滕立
中铁十二局集团第四工程有限公司 西安 710021
摘要：结合沪昆铁路龙海屯隧道浅埋漏顶段施工，分析浅埋隧道浅埋段地质情况，运用拱部明挖拱下暗挖，拱部采用护拱封闭保护隧道，拱下采用三台阶七步开挖法快速穿过隧道浅埋段。综合比较本方法与原设计在施工进度、质量安全、成本控制等方面，得出施工后成功的技术结论与经验，为相类似的工程提供借鉴。
关键词：浅埋；护拱；胎膜；地表加固
前言
铁路隧道由于选线的制约，为满足高速列车在平曲线与竖曲线线路上的安全行驶与爬坡能力等条件，这就使得浅埋及超浅埋隧道的可能被设计应用。我单位承建的沪昆铁路龙海屯隧道位于云贵高原中部，地势起伏较大，沟壑切割强烈，隧道穿越地层局部埋深浅，有的段落甚至出现拱部漏顶，隧道开挖断面在150m2以上。浅埋段隧道一般大部分带有偏压，围岩岩体不均匀，岩质突变较快，地表水发育等因素，施工难度较大，很容易造成隧道塌方等事故。
1、工程概况
沪昆高速铁路客运专线云南段龙海屯隧道起迄里程为DK1099+207～DK1109+747，全长540m，暗洞523m，为单洞双线隧道。本隧道按速度目标350km/h客运专线双线隧道设计。洞内采用CRTS-Ⅰ双块式无渣轨道，内轨顶面至道床底面高度为515mm。洞内支护采用复合式衬砌，全隧围岩级别为Ⅴ级，初期支护辅以超前支护、临时支护；除明洞段外，暗挖段全环Ⅰ22a型钢钢架加强支护。隧区地形起伏较大，最大埋深约55m，其中DK1099+505～DK1109+515段原始地貌为山谷，上游山体水系自然冲刷河谷，成“V”字型，与隧道走向正交。河谷谷底侵入隧道建筑界限。岩质主要为页岩，风化剥落程度强，表皮分布有1~3m透镜状松软土。龙海屯隧道浅埋漏顶段纵断面如图1所示。
图1 浅埋漏顶段纵断面
2、施工工艺原理及工艺流程
龙海屯隧道浅埋段漏顶段采用明暗相结合进行掘进施工，拱部明挖拱下暗挖。其工艺原理是：三台阶上弧导采用明挖法，沿隧道衬砌外轮廓修筑土胎膜，利用土体做内模，清楚多余部分土体，补齐缺少部分。两测拱脚采用扩大基础，提高承载力。按照初期支护材料要求进行整体模筑。隧道内中台阶弧导，下台阶弧导采用三台阶七步作业法依序开挖。
工艺流程图如图2：
图2 工艺流程
3、隧道通过漏顶段施工方法
3.1防排水：
根据洞内暗挖进度，选择旱季进行浅埋漏顶段开挖，确保洞内正常掘进与护拱明挖段互不影响。施工前，做好临时防排水结构，在不破坏主体结构环境情况下，尽量使得上游水系绕过开挖段。根据最大流水量及流速在河水上游采取土围堰截水，水管架空利用两侧山体较高处固定，绕过施工作业面排出水，保证水体不通过开挖工作面岩体进入隧道。临时排水系统如图：3
图3 临时排水示意图
3.2边坡开挖及山体加固防护：
根据测量放样后，进行放坡，放坡坡度1：0.75~1：0.5。开挖完成后，大里程方向DK1099+515边坡土体为粘土，不侵水的情况下自稳能力较好，护拱拱脚处为微风化灰岩，岩质整体性好，较坚硬。而DK1099+505向小里程方向地表覆土较薄，覆土厚度不足1m，土层下面为强风化页岩，较破碎，中间夹泥，稳定性较差。为保证护拱质量且按要求工期顺利施工，对边坡及地表进行加固防护。
