渝万铁路客运专线浅埋隧道施工技术

王明慧，朱永波

(1.渝万铁路有限责任公司，重庆 400014;2.铁科院(北京)工程咨询有限公司，北京 100081)

1 工程概况

渝万铁路客运专线在长寿至梁平段地势较平，该地段围岩多为红色的泥质砂岩及泥质页岩，遇水易软化，多为Ⅴ级围岩。隧道属剥蚀丘陵地貌，斜坡基岩大部分裸露。该地段隧道长度较短，埋深在17～35 m，隧道埋深浅，围岩自稳性差，尤其遇水时存在安全风险，所以加强超前地质预报及监控量测，以围岩状况及围岩变形数据来预测掌子面围岩的稳定性，隧道基本参数见表1。

表1 长寿至梁平段隧道

在开挖支护过程中增加临时仰拱，软弱地段及洞口段采用大管棚，掌子面开挖采用超前小导管，确保锚杆体系及钢拱架质量也成为隧道施工安全保证的前提。确保仰拱及衬砌的及时跟进，使隧道及时封闭成环，同时加强洞顶及洞内的排水，亦可确保隧道施工正常进行。

2 浅埋隧道施工

2.1 超前地质预报

渝万铁路客运专线超前地质预报采用地质勘察、中距综合物理探测和φ75超前钻孔等方法，综合应用，相互印证，增加判断的准确性。根据现场开挖具体情况，对全线进行地质分析，记录不同工程地质、水文地质条件下隧道围岩稳定性、支护方式以及初期支护后的变形情况;在地质分析的基础上采用地震波反射法超前地质预报系统或同等性能的仪器全线探测，每次探测距离不小于100 m，而且两次探测间应重复10～20 m;遇到围岩变化处和地质异常带采用地质雷达进行短距离超前地质预报，在异常带前方10 m掌子面中上部超前水平钻孔2～3个进行验证，钻孔深度应超过异常带不少于10 m，在施工时，每施作5孔两倍循环距离进行加深炮孔探测。

2.1.1 施工中地质勘察

洞内地质素描主要内容为:①地层岩性，描述地层年代、岩性、层间结合程度、风化程度等。②地质构造，描述褶皱、断层、节理裂隙特征、岩层产状等。断层的位置、产状、性质、破碎带的宽度、物质成分、含水情况以及与隧道的关系，节理裂隙的组数、产状、间距、填充、延伸长度、张开度及节理面特征、力学性质、分析组合特征、判断岩体完整程度。③有害气体及放射性等特殊地质危害存在的情况，煤层、含石膏层、膨胀岩等各项具体参数。④人为坑道及油压溶，描述位置、规模、形态特征及所属地层的构造部位，充填物成分、状态，以及与隧道的空间关系。⑤地下水的分布、出露形态及围岩的透水性、水量、水压、水温、颜色、泥沙含量测定，以及地下水活动对围岩稳定的影响，必要时长期观测出水点及其与地层岩性、地质构造、岩溶、暗河等的关系。⑥水质与岩样分析，判定地下结构材料的侵蚀性。⑦记录不同工程地质条件、水文地质条件下隧道围岩稳定性，支护方式及初期支护后的变形情况。⑧隧道开挖面地质素描，地质预报人员对隧道开挖面的地质状况作如实的调查和编录，采集必要的数据，具体包括开挖面地层、岩性、构造节理发育程度及开挖面渗水、水的来源流量等。对受构造影响程度、围岩稳定状态等进行编录。地质素描方法和预报成果见表2。

表2 地质素描方法和预报成果

2.1.2 物探法(TSP)

TSP203超前地质预报系统利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性预报隧道掘进面前方及周围邻近区域地质状况，TSP方法属于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在设计的震源点(通常在隧道的左或右边墙，大约24个炮点)用少量炸药激发产生，当地震波遇到岩石波阻抗差异界面(如断层、破碎带和岩性变化界面等)时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收，数据通过TSPwin软件处理，就可以了解隧道工作面前方不良地质体的性质(软弱带、破碎带、断层、含水等)、位置及规模。

