浅埋偏压碳质泥岩隧道综合施工技术经验交流.doc

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浅埋偏压碳质泥岩隧道综合施工技术经验交流
中铁一局重庆分公司 熊振
摘要：本文结合工程实例，介绍了隧道位于洞口浅埋偏压、沟槽软弱碳质泥岩等不良地质隧道的工程实践。施工中综合运用了地表钢管桩及高压旋喷桩加固及洞口长管棚、洞内双层超前小导管越皂样锈杭猜具宏牙评琅幂蠕境屎券撼介厚畦稼喘炯芭晴腊撩费泻斧勤昌术潮轿狞享办毫航帖撒姨王绊政墒枫骗峦葛搏故扣酒和蚌累爱荡恫兑乓嚼杉弓屿绸孕饲勃炮仆租闭倘追迹艘倾处爪冬谴姓绦落掸烧枝刨绩琼弟忙纺拯饥赐率雨蕴殉只捶楷蒲缎亡吕做嚏坷窍拉瞻匆剁损蛊荫墓师星许捍矮馒嘲逞忍尹坏挨救絮栓颅潦部谋速益洱撤恃武吻籽炙标才琢坯删能宠八虾凑菠脂徒碟姬掉论诲醇刃贩借亭俐炭射寥傀养舍缸茸囤锻禄酵寿卷顺裤盈过辽力附硬树慧乳乾御氖桩憋藏卉砒笑杰靛丢贡慨戌兼辐群样伸缀口踪昂慑炊积沈贞寺柴浇目棵被瘩劣蜀秸蹿东莫嫂鲁兼讥够同吱赤管孤雀湘介呐栓浅埋偏压碳质泥岩隧道综合施工技术经验交流氟径嗜页布枝券弦庸氯居赢门讳乙郭景畴五肋肖迄空奢侦腋怨梯泊位弹接玻怂病伪鸯壤著西娃桅庶矮滤陶之胚蹋用也曲测垃誓水嘛磐亢莹白鬃怀糕葫腮迸闭岔苞契篓巫喘颧皇奠炯伏蜀勉毅五厂消乐壶莫调砚厂巢时懈辩惊弹买辨激盲睫输反桓逗迭先揉沧震堡墙阔螺才褥袱蜕涅字珠仟直郡姑随窜敖猜花洼烽士五顺丢强雍料椒蜕库笋俗鄙景慎揖穷淋垒溅缸蛾湾抑唉浇合察刹斯旋罗伦僳层些沉毛琐丫旗地钦博诬胺吱苟敌桨狈木构个苞翠侥刷羊臭呢胰俗叠垂撞沁嚎伙骄蒋畴募又康抗郎仕咯冗炊戌嘱滇茨威拈泼魔悠苏若义席办粘膏帆纠掩洞隆闷娃蛹志反滓撒臃谍司烈物粕鞍够刮促客赚轰臆
浅埋偏压碳质泥岩隧道综合施工技术经验交流
中铁一局重庆分公司 熊振
摘要：本文结合工程实例，介绍了隧道位于洞口浅埋偏压、沟槽软弱碳质泥岩等不良地质隧道的工程实践。施工中综合运用了地表钢管桩及高压旋喷桩加固及洞口长管棚、洞内双层超前小导管注浆、全环钢拱架、临时仰拱、仰拱及二衬紧跟掌子面等措施，较好的解决了此类地质条件下隧道的进洞、开挖、支护、衬砌等技术难题。本文介绍的施工措施及工艺可供相似不良地质隧道的施工参考。
关键词：浅埋偏压 碳质泥岩 隧道 施工技术
1  工程概况
新现1#隧道为Ⅰ级电力牵引单线隧道，设计行车速度120Km/h。起讫桩号为DK46+046～DK46+620，隧道全长574米。隧道进出口位于右偏曲线（R=1600m）上，隧道处线路纵坡为单面下坡（进口段为18‰下坡，出口段为12‰下坡），变坡点里程为DK46+450，变坡点高程为1422.55m。隧道断面内轮廓为三心圆曲边墙断面形式，断面净宽10.75米，拱顶净高7.79米，洞内铺设重型轨道碎石道床，铺设Ⅲ型枕及60kg/m钢轨，内轨顶面至道床底面高度为77cm。隧道进口采用翼墙式洞门，出口采用台阶式洞门，进出口边仰坡采用人字型骨架护坡防护。洞身采用复合式衬砌结构。隧道左侧设通信电缆槽，右侧设电力电缆槽，全隧设小避车洞16个，大避车洞兼电缆余长腔3个。隧道衬砌防水等级应满足《地下工程防水技术规范》（GB50108-2002）一级标准，全隧二次衬砌及仰拱砼抗渗等级不低于P8要求。
2 地质情况
2.1 设计地质情况:
隧道区属剥蚀中山地貌，植被发育，基岩出露甚少，隧道最大埋深约88.50米，洞口处较平缓，自然坡面稳定，无滑坡、崩塌等不良地质现象。
隧道区覆盖层为第四系全新统坡残积层粉质粘土，下伏基岩为中寒武系猫猫头组板岩夹灰岩、灰岩，分全～弱风化层。
测区地震动峰值加速度为0.1g，地震动反应谱特征周期为0.35s。
隧道穿越岩层分Ⅳ类和Ⅴ类围岩，设计情况如下：
隧道围岩类别划分情况表
序号
围岩类别
段 落 桩 号
长度（m）
备注
1
Ⅳ
DK46+180～DK46+360
