铁路隧道跨沟谷浅埋段盖挖法施工技术研究

李建飞

(中铁二十二局集团第四工程有限公司 天津 301700)

1 引言

地下工程建设时为避免影响上覆建筑物或交通正常运行，常采取盖挖法先向下开挖一定深度，再将顶部恢复后进行内部施工[1]。由于盖挖法施工安全性高、受外界气候影响小的特点，在山岭隧道浅埋开挖时常有应用。

温志勇[2]对隧道穿越超浅埋段的施工方法进行研究，结合开挖、支护措施介绍了盖挖法在山岭隧道浅埋段中的应用；杨仲杰[3]针对穿越风景区隧道拱顶外露区段，采用盖挖法施工后的现场应用及数值计算均表明，该工法能有效降低对风景区的环境破坏并减少对山体的扰动；刘传力等[4]针对隧道出口段与V形冲沟斜交下穿及最小埋深2.47 m的工程特点，选取盖挖法施工，并运用数值模拟方法分析了隧道受力变形的变化规律，并总结了浅埋偏压段盖挖法施工要点；亓文新[5]结合莲花山2号隧道进口段施工，分析明挖、暗挖、盖挖法优缺点并进行了方案比选，较为详细地介绍了盖挖法施工关键技术；孙秋红等[6]针对某隧道超浅埋段施工，分析了该段存在的施工风险，并从经济、技术、安全和可行性等多方面对浅埋段开挖方案进行对比。

综上，目前山岭隧道建设中，盖挖法在进出洞段应用较多，浅埋洞身段应用较少，特别是穿越沟谷浅埋富水段的明洞盖挖法综合施工技术，更是少有研究报道。因此，本研究内容在山岭隧道建设领域具有重要的实际应用价值。

2 工程背景及风险分析

2.1 工程概况

安山隧道设计为单洞单线无砟铁路隧道，隧道全长1 194 m。其中DK1825+312～DK1825+357明洞段原设计为Ⅴ级围岩明挖法施工，该段最小埋深约2.5 m，见图1。隧址区地形起伏较大，自然坡度15°～40°；明洞段三面环坡，地处低洼处，线路右侧为谷底，山体有三股冲沟水汇流至该处，汇水面积大。

图1 DK1825+312～DK1825+357明洞段平面

(1)工程地质

根据地质调查及钻探揭露，DK1825+312～DK1825+357段表层为第四系坡残积层粉质黏土，硬塑，厚约0.5～6 m，沟谷处表层有薄层的角砾土，下伏基岩主要为全风化～弱风化花岗岩，其中全～强风化层厚度10～25 m。基岩内部侵入接触带，带内节理裂隙发育，岩体破碎，见图2。

图2 DK1825+312～DK1825+357明洞段纵剖面(单位：cm)

(2)水文地质

隧区内地表水主要分布于山间沟谷，水量不大，主要受大气降水补给，地下水类型主要为基岩裂隙水及风化物中的孔隙水。裂隙水主要赋存于基岩风化裂隙中，主要补给来自大气降水。4、5月份为江西地区的雨季，雨水频繁，山体汇水量大，雨水汇集后经明洞流入线路右侧谷底。

2.2 施工风险分析

DK1825+312～DK1825+357明洞段地形地质条件复杂，地表水发育。该段施工过程中可能存在以下风险:

(1)施工期正好处于雨季，明洞段地处沟谷，地表径流多，汇水面积大，土体开挖后施作护拱前若边坡加固和引流措施不到位，易导致边坡失稳。

(2)明洞段表层为粉质黏土，下伏花岗岩节理裂隙发育，风化严重，土层承载力低；加上该浅埋段洞顶埋深小，若支护强度不足或支护措施不全面，洞内施工完毕后，在地下水及地表水的作用下，易产生较大的地表沉降。

(3)对于明洞段附近的浅埋弱偏压段而言，上覆土体难以自稳，支护受力不均匀，易出现衬砌开裂、洞内大变形等施工风险；由于埋深浅，又三面环坡，塑性区向地表发展后土体变形增大，易导致地表开裂、洞内大变形等施工风险[7]。

