、滑溜情况，使得施工进度比较缓慢，需要加强超前支护，稳定掌子面，才能继续施工，施工难度极大。

3 处理技术措施

3.1 大变形处理

(1)情况说明

DK29+385～DK29+406段隧道反复出现大变形，隧道右半边拱脚一直是出现变形的主要部位，钢架变形严重，从DK29+376～DK29+391段右侧变形看，平均变形1.0 m，最大变形达到1.88 m。

(2)变形原因分析

隧道变形主要是因为其位于变质岩地层，加之地下水等多种因素的共同作用，使得隧道在施工过程中总是遇到程度不同的变形，隧道拱顶始终存在纵向贯通的挤压初期支护造成混凝土脱皮的裂纹，钢架不同程度扭曲，从当时现场情况看，隧道变形还很可能由于隧道拱部右侧存在顺线路方向的构造。

(3)隧道变形规律

从施工的情况看，隧道地质条件比较差，隧道变形出现在初期支护施作完成后12～17 d时间段内，在此时段内，隧道围岩由无水变为有水，而且水量逐渐增大，随着水的渗出，围岩裂隙之间的薄层的粉末状细颗粒被带走，围岩自承能力下降，初期支护开始变形，钢架被压扭曲，喷混凝土开裂。并且反复循环，直至初期支护丧失承载能力。

(4)隧道变形段工程措施

①加强锚杆。系统锚杆对控制围岩大变形有很好的作用，要求加强锚杆的施作质量。左侧边墙锚杆长4.5 m，纵向间距0.8 m，环向间距1.0 m，右侧拱部及边墙采用长8 m自进式锚杆，纵向间距0.8 m，环向间距1.0 m。

②加强初期后换拱。对 DK29+385～DK29+391段进行换拱，并先采取挂板混凝土加强初期支护，混凝土厚30 cm。对DK29+391～DK29+403段侵限的部位进行换拱处理，初期支护先采用挂板混凝土加强支护，换拱结束后，抓紧施工二次衬砌。

③注浆加固。对DK29+391～DK29+406段注浆加固，采用 φ42 mm小导管，长6.0 m，间距1.5 m×1.5 m;施工泄水孔，以减少地下水对初期支护的压力。泄水孔间距3 m×3 m，梅花形布置。

④结构加强。变形地段采用Ⅴ级加强型衬砌断面，边墙仰拱厚度60 cm，仰拱65 cm。初期支护喷混凝土厚度27 cm。

3.2 挡墙加固绕避

(1)方案背景

2010年8月18日1:56发生第6次突发涌水、涌泥，经现场观测上台阶右侧拱脚DK29+416处发生翻浆冒泥，50 min后水量剧增，达270～320 m/h。2 h后水量向后发展至DK29+404附近拱顶和右侧挡墙，中台阶右侧挡墙出现多条裂缝，主要为剪切破坏产生，纵向裂缝最大宽度8 cm。

至8月21日右侧挡墙趋于稳定。由于本段水量比较大，施工受阻，经过参建四方会议研究，为了确保安全，并能继续向前施工，决定采取“挡墙加固绕避”技术措施进行施工，隧道贯通后再处理此处挡墙段。

(2)工程措施

①回填左侧下台阶:预埋3根φ200 mm钢管排水，回填碎石至中台阶底脚。

②施作左侧临时仰拱:采用I16b型钢，钢架间距1.2 m，纵向 φ22 mm连接筋连接，间距1.0 m，浇筑C25混凝土，厚度60 cm。

③加固DK29+389～+408右侧挡墙:新挡墙内布设I16b型钢，钢架间距1.2 m。挡墙纵向每4 m一段。

④施作DK29+408～+417上台阶右侧挡墙，模浇混凝土。见图1。

图1 DK29+389～+408及DK29+408～+417右侧挡墙(单位:cm)

⑤开挖DK29+417～+425上台阶:初期支护采用双层拱架，第一层采用I25b型钢，钢架间距60 cm，双层φ22 mm连接筋和双层 φ8 mm钢筋网片，采用C25喷射混凝土封闭，厚35 cm。第二层采用I20b型钢，钢架间距60 cm，双层φ22 mm连接筋，两榀钢架之间设置4根环向φ12 mm钢筋，与纵向连接筋形成大钢筋网，然后挂板现浇C25混凝土，预留变形量为50 cm。

3.3 永临结合泄水洞

(1)背景

注浆段挡墙DK29+401处出现突泥突水，具体如下:

2011年1月4日15:00，在绕避段施工到DK29+402时，在中导出现了涌水现象，自1月4日15:00至1月5日凌晨4:00，地下水呈间歇状喷出及流出，之后水流逐渐平稳，在1月5日凌晨1:00水量最大，最大涌水量大约为60 m3/min，间歇状喷出频率约为40～90 min，每次持续约40 s～1 min，每次喷出的泥水夹块石约为40～60 m3，最后水量稳定在30 m3/h左右，喷出泥水总量约1 200 m3。