根据开挖两侧不同地质情况：对大里程端进行挂网喷锚支护，施工参数为垂直开挖面打设2~3m长?22钢筋作为锚杆，挂设?6.5间距20×20cm/2.16平方的网片，喷射C25混凝土。密封开挖面，避免因雨水进入土层破坏原始土体结构，使土体抗剪能力减小导致边坡滑塌，影响作业面正常施工。DK1099+505端头，由于覆土下岩体风化程度高，破碎较为强烈，故采取打设小导管注浆加固。小导管间距50cm，注浆小导管施工参数如图4。
图4 小导管注浆加固示意图
图5 梅花型布置小导管注浆扩散示意图
通过注浆加固后，水泥浆液在岩体内扩散并迅速凝固，浆液扩散如图5。注浆浆液对破碎松散岩体及地表覆土（粘土）进行了结构改良，粘土层抗剪力得到增强；松散岩体在注浆作用下，整体性得到了加强。减小了因隧道爆破震动及雨水冲刷等外界因素引起的地表开裂或边坡滑塌。
3.3护拱施工
3.3.1土胎膜开挖，对开挖后的边坡防护完成后，进行护拱胎膜开挖。预留拱顶以上50cm厚待人工开挖，对侵入胎膜内水沟用片石回填并压实。采用机械开挖，人工修整，土胎膜要求圆顺，胎膜轮廓比设计轮廓加大20cm以上，两侧拱脚加大到200cm以上，形成扩大基础，提高护拱承载力。胎膜完成后，用塑料布包裹整个胎膜，防止在混凝土浇筑时冲垮胎膜导致护拱侵陷，防止拱圈混凝土与胎膜土石粘结导致护拱内拱圈混凝土面凹凸不平。护拱结构如图6。
图6 护拱结构图
3.3.2钢拱架安装，经过成本、功效等综合优化，采用与隧道暗挖拱架一致的单元长度，上台阶采用在胎膜上立钢拱架，中下台阶采取洞内下接护拱内拱架。在胎膜上安装拱架与洞内初期支护一致，拱架参数为设计参数（I22a型钢，间距0.6m；连接筋?22螺纹钢，间距50cm，梅花形布置；网片?8/20cm×20cm）。钢架与土模预留5cm空隙以保证有混凝土保护层。钢架拱脚连接板必须落如扩大基础底部，用细砂土或其它充填物包裹，使暗挖后下接拱架较易的连接。
3.3.3护拱外弧模板安装及混凝土浇筑
在护拱外弧与扩大基础处安装模板，模板采用柔性较好的竹胶板以达到外弧的形状。模板加固牢靠后进行C30混凝土浇筑，浇筑采取分层对称浇筑，根绝浇筑速度分层厚度不大于50cm。浇筑时保证胎膜的完整，避免混凝土冲塌或压塌胎膜。浇筑完成后进行混凝土养生，采用草帘覆盖后洒水养护保证混凝土质量。
3.3.4隧道暗挖穿过护拱段施工，待拱圈混凝土达到设计强度的80%以上后，在护拱的保护下按三台阶七步作业法依序进行洞深开挖。开挖步骤如下：
①上导采取预留核心土环形开挖，每个循环开挖进尺一榀，最大开挖进尺不得大于2榀，上台阶要求开挖矢跨比大于1/3。
②中台阶及时跟进作业，中导左右两侧错开开挖，错开距离不小于2m，进尺不大于3榀拱架。及时施做初期支护。
③下台阶及时跟进作业，下导左右两侧错开开挖，错开距离不小于2m，进尺不大于3榀拱架。及时施做初期支护。
④掘进3-5m后，按上中下顺序挖除核心土，保证台阶长度3-5m。
⑤分段开挖仰拱，依序完成隧道后续作业。
3.3.5拱顶回填，待洞内二次衬砌完成后达到100%强度后，进行拱顶回填，施做防排水系统。对护拱与暗挖相接部位进行防水材料处理，采用沥青灌缝后砂浆抹面。护拱外弧用防水卷材包裹以保证拱顶部位滴水不漏。洞内加强防水层施工，严格保证防水板的施工质量。洞顶回填2m厚素土，人工夯实后，进行50cm厚浆砌片石包砌。对隧道界限外10m范围或开挖范围内进行片石包砌。中间顺接自然水沟施做水沟，满足排水坡度。
