浅埋砂质新黄土隧道下穿国道进洞技术研究

郭 明 黄树彬

（1.中铁十七局集团有限公司 山西太原 030006；2.中铁十七局集团第二工程有限公司 陕西西安 710043）

1 引言

进洞施工是隧道施工的难点，洞口的安全稳定是保证隧道正常施工的先决条件。隧道进洞普遍存在围岩差、浅埋、偏压等不良地质，以及易受邻近既有道路或其他建筑物等的环境限制，进洞安全问题往往发生在开挖和初支过程中，特别是成环前，因此控制初支成环前的变形问题，是研究隧道进洞技术的关键。通常情况下，进洞采用大管棚超前支护、分部开挖工法（CD法、CRD法、双侧壁导坑法等），施工效率低，多次扰动围岩、风险大，洞口易出现大变形、塌方等问题［1-3］。本工程采用双层长管棚预支护、加强拱脚控制沉降措施，配合微台阶工艺等进洞技术，顺利完成了蒙华铁路武家坡隧道进洞施工，该技术具有安全性高、速度快等优点［4］。

2 工程概况

蒙华铁路武家坡隧道位于陕西省靖边县，全长2 672 m，为单洞双线隧道，洞口开挖断面109 m2，最大埋深169 m。隧道进口地质为第四系上更新统砂质新黄土，黄褐色，稍密，稍湿，呈松散状，垂直节理发育，具湿陷性，易溜塌，稳定性较差。洞口自然坡度65°左右，坡面有少量植被覆盖。

隧道进口下穿307国道，与线路交角60°，国道边缘距洞口23 m，最小埋深约35 m。307国道为沥青路面，路面宽度8 m，土路肩，车流量较大，重型车辆多。洞口段围岩差，埋深浅，隧道进洞困难，施工安全风险较大。

3 结构检算

施工前，根据设计支护参数、地形地貌、隧道埋深、围岩地质特征、施工工法建立模型，对隧道整体结构和初支强度、隧道沉降变形、国道稳定性进行计算分析，明确隧道支护结构的安全性、受力薄弱环节，以及变形控制标准，以便在施工过程有针对性地采取相应措施，保证进洞安全和国道稳定［5］。

3.1 隧道进洞支护结构检算

采用Flac3D有限差分软件进行分析，模型横向长100 m、高100 m，纵向长40 m，隧道埋深40 m，见图1。围岩和初期支护采用实体单元模拟，参数根据地质勘察情况选取［6-8］，见表 1～表2。隧道开挖方式采用三台阶预留核心土法。

图1 隧道数值计算模型

表1 砂质新黄土物理力学参数

表2 初期支护物理力学参数

由图2围岩塑性区云图可以看出，开挖后围岩的塑性区主要分布在拱腰边墙及拱脚处。由于施作了管棚，拱顶处围岩未进入塑性区。同时塑性区没有贯通，表明该隧道整体稳定。

图2 围岩塑性区云图

图3 初期支护最大拉应力云图

从图3初期支护最大拉应力云图可以看出，最大拉应力出现在拱顶处，值为0.74 MPa，小于混凝土的抗拉强度。

图4 初期支护最大压应力云图

从图4初期支护最大压应力云图可以看出，最大压应力出现在拱腰处，值为6.57 MPa，拱脚处最大压应力也较大，值为5.64 MPa，都小于混凝土的抗压强度，可以看出初期支护处于安全状态。

从数值建模计算分析可以看出，隧道结构稳定，支护安全，拱腰、拱脚处为受力薄弱处，施工中需加强控制。

3.2 隧道及国道变形检算

从图5拱顶沉降变化曲线可以看出，上台阶开挖后拱顶沉降为1 mm，中台阶开挖时拱顶沉降增长至3.3 mm，下台阶开挖时拱顶沉降为5.8 mm。随着掌子面向前推进，拱顶沉降缓慢增长至最大值，最终沉降为10.7 mm。

