市域铁路矿山法隧道超浅埋段施工工法

0 引言

目前，由于隧道工程水文条件、地质构造特点、地层岩性构成等地质条件的不确定性、不可预见性，在既有工艺流程基本成型的情况下我国隧道工程施工过程中时有安全事故依然发生，尤其在遇到特殊地质、地貌时，没有可参照的施工经验，故拟通过对本工程浅埋段施工的研究形成本工法，以供同类工程借鉴。

由江苏中车城市发展有限公司承建的台州市域铁路S1线一期工程羊头山隧道S1DK1+915～S1DK1+975为浅埋段（总长60m），围岩由强风化凝灰岩构成，围岩等级较低，原设计该段地表地貌为剥蚀低丘坳谷，表层覆盖层为粉质黏土夹碎石，梅雨季节地表水分部密集，因相邻工程施工过程中将原地貌破坏，导致实际现场埋置深度不足3m。针对现场地质及变化后地貌，确定施工方案，洞外通过注浆加固地表、加强沉降监测，隧道内采用三台阶临时仰拱开挖施作工法、超前管棚支护、调整爆破参数等措施，解决了隧道埋深浅，易发生坍塌等问题，保证了浅埋段开挖的施工安全。该技术在羊头山隧道施工中成功实践并且得到检验，总结施工经验，形成本工法。

1 工程概况

台州市域铁路S1线一期工程羊头山隧道位于中心停车场站至台州中心站区间隧道，全长854m。起点里程为S1DK1+726，终点里程为S1DK2+580。为时速140km市域铁路隧道。本隧道共计674m为单洞双线带中隔墙衬砌的大断面隧道施工，其中195m为大跨径变断面隧道施工，180m为双洞单线隧道施工。

2 难点分析

羊头山隧道位于台州市椒江区下北山村和建库村附近，属剥蚀丘陵区，自然丘坡15°-30°，地面起伏大，地表植被较发育。

本隧道工程具有断面变化多、综合性强、市政建构筑物多，征拆协调任务量大、文明施工、环保要求高、工期紧、单洞变双洞施工组织要求高、与杭绍台近距离同时施工步距及变形控制要求高等特点。

隧道在约DK1+915~DK1+975处属于超浅埋段，原设计该段地表地貌为剥蚀低丘坳谷，表面覆盖厚度3～5m的粉质黏土夹碎石土层，雨季地表水十分丰富，因原地貌在相邻工程施工的过程中被破坏，导致现场最小埋深实际仅有2.4m。围岩级别为V级，以强风化凝灰岩为主，自稳能力很差，控制地表沉降、防止塌方和安全高效施工是本工程重难点。

3 工法特点及适用范围

3.1 工法特点

考虑到羊头山隧道开挖工程隧道浅埋、围岩破碎并带有夹层、地表水含量较多的特点，在洞内进行开挖时选择了三台阶临时仰拱开挖方法，既极大地提高了开挖进尺的安全系数，同时配合隧道中超前管棚支护结构及超前预注浆等开挖施工方式辅助开挖，提升了开挖的效率，真正做到安全开挖，高效开挖，极大降低了山岭隧道浅埋段开挖安全问题，将隧道冒顶、坍塌等事故发生的概率大大降低。

3.2 适用范围

本工法适用于市政工程采用矿山法施工的山岭隧道超浅埋段洞内外开挖支护作业。

4 工艺原理

坚持“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则进行洞内施工，超前支护采用Φ89长管棚10m每循环，通过提高支护材料刚度来加强支护效果，配合管棚注浆，增强掌子面前方岩体自稳能力，减小拱顶冒顶塌方发生的概率。采用三台阶临时仰拱的方法进行开挖，极大程度减轻了开挖对围岩的扰动，并在开挖过程中使用了临时仰拱支护结构，使整个支护体系互相作用，更加稳定。

