浅埋偏压碳质泥岩隧道施工技术研究

摘要：文章结合工程实例，介绍了隧道位于洞口浅埋偏压、沟槽软弱碳质泥岩等不良地质隧道的工程实践，施工中运用了确定合理预留变形量、加强锁脚及临时仰拱（临时横撑）、洞内单层超前小导管注浆、全环钢拱架、仰拱、严格控制开挖步长、二衬紧跟掌子面等措施，解决了此类地质条件下隧道变形侵线、坍塌冒顶等技术难题。

关键词：浅埋偏压；碳质泥岩；隧道工程；隧道变形侵线；坍塌冒顶 文献标识码：A

中图分类号：U455 文章编号：1009-2374（2016）02-0101-04 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.02.050

中铁一局蒙河铁路工程指挥部施工的蒙河铁路一标隧道35.226km，占标段总长的50%。隧道地质复杂，普遍存在断层等不良地质，Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩占隧道长度的70%，其中软弱围岩地段主要是碳质板岩地质，新现1号隧道的炭质板岩地质尤为复杂，施工中防涌水突泥、防浅埋地段坍塌冒顶，加强软弱围岩施工控制，提高施工进度，是确保施工工期的关键。现笔者就蒙河铁路新现1#隧道浅埋偏压软弱围岩施工技术研究浅谈汇报如下：

1 工程概况

新现一号隧道为Ⅰ级电力牵引单线隧道，设计行车速度120km/h。起讫桩号为DK46+048～DK46+620，隧道全长572m。隧道进出口位于右偏曲线（R=1600m）上，隧道处线路纵坡为单面下坡（进口段为18‰下坡，出口段为12‰下坡），变坡点里程为DK46+450，变坡点高程为1422.55m。隧道断面内轮廓为三心圆曲边墙断面形式，断面净宽6.75m，拱顶净高7.61m，洞内铺设重型轨道碎石道床，铺设Ⅲ型枕及60kg/m钢轨，内轨顶面至道床底面高度为77cm。隧道进口采用翼墙式洞门，出口采用台阶式洞门，进出口边仰坡采用人字型骨架护坡防护。洞身采用复合式衬砌结构。隧道左侧设通信电缆槽，右侧设电力电缆槽，全隧设小避车洞16个，大避车洞兼电缆余长腔3个。

2 研究目的

通过研究，经各方的共同努力，确定合理施工方案、施工工艺参数。为以后施工同类围岩地质总结经验，积累数据。

3 研究过程

3.1 原设计地质情况

新现一号隧道设计为<33～2>灰巖夹板岩（ε1m）：灰岩为深灰色，致密隐晶结构，中薄层状，节理发育，充填有较多方解石细脉，局部有泥质灰岩；板岩成深灰色，风化后呈黄褐色，变余粉砂泥质结构及钙质结构，中薄层状，岩质较软。节理发育，岩体破碎，钻孔取芯基本呈块状，局部节理面可见炭质泥膜。

3.2 开挖揭示地质情况

新现一号隧道自2009年7月进洞开挖后，揭示地质为堆积状碳质泥岩，呈黑褐色。受构造影响，岩体及其风化破碎，土质不均，含水量不均，具“流滑性”和蠕动作用，无自稳能力，在有临空面的情况下极易产生下滑溜坍。岩体挤压破碎严重，受地下水长期浸泡作用，大部分已成土状、淤泥质土状，在局部残存的破碎岩块上可见断层擦痕。由于岩层无自稳能力，周边围岩侧压力大，致使开挖支护后的初期支护下沉及收敛变形严重。

