铁路隧道软弱围岩支护及监测技术研究

孟蕾

摘要： 我国高铁建设中遇有多山地形时，常在山体中修建隧道以便列车通过。铁路隧道工程施工中建设周期长、技术难度大、安全风险高，为提升效率、减少隐患，需制订科学、合理的施工方案。京沈铁路客运专线辽宁黑山县路段采用隧道穿越山体，隧道区域分布软弱围岩且受降水影响，对施工带来较大安全隐患。结合已有工程，本文从隧道施工的开挖、支护及监测三个方面，阐述具体的施工工艺及流程，针对软弱围岩特点，采用密排小导管及管棚体系进行支护，并实时监测隧道变形，结果表明施工方案安全、可靠，为类似工程提供经验。

Abstract： When meeting mountains during the construction of high-speed railway in China， tunneling is the best choice to let the train pass through mountains. In fact， there are many problems in the construction of railway tunnels， such as long project period， high technical difficulties and many safety issues. For the purpose of efficiency and security， scientific and reasonable scheme is needed. Tunneling is chosen when constructing Beijing-Shenyang Passenger Dedicated Line， where located in Heishan County， Liaoning Province. Weak surrounding rock problems are obvious， especially with rainfall. Construction process of excavating， supporting and monitoring is provided， including piperoof-support system and real-time monitor system. The procedure and technology of supporting and monitoring can be applied to similar projects.

关键词： 隧道施工；软弱围岩；开挖支护；管棚体系；监测

Key words： tunnel construction；weak surrounding rock；excavating and supporting；piperoof-support system；monitoring

中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）06-0151-03

0 引言

我国高铁建设中，客运专线沿途不可避免要经过山地区域，由于地形的限制，需在山体中修建隧道以供列车通行[1]。由此对勘察、设计及施工阶段提出较高的要求，特别是工程建设过程对临时性支护结构考验较大，对地质及水文情况掌握不够细致、设计方案及施工组织不够详尽，导致隧道出现较大变形、衬砌剥落等问题，对隧道的高效施工带来较大安全隐患，也在长期使用中出现较多的质量问题[2-4]。因此，隧道施工时应制订科学、合理的施工方案，保证工程建设高效、有序、保质进行。

新建京沈鐵路客运专线全长697km，其中辽宁黑山县境内黑山隧道为单洞双线隧道，长440m，最大埋深38.2m，最小埋深2m，具体工程概况如图1所示。黑山隧道附近山体起伏明显、基岩裸露，地表多为粉土、粉质黏土，下部以凝灰岩、安山岩为主，其中凝灰岩具中等膨胀性，土层分布见表1。隧道区域围岩强度较低、产状破碎、风化严重、富含裂隙水，考虑降水影响，施工时可能出现应力及变形过大等问题[5-6]。本文针对黑山隧道软弱围岩施工中潜在的变形隐患，从隧道开挖、支护及监测三个方面展开讨论，并总结经验，以供工程应用参考。

1 隧道开挖

隧道开挖需按照设计图纸要求开展施工，开挖时预留一定变形量，具体根据现场围岩情况而定。

1.1 双侧壁导坑法

双侧壁导坑法施工适用于特殊围岩地段，具体如图2所示，其施工工艺为：①架立临时钢架及横撑，并布置锁脚锚杆、钢筋网，设置径向锚杆后喷射混凝土至设计厚度；②布置拱部钢架、钢筋网，设置径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度；③待支护稳定后，利用衬砌模板台车一次性灌注全部衬砌[7]。

1.2 三台阶临时横撑法

三台阶临时横撑法适用于浅埋围岩、围岩破碎地段，具体如图3所示，其施工工艺为：①开挖隧道上台阶，每次开挖作业不超过0.6m，及时安装临时钢架进行支护，遇有围岩破碎时需做边墙衬砌；②待上台阶稳定后，拆除临时钢架，左右交错开挖隧道中台阶，错开距离不超过2m，每次开挖作业不超过1.0m，单侧开挖后及时设置拱架及临时横撑；③待中台阶稳定后，进行下台阶及仰拱施工，形成整体后及时进行二次衬砌施工。