5 施工操作要点

施工操作要点主要包括地表测量、地表预注浆、超前管棚制作、钻孔及清洗、顶管、注浆、三台阶临时仰拱法开挖。主要工艺流程如图1所示。

图1 施工工艺流程图

5.1 地表测量

测量人员通过实际量测测得隧道浅埋地段最小埋深2.4m，且隧道施工时正值当地雨季，地表土层松动且含水量大，土层容易受开挖扰动，稳定性较差，开挖前应进行地表加固，加固方式选用地表注浆，加固范围以隧道埋深极小值向隧道方向大小里程各外扩12m，由线路轴线横向向两侧对隧道断面宽度略宽范围对地表进行加固处理。

5.2 地表预注浆

按特定设计分布形状在地表预设加固注浆点位，间距1m，采用打孔钢薄壁注浆管进行注浆，直径42mm，注浆材料采用水泥浆液，配比1:1，注浆压力为0.8MPa。完成地表注浆后，为防止地表水渗透，在注浆范围内先进行EVA防水板铺设然后进行混凝土浇筑封闭，加固采用强度等级为C25混凝土，浇筑厚度15cm。

5.3 超前管棚制作

①洞内超前管棚：采用热轧无缝钢管，外径90mm、壁厚6mm，钢管端头外侧需预加工丝扣，长度150mm。

②连接钢管：使用无缝钢管进行连接，管长350mm，外径98mm，管内通长内车丝扣，每一断面内接头率不大于50%。

③钻注浆孔：在钢花管上面按梅花形钻注浆孔，直径12～18mm，间距150mm，在端部预留止浆无孔段封闭段设置，长度160mm。

④管棚按照12m一个循环进行制作，每次循环管棚搭接长度控制在3m以上，按偶数孔与奇数孔的排列次序分别采用无缝钢管及带孔钢花管制作。

5.4 钻孔及清理

①隧道内开挖准备：先进行超前管棚施工，然后按照图纸进行放样并编号。

图2 洞身段长管棚打设纵向布置图

②钻孔：完成放样后使用特定钻孔设备进行钻孔作业，对孔内残渣进行清扫主要用高压风机；成孔孔径应略大于钢管外径，约扩孔4～6mm，超前管棚钻孔数量为50，环向管距38cm，钻孔设倾角，外倾角度不超过13°，可根据实际情况略作调整。

③管棚施工误差允许值：径向误差不大于22cm，相邻钢管之间环向误差不大于12cm。

图3 洞身段长管棚正面布置图

管棚采用的钢管的种类、规格和长度应符合设计要求。管棚每循环施工位置、搭接长度和数量应符合设计要求。两段钢管的接头部位预设丝扣，通过丝扣拧紧连接，同一断面内的钢管街头数量占比不得大于50%，且相邻钢管接头部位不得重叠，应错开至少1m以上。

5.5 顶管

①孔内残渣杂物完成清理后，使用锤或钻机将钢管顶入，应将钢管的至少95%长度顶入孔内，并用高压风管设备对钢管内残渣进行吹扫。

②管棚安设后，为防止工作面的坍塌，采用锚固剂对孔口及周围裂隙进行封堵，如锚固剂不能满足需求，还可在管棚附近及工作面进行混凝土喷射，安装止浆阀保证止浆阀通畅。

5.6 注浆

①采用水灰比为1∶1（重量比）的普通硅酸盐水泥浆液进行洞内超前管棚注浆。②注浆压力值预设1.0MPa，可据实调整。③标识出孔位的奇偶数，对偶数、奇数孔位分别采用无缝钢管、带孔钢花管，施工时依次打设钢花管、注浆、打设无缝钢管，打设无缝钢管后对钢花管注浆质量进行检查。④完成压水试验、机械设备检查、管路连接检查后方可注浆。⑤使用拌合桶配制水泥浆液，配置过程中避免杂物混入，完成配置后进行过滤后使用。⑥水泥浆液应随配随用，已配制完成的水泥浆液要尽快使用。⑦按先下后上的顺序进行注浆，控制注浆量由大到小，注浆压力由小到大。⑧终止注浆标准按注浆量、注浆压力控制，其中1项指标满足要求即可停止注浆。⑨实时监测注浆压力及泵排量，做好记录，对注浆情况进行分析，预防管路堵塞、跑浆、漏浆的发生。⑩注浆过程中发生串浆，可选择分浆器多孔注浆或堵塞串浆孔隔孔注浆；发生注浆压力突然升高现象应立刻停机，进行原因分析，查明原因后方可重新开始注浆；当进浆水泥浆量大、注浆压力维持稳定时，应对浆液浓度及配合比进行调整，减少凝胶时间，并选择间断停歇式注浆或低流量小压力注浆方式。

