浅埋岩溶隧道下穿河流段施工技术

宋朋超，孙星亮（石家庄铁道大学，河北 石家庄　050043）

浅埋岩溶隧道下穿河流段施工技术

宋朋超，孙星亮
（石家庄铁道大学，河北 石家庄050043）

丫口寨隧道处于溶蚀洼地，埋深浅，围岩差，在下穿明河过程中易导致隧道上方土体变形量过大，影响隧道施工。针对该施工难点并结合当地实际情况，提出了河道临时改移、河道底施作防水毯与洞内采用铣挖法施工、隧道左右两侧施作旋喷桩墙+洞内超前帷幕注浆、地表注浆加固+洞内全断面超前注浆4种方法。通过综合比选最终确定采用上游修建挡水围堰+洞内超前帷幕注浆+铣挖法施工+监控量测的方法，实施效果良好。

岩溶隧道；明河；浅埋；施工方案

1　工程概况

丫口寨隧道位于安顺西—关岭站区间，为设计时速350 km客运专线双线隧道。隧道进口里程D2K845 +478，出口里程D2K849+975，全长4 497 m。隧道进口紧邻克地坝陵河特大桥昆明端桥台、出口接路基，隧道最大埋深约328 m。

丫口寨隧道通过区为岩溶地带，上部为第四系全新统坡洪积层黏土、松软土、坡残积层黏土；下伏基岩为三叠系中统关岭组三段白云岩、白云质灰岩；三叠系中统关岭组二段灰岩、泥质白云岩、白云岩夹泥岩；三叠系下统永宁镇组二段白云岩、白云质灰岩、灰岩夹泥灰岩、泥岩夹砂岩、灰岩。总体来说，围岩大多是碳酸盐等可溶性岩石，承载能力差。

隧道洞身分别穿过F1断层、燕子岩断层、丁头山背斜及麻龙宫断层。D2K845+885—D2K845+295段隧道埋深较浅，最小埋深约22 m，且下穿河流。河宽约15～20 m，深1.5～3 m，主要为上游高寨水库放水至下游灌溉用，常年有水，水量较大［1］，见图1。

2　下穿河流段施工风险

1）围岩差，埋深浅。隧址区围岩等级一般为Ⅴ级，岩性较差，隧道下穿河流段的最小埋深约为11 m，由《铁路隧道设计规范》（TB 10003—2005）规定可知，丫口寨隧道为浅埋隧道，施工时易发生隧道拱顶沉降和过大水平收敛，也易引起拱顶沉陷、露顶等工程事故。

图1　地表明河

2）河流下渗。从工程实践中可以看出，水对隧道施工的影响巨大，尤其是对岩溶隧道。围岩遇水发生化学反应，使岩体强度降低，不利于隧道的施工。

3）岩溶。对丫口寨隧道影响严重的溶蚀形式主要为溶洞和暗河［2-3］。在施工过程中容易引起突水突泥，影响正常隧道施工，威胁施工人员的安全。

4）工程爆破可能危及当地房屋安全。隧址区村民房屋大部分抗震等级不高，爆破开挖时产生的震动易引起房屋倾斜，甚至倒塌。

3　施工方案

为保证施工进度和施工人员安全，综合考虑各种因素的影响，提出了4种施工方案。

3.1河道临时改移

根据国内外相关隧道的施工经验，河道临时改移是一种普遍的做法。此次沟槽设计的长度为200 m，宽度为10 m，材料采用M10浆砌片石。

施工过程：

1）根据当地水文地质资料，了解河流的基本情况，如河流旱涝的时间。应避开汛期，选择在旱季进行施工，减少施工量，加快施工进度。

2）根据现场实际情况，测量放线；施工机械人员按照设计线进行开挖，必要时也可以进行人工开挖。开挖隧道时，避免河流堵塞，应根据实际情况，调整开挖河道的深度。

3）隧道成功下穿河流后，把改移河流重新恢复。在河流改移回原位置之前，先对原河道进行加固，采用C20混凝土铺砌，铺砌厚度50 cm，铺砌长度沿河流长100 m，宽度约为16 m。改良后的河道断面见图2。