TSP203超前地质预报每次可探测100～350 m，为提高预报准确度和精度，采取重叠式预报，每开挖100～150 m预报一次，重叠部分≥20 m，每次探测结果与开挖揭示情况对比分析。

2.1.3 φ75超前钻孔

地质物探法:采用单孔水平取岩芯钻探法，超前探测20～30 m，验证中近距离物探超前探测的异常地段。每25 m一循环，每孔长30 m，根据地质条件确定是否取芯。

对于岩溶、人工坑道影响范围，施行各方向的钻孔应作为查明其特征的必须措施。

2.2 初支加强

2.2.1 增加临时仰拱

1)上台阶开挖后设置临时仰拱以减小隧道断面的收敛及沉降，临时仰拱间距不大于2榀钢架的间距，上台阶开挖后即初喷混凝土，铺设钢筋网，架立临时仰拱钢架并复喷混凝土至设计厚度。

2)临时仰拱在主体结构的初期支护施工完毕并稳定后拆除，拆除前后应加强拱顶下沉量及周围变形量的观测，每次拆除长度不应大于10 m。

2.2.2 洞口采用大管棚

洞口大管棚采用热轧无缝钢管，外径108 mm，壁厚6 mm;在拱部144°范围设置;环向间距40 cm;外插角1°～3°为宜，可根据实际情况作调整;注浆采用水泥浆、水泥砂浆;当围岩破碎、地下水发育时，可部分采用水泥—水玻璃双液浆，要求浆液强度等级不小于M10;大管棚每环施作长度30～50 m不等。

2.2.3 超前小导管

超前小导管配合型钢钢架使用，应用于隧道Ⅴ级围岩拱部超前注浆预支护，其纵向搭接长度不小于1 m。超前小导管采用热轧无缝钢管，壁厚3.5 mm，单根长4 m环向间距0.4 m，纵向间距2.4 m;外插角1°～3°，可根据实际情况调整;注浆材料采用M20水泥浆或水泥砂浆;在拱部135°范围设置。

2.2.4 锚杆体系及钢拱架

本线隧道采用φ22砂浆锚杆和φ25中空注浆锚杆，锚杆均设置垫板。

隧道初期支护钢筋网采用φ8的HRB335钢筋，网格尺寸为20 cm×20 cm，全断面布设钢架支护由8个单元组成，可根据实际情况调整单元长度。钢架间距0.6 m，型钢钢架主要由工字钢弯制而成，隧道Ⅴ级围岩采用型钢拱架。本线隧道设计为全断面支护。隧道各部开挖完成初喷混凝土后，分单元及时安装钢架，采用定位锚杆、径向锚杆以及双侧锁脚锚杆固定，纵向采用φ22钢筋连接，钢架之间铺挂钢筋网，然后复喷混凝土到设计厚度。

2.3 监控量测

进行监控量测，可以保证施工安全及结构的长期稳定，验证支护结构效果，确认和调整支护参数和施工方法，确定二次衬砌施作时间，监控工程对周围环境影响，为信息化设计与施工提供依据。根据围岩条件、隧道工程规模、支护类型和施工方法等来选择测试项目。现场监控量测项目分为必测项目和选测项目两大类。

2.3.1 监控量测内容(见表3)

监测项目、测试方法和仪表等监控量测内容见表3。

表3 监控量测内容

2.3.2 监控量测基准

1)浅埋隧道地表沉降测点在隧道开挖前布设。地表沉降测点和隧道内测点布置在同一断面里程。一般条件下，地表沉降测点纵向间距按下表的要求布置。地表沉降观测每个断面布设7个点，中心线上1个点，每侧各3个，横向间距为2～5 m。在隧道中线附近测点适当加密，隧道中线两侧量测范围不应小于Ho+B，地表有控制性建(构)筑物时，量测范围应适当加宽，见表4。

