堆积体大断面隧道进洞施工工法

张小明

(中铁十二局集团有限公司，太原 030024)

1 工程概况及洞口围岩分析

1.1 工程概况

上东京隧道起讫里程为GDK289+824-GDK295+151，全长5 327 m，本隧道正洞围岩主要有Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级，其中Ⅱ级占37.1%，Ⅲ级占51.8%，Ⅳ级占7.8%，Ⅴ级占3.3%。隧道进口采用倒切式帽檐洞门(1∶1.25)，出口采用斜切式帽檐洞门(1∶1.5)。该隧道位于长白山脉东北段，线路穿越低山丘陵区，多为“V”形河谷，少部分为“U”形河谷，谷底与分水岭相对高差100～320 m，山顶一般呈浑圆状，地面高程为142～510 m，山坡自然坡度较陡倾，变化较大，部分上陡下缓，部分下陡上缓，纵向自然坡脚为16°～28°，进口纵向坡度19°，出口纵向坡度15°，隧址区多为阔叶与针叶混生林，植被覆盖率约95%。工程地质设计为隧道进出口边坡土质分别为花岗闪长岩的残坡积层及全风化层，抗剪强度低，且边坡坡度较大，边坡稳定性差。但通过隧道进口洞口开挖发现洞口围岩以沙加石堆积体为主。

1.2 洞口围岩分析

通过管棚及临时边仰坡施工过程，通过现场观察及记录，将上东京隧道进口洞口段围岩情况通过图表的方式经过分析如下。

洞口段9 m范围内围岩以沙加石堆积体为主，密实度差，孔隙多，部分空隙较大，岩体稳定性差。拱顶松散体较厚，拱腰往下较薄，松散堆积体与基岩交界面坡度与山体自然坡度相近，坡度约为1∶0.9。线路左侧松散体较薄，距基岩面较近，右侧较厚，距基岩面较远。若不进行相关的加固措施，开挖后，松散体肯定会有局部以及大范围的塌落，以松散堆积体与基岩交界面为滑动面，产生滑坡的危险。

通过管棚施工，以及预注浆，洞口段松散的堆积体的整体稳定性有所提高，滑动面的摩阻系数加大，产生滑坡的可能性大大降低，但由于洞口段围岩以沙加石堆积体为主，密实度差，孔隙多，预注浆及管棚注浆大部分流入洞口下部及两侧，渗透到拱部的较少，所以拱部范围围岩稳定性还是较差。加上由于管棚施工误差及操作不当，会有部分管棚掉入洞内，部分倾角远远大于设计，故部分管棚将失去应有的作用，这也将影响开挖后拱部围岩的稳定性和滑动面的摩阻系数。所以开挖后还会有拱部掉块及产生滑坡的危险。

2 施工方案

上东京隧道进口洞口段根据工期要求应优先采用三台阶预留核心土七步流水作业(上台阶拱架预留临时仰拱钢板)，在施工过程中严格按照加强监控量测结果指导施工，及时反馈围岩变化情况，围岩变形超过规范规定时，，采取上台阶加临时仰拱稳定围岩，转换为三台阶临时仰拱法，如果围岩持续变形，应采取上台阶加竖向支撑减跨来稳定围岩变形，具体开挖方法根据监控量测的结果反馈确定开挖方法，施工方法如下。

2.1 采用超前小导管进行超前预支护

对于上东京隧道进口段洞口堆积体段，采取在超前管棚间加设超前小导管补充管棚注浆，以保证拱顶松散体注浆固结的效果，减少在开挖拱顶松散体失稳的几率，同时施做洞口全环保温层加固预注浆，扩大在松散体中注浆的范围，增大隧道固结圈，增强隧道的水平摩擦力，使隧道初支能抵消拱顶松散体对隧道初支的水平推力，如图1所示。