图5 拱顶沉降变化曲线

图6 净空收敛变化曲线

从图6净空收敛变化曲线可以看出，净空收敛的变化规律与拱顶沉降相同，随着隧道的开挖净空收敛缓慢增大，最终上台阶收敛稳定在4.5 mm，中台阶稳定在10.7 mm。

图7 国道路面沉降变化曲线

从图7国道路面沉降变化曲线看，随着隧道的开挖，路面沉降线性增大，当隧道完全通过时路面最大沉降5.3 mm。

通过对拱顶沉降、净空收敛、路面沉降建模分析，确定监控量测方案，实施过程中及时对数据进行分析，保证洞内、路面施工安全［9］。

4 隧道进洞工艺措施及控制技术

按照新奥法施工原理，遵循早进晚出的施工原则，进洞施工按照先施工洞口防护，再施工导向墙和长管棚，最后进行洞内掘进的总体顺序进行。

导向墙采用人工开挖，木模板，泵车浇筑混凝土。双层长管棚使用TTHD-100型水平定向管棚钻机，跟管作业法施工，钢筋笼分段安装，在孔口焊接接长，注浆管与钢筋笼同步安装。采用后退式注浆工艺。管棚内水泥浆液达到设计强度后，进行洞口开挖，采用三台阶预留核心土工法、微台阶施工工艺［10］。

4.1 长管棚施工工艺及精度控制

管棚采用φ159 mm（t＝7 mm）热轧无缝钢管，长度86.75 m，一次施作，环向间距40 cm，内层33根，外层36根，倾角 0°～3°。钢管远端施工误差：径向≤20 cm、环向≤5 cm。钢管采用内套丝扣接头连接工艺，同一断面内接头数不超过总管数的50%。管内注水泥浆，水灰比0.5∶1～2∶1，注浆压力 0.5～2.0 MPa［11］。

4.1.1 双层长管棚施工工艺流程

施工工艺流程见图8。

图8 双层长管棚施工工艺流程

4.1.2 导向墙及导向管精确定位

导向墙拱部120°范围设置，采用C20混凝土，截面尺寸为1 m×1 m，内层两榀 18、外层两榀 16型钢，导向管为1 m长φ180无缝钢管，固定在钢架上。导向墙采用人工明挖法施工，两端基础进行加固处理，防止沉降。导向管采用全站仪准确定位，并固定牢固。

4.1.3 精准导向钻孔工艺

钻孔遵循“先上部后下部，先易后难”的原则，按照“先拱顶后拱腰”的顺序，上下孔位错开，梅花形两侧对称施工。钻机台架采用可升降平台，便于行走起降，方便精准调节角度及方位。钻孔采用定位导向仪进行监控，根据设定好的钻孔轨迹，输入导向仪自动控制。钻孔参数通过试验确定。钻头采用可变钻进方向导向钻头，可灵活调整轨迹，保证每个孔位钻进深度、角度。由于管棚段为砂质新黄土，且长度较长，容易塌孔，成孔后管棚安装困难。钻进时采用全孔跟管作业法，边钻进边装管，管棚安装与成孔同步完成。

4.1.4 钢筋笼接长安装

成孔后采用高压风清孔，在钢管内安装钢筋笼，端头焊接楔形钢板尖头，保证钢筋笼顺利穿入。钢筋笼分段送入安装，孔口焊接接长。安装后封闭管口，并设置排气孔、注浆孔及止浆阀。

4.1.5 注浆工艺

注浆从孔底开始，采用后退式注浆工艺，注浆配合钻孔进行，成孔1根注浆1根。采用1∶1纯水泥浆，注浆终压根据试验确定，并持压10～15 min，且注浆量达到设计量的95%时，可结束注浆。

4.2 初期支护及变形控制

按新奥法原理，洞口段采用曲墙带仰拱的复合式衬砌结构，由初期支护、防水隔离层与二次衬砌组成。初期支护采用喷锚结构，C25喷射混凝土厚30 cm，22钢架间距60 cm，φ8 mm钢筋网片，间距20 cm。拱部150°范围内设置φ42 mm（t＝3.5 mm）超前密排小导管，长3.5 m，环向间距20 cm，每两榀施作1环。

