浅埋黄土隧道洞口段施工技术探讨

梁建忠

(太原铁路局建设处质量安全监督站，山西 太原 030013)

1 工程概况

新建吕梁至临县(孟门)铁路位于山西省吕梁市境内，线路自太中银铁路吕梁站引出，经大武镇到三交，线路在此分出岔线，一条向北方向至临县县城，另一条向南方向至临县碛口，正线全长38.645 km，桥隧比例53%，全线包含隧道19 813 m/12座，隧道长度占全线长度的41.2%。其中车赶隧道为全线的重难点及控制性工程，隧道全长11.815 km，位于山西吕梁市方山县大武镇与临县湍水头镇之间，起讫里程DK14+630～DK26+430，最大埋深约293.3 m，设计为单线隧道(出口因设置湍水头车站，设置1 230 m双线隧道，线间距5 m)，因施工工期的需求，设有4座斜井、9个工作面辅助施工，合同工期36个月。

车赶隧道进口至DK15+207.05位于半径为800 m的左偏曲线上，DK21+060.96～DK21+923.8位于半径为1 200 m的左偏曲线上，其余段落位于直线上。隧道进口至DK16+100位于6‰的下坡，DK16+100至隧道出口位于3‰的下坡。车赶隧道施工地质异常复杂，施工过程安全控制任务极重，主要包括新黄土、砂岩、石灰岩、泥岩、泥灰岩及角砾岩等岩体，全隧包含溶腔、富水地层、富煤瓦斯突出地层及铝土膨胀地层等不良地质，其中Ⅱ级围岩4 810 m，占隧道全长的40.76%;Ⅲ级围岩1 865 m，占隧道全长的15.81%;Ⅳ级围岩3 415 m，占隧道全长的28.94%;Ⅴ级围岩1 710 m，占隧道全长的14.49%。

车赶隧道出口位于临县湍水头镇湍水头村，设计为双线隧道，洞口段地质条件相当复杂，岩体复杂，软弱面发育，属典型的浅埋地质，岩体破碎，裂隙发育。分布新黄土、碎石类土层，新黄土具失陷性，碎石类土开挖时边仰坡易坍塌，铝土岩具膨胀性，遇水软化崩解，洞口附近零星分布铝土矿开采坑洞。表层植被稀少，水土非常容易流失，洞顶覆盖层很薄，在洞口15 m范围覆盖层约2 m。

2 总体施工方案

车赶隧道出口洞口段覆盖层薄，岩体较疏松，洞口成型比较困难，进洞难度大，为保证隧道安全进洞，经多方研究论证，采用套拱、地表岩体加固封闭、超前大管棚及超前小导管相结合的施工方案，总体施工方案见图1。

车赶隧道出口的进洞方案主要以封闭裸露岩体、引导洞顶地表积水、加固隧道施工范围内的松散岩体、提高洞顶土体的刚度和承载力等几个方面为施工思路，具体施工过程中，主要包括六个方面的措施，详细情况如下:

1)对边仰坡部分山体以及洞口段范围的洞顶岩体采取整体性防护的措施，喷射 C20混凝土15 cm，挂 φ6.5双层钢筋网(20 cm×20 cm)封闭洞口边仰坡坡面。

2)洞口120°范围内设30 m超前大管棚，管棚采用φ108 mm无缝钢管，环向间距40 cm，管棚之间采用焊接连接方式，管棚及管棚周边注快硬硫酸铝盐水泥浆，确保管棚和周围岩体为一整体，增加拱顶围岩的刚度，进一步确保疏松岩体的稳定。

3)洞身开挖前，径向施作2 m长φ25 mm×5 mm中空注浆锚杆，沿隧道纵向，每开挖循环上台阶范围内施作φ42 mm密排小导管，长2 m，间距40 cm，第一个开挖循环超前小导管和超前大管棚之间要采取梅花形布置的方式，其他循环之间的小导管保持梅花形布置状态，确保洞口浅埋段形成管棚固结体与超前小导管相辅作用的承载圈。

4)洞身开挖支护过程中，基本采用人工风镐配合机械的开挖方式，遇坚硬孤石采取局部弱爆破措施，洞口5 m范围内采用Ⅰ20a刚性支护，拱架间距按0.5 m控制，其余地段按照设计参数进行。

5)洞内开挖采用“快挖、快支、快封闭的原则”，每循环拱架密贴掌子面。

6)利用围岩监控量测数据指导施工。

3 实施过程

3.1 地表及仰坡加固

车赶隧道出口洞口10 m范围内埋深仅1 m左右，隧道成型后极易引起拱顶岩层冒顶，或者在局部软弱爆破工作中因冲击波影响造成岩体失稳，进洞前必须对洞顶范围岩体进行封闭、加固，加上喷射混凝土喷射面，形成隔水层，使得地表汇水顺着临时排水排走，不致渗入岩体影响施工安全。

