双线铁路隧道穿越超浅埋段扣拱施工技术研究

刘小果

(中铁十四局集团第二工程有限公司 山东泰安 271000)

1 引言

自2008年8月1日中国第一条具有完全自主知识产权、世界水平的时速350 km高速铁路京津城际铁路通车运营以来，中国高速铁路飞速发展，至2018年3月5日，中国高铁运营里程已达25 000 km，占世界高铁运营里程的三分之二。随着高速铁路建设的发展，山区铁路隧道正大幅增加，复杂环境下的施工的隧道越来越多[1]，受自然地理环境和工程造价等因素限制[2]，不可避免地会穿越各种不良地质和特殊地形地貌，如隧道穿越溶洞、暗河、滑坡体、堆积体、断层破碎带等特殊地质，或出现长距离偏压和浅埋、超浅埋等特殊地形地貌。一般情况下，隧道穿越浅埋、超浅埋段易采用加强超前支护的措施以暗洞形式通过，也有一些工程项目受工期和安全风险影响采用明挖形式以明洞通过，但山区铁路隧道采用明挖扣轨暗挖施工的案例并不多。纵观既有报道的资料，国内学者对浅埋隧道的施工技术研究较多[3-5]，对城市地铁车站和城市地铁施工采用扣拱工艺的研究也有报道[6-9]，但鲜有山岭隧道明挖扣拱暗挖施工[10]方面的技术研究。

2 工程概况

新建张吉怀铁路岩屋冲二号隧道位于湖南省怀化市鹤城区，隧道全长883 m，起讫里程为DK223+999～DK224+882。隧道纵坡设置人字坡，其中，DK223+999～DK224+850段为7.5‰的下坡，DK224+850～DK224+882段为3‰的下坡，隧道埋深4.34～95.66 m，Ⅳ级围岩270 m、Ⅴ级围岩613 m。

正洞DK224+287～DK224+307段为超浅埋地段，其中DK224+290～DK224+295段埋深最浅，现场实测埋深仅为0.3 m。该段地表为稻田，且有水流经过。隧道洞身为中～强风化泥质粉砂岩，层厚约0.7～2.0 m，岩体节理裂隙发育，破碎严重。

原设计采用反压回填处理，再进行暗挖施工。由于本段位于沟谷之内，汇水面积较大，易受水流冲刷，为防止雨水冲刷，在反压回填后上铺一层35 cm厚M10浆砌片石，处理完成后，方允许进行暗挖施工。

3 工程背景分析

岩屋冲二号隧道全部为Ⅳ、Ⅴ级围岩，其中Ⅴ级占比高达69.4%，且为Vb、Vc支护类型，22型钢钢架，钢架间距为0.5 m和0.6 m。采取从进口端独头掘进施工，正常情况下月均进尺50 m。从当前的围岩状况和进度情况来看，该隧道工期压力较大。DK224+287～DK224+307段若反压回填后，再进行暗洞施工，施工进度必然延缓，隧道贯通工期势必进一步滞后。同时该浅埋段靠近既有便道，且施工至该段落正好处于旱季，具备进行扣拱施作、提前施工的条件。

4 超浅埋段施工技术

充分利用旱季，在地表施作引水管，横跨隧道，将沟谷内汇水通过管道引至隧道下游的自然水沟内；明挖隧道轮廓，从洞外施作初支；同时，选取合适位置，施作导向墙分别向两侧打设超前长管棚；待暗洞到达该段时，可直接开挖安全通过；安全通过后，再对地表进行铺砌处理。

4.1 地表排水沟施工

在DK224+287～DK224+307段施工以前，首先要对地表的排水进行处理。根据前期降水过程观察发现，在丰水期该汇水沟水量最大约0.8 m3/h，在枯水期最大水流量为0.2 m3/h。为确保隧道施工过程不受地表水影响，提前在沟上游人工砌筑一个拦水坝，沿着两侧山体平缓位置布设φ400 mm塑料排水管道跨越隧道，将沟谷汇水引流至隧道下游，具体布置见图1。其中，拦水坝长度为19 m，最高高度为0.8 m，断面呈V型与两侧山体连接；隧道小里程侧排水管(从DK224+282处跨越隧道)长度为40 m，大里程侧引水管(从DK224+307处跨越隧道)长度为46 m。

图1 地表排水沟布置平面图

4.2 扣拱施工

经过现场实地勘察，选择在埋深小于1.0 m的段落采用明挖法扣拱施工，明暗交界位置施作长管棚，分别向两侧设置，确保明暗交界段暗洞安全、快速施工。

4.2.1 施工管棚

根据现场实测断面，在DK224+290及DK224+304处埋深已达到1.0 m。在扣拱段施工以前，提前在DK224+290及DK224+304里程处施作依托3榀初支钢架，分别向小里程、大里程打设φ89长管棚，中间的钢架内轮廓适当增大，确保管棚的外插角控制在1°～3°范围内，如图2所示。

