分部开挖法在富水粉细砂岩地层隧道中的应用

朱 宝

（中铁十九局集团有限公司，北京 100176）

1 工程概况

胡麻岭双线隧道是兰渝铁路最后一座隧道，全长13 611 m，共设有7 个辅助坑道（6 个斜井和1 个竖井，6 号斜井设计优化时被取消）。辅助坑道平面布置如图1所示。

图1 胡麻岭隧道辅助坑道平面布置示意（单位：m）

胡麻岭隧道斜（竖）井（3 座斜井和1 座竖井）1 567.5 m和正洞3 250 m段落均处于第三系富水粉细砂岩地层中。这种地层呈粉细粒结构，泥质弱胶结，手捏即成散沙状。其物理力学指标见表1［1］。

表1 第三系富水粉细砂岩物理力学指标

2 施工情况

富水粉细砂岩渗透性低，地下水位高。刚开挖时，掌子面稳定性较好，一经开挖扰动围岩表面开始渗水并逐步软化、层层剥离，逐渐坍塌；水长时间浸润或浸泡后，掌子面附近含水率逐渐增大，围岩逐渐软化，数小时后呈流塑状，有水从掌子面或初期支护背后流出，开挖及支护困难。拱部及边墙出现较大沉降和收敛，个别段落甚至出现初期支护、二次衬砌整体沉降。在水头差的作用下开挖掌子面时常伴有渗水，局部有股状涌水、涌砂现象［2-3］。

通常软岩隧道的开挖方法有双侧壁导坑法、交叉中隔壁法（Center Cross Diagram method，CRD法）、中隔壁法（Center Diagram method，CD 法）、环形开挖预留核心土法［4-5］。胡麻岭隧道第三系富水粉细砂岩地层中施工时采用了CD 法、三台阶预留核心土法和CRD 法，但施工中面临围岩稳定性极差、断面滑塌、突水涌砂、初期支护易沉降等问题。

2.1 CD法

2013年11月—2014年9月取 DK77+394—DK77+454段作为CD 法的试验段。由于CD 法各分部断面较大，仍需将每个分部再细分为上下台阶施工，初期支护不能及时闭合，收敛大。经统计，60 m 长的试验段中较大变形段长46 m，发生突水涌砂4 次，拆换拱16 m，历时264 d，平均进度0.23 m/d，施工进度极其缓慢。CD法不能满足胡麻岭隧道施工进度要求。

2.2 三台阶预留核心土法

DK79+545—DK79+567 段采用三台阶预留核心土法开挖。2014年10月下旬由于施工扰动渗水量逐渐变大，无法形成核心土（见图2），掌子面不稳定。上台阶支护后沉降和收敛较大，最大收敛值达428 mm，最大沉降量达348 mm，造成该段上台阶右侧侵入二次衬砌限界，拆换拱22 m，3 个月无法向前施工。因此，三台阶预留核心土法不适用于胡麻岭隧道。

图2 三台阶预留核心土法无法形成核心土

2.3 CRD法

2014年3月23日在 DK76+577—DK76+601 段 采用CRD 法施工，分6 部开挖，见图3。⑥部开挖过程中有流塑状的粉细砂涌出，并伴随溜滑、片帮，同时③部和④部出现临时仰拱变形、横支撑扭曲现象。随后1 d内出现初期支护钢架响动，③部和④部临时仰拱倾斜下沉、横支撑混凝土开裂、钢架鼓起，⑤和⑥部边墙开裂掉块，6个月没有向前施工。可见，CRD 法不能有效控制涌沙引起的结构失稳，不适合在胡麻岭隧道施工中采用。

图3 CRD法横断面示意

3 分部开挖法的应用

为确保胡麻岭隧道施工安全，开挖时间不宜过长，对围岩的扰动要小，初期支护须快速闭合成环；当出现流塑或涌水、涌砂时能控制规模，不出现较大变形；支护结构要相对稳定。经研究提出了分部开挖法，将掌子面分隔为左、中、右3 个区，每个区再分为上、中、下 3 个分部，共划分出 9 个分部，如图4所示。开挖顺序为先两边后中间、由上而下。先挖两侧①～⑥部，是为了避免侧面的土壤脱落；再开挖中间的⑦部，初期支护做好后，可避免顶部土壤脱落；最后开挖⑧部和⑨部，顶部或侧壁支护先完成可避免塌陷，从而确保施工人员的安全。