预加固采用在大管棚间间隔使用超前小导管预支护，小导管采用φ42 mm热轧无缝钢管加工，长度为3.5 m，环向间距0.4 m，纵向间距3 m，超前小导管配合刚架使用，其纵向搭接长度不小于1 m。

2.2 三台阶预留核心土七步流水作业法

三台阶预留核心七步流水作业法施工工序示意见图2。

2.2.1 上中下导坑开挖

隧道上部导坑采用挖机、风镐配合人工或弱爆破，爆破中应采取预裂爆破，爆破中严格控制装药量，毫秒雷管的段位要错开，形成交叉起爆，减少对围岩的扰动;上、中、下台阶开挖进尺为1榀拱架，上台阶开挖至3.5 m时进行中台阶开挖，中台阶先开挖围岩相对较差的一侧，中台阶左右两侧台阶错开2.4 m，中台阶开挖长度宜为2.4 m，两侧不能同时开挖，拱架要错开3榀以上，防止拱架悬空造成安全隐患;下台阶与中台阶保持2.4 m间距，两侧不能同时开挖，拱架要错开3榀以上，防止拱架悬空造成安全隐患，左右掌子面要先开挖围岩较差的一侧，左右错开2.4 m，各部开挖时预留核心土，以保证掌子面的稳定，各部开挖后及时封闭子面，喷、网、锚及钢架联合支护作业，拱脚采取扩大拱角的方法来稳定上导坑、上中导墙角增设锁脚锚管，拱架超挖部分应回填密实。

图1 超前预加固示意(单位:cm)

2.2.2 仰拱开挖

为了使初期支护及早封闭成环，当上中下台阶开挖13 m时，封闭掌子面暂停掌子面施工，再进行仰拱开挖，仰拱开挖长度一次为3 m，采用风动凿岩机钻孔，非电毫秒雷管微差起爆，开挖后应及时将地下水抽取干净，不得有积水和浮渣并应及时进行初期支护施工及混凝土施工，及时封闭成环。

2.3 三台阶临时仰供法

采用超前小导管进行预支护。上部导坑采用风镐配合人工或弱爆破，中下导及仰拱采用风镐及挖掘机或控制爆破开挖，以保护围岩;各部之间的间距2.4 m。各部开挖后及时封闭掌子面，喷、网、锚及格栅钢架联合支护作业，施作临时仰拱。拱脚、中下导墙角增设锁脚锚管，初期支护及时成环。爆破时采用风动凿岩机钻孔，非电毫秒雷管微差起爆，湿喷机湿喷作业。仰拱施工长度3 m。各部实行平行作业，在监控量测中如发现沉降过大应在上台阶采用竖向临时支撑，以稳定围岩，确保安全，三台阶临时仰拱法施工工序流程见图3。

3 施工运输

隧道进入正洞后采用无轨运输方式，挖掘机械扒砟，侧卸式装载机装砟，大吨位自卸汽车运砟。

图2 三台阶七步开挖法施工工序(单位:m)

图3 三台阶临时仰拱法施工工序(必要时加竖向支撑)(单位:m)

4 初期支护

本隧道进洞初期支护全环采用I20钢拱架，间距0.6 m;φ6 mm钢筋网片，网格间距20 cm×20 cm;拱部采用φ22 mm组合中空锚杆，边墙采用φ22 mm砂浆锚杆;拱墙采用28 cm厚 C30喷射混凝土，仰拱采用28 cm厚C25喷射混凝土，支护紧跟开挖面及时施作，尽量减少围岩暴露时间，抑制围岩变形，防止围岩在短期内松弛剥落。