具体方案如下:

1)采用φ42 mm注浆小导管对洞顶覆盖层进行注浆加固，同时根据覆盖层的实际厚度分布状况，设置加固锚杆，采用Φ22螺纹钢筋，锚杆与孔壁之间采用M20砂浆注浆填塞密实;

2)锚杆施工结束后，整个坡面及浅埋段地表铺设双层φ6.5钢筋网片，双层网片与注浆导管采取焊接、绑扎相结合的连接方式，确保连接牢固;

3)采用喷C20喷射混凝土封闭该范围坡面，而在洞口仰坡坡面初喷一层C25混凝土3 cm～5 cm厚，封闭岩面后挂钢筋网再次喷射C25混凝土，封闭岩面后持钢筋网再次喷射C25混凝土，挂第二层钢筋网且喷射C25混凝土封闭，喷射混凝土厚度不小于30 cm。

3.2 洞口套拱段施工

因为本隧道洞口的覆盖层极薄，完成仰坡的超前锚杆和小导管后，开始掘进施工，采用套拱+超前大管棚的施工方案，在洞口成型后采用弱爆破与机械开挖相结合的掘进方式，套拱设置效果见图2。

3.2.1 施工准备工作

1)按设计坡度刷坡，仰坡坡比按照1∶0.75进行控制，边坡坡比为1∶1.5，边仰坡开挖线已进行现场放样，刷坡至明暗分界里程DK26+417，同时设置好拱顶临时排水系统，避免洞顶较平坦区域积水。

2)边仰坡刷坡结束后，进行套拱施工段前的准备工作，依据施工放样标志，在拱顶至拱顶下4.5 m范围内采取环向开挖预留核心土法进行开挖，两边拉槽，槽宽315 cm，槽底开挖宽度适当加大，开挖过程中要做好边仰坡的监控工作。

3.2.2 拱架架设

1)套拱采用Ⅰ20a型钢拱架，共4榀，拱架间距严格按照50 cm控制，套拱段长2 m，第1，2榀拱架按照正洞净空加大的基础上进行控制，第3榀拱架作为预留导向管的关键控制点，安装时标高比第一榀高7 cm，第4榀型钢拱架紧贴仰坡端面设置。

2)施工过程中，测量仪器架设不动，每架设1榀拱架，均要检查各部尺寸，特别是拱架的标高，确认准确无误后开始焊接环向连接筋，采用φ22螺纹钢筋，内外双层设置，环向间距1.0 m。

3)为了加强套拱的强度和整体稳定性，拱架间设置纵向加强钢筋，采用φ22螺纹钢筋，纵向间距按20 cm控制，内外双层布设，纵向加强筋与拱架之间、环向连接筋与拱架之间及纵向加强筋与环向连接筋之间均要焊接连接牢固，确保套拱所有的钢材料之间是一个整体，进一步提高套拱的强度。

3.2.3 导向管设置

1)在拱架外弧设置φ150管棚导向管，预留导向管长度L=1.6 m，采用φ150无缝钢管，导向管端头焊接法兰盘，焊缝必须要达标，不能有漏焊等质量缺陷，法兰盘上钻设螺栓孔，以备后期对钻孔及管棚注浆，并与格栅拱架焊接牢固。

2)导向管环向间距按40 cm控制，方向和角度通过第1榀和第3榀钢架进行控制，设计管棚外插角度3°，导向管预留过程中，测量放样工作要紧跟，避免因导向管埋设方向及角度与设计偏离较大，造成超前大管棚的受力状态下降。

3.2.4 模板施工

1)拱架和导向管安装完毕后，开始内模架设工作，模板采用小钢模紧贴拱架内弧挂设，内模支撑结构采用正洞标准钢拱架，再加设横纵向支撑，确保支撑封闭、牢固。

2)内模架设牢固后进行外模的安装工作，外模采用矩形木板拼接，外模距离拱架外弧5 cm～8 cm，确保套拱拱架足够的保护层，外模加固纵向采用φ22螺纹钢筋，纵向采用φ42钢管，纵横向固定材料之间要焊接连接牢固。

3)立模时，按施工图尺寸在拱架脚处设置放大基础，确保套拱稳定，基地宽度1 m，高度1.4 m，且铺设一层钢筋网片，放大基础部位作为混凝土施工过程中的最大受力点，务必要加固牢靠。

4)外模安装至距离拱顶30 cm左右时，停止外模安装，该处预留为混凝土浇筑口及振捣口，同时在拱顶下2 m范围内的外模上留置活动窗口，作为混凝土施工过程中的振捣窗口。