3.2河道底施作防水毯与洞内采用铣挖法施工

防水毯（GCL）是一种新型土工合成材料。膨润土防水毯前身为膨润土防水板，从20世纪60年代开始在地下工程防水领域中得到广泛应用［4］。防水毯由经过级配的天然膨润土颗粒和相应的外加剂混合均匀而成，经特殊的工艺及设备，把膨润土颗粒固定在两层土工布之间，制成膨润土防渗毯，能适应混凝土结构伸缩变形，且具有简便宜修补、防水效果持久等优点。因此该隧道开挖也可采取此措施进行防护。

铣挖法是将铣挖机安装在液压挖掘机上，主要应用于隧道开挖以及洞室轮廓的修正、横洞开挖等，具有低震动、低噪音、适用范围广、可精确控制施工、安全性好、灵活性好等优点［5］。在对现场进行考察与调研过程中，考虑到当地居民的要求和施工对房屋的影响，可以考虑采用此施工方法。

具体施工过程：

1）先在隧道上方河流处修建一定范围的挡水围堰，为铺防水毯作准备。

2）利用机械在围堰内进行抽水，清除河底淤泥，并铺设防水毯。

3）洞内利用铣挖机对隧道进行开挖，同时注意及时出渣和及时排水。

4）拆除围堰，再循环施工，直到隧道顺利通过河流。

3.3隧道两侧施作旋喷桩墙与洞内超前帷幕注浆

此方案考虑到河底岩层中水的渗流对隧道的影响和施工空间的限制，同时也为了减小施工对环境的影响，选择了先施工隧道两侧旋喷桩，形成止水墙，再利用超前注浆小导管，对隧道周边围岩（主要是隧道上部与下部）进行注浆加固，最终在隧道周边形成止水帷幕。

施工过程：

1）根据现场实际情况测量放线，确定隧道施工范围。

2）根据施工设计要求，利用相关机械在距离隧道两侧1.5 m处布孔施工竖向旋喷桩，旋喷桩直径为600 mm，间隔400 mm，桩长30 m（结构底板下1 m），竖向旋喷桩之间进行错缝咬合，形成防水墙。利用防水墙的渗流系数远小于原装土来防止地下水的渗流，达到止水目的［6］。

3）在隧洞内，钻孔以隧道轴线为中心呈伞状分布。钻孔过程中应严格控制孔位、倾角及方位角，在注浆加固破碎围岩的同时，也可以起到止水的作用（加固圈宽度：左右约1.5 m，上下约2.5 m），见图3。旋喷桩墙和超前帷幕注浆最终效果见图4。

图3　洞内超前注浆

图4　旋喷桩墙与超前帷幕注浆最终效果

3.4地表注浆加固+洞内全断面超前注浆

此方法的原理：通过对软弱岩层进行注浆，来达到加固软弱围岩、防止河水下渗的目的。

主要施工过程：

1）修建围堰并抽水、清除淤泥，在隧道上方地表一定范围钻孔并注浆；同时也在隧道两侧5 m范围内进行注浆。

2）隧道内，利用超前注浆小导管进行全断面超前注浆，上下台阶交界处与隧道底部设排水孔，及时排出洞内的水和注浆所产生的水。

4　方案对比

1）河道临时改移。该方案适用于中等或小型河流，河宽一般不超过 16 m，造价较低，流量不超过1 800 m3/h，工期一般为2个月。但因隧道施工需要拆除相关房屋，相关施工费用较高，前期整治时间长，无防止水流下渗相关措施，前期对围岩的扰动较大。

2）河道底施作防水毯与洞内采用铣挖法施工。该方案适用于河流较宽的大型河流，河宽一般不小于16 m；工期一般为2～3个月，能有效控制河流向下渗水，防渗效果好。但对河流周边水的防渗效果弱，造价也较高；对河床平整度要求较高。

3）隧道左右两侧施作旋喷桩墙 +洞内超前帷幕注浆。该方案适用于软弱围岩如土质、砂质、泥质地层，工期为2～3个月；可以有效防止河水下渗；可加固地层，改善围岩条件。但施工成本较高；对施工技术要求也较高；地层改良的效果受深度的影响；施工难度也较大。

4）地表注浆加固 +洞内全断面超前注浆。适用于地势较平坦和易于钻孔、注浆的区域；可加固地层，改善围岩；可有效控制河水下渗。但施工费用较高；工期较长，一般为3～4个月；施工技术复杂，对施工人员技术要求较高；对施工场地和运输条件有一定的要求。

