浅埋黄土隧道下穿输油管道施工技术研究

王利民

中铁十二局集团第二工程有限公司 山西 太原 030032

1 工程概况

新建银西铁路(陕西段)田塬隧道位于陕西省彬县太峪镇至彬县泾河右岸之间，穿行于黄土梁峁沟壑区。隧道起讫里程为DK131+137DK135+330，全长4193m，最大埋深约140m，最浅埋深约3m。隧道通过地层主要有第四系上更新统风积黏质黄土、中更新统风积黏质黄土、中更新统冲积粉质黏土、粉砂、细砂、细、粗圆砾土、卵石土，下伏三叠系上统砂岩夹页岩。田塬隧道为银西铁路高风险隧道之一。

现场勘查发现，在田塬隧道出口DK135+100上方，有一条埋深约2mφ33cm的输油管道，与隧道以85°交角通过，隧道在该处属于浅埋段，隧顶埋深约为20m。隧道施工时可能引起地表下沉，连带输油管道弯曲变形乃至开裂、断裂，造成施工安全事故[1]。

2 选择施工方案

安全穿越输油管道的关键技术在于如何防止输油管道的断裂，而保证输油管道不断裂的关键技术在于隧道施工如何减小地面沉降。

输油管道产权单位建议对输油管道采取明挖悬吊保护方案，即将输油管道挖露明，在隧道开挖地面沉降影响范围外，在隧道中线左右两侧，沿输油管道两侧各打入4根钢管桩，将桩头连在一起形成门架，在门架上架设桁架梁，通过桁架梁将输油管道悬吊起来。这一方案，理论上可行，输油管道露明后脱离土体，不会随地面沉降而发生变形，即使隧道坍方了也不会影响到输油管道。但实际施做起来难度很大，两门架的间距至少达到40m(左右两门架距隧道中线各20m)，跨度40m的桁架梁工程规模是很大的。此外还得修建至少1Km的便道，在浅埋隧道顶挖出一条2m深、1m宽的壕沟，容易造成积水浸泡土体，更容易引起浅埋隧道塌方。经过可行性研究后，决定采取以洞内加强支护措施控制地面沉降，确保输油管道的安全。通过地质纵断面图纸和补勘地质资料显示，DK134+800DK135+330段550m地质情况基本一致，均为第四系上更新统风积黏质黄土，埋深均在1520m，地势相对平缓，正好利用地质条件相同段施工总结经验、调整支护参数和施工工艺，为安全穿越输油管道做准备。从DK135+200开始做试验，黄土隧道开挖引起地面沉降以隧道中线处最大，向两边逐渐衰减基本呈扁平状抛物线，影响范围基本遵循L=D+2×0.5H〔L隧道开挖引起地表沉降影响宽度、D隧道开挖净宽、H隧道埋深〕，按此经验公式计算，地表沉降影响宽度约40m,按产权单位经验“管道挠曲变形不超过0.5%，不会对管道造成任何损伤。”只要隧道中线处地面最大沉降值控制在20cm以内就是安全的，为了更安全把隧道中线处地面最大沉降值10cm，作为输油管道安全极限。

3 试验段经验总结

超前掌子面1015m的地面就开始有微小沉降，与掌子面越近地面沉降也开始加剧；拱顶下沉越大，地面下沉也越大，拱顶下沉量累计在10cm以下时地面沉降几乎为零；地面越干燥地面沉降量越小，连雨天施工地面沉降量会加大；循环进尺越短，地面沉降量越小；工序越紧凑，地面沉降量越小；仰拱越早闭合成环，地面沉降量越小；拱架锁脚越强越有利于控制地面沉降。依据上述经验总结制定了试验段段施工原则“管超前、短进尺、强支护、紧工序、快封闭、勤量测、早衬砌”。这一施工原则的贯彻落实，使得洞内累计最大拱顶沉降量控制15cm以内，地面累计最大值沉降控制在10cm以内，设定的安全目标值完全可以实现，采取洞内措施加强，是可以安全穿越输油管道的[2]。

4 具体方案及技术措施

4.1 设置地面沉降观测点

每隔5m垂直隧道中线横向布设一组地面沉降观测点，观测点以隧道中线左右对称布置，距离中线分别按0m、3m、8m、16m、26m布置，每组9个点,共设13组。测点布置见图1。为了更准确测出输油管道的变形，沉降观测点采用L=2.5m长φ42*3.5小导管从地表垂直打入设置，小导管打入时，注意避开输油管道。每组测点在距离掌子面15m时测取初始值，每天观测不少于2次，依据沉降速率或绝对值大小及时调整支护措施。

4.2 施做中管棚，进一步探明地质

拱部140°范围内设φ89*8中管棚，管棚长度L=9m，环与环搭接3m，环向间距40cm；φ89*8中管棚采用干式KG925S型螺旋钻机，沿初期支护内轮廓，以510°外插角钻孔，成孔后将加工好的中管棚顶入，采用BS25C型注浆泵采取后退式给中管棚填注水泥砂浆。在中管棚钻孔过程中要有专职地质工程师对地质情况进一步确认，如有变化要及时采取措施。