5.7 洞内三台阶临时仰拱法开挖

根据设计地勘图纸及超前地质预报成果，浅埋段范围围岩评定为Ⅴ级且围岩破碎不完整，为粉质黏土夹碎石，并考虑施工时正值当地雨季，现场经过综合分析研究，开挖方式采用三台阶临时仰拱，可有效保证施工安全。基本施工步骤如下：

①开挖一步台阶，施作一步洞身结构的初支结构，初喷5cm厚混凝土，施作洞身锚杆构件，绑扎初支钢筋网，施作钢架结构，施工锁脚锚管后复喷至设计厚度24cm（根据隧道施工监测变形情况确定是否设置临时钢架）。②开挖二步台阶，开挖时左右侧断面错开2～3m，每侧开挖后，接长钢架，施作洞身结构的初支及成环钢架和及时喷射混凝土。③开挖三步台阶，开挖时左右侧断面错开2～3m，每循环开挖完成后及时对初期支护封闭。仰拱底部初期支护每施作12m后，铺设防水板，绑扎钢筋，安装模板及止水带，浇筑该段仰拱和仰拱填充。④循环中上台阶（一步台阶）每次开挖支护尺寸应不大于1榀钢架间距，中台阶（二步台阶）应不大于2榀钢架间距，下部开挖（三步台阶）台阶控制在2m，并尽快施作并封闭成环，封闭位置距离掌子面不大于35m。

图4 三台阶临时仰拱法工序横断面示意图

图5 三台阶临时仰拱法工序纵断面示意图

6 安全措施

①完成对作业台架安全的检验，保证在施工过程中作业台架稳定、牢固。②施工前检查注浆机、钻孔设备、配套设施、各种管路等施工机具的安全完好性，采取措施确保钻机在施工过程中处于稳固状态，同时确保注浆管接头及高压风管连接可靠。③对开挖工作面附近已施工初期支护表面的检查要指定专人负责，发现裂缝，分析原因并采取相应措施，加强洞内拱顶沉降、净空收敛及地表沉降观测。④管棚钻孔过程中，要对各项钻进数据进行记录，对排渣及出水情况进行观察，出现异常及时报告并采取措施处理。⑤作业平台临时存放管棚和钢架，应保证存放的数量及高度不超过规定数值，并采取安全措施防塌落。在洞内空地进行存放时，除采取安全措施防塌落外，还需将安全警示标识放在显眼处。⑥非施工人员不得进入作业区域，并在喷射混凝土设备开机前确认喷射作业范围内无人员活动。⑦混凝土喷射过程中要实时观察，防止输料管与接头的破损或松动。⑧完成每榀钢架的安装后，要及时安装下部锚杆用于锁脚，并且连接牢靠，拱架底部不得悬空或置于渣土上。

7 结束语

台州市域铁路S1线一期工程羊头山隧道已完成隧道贯通，此工法对比传统隧道施工方法，通过加强围岩整体稳定性，在面对超浅埋隧道施工时，增加了安全度，避免了隧道因坍塌冒顶等事故导致的人员、成本的损失，同时提高了隧道掘进的速度。浅埋段总长60m，整体开挖及初期支护完成用时65天。本工法的应用，较传统施工方法节省25天，使施工工期有效缩减，并使施工风险得到降低，提高了施工质量。