2.3 支护设计变更

DK1825+312～DK1825+357段原设计为明挖法施工，洞内设计为Vb级复合式衬砌，台阶法开挖；洞口临时边坡为1∶1放坡，坡面采用喷锚加固，锚杆采用长4 m的φ22砂浆锚杆，间距1.5 m×1.5 m，梅花形布置；喷射混凝土采用10 cm厚C25网喷混凝土，φ8钢筋网间距采用25 cm×25 cm网格；部分边坡采用锚杆框架梁防护。

盖挖设计变更措施如下:(1)增设70 cm厚C35钢筋混凝土护拱，初支钢架设置在护拱内，拱脚采用扩大基础加大承载面积，抵抗软土变形沉降。(2)在护拱两侧设置φ89钢花管加固，间距2 m。为保证加固强度，增加开挖后洞身稳定性，加固土体的防护深度应不小于强风化岩层的深度。(3)该段开挖工法变更为三台阶临时仰拱法。(4)将部分锚杆框架梁防护取消，全部变为喷锚加固。(5)优化洞顶回填及排水措施，加强引排水能力，其余维持原设计。横断面DK1825+338处支护设计见图3。

图3 DK1825+338横断面支护设计(单位：cm)

3 优选盖挖法原因分析

明挖法一般具有施工简单、快捷、经济、安全的优点，但其受天气影响大，开挖面积大[8]；同时易造成普遍较高的边仰坡，既破坏环境又影响美观，再加上防护不及时及降水等因素影响，很可能导致边仰坡坍塌等工程病害。一般来说，除铁路隧道顶部高出地面较多的情况外，在地面不低于起拱线时，适用于明挖法施工的隧道，均可以采用盖挖法施工。盖挖法和明挖法施工对比如表1所示[9]。

表1 盖挖法和明挖法施工对比

盖挖法在本工程应用中有以下几点优势:

(1)由于盖挖法开挖基坑深度小，地层开挖暴露面积小，围岩受扰动影响较小，因此在软弱围岩条件下的施工安全性更高。

(2)盖挖施工不受季节和天气影响，一旦拱盖形成并具备一定的强度后即可在洞内掘进；在相对封闭的环境下施工，既不受天气影响，也避免了其他人为因素的干扰。

(3)通过减小盖挖法施工时临时边坡的开挖高度，可大大减少永久性征地面积，地表受开挖影响的区域也更小，减小了对原地表植被的破坏。

(4)在工程造价方面，根据现场投入概算，盖挖法较明挖法的直接费用大约增加30w，但相对于明挖法节省了工期，减少了雨季施工窝工现象，因此相对来说盖挖法更经济。

综上，结合地质、地形、地表环境及气候等条件，将DK1825+312～DK1825+357明洞段的明挖法变更为盖挖法施工更为合理。

4 关键施工措施

现场盖挖段的施工顺序:排截水处理及截水天沟施工→盖挖段护拱开挖防护→基础注浆处理施工→护拱施工→暗洞施工→回填作业。

(1)基础注浆处理

为保证加固强度，增加开挖后洞身稳定性，加固土体的宽度不小于3 m，防护深度应不小于强风化岩层的深度。为达到预期的注浆效果，在大范围注浆加固之前，选取了典型地层进行小规模注浆试验。现场注浆施工前选取DK1825+320断面进行单钻孔试验，注浆浆液为单液浆，水灰比为1∶1；浆液凝固后取芯观察，发现浆液扩散半径在1.4～2.4 m之间，扩散半径从上至下基本呈现递减趋势；5个芯样的平均28 d无侧限抗压强度为2.46 MPa，平均渗透系数处于10-8量级，基本满足预期要求。

试验段基本达到预期效果，因此可进行明洞段注浆加固:①注浆管距离耳墙外缘95 cm，纵距2 m布置；②将钢花管连续接长后装入孔内；③注浆，注浆压力初始值控制在0.2～0.5 MPa，终压2 MPa；④单孔达到设计注浆压力并稳定10 min后结束注浆，并采用M40水泥砂浆全孔封堵密实(见图4)。