2 支护施工

支护与开挖同时施工，以减少围岩变形，防止围岩在短期内松弛剥落[8]。

2.1 超前支护

黑山隧道开挖前需做超前支护，软弱围岩区域采用密排注浆小导管加固围岩，隧道进洞前采用大管棚、进洞后采用中管棚做超前支护。大管棚施工时需设置2榀I25b型钢拱架，间距60m，拱顶覆盖间距20cm的Φ8mm钢筋网片，大管棚采用Φ108×6mm热轧无缝钢管。中管棚采用Φ70×5mm热轧无缝钢管，每环长10m，环向间距0.4m，外插角3～5°；中管棚表面钻有Φ10mm注浆孔，间距14cm，注浆选用水灰比0.5的水泥浆。小导管采用Φ42×3.5mm热轧无缝钢管，长3.5m，环向间距0.33m，纵向与钢架交错布置，外插角10～15°；小导管表面钻有Φ6mm注浆孔，间距20～30cm，注浆选用水灰比0.5的水泥浆；隧道开挖后及时施工锚喷网和钢架，并将小导管端部与钢拱架焊接形成整体。endprint

2.2 初期支护

初期支护时，围岩拱部采用Φ25mm中空锚杆，单根抗拉承载力不小于180kN，边墙采用Φ22mm砂浆锚杆，砂浆强度等级不低于M20，锚杆端部均设置160×160×16mm钢垫板。支护施工流程为：①钻孔由凿岩机钻至设计深度，清除孔内及锚杆中杂物，安装锚杆、垫板及止浆塞；②注浆采用水灰比为0.45～0.5的水泥浆或M20水泥砂浆，长度由设计规定确定，由注浆泵向锚杆内连续注浆。

为增强锚杆的整体性，需将锚杆端部与钢架焊接。钢架由工厂预制，按设计图纸放样根据工艺要求预留加工余量，焊接时由钢架两边对称焊接以防变形过大。为保证钢架与地基可靠连接，开挖时在钢架撑脚部位预留0.15～0.2m基岩，并预先埋设定位钢筋以保证安装准确，定位钢筋锚固长度0.5～1m；钢架采用16mm厚钢板连接，上、中、下台阶各单元连接板采用4个螺栓连接，仰拱与下台阶连接钢板采用8个螺栓连接，同時将钢架与锚杆焊接在一起，并沿钢架设Φ22mm纵向连接钢筋以增强其整体性。

2.3 二次衬砌施工

隧道采用复合式二次衬砌，采用全断面衬砌模板台车施工，混凝土运至隧道内后采用泵送方式浇筑二次衬砌。当隧道断面收敛变化速率小于0.2mm/天、拱顶下沉速率小于0.15mm/天时，围岩变形较稳定后可开始二次衬砌作业。衬砌混凝土每次施工长度9～12m，先浇筑边墙后浇筑拱顶混凝土，由下向上对称浇筑，每次浇筑混凝土应预留斜面，斜面宽度为200～300mm，混凝土终凝2h后进行洒水养护，养护时间不少于14d。

3 监测方法

监测工作需与开挖、支护作业同时进行，监测项目应根据工程特点、规模及设计要求确定，主要有地表沉降、拱顶及轨道下沉、隧道净空变化等[9]。

3.1 测点布置

浅埋隧道地表沉降测点应在隧道开挖前布设，拱顶下沉测点设置在拱顶轴线附近，隧道跨度较大时应增设测点，地表沉降测点和隧道内测点应布置在同一断面上[10]，具体如图4所示。测点需安装牢固、易于识别，监测基点需埋设在稳定的基岩上。监测频率及相对变形允许值见表2。

3.2 监测结果

隧道开挖时对断面收敛变化及拱顶下沉进行了监测，监测结果见图5。可以看出，断面收敛变化及拱顶下沉的趋势近似于对数曲线，随着隧道逐渐开挖，其变形逐渐稳定[11-12]，在监测范围内均满足安全施工要求。

4 结论

新建京沈铁路客运专线穿越辽宁黑山时采用单洞双线隧道，由于围岩松散破碎且受降水影响较大，故对施工期间支护结构的安全性能要求较高，施工时应避免出现裂缝而影响结构安全及运营安全。结合已有工程，本文从隧道开挖、支护及监测三个方面阐述了隧道施工的具体方案及工艺，并对隧道变形进行了监测，结果表明该施工方案是安全可靠的，为类似工程应用提供了参考。

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