考虑现场的实际情况、施工条件等因素的影响，研究决定采用的方案为上游修建围堰+洞内超前帷幕注浆+铣挖法施工+监控量测。

主要施工流程：

1）修建挡水围堰。首先在河流的上游修建围堰，并安装抽水泵，通过长300 m，直径40 cm的排水管道抽水，然后对河床进行整治，如注浆加固、铺设防水垫层，最后拆除挡水围堰，恢复河道。

2）洞内超前帷幕注浆堵水。隧道洞内利用导管进行超前帷幕注浆，加固四周围岩。在下台阶设置排水孔，及时排水，严格按照设计进行施工，确保施工安全。注浆孔和排水孔布置见图5。

图5　注浆孔与排水孔布置（单位：cm）

3）采用铣挖法施工。因爆破施工后会对所在地区楼房产生不利影响，并且爆破也会扰动围岩，不利于施工安全。而利用铣挖机开挖在满足正常施工的同时，可以减弱对围岩的扰动。

施工方法为三台阶法，按照“新奥法”施工原理进行加固与支护［7］。上台阶开挖时，因需要预留核心土，所以先用铣挖机挖除核心土附近的岩石，由下向上、由中间向四周开挖。下台阶施工时，先开挖右侧0.6 m，再开挖左侧0.6 m，以防止围岩变形量过大。开挖过程中应及时出渣，保证交通顺畅。如果遇到难以挖除的土体，不应该用机械强制开挖，而应该机械与人配合开挖，严禁超挖。

4）加强围岩变形监控量测。在隧道施工过程中对隧道围岩动态监测，根据量测结果，调整设计支护参数或施工方法，以期达到稳定的目的［8］。根据丫口寨隧道的断面形状、围岩情况、开挖方法等因素，布置5个测点，即拱顶1个测点，上台阶与下台阶各2个测点。隧道实测变形曲线见图6。可见，隧道顶部变形最大，约为26 mm，随着时间的增加，隧道顶部下沉速率逐渐变小，在42 d左右其变形趋于稳定。此方法有效控制了围岩的变形，提高了围岩的自承能力，可确保施工的正常进行。

图6　隧道实测变形曲线

5　结语

针对丫口寨隧道实际存在的问题，如岩溶地质、浅埋、围岩差等，对4种施工方案进行了比选，最终采用上游修建围堰+洞内采用超前帷幕注浆+铣挖法施工+监控量测的方法施工，并取得了良好的效果。

［1］邢邵川.富水岩溶隧道施工技术研究［D］.北京：北京交通大学，2014.

［2］马云飞.有压岩溶大断面隧道安全性分析［D］.石家庄：石家庄铁道大学，2014.

［3］冯卫星.铁道隧道设计［M］.成都：西南交通大学出版社，1998.

［4］蔡玮，孙文龙，聂伟，等.北京地铁10号线明挖区间防水毯施工方法［J］.铁道标准设计，2008（12）：184-188.

［5］韩常领，张为民，赵永国.铣挖法在软岩隧道开挖中的应用［J］.中外公路，2008，29（4）：377-379.

［6］钱万周.深层搅拌止水帷幕在软土地层施工中的应用［J］.山西建筑，2008，34（25）：115-116.

［7］朱永全，宋玉香.隧道工程［M］.北京：中国铁道出版社，2007.

［8］密士文，龚书林.隧道监控量测的数据处理及分析［J］.中国西部科技，2010，9（1）：32-50.

（责任审编葛全红）

Construction Technology of Shallow-buried Karst Tunnel Driving Under River

SONG Pengchao，SUN Xingliang
（Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang Hebei 050043，China）

Yakouzai tunnel is a karst tunnel under a running river，a shallow-buried depth and poor surroundings causing large deformation at the tunnel top during the excavation process.Four construction programs were proposed based on the construction difficulties and local situation，including temporary river route change，waterproof carpet in river bottom and milling excavation in tunnel，jet grouting pile and advanced curtain of grouting hole in tunnel，surface grouting reinforcement and grouting inside the hole.A comprehensive construction program was proposed，composed of an innovative construction of retaining cofferdam，advanced curtain grouting，milling excavation and monitoring of construction.Its effect was good.

Karst tunnel；Running river；Shallow-buried；Construction program

U455.4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.20

1003-1995（2016）08-0083-04

2016-03-22；

2016-05-24

宋朋超（1990— ），男，硕士研究生。