3.3 变更设计支护参数

隧道自进洞至2010年3月，累计变更12次，均未能有效阻止初支变形，期间停工半年，经过多次专家评审，2010年10月确定如下措施：全环采用I18型钢钢架，间距0.6m，预留变形量0.3m，拱部设双层Ф42超前小导管，水平小导管长3.5m，环向间距0.3m，纵向间距1.2m，斜向45?小导管长4.5m，环向间距0.3m，纵向间距1.2m，水平小导管与斜向小导管交错布置。挂设Ф8钢筋网，网格间距0.2m×0.2m，锁脚采用Ф22砂浆锚杆，每根长4.0m，每榀4根，设在BC单元接头处。衬砌设计为V级复合式衬砌（二），采用Ф18钢筋混凝土，钢筋间距33cm，衬砌厚度0.4m。

3.4 隧道埋深情况

3.6 前期施工情况介绍

由于前期对隧道围岩认识不足，总认为围岩松散，只采取加密超前小导管进行施工，阻止拱部出现流塌现象，没有意识到隧道变形量大，上台阶掘进长度30m，中台阶25m，当进行下台阶仅施工5m后发现，初支已变形侵限，造成30m初期支护全部换拱。

由于现有的支护参数无法抵御围岩侧压力，致使围岩收敛过大，甚至有发生塌方的危险，施工人员安全得不到保证，于2010年3月停止施工，重新研究施工方案。

3.7 施工难点

综合以上施工情况，经过设计、业主、集团公司专家多次亲临现场研究以及一年多的施工经验来看，浅埋偏压碳质板岩有以下四个特点：（1）围岩为碳质板岩，遇水呈泥状，无自稳能力，且具有“流滑性”和蠕动作用；（2）在施工过程中，初支在有扰动情况下，变形量大且不收敛；（3）在工序转换工程中，受扰动，变形加剧，尤其是落D单元及仰拱开挖过程中，产生突变，极易塌方；（4）变形时间长，洞口段已施作的30m二衬左右边墙由于围岩侧压力原因，出现一条通长裂纹，裂缝最大宽度2～3mm。

4 方案制定及主要工程措施

4.1 研究时间

隧道自2010年3月停工，到2010年10月，经过专家多次会议研究，对存在的问题进行了针对性的分析，主要问题如下：（1）隧道围岩破碎，遇水成塑状，无自稳能力；（2）隧道围岩浅埋偏压且含水量大，给施工带来更大麻烦；（3）隧道变形量大，在有扰动的情况下变形加剧，变形时间长。

针对以上问题，我们采取了以下措施：（1）加强超前支护，保证开挖过程中拱顶不流塌；（2）加强锁脚锚杆施作，每个节点采用4根锁脚锚杆，并增设临时横撑，阻止围岩收敛过大，拱脚采用预制砼支垫密实，防止初支下沉量大，同时增加预留变形量，防止侵限；（3）加强监控量测，每循环进行量测工作，找出变形量大的工序，并加快该工序的施工时间，尽快成环；（4）二衬紧跟，保证洞内施工安全。

4.2 施工方案

依据设计、业主以及集团公司专家多次亲临现场研究，结合前期施工经验和围岩情况及监控量测數据，2010年12月制定以下方案组织施工。

“拱部辅单层小导管，开挖采用七步流水施工，预留核心土，仰拱及二衬紧跟，大循环成洞施工”的加固措施和施工方案。

施工中严格控制施工步序作为铁的纪律来执行。

4.3 加强措施参数

全环I18工字钢钢架，钢架间距0.5m，预留变形量增加到0.3～0.5m，拱部设Ф42小导管注浆加固，小导管长3.5m，环向间距0.2m，纵向间距1.0m，加强锁脚锚管，每个节点设4根Ф42锁脚锚管，锚管长度4.0m。全环共计16根，并增加2排工字钢横撑，分别布置在BC，CD单元接头处，工字钢纵向间距1.0m，横撑纵向采用Ф22钢筋进行连接，连接筋间距1.0m。4.4 换拱施工

2010年10月，根据方案进行换拱施工，拆换过程中必须采用“先加固，后拆除”的原则，确保在拆换工程中初支不会出现两次变形。采用“自上而下，由外向里，逐榀拆除”的施工方法，“每3～4m为一个施工大循环”，即拆换、仰拱、二衬。保证施工安全。