表4 地表沉降测点纵向间距

2)测量方法采用精密水准测量方法。基点和附近水准点联测取得初始高程。观测时各项限差应严格控制在规定额度之内，对不在水准路线上的观测点，1个测站不宜超过3个，超过时应重读后视点读数，以作核对。首次观测应对测点进行连续3次观测，3次高程之差应小于±0.5 mm，取平均值作为初始值。

3)地表沉降采用二级水准测量进行量测。

4)数据分析与处理。地表沉降测量随施工进度进行，根据开挖部位、步骤及时监测，并将各沉降测点沉降值绘制成沉降变化曲线图、沉降变化速度、加速度曲线图，并根据沉降变化曲线图和沉降速率来判断沉降变化趋势，必要时采用回归计算来推测沉降终值。

2.3.2.1 拱顶下沉量测

①拱顶下沉测点和净空变化测点布置在同一断面上。由于隧道全部为Ⅴ级围岩，监控量测断面间距10 m。拱顶下沉测点原则上设置在拱顶轴线附近。当隧道跨度较大时，结合施工方法在拱部增设测点。②量测及计算方法:量测方法为由洞外基准点起测量洞内相对基准点高程，再由洞内相对基准点起测量拱顶下沉预埋件高程，通过计算前、后两次拱顶下沉预埋件高程的变化值即可算得拱顶下沉值。这里的计算与地表略有不同，因为尺子是倒挂的。③根据变形值绘制沉降—时间曲线图和变形—开挖距离的曲线变化图，在隧道横断面图上按不同的施工阶段、以一定的比例把变形值点画在分布位置上，并以连线的形式将各点连接起来，成为隧道支护变形分布形态图。并与设计值进行比较，验证设计结构形式的合理性，为施工安全提供可靠的依据。

2.3.2.2 净空变化量测

①净空变化测点和拱顶下沉测点布置在同一断面上。隧道全部为Ⅴ级围岩，监控量测断面间距10 m。净空变化量测线数见表5。②量测及计算方法:通过测量两个预埋件的距离，为了减小误差，每次应测3次取平均值为本次测量结果，计算前、后两次所测距离的差值即为该测点在这一段时间内净空收敛值，其累计值即为该测点的净空收敛值。③根据变形值绘制收敛—时间曲线图和收敛—开挖距离的曲线变化图。

表5 净空变化量测线数

2.3.3 监控量测频率

监控量测频率由两个方面决定，分别为位移速度和距开挖面的距离。原则上采用较高的频率值。出现异常情况或不良地质时，应增大监控量测频率，监控量测频率见表6。各项量测作业均应持续到变形基本稳定(水平收敛速度＜0.2 mm/d，拱顶下沉速度＜0.15 mm/d，围岩基本达到稳定)后2～3周结束。对于膨胀性和挤压性围岩，位移长期没有减缓趋势时，应适当延长量测时间。

表6 监控量测频率表(隧道开挖宽度B=14.32 m)

2.3.4 极限相对位移及监控量测控制基准

监控量测控制基准包括隧道内位移、地表沉降等，根据地质条件、隧道施工安全性、隧道结构的长期稳定性，以及周围建(构)筑物特点和重要性等因素制定。

1)极限相对位移(见表7)

表7 极限相对位移

2)监控量测控制基准

①当位移变化速度，净空变化速度持续＞5.0 mm/d时，表明围岩处于急剧变化状态，应加强初期支护系统;当水平收敛(拱脚附近)速度＜0.2 mm/d，拱部下沉速度＜0.15 mm/d时，表明围岩基本达到稳定。②根据围岩回归位移时态曲线的形态，当围岩位移速度不断下降时表示围岩趋于稳定状态，当位移速度保持不变时表示围岩不稳定，当位移速度不断上升时，围岩进入危险状态，必须立即停止掘进，加强支护。③位移控制基准见表8。④根据监控量测结果按变形管理等级指导施工。

