黄土不良地质下铁路隧道的开挖及支护

李秋芳

(中铁十八局集团第二工程有限公司，河北 唐山 064000)

0 引言

黄土不良地质具有湿陷特性，正常的铁路隧道施工方法，难以保障施工质量及安全性。开挖和支护结构的合理设计是黄土铁路隧道设计的关键环节，要求对其结构设计和力学特性有充分的认识和了解。鉴于此，施工单位需要切实做好地质勘探工作，并立足黄土不良地质的特点，选择合适的开挖方法，同时加强支护，保证黄土不良地质施工段的施工任务能够顺利完成。因而，开展黄土不良地质下铁路隧道的开挖及支护的分析研究，具有一定的意义。

1 工程概述

本工程隧道进口(DK292+002)～(DK292+130)段128 m和出口(DK292+940)～(DK293+139.98)段199.98 m穿越地层岩性为第4系上更新统风积(Q3eol)砂质新黄土，具有湿陷性。根据临近工点车新庄大桥资料，湿陷系数δs=0.016～0.030，为Ⅰ级(轻微)非自重湿陷性场地。根据钻孔13-SND-687(DK292+450) 土壤含盐量分析报告结果，环境土不具侵蚀性。

2 超前地质预报

由于本工程施工中穿越了黄土不良地质，地质条件比较复杂，需针对不同段落里程采取与之相适的超前地质预报方法，才能保证超前地质预报的准确性，为后期铁路隧道开挖和支护提供必要的参考和指导。例如：本工程(DK292+002)～(DK292+276)段，长度为274 m，地质条件复杂程度中等，采用掌子面素描和地质调查就能满足要求；而(DK292+276)～(DK292+955)段，长度为679 m，地质条件更加复杂，采用掌子面素描、加深炮孔、TSP、地质调查等相互结合的方法，才能有效保证超前地质预报的准确性。

3 黄土不良地质下铁路隧道开挖要点

3.1 洞口开挖

在洞口开挖之前，需要通过测量放线，确定洞口开挖的边线，明确开挖范围，结合超前地质预报选择开挖方法。本工程洞口开挖时选择了从上到下分层明挖的方法。其中洞口表层土比较松软，为提升施工效率，拟采用机械开挖的方法。在硬质岩和机械开挖难度大的区域，采取松动爆破开挖方法，尤其是土方和风化软岩边仰坡上需要预留出二次开挖层，选择人工和机械设备相互联合的方法进行开挖，石方可预留出二次光面爆破层，以保证洞口边坡和仰坡的平顺性及稳定性，为后期进洞施工营造良好的环境。

3.2 洞内开挖

三台阶大拱脚临时仰拱法适用于双线隧道Ⅴ级围岩黄土不良地质施工中，具体的施工工序为：①先利用上一循环架设的钢架施作隧道超前支护，开挖上部台阶(含大拱脚)；②施作上台阶支护(含大拱脚)，同时施作临时仰拱，开挖中台阶(含大拱脚)；③施作中台阶两侧初期支护(含大拱脚)，开挖下台阶；④施作下台阶两侧初期支护，开挖仰拱。仰拱开挖结束之后及时跟进初期支护，进行仰拱填充，做好测量结果分析。初期支护完成收敛之后，利用衬砌模板台车一次性灌注二次衬砌。

三台阶法适用于双线隧道Ⅳ级围岩地段施工中，在黄土不良地质开挖中需要预留出核心土，具体的施工工序为：①利用上一循环架设的钢架来施作铁路隧道超前支护，开挖上台阶；②施作上台阶初期支护，进行中台阶开挖；③施作隧道两侧的初期支护，开挖下台阶；④施作下台阶两侧初期支护，开挖仰拱，填充仰拱，做好量测结果分析，完成初期支护收敛之后，采用衬砌模板台车进行一次性灌注二次衬砌施工[1]。本工程隧道围岩等级及开挖方法见表1。

表1 隧道围岩等级及开挖方法

3.3 爆破开挖

案例工程施工的部分地段穿越了砂岩、泥岩等，硬度较大，机械和人工开挖效率低，因而采用了钻眼爆破开挖方法。通过测量放线，确定铁路隧道开挖轮廓线、周边眼、掏槽眼、辅助眼等，充分利用隧道开挖断面量测系统测量数据，按照超前地质预报确定的地质条件调整爆破参数，以保证爆破效果。严格控制周边眼的装药量，并保证炸药能够沿着孔深均匀布置。在本工程爆破开挖中，装药结构选择了不耦合装药结构，其装药系数为1.4～2.0，选择2#岩石乳化炸药，采用塑料导爆管复式起爆网络电起爆[2]。

4 黄土不良地质下铁路隧道支护施工要点

4.1 洞口支护

临时开挖的仰坡和明暗洞分界位置采用喷锚方法进行支护。隧道洞口大管棚支护结构示意图如图1所示。

图1 隧道洞口大管棚支护结构示意图(单位：m)