针对此次突泥突水的情况，加之管棚注浆钻孔时钻机的钻速等指标判断，如果在较大水压力下开挖，大规模突泥突水的可能性极大，研究决定设置“永久临时结合泄水导洞”在外围泄水，降低水压，既保证此处开挖的安全顺利进行，也为运营期间的泄水降压提供可靠的保证。

(2)永临结合泄水洞方案(图2)

①在DK29+365右侧打设泄水洞，泄水洞终点里程根据地质条件而定，暂定终点里程为DK29+401。

②泄水洞平面设计:导洞与线路方向呈30°向前延伸，保证隧道正洞与导洞之间至少有10 m的净距离。

③泄水洞纵断面设计:洞内采用1%的纵向坡度，比正洞坡度(7.6‰)稍大，便于排水。

④泄水洞排水设计:泄水洞的底板高程较原设备洞室底板低1.2 m，隧道建成后恢复设备洞室底板，在永久设备洞室以外形成汇水槽，汇水由泄水管直接引至中心排水沟内。坡度为4%，采用3根 φ200 mm PVC排水管排水。

图2 永临结合泄水洞照片

3.4 衬砌背后永久排水

(1)方案背景

根据施工揭示的突泥突水情况，对未施工地段的地下水进行了预测，根据分析，本段地下水水位比较高，并且水量比较大，为了保证隧道运营期间的衬砌背后水压不至于过高，决定DK29+385～DK29+635衬砌背后采取永久排水泄压方案，以保证隧道建成后衬砌背后维持较低的水压力。

(2)永久排水方案

①边墙脚设置排水管。在DK29+385～DK29+635段边墙底部初期支护外侧放置外直径为273 mm的钢管，钢管壁厚10 mm，钢管上设置泄水孔以便排出顺环向排水板以及片石盲沟排下的地下水。钢管每隔25 cm打两个对称排水孔，孔径为5 cm，相邻的前后2个孔连线垂直，采用钢丝网包裹。为排出圆管内地下水，加密检查井为10 m一处，每处检查井连接2道排水管，“八”字形布置，边墙处排水管端头纵向间距为5 m，排水管采用φ100 mm PVC管。接头处采用钢丝网滤层，防止泥沙堵塞排水管。如图3所示。

图3 边墙脚泄水(单位:cm)

②设置排水板。在防水板外侧铺设一层排水板，有利于疏导衬砌背后积水。采用HDPE排水板，为保证材料的耐久性，材料必须满足以下要求:HDPE片板厚度1.2 mm;质量≥1 000 g/m2;板材成型厚度8 mm;抗拉强度≥400 N/5 cm;抗压负荷≥350 kPa;断裂延伸率≥40%;通透空间5.4 L/m2;低温弯折性为-20℃无裂纹;抗渗透性为不透水。严禁使用再生原料或掺加再生原料生产的防水板卷材。

③边墙初支后设置片石盲沟。在衬砌边墙外设置片石盲沟，盲沟尺寸为20 cm×50 cm(厚×宽)，间距5 m/道。为避免影响盲沟稳定及堵塞盲沟，在片石盲沟背后设置反滤层，反滤层由卵片石层(粒径为20～40 mm)、中砾层(粒径为4～10 mm)、砂砾层(粒径为1～5 mm)共3层组成，每层厚度为10 cm。如图4所示。

3.5 溜砟整治

(1)方案背景

2010年3月份以来，开挖揭示围岩挤压破碎，节理密集、夹有小型断层，将岩体切割成粉夹碎石状松散结构，结构面多擦痕镜面且光滑夹有软泥，局部含泥化夹层，围岩自稳性差，开挖后拱部易掉块、坍塌、溜砟。

图4 衬砌背后碎石盲沟(单位:cm)

为确保施工安全和质量，2010年3月3日(掌子面里程DK29+958)，衬砌采用18H型钢钢架，加强支护。2010年3月8日凌晨2:00，掌子面施工到里程DK30+948时，拱部及两侧均出现滑塌溜砟，形成4 m高塌穴，溜砟约45 m3，掌子面拱部初支混凝土局部脱落，变形开裂，出现环向裂缝。出现险情后，掌子面立即停止施工，喷射混凝土暂时封闭，确保施工安全。

(2)溜砟整治措施

根据现场研究决定对该段采取如下处理措施。

①对掌子面和溜砟处进行封闭，喷射混凝土厚10 cm。

②在初支开裂位置进行套拱加固，防止变形加剧。在DK29+955～DK29+948处立设8榀套拱，间距1.0 m，采用I20型钢。布设双层连接筋(φ22 mm)和钢筋网片(φ8 mm)，喷射混凝土厚度30 cm。每榀拱脚处分别打设4根锁脚锚杆，φ42 mm小导管长3.5 m。

