高铁隧道浅埋段小管棚结合地表反压回填的施工技术

彭学军

（中铁五局集团第一工程有限责任公司，湖南 长沙 410017）

1 工程概况

杨家湾隧道进口端位于湖南省怀化市石羊哨乡杨家湾村，为时速350km单洞双线隧道，隧道全长1116m，洞内设单面8.5‰下坡，最大埋深约80.31m。项目部承建长度为637m的施工任务。该隧道区属沅麻红层盆地，为丘陵地貌，地势起伏较大，丘间多有狭长沟谷，多呈“V”或“U”字型。山坡自然坡度一般为14～50°，局部较陡峻；沟谷内多发育溪流，沟底出露基岩，丘坡表层覆盖有全新统粉质黏土，植被茂密，沿沟谷局部分布农田及村庄。隧道岩性以泥质粉砂岩、粉砂岩、泥质砂岩及泥质等软硬岩互层，以泥质粉砂岩为主；预测该隧道正常涌水量为314.7m3/d，最大涌水量为472.14m3/d。

2 隧道地质环境

2.1 地质岩性

隧址区地层主要为第四系（Q）、白垩系上统第二岩组（K2）。第四系残坡积层（Qel+dl）分布于沿线的丘坡表层，主要为粉质黏土，局部夹碎石，局部含铁锰结核，一般厚度为0.3～1.3m。隧址区穿过白垩系红层地层，岩性主要为泥质粉砂岩、粉砂岩、泥质砂岩及泥质等软硬岩互层，以泥质粉砂岩为主，强～弱风化，中厚层状，节理裂隙发育，岩体破碎，锤击即碎，属软质岩。

2.2 地质构造

该隧道区位于沅麻红层盆地，经历了漫长多期的地质演变，未见明显的地质构造发育。

2.3 水文地质条件

（1）地表水特征。隧道区地表水主要为沟谷江水及溪流水，不发育，以大气降水及基岩裂隙水补给为主；沟谷中多有溪流发育，但流量不丰富。（2）地下水特征。地下水为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水，较发育。该段地表水，地下水无化学侵蚀作用。第四系孔隙潜水以潜水形式赋存于基岩第四系松散孔隙中，受大气降水补给，含水不均一；岩裂隙水主要赋存于基岩的风化裂隙中，岩体受风化影响而破碎，透水性较强，含水较均一。（3）水文地质分析。该隧道埋深为0～81.64m，受风化作用影响，节理裂隙较发育，岩体较破碎，节理裂隙发育带附近有一定的透水性。主要可能涌水部位分布在节理裂除发育、沟谷溪流发育等地段，当隧道开挖至富水区后易产生小规模的静态水突水释放，对施工造成一定程度的影响。

3 小管棚加固机理

小管棚注浆技术是管棚支护技术和小导管注浆技术的综合体。首先将无缝钢管制作的管棚与型钢拱架焊接在一起，隧道开挖后该结构起到良好的支撑作用；然后通过无缝钢进行注浆，使开挖导致的松散土层凝结形成整体，提高隧道顶部围岩的整体性和自承能力。小管棚加固的原理主要总结为三个部分：（1）支撑效应；（2）注浆加固效应；（3）承载效应[1-5]。

4 施工实例

4.1 地表反压回填

根据设计图纸，该隧道浅埋段施工长度为50m，埋深为2～4m，隧道洞顶地表为松软土质覆盖层，且需下穿通过一条乡村水泥道路。为确保施工安全，保障乡村道路的通行，顺利渡过该浅埋段，需对隧道暗挖前先进行地表反压回填，再施工暗洞开挖，同时对乡村道路进行改线设计。隧道浅埋段平面图如图1所示。（1）地表反压回填厚度按拱顶开挖线以上≥6m的厚度进行填筑。（2）回填材料采用水泥掺量为10%的水泥土进行回填，回填前清理地表植被和浮土。回填土密实度≥0.9，粒径≤15cm，并不得含有石块、碎砖、灰渣及有机杂物，也不得采用带有膨胀性的黏土。回填施工应均匀进行，并分层夯实，人工夯实每层厚度不得＞0.25m，机械夯实每层厚度不得＞0.3m。（3）因隧道浅埋段洞顶位于山体冲沟处，且山坡较陡，雨季时受雨水的冲刷大，为防止雨水冲刷，在反压回填后，回填区外既有水沟10m范围内采用M10浆砌片石铺砌，厚度为35cm，坡率为2%，以便与拱顶水沟相接，利于雨水汇集。隧道浅埋段纵断面如图2所示。（4）回填时，隧道中心线洞顶地表左侧部分按1∶10坡度与自然地表顺接，隧道中心线右侧8m范围内按1∶5坡度回填，隧道中心线右侧8m范围外按1∶2坡度与自然地表顺接，并设骨架护坡防护。隧道浅埋段横断面如图3所示。