钢架、钢筋网和锚杆在洞外钢构件厂加工，人工安装钢架，挂设钢筋网，螺旋钻施作系统锚杆，湿喷机喷射混凝土。

4.1 系统锚杆

本隧道系统锚杆采用φ22 mm组合式中空组合锚杆及砂浆，锚杆采用厂家订购。

施工时锚杆钻孔位置及孔深必须准确;锚杆要除去油污、铁锈和杂质;锚杆体插入孔内不小于设计长度的95%，注浆应饱满。

4.2 钢筋网

隧道钢筋网预先在洞外钢构件厂加工成型。钢筋类型及网格间距按设计要求施作。钢筋冷拉调直后使用，钢筋表面不得有裂纹、油污、颗粒或片状锈蚀。安装搭接长度为1～2个网格，采用焊接。先铺挂钢筋网，沿环向压紧后再喷混凝土。钢筋网随受喷面起伏铺设，与受喷面的间隙一般不大于3 cm。与锚杆或其他固定装置连接牢固。开始喷射时，缩短喷头至受喷面的距离，并调整喷射角度，钢筋保护层厚度不得小于5 cm。喷射中如有脱落的土块或混凝土块被钢筋网卡住时，应及时清除。

4.3 钢架

(1)钢架按设计预先在洞外钢构件厂利用冷弯机加工成型，在洞内用螺栓连接成整体。

(2)钢架架设要求

安装前清除底脚下的虚砟及杂物。钢架安装允许偏差:钢架间距、横向位置和高程与设计位置的偏差不超过±5 cm，垂直度误差为±2°。

钢架拼装可在开挖面以外进行，各节钢架间以螺栓连接，连接板密贴。

沿钢架外缘每隔2 m用钢楔或混凝土预制块楔紧。

钢架底脚置于牢固的基础上，不得有虚砟。钢架尽量密贴围岩并与锚杆焊接牢固，钢架之间按设计纵向连接，连接牢固。

分步开挖法施工时，钢拱架拱脚打设锁脚锚管(锚杆)，并设置“U”卡，加强锚杆与拱架的连接，锚杆长度不小于5.0 m，数量为上、中台阶各4根。下台阶开挖后钢架及时落底接长，封闭成环。

钢架与喷混凝土形成一体，钢架与围岩间的间隙用喷混凝土充填密实;各种形式的钢架全部被喷射混凝土覆盖，保护层厚度不得小于50 mm。

4.4 喷射混凝土

喷射混凝土采用洞外自动计量拌和站拌和，湿式喷射混凝土施工，湿喷混凝土可减少回弹量，降低粉尘，提高工作效率和施工质量。

5 径向注浆

采取在喷射混凝土预留注浆孔的方法进行注浆，注浆范围按2 m范围设置，注浆孔按梅花形布置，孔口环向间距1.8 m，孔底间距2.5 m，纵向间距1.8 m，注浆采用风枪开孔，孔径为52 mm，孔口管采用φ50 mm，壁厚3.5 mm的热压无缝钢管，钢管全长1 m，孔口管设置牢固，并有良好的止浆措施，一般采取尾部焊接阀门的办法来实施，注浆压力宜为0.5～1.0 MPa，注浆材料选普通水泥浆，初次注浆完成后再进行二次补浆，具体详见图径向开挖注浆如图4所示。

图4 环向3 m全断面加固注浆布置(单位:cm)

6 二次衬砌施工

由于洞口段围岩处于堆积体的特殊情况，要及时施工，施工之前要提前做好台车的拼装及铺挂防水板台车的拼装，本隧道二衬台车长度12 m，防水板及钢筋台车采用6 m台车，当仰拱距离洞口24 m开始施工二衬混凝凝土，及时进行封闭。

7 要素配置

隧道前期施工安排1个隧道施工队伍，隧道施工队伍配置70人，劳动力安排见表1。

表1 劳动力安排

结合工期和架子队伍实际情况，配置相关机械设备，保证前期正常施工。机械设备配置见表2。

表2 机械设备配置

8 预警机制和应急预案

突发事件应急工作，遵循预防为主、常备不懈的方针，贯彻统一领导、分级负责、反应及时、措施果断、依靠科学、加强合作的原则。下列生产安全事故和自然灾害制定应急救援预案。