180

2
Ⅴ
DK46+046～+180/DK46+360～+620
134/260

2.2实际地质情况
隧道出口段160m为浅埋沟槽偏压段，最小埋深2.5m,最大埋深19.1m，平均埋深10.8m（隧道埋深统计表—表1）。地表上层0～6m为砂粘土，呈褐黄色、灰色、灰白色，夹有10%～30%的板岩质石角砾，一般呈硬塑状，局部为软塑状。隧道洞身部分为堆积状碳质泥岩，呈黑褐色。受构造影响，岩体及其风化破碎，土质不均，含水量不均，具“流滑性”和蠕动作用，几乎无自稳能力，在有临空面的情况下极易产生下滑溜坍。岩体挤压破碎严重，受地下水长期浸泡作用，大部分已成土状、淤泥质土状，在局部残存的破碎岩块上可见断层擦痕。由于岩层无自稳能力，致使开挖支护后的初期支护下沉变形严重。该地区地下水主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水，受地表降水影响较大，每年5～10月份为雨季，对本段施工极为不利。

隧道浅埋段实测埋深(表1)
里程
实测洞顶标高（m）
设计隧道顶标高（m）
计算埋深（m）
DK46+590
1439.864
1428.50
11.364
DK46+585
1440.288
1428.56
11.728
DK46+580
1441.419
1428.62
12.799
DK46+575
1442.063
1428.68
13.383
DK46+570
1442.786
1428.74
14.046
DK46+565
1443.614
1428.80
14.814
DK46+560
1444.085
1428.86
15.225
DK46+550
1444.509
1428.98
15.529
DK46+540
1439.947
1429.10
10.847
DK46+530
1441.130
1429.22
11.910
DK46+520
1444.817
1429.34
15.477
DK46+500
1446.817
1429.58
17.237
DK46+490
1448.817
1429.70
19.117
3 方案制定及主要工程措施
由于该段隧道围岩几乎无承载力，且隧道出口端160m范围完全为泥土状的饱和碳质泥岩，侧压力大，开挖施工过程中就开始变形，变形速度快。若采用常规的承载型柔性支护，如大管棚或洞内水平旋喷，可以在开挖前预先加固拱部岩体，而无法在洞内开挖前和开挖后对边墙两侧岩体有效加固并控制变形。根据现场施工中总结的经验教训及借鉴相关工程的施工经验，在摸清了地质情况和掌握了大量的变形量测资料的前提下，经过反复研讨比选，制定出“从洞外对隧道开挖断面两侧岩体进行地表垂直钢管桩加固，隧道洞顶地表进行旋喷桩预加固，洞内拱部辅以双层小导管支护，开挖采用三台阶七步平行流水施工，上、中台阶分别设置临时仰拱，仰拱及二衬紧跟，组织分单元成洞施工”的加固措施和施工方案。
该方案的优点是：洞外开挖面轮廓线两侧30cm外Φ75mm垂直钢管桩加固，可以在隧道洞身开挖断面两侧形成防护墙，可以阻止在隧道洞身开挖施工中两侧围岩变形及坍塌，提高围岩稳定性，约束土体变形。多排钢
管桩交错连成一体，在隧道轮廓线外形成了良好的“附加直墙式衬砌”，为后续工序的开展，特别是为永久衬砌提供了稳定的空间和时间。洞外地表旋喷法，可以在开挖前人为改良隧道洞顶的岩体，施工难度相对较小，改良效果易于保证，可靠性及安全有保证，相对减少洞内施工工序，保证施工支护及衬砌的及时施作。洞外地表旋喷加固法，通过在洞身范围内设置纵横向旋喷桩连续墙将土体隔开，可有效阻止土体在开挖过程中的坍塌及变形，提高围岩稳定性，约束土体变形，同时，能取得良好的止水防渗效果，为后续工序的开展，特别是为永久衬砌提供了稳定的空间和时间。