3.4围岩监控量测
对于护拱段隧道内每隔5m布设一个测量断面，每个断面布置一个拱顶下沉观测点，3条水平收敛量测基准线，每日量测2次；并在洞外护拱拱顶与洞顶地表布设沉降观测点，每日量测一次。
在护拱段暗挖过程中，观测结果如下表：
项目观测频率最大变形量mm平均变形量mm累计变形量mm备注
拱顶下沉2次/日16mm8mm85mm-
水平收敛2次/日5mm4mm20mm-
洞外沉降1次/日10mm4mm65mm-
注：累计变形量为过度护拱过程中，从开始到稳定的累加之和；平均变形量为在所有观测数据中去掉最大变形量与最小变形量之后的平距值；观测周期7天。
根据稳定后量测结果对现场施工工序分析：施工过程中，洞身的掘进爆破对围岩体稳定影响较大，最大变形量均在掌子面爆破中产生的，在后续施工应采取“弱爆破”进行开挖掘进。
3.5浅埋漏顶段施工注意事项
①开挖前，排水结构必须做好，保证水体不进入护拱工作面。边坡加固防护完成后达到稳定后在进行护拱施工。
②安装护拱拱架时，两侧拱脚的拱架连接板必须采取砂土埋设或用土工布宝石，避免连接板处被混凝土包死，造成中导拱架不能顺利安装。
③护拱为初期支护的一部分，混凝土为模筑混凝土，中下导初期支护由钢架，锚杆，钢筋网片及喷射混凝土组成。施工时，护拱混凝土浇筑时，加强振捣，并及时养护。浇筑过程中分层浇筑，采用输送泵浇筑，浇筑管口严禁冲刷土胎膜，以免造成胎膜被冲垮。
④隧道洞深暗挖接近护拱时，严格控制开挖进尺，加强超前支护。根据地质情况，若粘土层比较厚，加密超前小导管数量，使小导管进入护拱混凝土不小于1m的长度，并注浆。护拱进暗挖时，根据围岩情况，停止中下台阶开挖，待护拱与暗挖部相接处稳定后，再行开挖中下台阶跟进。
⑤护拱内上台阶开挖时，严禁一次性挖完上台阶核心土体。中台阶严控超挖现象，防止因超挖过大导致护拱拱脚悬空较大，降低护拱扩大基础的地基承载力。
⑥隧道在护拱段开挖必须遵循“短进尺，快封闭，弱爆破，零扰动”。避免进尺过大造成凌空面过大使护拱基础承载被减弱；采用弱爆破，尽量不扰动护拱结构。
⑦对护拱内弧不平正面进行补喷喷射混凝土，使表面较为平整。
⑧护拱段二次衬砌施做时，加强防排水层的施工；加密环向盲管，每2m设一环盲管，增大排水水量。
4、施工方法比选
4.1 浅埋段过漏顶施工方法
4.1.1洞内大管棚加超前小导管法
该方法为垂直隧道洞身轴线方向打设φ108mm管棚，并辅以φ42mm小导管超前支护，架立I22a钢拱架，并挂网锚喷砼，每次掘进长度0.6m。此种方案有如下优缺点：
优点：
① 不需要对山体开挖，确保山坡土体的整体性，有利于山体自身的稳定。
② 由于先施工顺着隧道轴向的超前管棚及垂直于隧道轴线走向的横向小导管，在隧道开挖过程中，洞顶覆盖层薄弱地方的围岩安全系数得以提高。
缺点：
① 施工工序多，工序较复杂，工期较长。且与掌子面掘进为同一工作面，待完成管棚作业后才可以进行隧道掘进作业，严重影响施工工期。
② 洞内管棚及超前小导管施工工艺较复杂，对松散类岩体注浆固浆效果不理想，对围岩的注浆固结效果不能保证，开挖时仍易塌落。
③ 施工采用洞内大管棚，造价相对比较高。
4.1.2拱部明作护拱拱下暗挖施工法