③在溜砟处和拱部环向密排打设小导管封堵，防止继续溜砟。采用φ42 mm小导管，长5.0 m。

④在溜砟位置泵送C20混凝土回填塌穴。

⑤继续掘进施工时，加强支护参数，采用I22型钢，间距0.6～0.8 m，超前小导管加长至5.0 m，间距30 cm。

4 总结与体会

4.1 围岩假象

时空效应要注意。隧道开挖后掌子面比较干燥，稳定性比较好，按照地勘提供的围岩级别，正常情况下按照设计原则采取相应的工程措施后，短期内没有问题，但是随着掌子面继续推进，初期支护变形，围岩裂隙张开，地下水开始渗出，由湿渍发展为渗水、滴水、线状水再发展到股状水，随着水量的加大，岩石裂隙之间的粉末状物质被冲出，围岩的整体承载能力下降，使原本有自承能力的围岩变为松动岩体，初期支护不足以承担这种荷载，围岩开始变形，初期支护受到挤压以后，喷混凝土开始剥落，钢架压扭、挫断，一旦变形，则出现循环，即“变形越大，水量越大，水量越大，松动岩体作用力越大”，如果不及时处理，承载能力迅速降低。

4.2 对付变形

强强对抗，防止“引水入洞、引狼入室”。根据旧堡隧道围岩的特殊性，“以柔克刚”效果并不明显，变形越大，进入隧道内的水越多，围岩就越松动，自承能力越差，一旦变形，圆形的承载结构的某些点变成了应力集中点，到最后无法承载，变形不收敛。需要采用“以刚对抗”的方式能够更加有效解决此工点产生的问题。

4.3 地下水处理

“宜排不宜堵，排水有讲究”。为避免初期支护背后形成过高水压，深层地下水不能随意袭扰。如果是岩溶水，可以通过探测，准确判断溶腔位置以及与隧道的位置关系，可以进行疏排。而对于基岩裂隙水，其特点是出水点相对比较散，可能隧道本身就在宏观的含水体内，想找到集中出水源比较困难，或者根本没有集中水源，只能为了达到降低初期支护背后水压力目的而进行适当的排水，即在出水点比较集中位置打泄水孔，但泄水孔不宜过深，穿透初期支护即可，避免侵扰到地下水且在初期支护背后形成较大水的通路而难以整治。

4.4 局部溜塌

溜塌较突泥突水规模小，但是整治也是比较困难。旧堡隧道由于地质年代久远，受多期构造运动的影响，节理非常发育，有些条带属于节理密集带，反应到隧道开挖轮廓上，就是一个局部容易出问题的部位，由于节理多含水，节理密集带比其他部分更富水，一旦此部位受隧道开挖扰动影响，那么此部位由静止状态立刻变得活跃，类似滑坡牵引作用，开挖轮廓线外小部分开始溜塌，后面产生更大的临空面，前面溜塌部分牵引后面松动岩体，在地下水助势下不断涌出。

比较适用的处理方法是，不惜一切代价，阻止继续溜砟，可采用密排小导管，必要时可采用钢筋网揉成团放入空腔内，喷射混凝土或者泵送混凝土防止空穴进一步加大，待空穴稳定以后可采取注浆措施进行加固处理。

4.5 加固绕避、回头处理

由于隧道的特殊性，施工掌子面数量有限，一旦掌子面受阻，严重影响工期，在这种情况下，可以采取加固绕避的方式，使得施工继续向前推进，加固段可寻求合适的时机再回头进行处理。

4.6 隧道施工“宜活不宜死”

“岩变我变，随机应变”应该成为施工配合过程中永恒的主题，由于隧道断面比较大，断面上下左右地质情况都各不相同，而且变化极大，尤其是受构造影响或者有火成岩侵入，往往开挖后会遇到左硬右软、上硬下软的情况，有的甚至处于岩层接触面上，水量差异也比较大，施工过程需要根据实际情况，适时调整支护参数，才能做好隧道工程。

［1］TB10003—2005 铁路隧道设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［2］TZ 204—2008 铁路隧道工程施工技术指南［S］.北京:中国铁道出版社，2008.

［3］TZ 331—2009 铁路隧道防排水施工技术指南［S］.北京:中国铁道出版社，2009.

［4］王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论［M］.合肥:安徽教育出版社，2004.

［5］铁道部第二勘测设计院.铁路工程设计技术手册·隧道［M］.北京:中国铁道出版社，1995.

［6］关宝树，赵勇.软弱围岩隧道施工技术［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［7］王建宇.隧道工程的技术进步［M］.北京:中国铁道出版社，2004.

［8］王伟，苗德海，田四明.高水压富水山岭隧道设计［J］.铁道标准设计，2007(8).

［9］宋抗常，吴冰.渝怀铁路施工技术与管理［M］.北京:中国铁道出版社，2004.

［10］关宝树.隧道工程设计要点集［M］.北京:人民交通出版社，2003.