首先采用I18钢管横撑进行加固，加固完成后打设径向小导管注浆（环100×纵60cm）固结；其次采用风镐在原有钢架之间进行凿除，凿除一个台阶，钢架安装一个台阶，拆换后及时加设锁脚锚管及横撑，每3～4m完成后，及时进行仰拱施工，使之封闭成环，仰拱完成后二衬紧跟。2010年12月中旬换拱施工全部完成。

4.5 七步流水施工

隧道上台阶采用人工配合小型挖机的方式进行开挖，尽量减少扰动，架立钢架并喷射砼，待喷射砼有一定强度后再打设锁脚锚管，防止锚杆施工时扰动围岩出现塌方，同时在B单元拱脚加设临时横撑，再进行中台阶C单元开挖，同样在D单元开挖前，在C单元拱脚架加设临时横撑，依次进行开挖，并及时施作仰拱二衬。

4.6 研究完成情况

2010年10月开始进行换拱施工，截至2010年12月，30m侵限初支换拱全部完成，2011年1月正式进入软弱围岩施工，此时个节点里程如下：上台阶：DK46+560；中台阶：DK46+565；下台阶及仰拱二衬里程：DK46+570；二衬距掌子面步长仅10m。我们按照预定方案进行施工，2011年6月软弱围岩浅埋偏压段全部施工完毕。

5 研究成果

截至2012年3月，新线1#隧道浅埋偏压段已经全部施工完毕并顺利贯通，经过长期研究总结了以下七点：

第一，严格控制开挖步长。针对软弱变形隧道施工，工序步长控制是关键、工艺到位是保证、量测数据分析是依据，二衬施工速度决定掌子面的开挖速度：（1）上台阶步长控制在3～5m，每循环开挖1榀（0.5～0.7m）；（2）中台阶步长控制在5～8m，每循环开挖2榀（1.0～1.2m）；（3）仰拱距下台阶控制在3～5m，二衬距掌子面步长控制在25m以内（可根据二衬前隧道收敛值确定）。

第二，根据隧道的变形量测数据，确定合理的预留量，确保隧道二衬施工前不得侵入隧道二衬结构。

第三，加强锁脚及临时仰拱（临时横撑），抑制

变形。

每个节点设置4根锁脚锚管，每根长4.0m，每榀钢架共16根，并保证锚管与钢架的链接质量。

安装临时横撑时要保证接头质量，在切割临时横撑时，横撑需比净空小2～3cm，安装之前在钢架上焊接角钢架，横撑放在焊接好的角钢架上，横撑与钢架的间隙填实并焊接牢固，确保横撑受力效果。

第四，延长C单元，减小落D单元时的临空高度。

延长C单元一方面可以减少落D单元的临空高度，防止D单元开挖时临空面过高发生流塌；另一方面可以减少D单元工序时间，无论是从开挖及钢架安装工程量均有所减少，相应减少工序时间。

第五，钢架拱脚部必须落在实处（基岩或砼垫块），抑制拱架及初期支护的人为下沉降。

第六，针对软弱变形隧道，应根据实际情况，确定合理的月施工进度，不可盲目追求隧道开挖进度。

第七，软弱围岩各工序的快速施工是施工组织的基础，要做到早封闭。

软弱围岩隧道施工，其地质结构是复杂的，也是多变的，我们应不断进行总结和积累经验，为应对各种软弱围岩的施工打好基础。

参考文献

[1]中铁二局股份有限公司.土木工程施工工艺——隧道及地铁工程[M].北京：中国铁道出版社，2009.

[2]吴焕通，崔永军.隧道施工及组织管理指南[M].北京：人民交通出版社，2004.

[3]杜永昌.高速与客运专线铁路施工工艺手册[M].北京：科学技术文献出版社，2006.

作者简介：薛金海（1980-），男，河南陕县人，中国中铁航空港集团第一工程有限公司工程师，研究方向：土木工程。

（责任编辑：蒋建华）