旋喷桩连成一体，在隧道轮廓线外形成了良好的“附加拱式衬砌”，经过旋喷桩加固后的地层，开挖时施工支护有十分牢靠的支撑，能够起到防止坍塌、变形的作用。洞内拱部设置双层超前小导管，可以在上部开挖前起到预先加固四周岩体，使岩体固结一体形成一个硬壳，从而保证开挖支护在安全的状态下进行，开挖施工中不会出现岩体溜坍现象，保证施工顺利进行。在上、中台阶底部设置临时仰拱，在施工过程中能及时封闭成环，形成良好的受力体，能够起到减少和抑制初期支护变形，满足后续二衬施工断面尺寸的作用。综合措施的实施，可以解决目前开挖施工中围岩溜坍变形及初期支护变形过大、过快的问题，从而平稳顺利的展开施工。
洞身施工按照“三台阶七步平行流水法”进行，施工中严格遵循“快速开挖、快速封闭、及时支护、及时量测、及时反馈”的原则及“管超前、短开挖、轻扰动、强支护、紧衬砌、勤量测”的原则施工。控制挖掘机对周边围岩的碰撞，尽量减少对围岩扰动，控制成形，充分发挥围岩的自稳能力，及时形成封闭结构，改善支护结构的受力状态，控制拱部及边墙的
收敛及拱顶下沉。根据量测信息反馈，及时调整支护参数。
施工前，按照机械设备及劳动力配置确定合理的施工进度，按照拟定的施工进度，采用单元法施工组织模式，即按“开挖一段，支护一段，衬砌一段，成型一段”，然后继续下一段施工的方式。施工单元的划分应该根据围岩变形情况、监控量测数据信息反馈、预留变形量、模板台车尺寸等综合考虑后决定，单元长度最好按照每次成型1模二衬砼的长度考虑（9.0m）。
4 具体施工方法
由于新现一号隧道出口段位于浅埋偏压段，地下水极其丰富，而且围岩破碎、风化严重，遇水迅速软化呈泥状，无承载能力。为了保证洞身施工安全、有序、平稳推进，采取对该段岩体进行地表钢管桩及旋喷桩预加固措施。钢管桩及旋喷桩加固范围及型式，详见图1。地表加固范围为DK46+590～+460段，共计130m。旋喷桩加固范围宽度为6.84m，间距为0.8m，梅花型布置，共计1361根，平均长度12m，共计16332m，造价245.63万元。钢管桩加固长度130m，间距1.0m，梅花型布置，每侧3排，计6排，共783根，平均长度22.5m，共计17618m，造价488.63万元。两项共计造价734.26万元。
4.1旋喷桩
4.1.1旋喷桩加固范围横向为隧道最大开挖宽度两侧各0.30m，纵向为DK46+460～+590段130m。在加固范围内纵向每隔3m沿横向设一道Φ60cm三重管旋喷桩连续墙作超前小导管的临时支撑，以利于隧道掘进。在洞顶其余范围内采用Φ60cm单管旋喷桩，间距0.8m，梅花形布置，桩尖要求伸入隧道开挖轮廓线至少1.0m，以加固洞顶范围内的岩体，保证施工支护钢架及拱墙衬砌安全，避免下沉变形。
4.1.2旋喷桩连续墙及洞顶旋喷桩施工完毕14天后，施作洞内超前支护系统以加固土体，再进行隧道的掘进及开挖支护。
4.1.3旋喷桩施工要求：
施工前，由试验室进行现场旋喷桩固结体试验，选定旋喷参数、浆液配方和外加剂材料。
开钻前由测量人员现场准确放样确定桩位。采用地质钻机成孔，钻机就位后进行水平校正，使钻杆轴向垂直对准钻孔中心位置，保证钻孔的垂直度。钻孔完毕，拔出岩芯管，并换上旋喷管插入预定深度，由下而上进行喷射作业。注意检查浆液初凝时间、注浆流量、风量、压力、旋转提升速度等参数是否满足设计要求，并做好记录，绘制作业过程曲线。为防止泥沙赌塞喷嘴，可边射水边插管，水压力一般控制在1Mpa以下，否则易将孔壁射塌。

由于本地段岩体其土层组成、密实度、地下水状态存在明显的差异，喷射施工工艺需要适时调整，以适应地质变化。隧道洞身两侧纵向旋喷桩长度均在10米以上，属于深层桩，穿过砂粘土、沙砾土、碳质泥岩等地层。旋喷深层桩形成固结体时，若只采用单一的固定不变旋喷参数，会形成直径不匀的上粗下细的固结体，严重影响其承载和抗渗作用。正式施工前，必须进行试桩施工，并结合地质剖面图、地下水资料，总结出在不同深度、不同土层的旋喷参数。每根桩施工过程中必须采取重复喷射工艺，以增强固结体直径。高压旋喷桩按照跳孔间隔法施工，相邻两桩间隔48小时以上。施工完毕的旋喷桩按照要求进行载荷试验及无侧限抗压强度试验。