表8 位移控制基准

2.4 仰拱及二衬及时跟进

为保证尽早封闭成环，施工中应尽早修筑仰拱，以利于支护结构的整体受力。仰拱施工采取分段间隔作业，仰拱浇筑前清除浮渣，排除积水，两侧衔接部位捣固密实。

二次衬砌一般在围岩变形基本稳定后施作，且应满足安全步距要求，即二衬距掌子面距离不得大于70 m。

3 效果分析

渝万铁路客运专线5座隧道采用上述施工技术，均取得了良好效果。

1)甘家湾隧道:于2013年5月1日开工，2013年8月30日贯通，期间地表沉降最大值为26.8 mm，变形速率最大为4.7 mm/d，拱顶沉降及洞内收敛值均小于规定报警值。

2)向家湾隧道:于2013年4月1日开工，2013年12月8日贯通。二衬已施作完毕，隧道处于安全状态。期间围岩收敛速率曾达到5.8 mm/d，超过5.0 mm/d的警戒值，经查为施工单位未按时施作临时仰拱所致。为此要求施工单位立即施作临时仰拱并及时观测地表沉降，经观测，直至洞通，未发现沉降及收敛总量及速率超标。

3)沙坡一号隧道:于2013年6月12日开工，11月22日后方20 m K152+433处收敛速率达到6.612 mm/d，超出警戒值。经分析后确定:仰拱初支未及时跟进，掌子面至仰拱安全步距过大所致，于是要求掌子面封闭，及时跟进仰拱初支。随后该点观测值趋于稳定。

4)罗家湾隧道:于2013年7月施工完洞口大管棚后，严格按照设计要求施工并进行监控量测，各种监控数据均未超标，隧道安全贯通。

5)马桑湾隧道:于2013年7月31日开挖进洞，进洞后停工2个月，至12月中旬进洞45 m，此时洞口段地表沉降最大值为42 mm，洞内最大收敛值为23.735 mm，收敛速率未超标，因而可以说围岩处于稳定状态。

4 结语

1)超前地质预报可以详细掌握掌子面前方的地质状况，为施工措施的可行性打下基础，避免盲目施工带来的安全风险。

2)超前大管棚作为浅埋隧道洞口段支护加强措施起着至关重要的作用，因浅埋隧道进出洞施工为风险最高阶段，加强了洞口段防护，等于为全隧道安全开挖打下基础。

3)临时仰拱的施作是预防浅埋隧道围岩变形超标的重要措施，尤其是在洞口段及富水段，增加临时仰拱可以减小下台阶及仰拱开挖时的收敛变形，从而大大降低隧道因变形过大而坍塌的风险。

4)监控量测是隧道安全施工的眼睛及守护神，因浅埋隧道上覆土层小，自稳能力差，且为砂质泥岩或泥质页岩，遇水后易软化，强度大幅降低，因而及时进行监控量测，及时发现围岩状况变化，可以为隧道开挖安全增加一道保险。

5)仰拱及二衬紧跟可以确保隧道尽早封闭成环，使隧道支护与岩体共同受力，尽早形成永久受力结构。

［1］雷春洁.超前支护在浅埋及软弱围岩隧道施工中的应用［J］.铁道建筑，2009(5):37-39.

［2］中国路桥工程有限责任公司.甘家湾、向家湾隧道施工技术方案及监控量测方案［R］.北京:中国路桥工程有限责任公司，2013.

［3］中交第二航务工程局有限公司.罗家湾隧道、马桑湾隧道及沙坡一号隧道施工技术方案及监控量测方案［R］.重庆:中交第二航务工程局有限公司，2013.

［4］铁道部基本建设总局.铁路隧道新奥法指南［M］.北京:中国铁道出版社，1988.