3.2.5 混凝土浇筑

1)套拱用C30的混凝土浇筑成型，施工过程中加入早强剂或速凝剂，以便加快施工进度，为提高套拱的强度，套拱环向可布两层20 cm×20 cm钢筋网。

2)套拱混凝土施工期间，因施工场地还未完全拓开，可考虑使用挖机辅助作业，插入式振捣棒进行捣固，施工结束后，要做好养护。

3)拆模后用C20喷射混凝土喷射拱圈露筋部位，确保与洞内拱顶喷射混凝土外观一致，不致形成太大反差影响观感。

4)套拱强度达到设计强度的80%以上后，进行超前大管棚钻孔、注浆作业。

3.3 超前大管棚施工

1)超前大管棚施作长度30 m，采用108 mm无缝钢管，壁厚5 mm，环向间距40 cm，拱部120°范围内布设，外插角3°，见图3，管棚管前端加工成锥形，管身每隔30 cm梅花形布设溢浆孔，溢浆孔直径8 mm。

2)根据地表裸露的地质，洞口段的地质有黄土层、碎石胶结层等，综合考虑施工地质及各种地质钻机的性能，最终选用TGDQ-200型螺旋麻花地质钻机作为超前大管棚施工的主钻机，同时现场配备一台重庆探矿厂生产的XY-2PC小型地质钻机，在选取注浆设备时必须是能注高压、能注双液浆，同时便于移动、易于操作的注浆设备，因此选用河北生产的KBY-50型高压注浆泵。

3)钻孔达到30 m后，安装超前大管棚，管棚采用钻机螺旋推进，每节管棚之间采用89 mm钢管焊接连接，为保证孔底的注浆效果，连接处的焊接质量要严格控制。

4)浆液采用快硬硫酸铝盐水泥，浆液配比水泥∶水=0.75∶1，注浆压力的控制是注浆效果的关键因素，该地层局部疏松，压力越大注浆效果越好，但考虑该段覆盖层薄，压力太大，可能破坏地表的封闭层，根据类似地质的相关注浆资料揭示，注浆压力达到3 MPa，即可实现对地层的固结。

5)考虑洞口段岩体局部可能较为疏松，同时夹杂碎石等结构物，钻孔过程中有可能成孔比较困难，或者成孔后超前大管棚难以推进，因此钻孔过程由专业地质工程师监控，钻机司机由经验丰富的操作工担任，一旦出现卡钻等现象，立刻采取分段注浆加固的措施，确保超前大管棚能顺利安装。

3.4 洞身开挖

1)隧道开挖采用“快挖、快支、快封闭”的原则，以挖掘机开挖为主，人工风镐开挖辅助配合，异常坚硬区域采取局部弱爆破，开挖方式采用三台阶预留核心土开挖法，上台阶开挖高度为4.5 m，采用控制性爆破作业。

2)超前小导管紧贴钢拱架外弧施作，且与型钢拱架焊接连接，每开挖循环施作，间距30 cm，长度3 m。

3)开挖每循环炮眼深度控制在0.8 m以内，周边眼向内移20 cm布设，仅限部分人工风镐开挖。

4)支护采用Ⅰ20a型钢拱架，拱架间距按0.75 m～0.8 m控制，拱架之间采用φ22环向连接筋焊接连接，连接筋环向间距1 m，拱架拱脚采用4根φ42锁脚锚管定位，锚管与拱架之间采用“U”形钢筋焊接连接，且锚管采用M20砂浆注浆填塞密实;拱部设L=3 m，φ25中空注浆锚杆，边墙设L=3 m，φ22砂浆锚杆，间距为1.0 m×1.0 m，梅花形布置，全环挂φ6×φ8钢筋网片(网格尺寸为20 cm×20 cm)、喷射20 cm厚C25混凝土，每循环密贴掌子面。

5)开挖结束后先初喷封闭，避免岩体风化，再进行初期支护。

6)根据实际施工情况，及时跟进下导、仰拱，同时在洞口段施作8 m～10 m二次衬砌。

4 围岩监控量测

围岩监控量测是指导施工、确保安全的重要手段之一。车赶隧道出口洞口段的监控量测项目在做好地表监测、拱顶沉降、水平收敛的基础上，将初期支护及仰坡也纳入了监控范围，同时每日安排专人对拱架连接板处进行目测观察。

5 结语

隧道洞口段是整个工程项目的进出通道，同时也是隧道施工中的主要风险控制点，如果措施不合理，支护结构软弱不足，引起的后果是空前绝后的，尤其在浅埋、软弱围岩情况下，更要引起高度重视。

车赶隧道出口洞口段采取了套拱、地表岩体加固封闭、超前大管棚、超前小导管及缩小初支拱架相结合的施工措施，确保了安全、快速进洞，同时分析一年的监控结果，洞口段围岩完全趋于稳定状态。

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