4.3 施做超前小导管

中管棚中间设φ42*3.5超前小导管，环向间距40cm，小导管长度L=3.5m，环与环搭接不小于1m；管通过上一榀纲架预留孔，采用螺旋钻干钻法成孔，插入加工成型的小导管，在小导管内后退式充填水泥砂浆。

4.4 采用三台阶预留核心土开挖法施工

图2 三台阶预留核心土开挖法施工工序

上弧导开挖台阶垂直高度380cm，预留核心土面积不小于开挖面积的1/2，台阶长度保持在3～5m，上弧导一次开挖进尺严格控制在0.5m/1榀钢架。中下导开挖垂直高度均为370cm，中下导左右两侧不仅要避开左右对挖，也要避开左右同时开挖，中台阶长度保持在3～5m，下台阶距仰拱初支距离保持在10～15m，中下导一次开挖进尺严格控制在1.0m/2榀钢架。中部土体以机械开挖为主，临近轮廓线开挖以人工为主，严格控制超挖，特别是严格控制拱脚超挖，防止因超挖造成土体松软，人为因素引起拱架下沉，针对拱脚土体松软可以采取大拱脚、大块钢垫板以及槽钢连续托梁来控制拱架下沉。为了避免初喷和锚杆施做期间引起围岩变形，采取开挖后立即架设钢架、布设钢筋网、打设锁脚锚管，随后立即进行湿喷混凝土作业的工序紧凑。从开挖到立架再到喷射混凝土一定要做到工艺精准，工序衔接紧凑，实现快速封闭，才能有效防止围岩松动变形，控制地表沉降[3]。

4.5 施做锁脚锚管

锁脚锚管是防止初支沉降变形的重要环节，每个拱脚设计采用两根L=4.0m长φ42*3.5锁脚锚管，实际施工时增加为4根。分别在拱脚接头板上30cm、100cm处，沿钢架两侧斜向下45°采用螺旋钻干钻法成孔，成孔后打入锁脚锚管，锚管内充填水泥砂浆，锚管通过φ22U型钢筋与钢架焊接牢固。

4.6 湿喷混凝土施工

初支采用35cm厚C25湿喷混凝土，严格按照规范和施组要求进行湿喷作业，为了确保钢架背后喷填密实，要将喷头倾斜一定角度先喷拱架背后，然后再喷其他部位。防止初支、特别是钢架背后脱空对控制初支变形、地面沉降尤为关键。

4.7 补打砂浆锚杆

边墙设φ22砂浆锚杆，长度L=4.0m，1.0*1.0m梅花形布置。喷射混凝土前，在对应锚杆位置预埋φ42*3.5钢管作为后续补打砂浆锚杆的预留孔，采用螺旋钻干钻法成孔，成孔后采用后退式注入C20水泥砂浆，然后插入锚杆，待砂浆强度达到设计值后上好垫板拧紧螺帽，锚杆头不得露出喷射混凝土面，最后用喷射混凝土覆盖找平。

表1 量测频率表

4.8 仰拱施工

仰拱利用自行式移动栈桥施工。仰拱上部土体以机械开挖为主，清底以人工开挖为主，严禁仰拱超挖后回填虚土，这不仅会导致初支下引起沉地面下沉，后期还会引起仰拱开裂。仰拱一次开挖长度不得超过200cm/4榀钢架。开挖后立即安装钢架布设钢筋网，尽快喷射混凝土使初支闭合成环。仰拱混凝土每6m浇筑一次，仰拱拱圈与填充采用全封闭仰拱覆模实现分层浇筑，仰拱与上导掌子面距离控制在30m之内。

4.9 二衬施工

二衬施工采用防水板铺挂台车铺挂防水层，绑扎钢筋，利用全液压衬砌台车逐窗浇注、分层振捣混凝土。为了抑制初支持续变形引起地面沉降，二衬宜紧跟，只有二衬施工完毕，才可说安全通过输油管道，二衬距掌子面控制在50m之内。

4.10 洞内监控量测

对于浅埋隧道洞内围岩和支护体系的收敛变形，特别是拱顶下沉会直接反映到地表沉降，通过洞内监控量测的信息反馈，不仅可以指导洞内施工，同时可以更好地指导控制地面沉降。洞内监控量测布点断面必须与地面沉降观测布点断面里程对应，每隔5m布设一组监控量测断面。监控量测并依据《铁路隧道监控量测技术规程》（Q/CR 9218-2015）、《铁路黄土隧道技术规范》（Q/CR9511-2014）进行。监控量测频率按表1执行[4]。

5 结束语

2017年3月9日，田塬隧道从DK35+130起按试验成功的施工方案开始穿越输油管道，2017年4月10日初期支护顺利穿过DK35+100处输油管道，2017年5月10日初期支护顺利通过DK35+070，2017年7月8日衬砌顺利通过DK35+100，至此，田塬隧道安全顺利穿越了输油管道。只有在3月20日施工至DK35+120时遇到连雨天，洞内拱顶下沉速率超警戒，采取了临时封闭掌子面暂停施工的应急预案，两天后恢复正常施工，4月23日施工至DK35+113是洞内拱顶下沉和地面沉降速率同时出现报警，采取封闭掌子面和补打大锁脚锚管后，拱顶下沉和地面沉降得到有效控制，一天后恢复正常施工。