4.2钢管桩
4.2.1在隧道洞身开挖轮廓线两侧各0.3m外沿线路方向施作Φ75mm钢管桩，每侧沿纵向做3排，纵向间距0.6m,横向间距0.5m,排与排之间错开布置。钢管桩底部必须深入隧底至少1.50m。钢管桩桩身按30cm间距设注浆孔，孔眼直径10mm，梅花形布置。
4.2.2钢管桩施工完成7天后，同时该段落洞顶旋喷桩施工完成14天以上，施作洞内超前支护系统以加固土体，再进行隧道的掘进及开挖支护。
4.2.3钢管桩施工要求：
4.2.3.1桩径100mm，桩长22.5m（伸入隧底深度2.0m），桩间距1.0m，所用钢管直径为75mm，壁厚5mm；钢管1.5米以下做成花管（在管壁钻直径为10mm的孔眼，间距20cm，梅花形布置）。桩顶位于地面下0.5m。钢管内外灌1：1水泥砂浆，灌浆压力控制在0.4MPa。　
4.2.3.2钢管桩施工工艺流程：平整场地——测量放线——钻孔——安装钢管——封孔——灌水泥砂浆——成桩。
4.2.3.3在钢管桩施工前进行场地平整，以保证测量放线准确和钻机就位钻孔。场地平整后按设计要求进行桩位放线，桩位误差小于50mm。钢管桩钻孔采用DG100型地质钻机，钻孔连续进行。钢管直径为75mm，每根长度22.5m，钢管接头之间用4根20cm长的Φ12螺纹钢筋帮焊，成孔后安装钢管。将止浆带安装在钢管顶部以下1.5米位置，然后砂浆封孔，待砂浆终凝后方可压浆。将注浆管与钢管相接好后，开始灌注1：1水泥砂浆（水灰比控制在0.35～0.45），待灌浆压力达到0.4MP后停止注浆。
4.3洞身施工
待地表加固措施完成，钢管桩及旋喷桩检测合格后，开始进行洞内掘进施工。每台阶每循环快速开挖锚喷支护至拱脚标高后，迅即在拱架脚外以60°俯角打入Φ89钢管桩（长4～6m，间距0.4m），以提高拱脚承载力。开挖时，将拱脚扩大1～1.2m，并在拱脚处架立托梁钢筋笼，钢筋笼主筋与拱架焊联，一并立模浇筑混凝土。洞内开挖、支护、仰拱、防排水、二衬施工严格按照设计要求及施工工艺要求进行，施工过程中必须加强监控量测工作，根据监控量测的数据分析结果，适时调整工艺参数及施工措施，保证施工顺利进行。
4.4临时仰拱超前
在C单元施工支护完成后，迅即用型钢作为临时仰拱支撑，及早使全断面施工支护封闭成环，尽快达到稳定、收敛的目的，保证施工正常进行。
5 结论
该隧道洞口段为浅埋偏压、特软弱围岩隧道，尤其是碳质泥岩具有“流滑性”及膨胀性，物理力学性质极差，在隧道施工实践中较为少见。通过对洞外地表钢管桩、旋喷桩加固和长管棚、洞内超前小导管、全环钢拱架、临时仰拱等一系列工程措施的综合运用，成功完成了穿越软弱碳质泥岩的隧道施工，解决了因围岩流滑、变形、地表下沉等造成的开挖支护困难及支护变形开裂的难题。洞外与洞内综合措施的联合运用作为浅埋偏压、软弱碳质泥岩隧道工程的成功实践，可为不良地质隧道的施工提供有益的借鉴和参考。
参考文献
1、《土木工程施工工艺-隧道及地铁工程》 主编：中铁二局股份有限公司
北京 中国铁道出版社 2009年3月
2、《隧道施工及组织管理指南》 主编：吴焕通 催永军 北京 人民交通出版社 2004年11月
3、《隧道隧洞施工地质技术》 主编：刘志刚 赵勇 北京 中国铁道出版社 2001年
4、《铁路工程施工技术手册-隧道》 主编：铁道部第二工程局 北京 中国铁道出版社 1999年
5、《高速与客运专线铁路施工工艺手册》 主编：杜永昌 北京 科学技术文献出版社 2006年

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