图2 长管棚依托钢架施工示意

施工管棚的主要参数为：钢花管注浆孔孔径10～16 mm，呈梅花形布置，由外径89 mm、壁厚5 mm的热轧无缝钢管加工；管棚长度为10.0 m；布置在拱部140°范围内，环向间距为40 cm，共计45根；注浆液采用水泥浆液，水灰比为1∶1(重量比)，注浆压力为0.5～2.0 MPa。管棚打设并注浆完成后，在管内灌注M10水泥砂浆，并保证密实，以增强管棚强度。

4.2.2 施工扣拱

在DK224+290～DK224+304段，采用明挖扣拱施工初期支护，待隧道正洞衬砌完成后，利用小型机械进行地表回填，并施作引水浆砌片石。

该段落内地表为台阶状稻田，下部为强风化粉砂岩，采用挖掘机辅以弱爆开挖施工。开挖至隧道上台阶，开挖完成后，对边坡采用挂网喷锚，喷锚厚度为10 cm，再施工隧道初期支护。开挖深度为3.8～5.0 m，放坡开挖，坡度为1/2～1/1，根据现场实际地质情况进行调整，如图3所示。

图3 DK224+290开挖断面示意

图4 纵向连接筋加密布置示意

4.3 施工暗洞

暗洞施工至此处时，上台阶已施工完成，中、下台阶开挖循环进尺控制在1.0 m(2榀钢架间距)。仰拱开挖过程，按照每循环进尺3.0 m施工仰拱初支钢架。

施工过程中，注意及时施工仰拱初支，确保仰拱初支封闭成环位置距离掌子面不大于35 m。

4.4 地表回填

待DK224+290～DK224+304段初期支护封闭成环后，对上台阶两侧拱脚位置进行第一次回填，回填至拱顶平齐位置，防止拱顶积水渗入隧道，对初支结构造成破坏。

待DK224+270～DK224+328段衬砌施工完成后，对地表进行回填处理，并施作永久排水结构，具体为水泥掺量10%的水泥土进行回填；回填厚度按拱顶开挖线以上不小于6.0 m，在拱顶2.0 m厚度范围内，采用人工夯填，每层厚度不大于0.25 m，回填密实度不小于0.9，其余可采用机械回填；回填后上铺一层35 cm厚的M10浆砌片石，防止雨水冲刷。

4.5 施作效果监测分析[11]

施工过程中，工程技术人员严格按照铁路隧道监控量测技术规程要求布点、监测。经过监控量测数据分析，周边收敛和拱顶沉降最大值均出现在DK224+285断面，分别为58.4 mm和93 mm，小于预留变形的250 mm，可以满足设计衬砌厚度要求，如图5、图6所示。

图5 DK224+285断面收敛变化趋势

图6 DK224+285断面拱顶沉降变化趋势

5 施工控制要点

(1)浅埋段明挖施工需避开雨季，减小沟谷汇水对施工过程的干扰。

(2)施工过程中，要加强监控量测[12]工作，在地表和洞内做好测点布设和过程保护工作，按规定频率做好检测，发现异常情况，及时反馈。

(3)施工扣拱过程中，要加强锁脚锚管的施工控制。同时初支拱脚必须坐落在坚实的基础上，如果存在超挖现象，必须采用混凝土块垫实，防止因拱架下沉导致初支结构破坏。

(4)地表回填过程，严禁大型机械横穿隧道。注意地表回填与既有地形顺接，隧道中心线左侧按1∶10坡度与自然地表顺接；隧道中心线右侧8 m内按1∶5坡度回填；隧道中线右侧8 m范围外按1∶2坡度自然地表顺接，并设骨架护坡防护。

(5)开挖完成后，及时封闭成环，确保隧道安全距离。

6 结束语

浅埋段施工的关键是在安全和保证质量的前提下，加快隧道的施工进度。如何避免明暗交界处的垮塌、扣拱段沉降及回填过程主体结构安全需要重点关注，并采取加强措施。本工程采取了在明暗交界处施作大管棚、在拱脚处加强锁脚措施及缩短掌子面循环进尺并及时初支封闭成环、在衬砌完成后分次回填且机械配合人工夯实等措施，保证了浅埋段的施工安全。

该隧道浅埋段已完全顺利通过，相比较于反压回填暗洞施工，节约工期20 d，可为类似工程施工提供经验借鉴。