(2)暗洞防排水措施

图4 钢花管注浆加固

为保证隧道后期运营安全，本次施工采取以下防排水加强措施:①隧道拱墙防水板背后环向设置凸型排水板(宽50 cm，厚1 cm)排水，纵向间距4～5 m；②环向施工缝采用中埋式橡胶止水带+背贴式橡胶止水带，仰拱及底板两道止水带之间预埋可维护性注浆管，外径20 mm；③纵向施工缝防水在先浇筑的混凝土顶面涂刷水泥基渗透结晶防水涂料两层；④变形缝处全环设置中埋式橡胶止水带+背贴式橡胶止水带，拱墙变形处衬砌外缘与防水板结合部位以聚硫密封胶封堵，衬砌内缘3 cm范围内以聚硫密封胶封堵，以外2 cm范围内设置U型镀锌钢板接水盒，其余空隙采用填缝材料填塞密实。

5 现场监测及实施效果

5.1 地表沉降监测方案

监测断面布置在DK1825+300～DK1825+360段地表，沿中线方向纵向每10 m设置一处沉降观测桩，横向两侧各15 m范围内每5 m设置一处沉降观测桩，即7个监测点，DK1825+300～DK1825+360段地表共设置49个沉降观测点。地表下沉采用水准仪加测微器观测，在沉降曲线基本水平时为止。

5.2 监测结果及分析

(1)由于监测数据较多，选取DK1825+330典型监测断面的1#～7#监测点进行沉降数据分析。其中，1#～3#监测点位于冲沟上游(线路左侧)，4#监测点位于隧顶，5#～7#监测点位于冲沟下游(见图5～图6)。

图5 DK1825+330断面4#测点沉降速率曲线

图6 DK1825+330断面地表各测点累计沉降曲线

由图5可知，隧道开挖5 d内地表土体基本处于快速沉降期，但变形速率一直在减小；11 d时沉降速率有个突变，根据施工报告推测为下雨导致的土体强度降低，引起地层变形短暂加剧；15 d以后地表沉降速率接近0，说明隧道周围土体基本稳定。

从图6可得出几点信息:①冲沟上游土体沉降普遍大于冲沟下游，表明隧道施工对较高处的坡体影响更大；②按沉降理论，隧道开挖中线的地表沉降理应最大，但实际上距线路中线5 m的3#测点沉降最大，表明注浆加固等施工措施起到了稳定地层的作用；③隧道开挖沿横向的强影响范围为冲沟上游10 m至下游5 m，其余范围地层所受施工影响较弱。

(2)单独选取隧道地表正上方的3#监测点，对监测期内DK1825+300～DK1825+360段的7个监测断面的沉降数据进行纵向变形分析。

如图7所示，各断面纵向地表变形呈峰状分布，320断面的累计沉降最小，两端的地层变形加大。一方面由于盖挖段土体软弱，加上处于雨季，监测段两端处于高坡，盖挖施工难免对坡体造成扰动；另一方面原因为320断面基本处于盖挖段中心，受两端的坡体影响最小。

图7 DK1825+300～DK1825+360各断面测点沉降曲线

6 结论

本文针对蒙华铁路安山隧道跨沟谷浅埋段盖挖法施工进行综合研究，现场实施效果良好，主要结论如下:

(1)盖挖法与明挖法各有适用范围，现场选择浅埋段工法时应综合考虑经济性、安全性、环保性等要求，特别是雨季施工或地表水较丰富时，应优先考虑盖挖法。

(2)洞外引流、隔水措施以及洞内防排水措施是重中之重，特别是洞内施工，应注意接缝等易渗漏处的防水施工，以保证隧道后期运营安全。

(3)地表注浆的主要作用是加固地层、降低地层渗透性。注浆施工时，应根据开挖范围和地层岩性合理设置注浆加固范围和深度；大范围注浆前应进行试验，保证注浆体扩散范围、强度和抗渗性。

(4)从地表变形监测分析来看，冲沟上游土体沉降普遍大于冲沟下游，且护拱两端的坡体地表沉降较中心段更大，施工过程中应注意采取相应措施进行防范。