图4 分部开挖法横断面示意

3.1 2种施工方法的转换

DK76+910—DK76+925 段采用 CRD 法施工。开挖扰动后围岩多呈饱和粉细砂状态，稳定性极差，突涌较严重，累计涌出固体量约30 m3。

开挖方法调整为分部开挖法，首先从掌子面到仰拱端头间已安装临时支撑段增加2道竖支撑＋挂网喷射混凝土；然后拆除原CRD 法中隔壁，向前方开挖逐步形成分部开挖法的断面，完成体系转换，如图5和图6所示。

图5 从CRD法向分部开挖法的转换

图6 分部开挖法断面

分部开挖法的优点：划分为9个分部后各分部面积变小，最先施工的①部和②部开挖面积均小于15 m2；开挖后初期支护能立即闭合成环，避免了应力集中导致的大变形。各分部的支护结构均能及时闭合成环，承受外部荷载的能力增加，坍塌的范围和规模较易控制，保证了整个初期支护结构的稳定。

3.2 主要措施

①对掌子面先进行挂网封闭，然后进行注浆加固；②拱部超前支护并注浆；③初期支护期间全环设置I25a型钢钢架并喷射C30早强混凝土；④临时支护采用I20b型钢钢架并喷射C25 混凝土；⑤拱墙背后径向回填注浆；⑥基底采用级配碎石换填；⑦衬砌采用C40钢筋混凝土。具体施工参数见表2。

表2 主要措施及其施工参数

3.3 施工组织

9部开挖和支护各分部作为1个独立的施工单元，单独进行施工组织设计。①部的1 个循环施工流程为：施作φ42超前小导管并注浆→人工开挖，喷射混凝土封闭掌子面→施作初期支护和竖向临时支护（初喷混凝土，架立临时钢架，并打设锁脚锚管）→安设横支撑闭合钢架→复喷混凝土至设计厚度→打设径向注浆管并注浆。其他各部和①部工序基本相似。

最多5个工作面同时开挖、支护，①，②部进度慢，设置4 个工班，其余各部设置3 个工班，共13 个工班，循环作业，开挖99人、支护88人，共计187人。各部以6 m 作为一个开挖支护大循环，0.5 m 作为一个开挖支护小循环组织施工。每个大循环10.5 d。其中拆除6 m 临时支护影响72 h（每次拆除3 m）、降水（洞内超前水平真空降水和深井降水）影响24 h、仰拱施工及物料上下运输影响12 h，有效开挖时间仅6 d，各部每天进尺1 m。在保证降水效果的情况下，每天可进行2个循环，月进度可达17.1 m。

胡麻岭隧道正洞3 250 m 富水粉细砂岩段中有2 475 m采用了分部开挖法，初期支护变形均在预留变形量35 cm范围内，月进度最高可达20.8 m，未出现垮塌、变形侵限等问题。

4 各种施工方法对比

对胡麻岭隧道各种施工方法进行对比，见表3。可见，4 种施工方法中分部开挖法适用于第三系富水粉细砂地层。

表3 各施工方法对比

5 结论

在胡麻岭隧道施工以前，第三系富水粉细砂岩地层在国内工程中很少见，没有成熟的开挖技术。现行TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》和Q/CR 9604—2015《高速铁路隧道工程施工技术规程》中也没有该特殊地质条件下的施工方法。胡麻岭隧道施工证明了富水粉细砂岩地层隧道采用分部开挖法切实可行。该施工方法具有以下优点：

1）将掌子面分成9 个独立的施工单元，开挖断面小，初期支护能够快速闭合成环，有利于掌子面的稳定。

2）有利于控制初期支护的沉降和收敛变形，初期支护更稳定。

3）多分部同时开挖，有利于施工组织。

4）与综合降水、局部注浆相结合，解决了第三系富水粉细砂岩地层流塑、突涌等问题。