4.2 小管棚注浆施工

图1 隧道浅埋段平面图（单位：m）

图2 隧道浅埋段纵断面图（单位：cm）

图3 隧道浅埋段横断面图（单位：cm）

待地表反压回填处理完毕后方可进行隧道暗挖工作。经过优化设计，隧道开挖采用三台阶开挖法，同时选用小管棚注浆法对泥质粉砂岩进行预加固处理。（1）注浆小管棚采用φ50mm×5m的无缝钢管，管头加工成尖锥形；管身钻注浆孔，孔径为10mm，孔距15cm，尾部预留＞30cm长度作为预留止浆段，呈梅花形布置，具体形式如图4所示。（2）小管棚前段插入围岩，后端与型钢钢架进行焊接连接。注浆导管为双层间隔布置，底层角度为15～20°，顶层角度为5～10°；注浆管长3m，采用φ50mm钢管，布设间距为1.5m×1.0m；中下台阶小管棚的外插角为15～20°，布设间距为0.5m×1.5m。（3）用粘有CS胶泥的麻丝绳绕成不小于钻孔直径的纺锥形柱塞，把管子插入孔内，再顶入要求的深度，使麻丝柱塞与孔壁充分挤压密实，然后在麻丝与孔口空余部分填充CS塑胶泥，使注浆管和止浆塞固定。（4）为防止冒浆，在注射浆液前喷C20混凝土结合钢筋网封闭掌子面阻止浆液外冒。（5）注浆。①通过试验检测岩层的吸水性，同时检查注浆管路情况和止浆塞。②注浆遵循先稀后浓原则。首先用清水清洗注浆管路，然后注单液浆，慢慢提升注浆压力至2.0～2.5MPa，如果遇到局部冒浆情况，及时采用双液浆进行封堵。单液浆水灰比以及双液浆水泥水玻璃比值可根据现场施工实际情况进行调整。③采用分级压法进行注浆，压力逐渐升高直到规定压力。

图4 φ50mm钢管构造示意图（单位：mm）

5 注意事项

（1）该隧道浅埋段的地表发育水沟，施工应避开雨季，先施工截水天沟，利用截水天沟将雨水引至自然沟下游。（2）截水天沟设置位置距回填线≥5m，截水天沟与地表水沟两端顺接。（3）反压回填暗挖施工段应避免爆破施工，以人工配合机械开挖为原则，确需爆破施工时应采用控制爆破，振动速度≤2cm/s，以防回填段坍塌。（4）小管棚纵向搭接长度必须满足设计与规范要求，与型钢钢架焊接牢固，确保支护的安全和稳定。（5）每环小管棚的外插角偏差＜5°。（6）做好围岩沉降、收敛观测记录，观测围岩变化情况。

6 结束语

（1）该隧道浅埋段施工采用小管棚注浆结合地表反压回填法，关键是以管棚为骨架通过注浆加固一定范围内的岩土层，加之地表反压回填后采用浆砌片石进行铺砌，组成洞内外联合防护体系，形成具有较强承载能力的改良加固带，有效解决了隧道开挖后引起的冒顶、坍塌等地质灾害。（2）小管棚施工虽然作业循环次数多，加固范围较小，但与大管棚相比，具有机动灵活、材料简单、操作方便、机具简易等优点，且很快形成超前支护体系，效果显著。