对钢架采用以下五项措施，以控制初支成环前的沉降变形：一是增加锁脚数量和长度，每节点处采用4根锁脚锚管，长度为6 m；二是中、下台阶采用φ76 mm（t＝5 mm）锁脚锚管；三是钢架采用大拱脚形式；四是增强钢架底部的稳定性，在上、中台阶钢架底部采用轻型硬质楔形垫块临时支垫，在下台阶拱脚处钢架底部设置槽钢支垫；五是采用混凝土湿喷工艺，使用大型湿喷机械手，具有速度快、混凝土密实度好、早期强度高、提高钢架与混凝土整体性的优点。

4.3 采用微台阶工艺“早成环”

采用三台阶预留核心土法，减少台阶一次开挖高度，采用微台阶工艺，短进尺，早成环，保证初支稳定和安全。根据武家坡隧道设计断面确定台阶参数为：上台阶高3.07 m、长3～5 m，进尺1榀；中台阶高3.58 m、长6～8 m，左右侧对称开挖，进尺2榀；下台阶及仰拱开挖高5.0 m，进尺2榀，左右侧对称开挖，仰拱初期支护与下台阶同步施工，及时封闭成环。喷射混凝土完成后清除坡道洞渣，继续下一循环施工。待洞口形成1倍洞径的封闭环后再进行掌子面掘进［12］。微台阶开挖工法工艺流程见图9。

图9 微台阶开挖工法工艺流程

5 监控量测

监控量测采用观察和测量相结合的方法。观察主要对地表开裂、边坡松动、洞内初支渗滴水、洞内初支混凝土开裂等现象进行观察和记录；测量采用全站仪重点对地表观测点的沉降和位移、洞内拱顶沉降点和水平收敛点的变形进行测量和记录。

观测点设置：洞内按5 m间距设置监控量测断面，在国道下方40 m段落按间距3 m设置。洞内设置拱顶沉降观测点1个，上、中台阶设置水平收敛线2条（4个点）。地表于洞口仰坡每隔5 m设置1个观测断面，与洞内观测断面在同一位置。国道两侧各设置1个观测断面。

据实测数据分析，洞口段沉降变形可控，安全、质量得到保证。洞口段稳定后最大累计沉降值为16.3 mm（DK256＋680），最大周边收敛值为12.1 mm（DK256＋691），日拱顶沉降平均值约0.9 mm，收敛值约为0.2 mm。国道侧沉降观测点累计最大沉降值为7.8 mm。洞内外及国道均无开裂现象。

6 结束语

武家坡隧道进口采用长管棚超前支护，结合三台阶预留核心土工艺、微台阶工法，成功完成了下穿307国道进洞施工，经测算比常规施工方法提前19 d，降低成本近20万元。

（1）长管棚超前支护、加强拱脚措施、微台阶及时成环工法等隧道组合进洞方案，具有技术性强、进度快、较经济等优点，对控制隧道沉降变形效果明显，是一种较为新颖的进洞方法。

（2）拱脚支垫、大拱脚等系列加强拱脚控制措施，在隧道初支成环前，对有效控制隧道沉降变形具有重要作用。拱脚支垫方法简单、作用明显、性价比高，对于软弱围岩隧道应推广。

（3）微台阶工法能够缩短隧道初支封闭成环时间，在隧道安全和控制沉降变形方面起重要作用。

同时，施工过程中也发现了一些问题，需进一步研究改进，如φ76 mm锁脚锚管打设难度大、时间长，施工机械对周边软弱围岩扰动较大，增加了溜塌、掉块现象；大拱脚在安装时，在拱脚处围岩向外扩挖较多，现场多采用人工或风镐作业，施工时间长，同时发生砂质新黄土掉块现象。