8.1 可能出现的应急事故

项目经理部对隧道工程施工中可能发生的事故制订应急预案:隧道洞口松散体变形坍塌事故、机械事故等。

8.2 应急管理措施

施工现场设置调度人员值班，发现隐患及时报告各项目经理部领导，发生事故迅速报告项目部，以便及时采取措施组织救援。

发生事故后，项目经理负责组织工程管理、安全、质量、物资供应、设备管理等相关部门和现场架子队进行救援，按自救、互救的原则采取一切行之有效的措施，确保人身安全及财产安全。

8.3 应急预案

(1)现场抢救措施

接到险情报告，应急小组根据险情性质判断启动营救预案，由调度组织，通过高音喇叭、对讲机、手机等联系方式组织工程抢修组、救护组、运输组、物资组、外协组、作业队长、工班长、工人进入应急状态，由卫生所长负责与当地医院、急救中心联系，安全部部长负责现场指挥并按救护车辆、工程车辆先后顺序进洞抢险救人，控制事故蔓延，并且在洞口安排一人，通过对讲机联系，指挥车辆进出。

由卫生所组织救护组、运输队及时、稳妥地疏散现场人员，正确快速地引导救援、救护车辆。救护小组及时联系当地医院和急救中心作好抢救准备。工地医生在洞内对受伤人员进行初步抢救，并将伤员及时送到医院进行抢救，随时将伤员的病情向指挥机构通报。

待伤员被救出洞后，洞内无险情，工程抢修组、物资组由安全部部长组织人员将洞内机械、物资撤到安全地带，由物资设备部部长组织洞内物资供应，由安全部部长组织将抢险用的物资、机具分批运进洞内，由安质部长组织作业队长、工班长、工人进行塌方体的有效支护、清理。

(2)注意事项

①应急事故领导小组成员要求坚守岗位、随时保持警惕状态，观察洞内情况要仔细，对危险地段更要密切关注。

②应急事故领导小组成员要求心理素质好，有经验能够临危不乱，遇到紧急情况要思路清晰、判断准确、指挥有力，并随时与洞外保持联系，以备发生紧急情况时能够处理得当，迅速指挥施工人员撤离危险地段。

③洞内施工人员要求临危不乱、组织有序、服从指挥。各工班长要起到带头作用，并清点、组织好本工班施工人员。

有下述现象发生时，由安全部部长组织指挥撤出工作面施工人员和机械设备:围岩量测所反映的围岩变形速度急剧加快;围岩面不断掉块剥落;支护喷混凝土表面龟裂、裂缝或脱皮掉块，钢架严重变形。

当出现坍塌事故迹象时，快速组织工作面施工人员和机械设备撤离。在发生坍塌事件后，由隧道及地质工程师对塌方处进行观察、记录，以提供对该事件分析的原始资料，在确保安全的前提下，在后方起拱线、边墙设置横向支撑，必要时在拱部设伞形支撑以防坍塌向后方蔓延。经综合分析后制定相对安全、保守的处理方案和加固措施。在加固处理完成后经综合检测处理措施达到预期的作用和目的，确认险情排除后方可恢复工作面施工。

当出现机械事故时，发现险情的人员立即向机械队队长报告。并在需要时，切断电源。机械队队长召集抢险小组进入应急状态，由架子队队员上报项目部调度，由项目经理组织技术人员对险情制定抢修方案。各小组按职责实施方案。

［1］项志敏，等.武广客运专线大断面隧道软岩地段快速施工技术［J］.铁道标准设计，2007(S1).

［2］赵勇，等.郑西客运专线砂质黄土大断面隧道浅埋暗挖法施工技术［J］.铁道标准设计，2007(S1).

［3］王武现.客运专线大断面浅埋黄土隧道进洞施工技术［J］.铁道标准设计，2008(8).

［4］贺廷西，苏万军.石太铁路客运专线大断面黄土隧道施工技术［J］.铁道标准设计，2007(4).