本方法的应用首先应满足条件为：首先优选旱季施工；根据洞内暗挖掘进速度计算出护拱施工的时间，待暗挖掘进至漏顶段时，护拱已达到拱下暗挖的要求；施工护拱前做好排水系统，避免水体进入开挖工作面，影响隧道围岩的性质。
施工方法上，由于浅埋段场地较开阔，露天施工，与洞内施工无干扰，可提前施工。主要工作在土胎模开挖部分，施工安全，可平行施工，机械和人工利用率高，工序少。此种方案有如下优缺点：
优点：
① 施工方法比较简单，施工难度低，不需要大型机械设备。
② 施工工序少，进度快，在进行该浅埋段处理的同时，可同时进行隧道其它部分洞身的施工，减少各专业交叉作业，降低相互干扰，总工期受影响较小。
③ 开挖后，坡面的锚喷支护和洞身的回填夯实，施工安全性高。
④ 洞内开挖时减少超前大管棚及小导管支护施工的部分工程措施，降低成本。
缺点：
① 由于地层自稳性差，最大挖深达10多米，在进行岩体开挖时，如坡体采用较陡的坡率，采用锚喷支护，难以保证坡面岩体的稳定，如采用较缓的坡率，岩体开挖土石方工作量大。
②不易雨季施工，如施工组织不合理或施工进度计划不紧凑，很难快速完成坡体的开挖和锚喷防护，可能会拖延工期。
③劳动力及施工机具设备投入较大。
4.2护拱段暗挖部分施工方法
4.2.1CRD施工法
浅埋护拱段暗挖部分设计为CRD法开挖，CRD法的各部开挖及支护自上而下，步步成环，及时封闭。各分部封闭成环时间段，但分布较多，
施工速度慢，不利于机械化作业，后续的开挖和拆除临时支撑对前面施工形成的力学平衡体系产生较大影响，围岩应力状态多次改变，可能会出现较大的变形量。施工工作面多，作业干扰大，拆除临时支撑安全性较差。
4.2.2三台阶七步开挖法
洞身暗挖施工，变更原CRD开挖方法为三台阶七步开挖法，拱墙部及隧底支护按原设计支护施工，拱墙部拱架与护拱型钢拱架相连。
三台阶七步开挖法因为预留核心土台阶，核心土对掌子面岩体有支撑作用。在隧道开挖过程中分上、中、下和仰拱4个台阶，不同的开挖面相互错开并同时开挖，同时支护，形成支护整体，缩短作业循环时间，逐步向纵深掘进。其实质是台阶开挖法的一种，拱部采用环形开挖预留核心土，利用核心土施压掌子面。钢架拱脚处的特殊设计，增强了初期支护，提高了钢架支护的稳定性，围岩受力结构得到了完善。
5.结束语
通过对龙海屯隧道超浅埋段施工方案的优化，采用拱部明挖做护拱，封闭隧道，洞内暗挖采用三台阶七步作业法的施工。在施工工艺，工期成本控制及质量安全控制等方面均有良好的结果。与洞内管棚法大大的减少了超前支护，避免了因工序繁杂而导致的进度缓慢。采取护拱施工既不需要超前支护，也不需要临时支护，从而节约大量成本，而且使施工工序简化，提高了施工进度，而且避免了明挖法存在的大量技术难题。
参考文献：
[1]关宝树 赵勇 . 软弱围岩隧道施工技术[M] 北京：人民交通出版社
[2]王利民 谷孝军.超浅埋大断面隧道明暗结合施工工法
[3]黄胜平. 高速铁路大断面隧道浅埋段软弱围岩施工方法优化[J] 铁道建筑技术
论文作者:滕立
论文发表刊物:《基层建设》2015年6期供稿
论文发表时间:2015/9/25
标签：隧道论文; 胎膜论文; 围岩论文; 台阶论文; 作业论文; 混凝土论文; 导管论文; 《基层建设》2015年6期供稿论文;