锚杆的规格为：Ф22 mm砂浆锚杆，L=4.0 m，@1.5 m×1.5 m，锚杆布置呈梅花形，并喷射15 cm厚的C25混凝土；钢筋网的规格为：Ф8 mm，网格25 cm×25 cm。铁路隧道进口处的永久仰坡支护采取框架锚杆支护的方法，其余洞口永久边仰坡采用骨架防护。

4.2 内部支护

隧道内部初期支护采用湿喷混凝土工艺，利用锁脚锚管进行内部支护，隧道内部支护选Ф76 mm锁脚锚管，每处2根，t=5 mm，L=6.0 m。混凝土在隧道外面集中拌和好之后运输到初期支护现场进行湿喷。隧道开挖结束之后及时跟进初期支护，先喷射4 cm厚的混凝土以封闭岩面，再打设锚杆、架设钢架、挂钢筋网，对初喷岩面进行全面清理，再复喷到设计厚度。

4.2.1湿喷混凝土

选择型号为HPS3016S型混凝土喷射台车进行施工，加大对混凝土质量的控制力度，在具体喷射时，控制喷头到隧道岩面之间的距离为5～10 m，喷头呈S型，保证前后2圈喷射的混凝土相互搭接1/3[3]。如果需要喷射的混凝土厚度超过5 cm，需要分2次喷射，第2次喷射需要在第1次喷射终凝1 h后再进行，喷射完成终凝2 h后及时养护，养护时间不能低于7 d。

4.2.2打设锚杆

初凝之后达到一定强度，及时开展放样测量，确定锚杆打设的位置，用手持YT-28风钻进行钻孔施工，所选择的钻头直径，要略大于锚杆的直径。钻孔达到设计深度之后，及时清孔，将锚杆插入钻孔中，安装止浆塞，保证锚杆插入的长度不小于设计长度的95%，且位于钻孔中心位置。在外露的锚杆头上接上注浆嘴，利用注浆罐、注浆管进行注浆施工，控制注浆压力在0.4 MPa以内，待孔有浆液溢出时停止注浆。在锚杆注浆时，水泥砂浆要随时使用，随时制备，在初凝之前要全部使用完。

4.2.3钢筋网施工

通过多功能作业台架安装预制好的钢筋网片，焊接成一个整体。钢筋网与锚杆及其他固定装置相互连接，形成一个稳定的整体。钢筋网铺设之后进行第2次混凝土喷射，在喷射时需要减小喷头到喷面的距离，合理调整喷射角度，促使混凝土能够挤入到钢筋背后，以保证混凝土能够包裹钢筋网[4]。

4.2.4格栅钢架安装

格栅钢架安装是铁路隧道支护的最后一步，也是较关键的一步，在安装之前需要清除脚下的虚碴和杂物，以保证钢架底脚能够牢固的立在基础上，钢架间距误差控制在±5 cm，垂直度误差控制在±2°。格栅钢架基脚部位需要留出0.15～0.2 m的原始地基，进行人工开挖，以免发生超挖和欠挖问题，以保证施工质量[5]。

4.2.5拱架支护

隧道黄土地段拱架需设置锚管，其规格型号、长度及根数必须符合设计要求，即规格型号为Φ42 mm，t=5 mm热轧无缝钢管，每根长4.0 m(土石交界地段规格型号Φ76 mm，t=5 mm热轧无缝钢管，每根长6.0 m)，每个拱脚部位设置2根，每榀拱架设计4根。施工中若有必要，可按现场情况增加锚管个数，确保拱架加固牢靠。拱架制作完成后，及时施工锁脚锚管，钻孔前先标出其位置，在拱脚上方30 cm处，呈30°进行钻孔，钻孔深度需超过95%锚管锚固长度，且超长值控制在10 cm内。采用Φ42 mm、壁厚5 mm热轧无缝钢管，安装时用凿岩机直接将钢管打入孔中。用L型卡筋焊接固定。

4.3 量测监控

为保证施工的安全和质量，需要加强量测监控。对本工程而言，量测监控的内容包括：对Ⅳ和Ⅴ级围岩段开展洞内外观察、净空变化、拱顶下沉监控量测。其中，Ⅳ级围岩段量测断面间距为10 m，Ⅴ级围岩段量测断面间距为5 m。

在整个量测监控中，需要严格控制基准，以保证施工的质量和安全性。控制基准是一项比较复杂的工作，需要结合隧道工程所在区域的地质条件、施工安全性、长期稳定性、重要性等进行合理确定。在本工程量测监控中，控制基准包括地表沉降、隧道内部位移、爆破振动等[6-10]。其中，位移控制基准依据测点距开挖面的长度确定。位移控制基准见表2。

表2 位移控制基准

地表沉降控制基准按照周围建筑物的安全要求和地层稳定性分别确定，并取最小值。在二次衬砌测量监控中，隧道拱顶垂直位移速度及水平净空变化速度明显降低，隧道位移相对值已经达到总相对位移量的90%以上。

5 结束语

采用工程实例结合理论实践的方法，分析了黄土不良地质下铁路隧道的开挖及支护。黄土不良地质条件复杂，影响施工质量和安全的因素比较多。为保证施工质量，需要分别对洞口和洞身采取不同的开挖方法和支护方法，需要结合超前地质预报选择多种方法联合使用，以最大限度上保证施工质量。