浅埋暗挖隧洞下穿居民区安全施工技术

赵琦彦

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 引言

中部引黄工程作为山西大水网总体构架“两纵十横”中第四横的延伸，涉及4市17县（市、区）。工程建成后，可新增灌溉面积10万hm2，不仅能缓解沿线工业供水、农业灌溉和生态供水紧缺的矛盾，而且为一大批大型项目的落地奠定了坚实基础，同时对改善山西省水资源紧缺状况和应对山西中部发生特大旱情具有重要意义。

山西中部引黄工程施工13标段位于吕梁市方山县境内的大武镇，属山西中部引黄工程总干3号隧洞末端，工程主要内容有总干3号隧洞149+735.10—165+029段（总长15294m）及37~40号施工支洞。

浅埋暗挖隧洞施工将不可避免地扰动地层，造成上覆建构筑物沉降、倾斜、甚至产生裂缝，影响结构物的安全和正常使用。该段隧洞施工中需要近距离下穿居民区，施工中一方面要保证隧洞围岩及支护结构的安全性，另一方面要保证既有密集建构筑物群的正常使用。结合山西中部引黄工程施工13标下穿地表复杂居民区的工程实践，分析了施工中遇到的主要技术难题，并提出相应的工程对策。

2 工程概况及技术难点

2.1 工程与水文地质情况

本段隧洞的地质条件主要为卵石层，埋深浅，洞身穿过的地层岩性为第三系上新统卵石混合土层，洞底以下卵石层厚0～30m，围岩坚固系数0.5。围岩工程地质为Ⅴ类，围岩极不稳定，不能自稳，变形破坏严重，地下水位位于洞顶以上。隧道开挖时存在涌水突泥问题。

2.2 周边环境调查

受隧洞施工影响的房屋统计如下：K159+550处线路左侧150m处有窑洞9孔；K159+830处有窑洞27间，平房4间，在线路左侧130m处；K159+920—K160+146中间有窑洞52间，平房8间，在线路左侧110~150m处；K160+226—K160+422处右侧20m范围内有平房40间，楼房21间，20~50m范围内有平房62间，楼房28间，50~150m范围内有平房178间，楼房15间。150m范围以外有平房152间，楼房32间。左侧20m范围内有平房78间，楼房21间，20~50m范围内有平房128间，楼房31间，50~150m范围内有平房215间，楼房42间。150m范围以外有平房480间，楼房71间。总计受隧洞施工影响的房屋有窑洞88孔，平房1345间，楼房261间，共1694孔（间）。

2.3 施工难点

一是由于该工程下穿保安村段，涉及民房范围较大，埋深仅30～40m，应避免对洞顶范围内民房产生扰动，以防危及村民生命财产安全，隧洞施工采取机械开挖，存在开挖效率低、成本高、工期得不到保证等施工风险。

二是由于开挖机械采用电动设备，加之施工过程中配置了一些辅助的施工机械，按目前电力配置根本无法满足要求，因此需要采取高压进洞方式予以解决，费用较高。

三是经对比相关施工图纸资料，本段地质均为卵砾石土，中间夹杂少量孤石，不能自稳，变形破坏严重，地下水位位于洞顶以上，开挖过程中存在涌水突泥问题。

四是桩号160+139处下穿吕林支线铁路保安村大桥，隧道右边线距离桥墩边线2m，隧洞顶部距离桥桩基底部仅8m，施工中存在巨大安全隐患，因此，需对线路进行调整及加固，以确保安全通过。

五是本段埋深浅，地质差，围岩不能自稳，因此隧洞在初期支护完成后存在沉降收敛、大变形等风险。

3 施工对策

经现场实地勘察并结合设计地质勘测、地质物探等资料，对总干3号隧洞159+911—160+562分段制定了相应的施工措施。

3.1 优化开挖方法

由于本段地质为卵砾石土，埋深浅，并且下穿保安村、G209国道、铁路桥、北川河，为确保施工安全，对围岩采取分台阶、机械配合人工开挖。隧洞159+911—160+129段设计为Ⅴ类围岩，采用马蹄形断面支护。隧洞159+911为石灰岩夹黏土，且爆破对保安村暂无太大影响，暂按城门洞形施工。待围岩变差或爆破对保安村产生影响时，再调整为马蹄形断面施工。开挖过程中采用机械分台阶开挖，采取相应的加强支护方式。机械开挖时采用140挖掘机，挖掘机宽度2.6m，管棚钻机高度3m，混凝土罐车高度3m，装载机高度3m。设备最大宽度2.6m，高度3m，单侧枕木侵占0.15m，单侧安全距离0.3m，合计宽度3.5m。

3.2 设置超前支护

拱部135°范围内采用直径89 mm的管棚注浆超前支护，环向间距40 cm（根据围岩情况，可适当调整环向间距），每环长度12~20m；管棚施工前，施做管棚工作室，长度4m。拱部采用直径42 mm的超前小导管预支护，环向间距40 cm，单根长度3m。对局部富水段采取拱墙直径42 mm的超前小导管注浆及径向补灌。

3.3 加强支护结构

根据实际情况，将该段分为159+911—160+129，160+129—160+562两段加强支护。

初期支护完成后及时施工衬砌混凝土，混凝土标号为C25。掌子面与二衬之间距离控制在70m以内，底部仰拱距离掌子面控制在35m以内。必要时掌子面与二衬施工要保持同步进行，以确保施工安全。施工衬砌混凝土时，将底部弧形部分采用C20混凝土进行回填处理。

由于隧洞施工完成后存在整体下沉风险，根据实际情况对隧洞底部软基进行C20混凝土换填处理，以满足承载力要求，确保隧洞不会发生整体下沉、开裂。

初期支护采用I18钢拱架，拱架间距0.8～1.0m；直径25 mm的连接钢筋，环向间距0.5m；直径8 mm的钢筋网片，网格间距15 cm×15 cm；C20喷射混凝土，厚度25 cm。

二次衬砌C25钢筋混凝土施工，厚度40 cm。

3.4 加强监控量测

支护完成后及时进行监控量测，为后续施工提供科学依据。根据现场量测数据绘制各测点位移数据与时间的关系曲线，各测试项目的位移速率明显收敛，围岩基本稳定后进行二次衬砌作业。

判别围岩稳定的现象及指标如下：初支完成后无混凝土喷层开裂和掉块现象。

水平收敛（拱脚及拱腰附近）速度小于0.2 mm/d，拱顶下沉速度小于0.15 mm/d，围岩基本达到稳定。如果支护完成后围岩变形一直不稳定，净空变化速度持续大于5.0 mm/d，围岩处于急剧变形状态，应加强初期支护，及时分析原因，同时向设计单位反馈信息，以便及时修正施工或设计参数。

4 效果分析

从监控量测结果来看，采用调整后施工方案及支护参数后围岩基本稳定，属可控范围，现场监控量测得到的总干3号隧洞161+080—160+110段围岩最大变形值见表1。

表1 隧洞下穿段围岩变形量测结果

5 结论

工程应用效果表明，该施工方案保证了施工安全性、经济性和高效性，为解决深埋软弱围岩隧道的施工提供了一种针对性强、效率高的施工方法。