皇家坪隧道出口Ⅴ级软弱围岩施工技术.docx

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皇家坪隧道出口Ⅴ级软弱围岩施工技术

皇家坪隧道出口Ⅴ级特浅埋软弱围岩段施工技术

兰渝铁路LYS-11标一分部石继国

【摘要】兰渝铁路皇家坪坪隧道出口端Ⅴ级特浅埋软弱围岩段成功实施了暗挖法施工，其在该浅埋软弱围岩地段灵便经济的超前支护、减轻地震动的控制爆破设计及科学合理的监控量测等施工技术，是该隧道取得成功的基础。

本文就该隧道如何安全顺利地通过Ⅴ级浅埋软弱围岩段的施工方法作了详细介绍，对类似该地质条件下的隧道施工，有较强的参考价值。

【关键词】软弱围岩特浅埋施工技术

1、工程概况

皇家坪隧道出口位于新建兰渝铁路川东广元市苍溪县境内，为设计速度200km/h客货共线（开行双层集装箱货车）双线铁路隧道。

隧道全长2006m，其中Ⅴ级围岩167m，Ⅳ围岩130m，其余均为Ⅲ级围岩。

其中出口端有一段长度为40m，最大埋深为12m，最小埋深为4.2m型的Ⅴ级特浅埋软弱围岩段。

本文着重介绍该浅埋地段的施工技术。

2、施工背景

2009年7月，路桥集团国际建设中标承建兰渝铁路LYS-11标。

为了抢在2010年春节前达到兰渝公司的要求——“不等不靠，自己创造条件开工，各隧道洞口在年前必须完成相关临建设施且必须成功挂齿进洞，为年后掀起桥、隧及路基施工热潮道创造条件”。

由路桥建设华北公司承建的“皇家坪隧道”在无任何设计图纸的情况下，仅根据一本设计院提供的“线路诸表”，便组织一分部相关隧道专业技术人员开始了该隧道出口施工方案的编制和实施。

3、施工方案的确定

3.1施工方法

根据该隧道出口段地势平坦、围岩地质级别极低且典型浅埋的特点，我们提出了三套施工方案：

第一套方案：

该区段采用明挖，按明洞施工工艺进行施工。

第二套方案：

该区段采用大管棚法施工。

第三套方案：

该区段采用超前小导管、型钢、锚杆、钢筋网片等联合锚喷支护工艺，再辅以分部开挖，减轻地震动控制爆破等技术手段进行该区段的开挖施工。

施工方案

安全指标

经济指标

质量指标

时间指标

方案一

最安全

每延米成洞工程造价较低

最有保证

需要先完成征地、三电迁改及筹备足量的挖运设备和等设计院出图后方可施工，然而设计院何时出图遥遥无期

方案二

较安全

每延米成洞工程造价最高

较有保证

需购置管棚机、大管棚和制作施工导向墙等，担误时间较长。

方案三

有较大风险，需通过慎密的施工组织和各工序严谨的施工来确保安全

每延米成洞工程造价较高

较难保证，需通过严谨的施工组织和科学的施工来确保施工质量

不需购置专用设备和材料，可立即施工。

并且有望实现年前进洞的阶段性工期

方案比选见下表：

通过上述三套方案的讨论和比选，尽量第三套方案施工成本相对较高，但根据铁路一贯奉行的“先施工，后补出设计图”的常规做法，因此比选方案时，每成洞米工程造价对我们来说已是可以不予考虑的虚指标，于是安全指标和工期指标成了我们比选方案的主要考虑指标。

为了完成兰渝公司领导视察兰渝11标时对我们堤出的“年前进洞，年后掀起大干高潮”的阶段性工期目标，我们决定大胆采用第三套施工方案。

3.2洞口加固

经现场勘查，皇家坪隧道出口的地质情况由表及里分别为：

≤1m厚的粘土层+泥岩+砂岩组成，因此决定边仰坡坡率按1：

0.75考虑。

洞口边仰坡及洞脸采用锚、网、喷射砼联合加固处理。

3.3洞身开挖

洞身开挖采用三台阶分部开挖法。

上台阶（起拱线以上1.2）采用一次开挖成型，下台阶（边墙底以上1.2m处）采用先半幅拖槽，后跳槽法开挖边墙的开挖方法，最后进行仰拱开挖。

该区段采用短进尺、弱爆破、快支护、早成环的施工工艺。

上台阶每循环进尺控制在0.8~1.0m，下台阶每循环进尺控制在1.0~2.0m。

台阶长度控制在15~20m之间。

3.4施工支护

3.4.1超前支护和初期支护

在隧道开挖轮廓线以外的周边，超前小导管按搭接长度1.1m,纵向有效长度2.4m，环向间距0.4m布设。

利用注浆机通过往小导管内注浆，使浆液在泵压作用下逐渐向风化破碎的岩石裂隙中渗透和扩散，从而起到封闭隧道开挖线周边围岩中的缝隙，固结破碎岩层，改善和提高围岩物理力学性能的作用。

超前小导管采用δ＝3.5mm，φ＝42mm的普通热扎无缝钢管加工制作，单根长度设计为3.5m，外插角控制在8 °~10°。

网喷参照地质条件与之相似的“朴船山隧道时口段”初期支护设计参考图“兰渝贰隧参2201－21、39”图施工。

型钢钢架采用20b型钢钢架，间距按0.6m全环设置。

拱部140°范围内采用Φ22组合中空锚杆，边墙采用Φ22砂浆锚杆，每环设21~23根，锚杆长L=4m，间距按1.2m×1.0m（环×纵）布设；拱墙设φ8钢筋网片，网格间距为20cm×20cm.；喷射砼要用C25，拱部喷射砼厚度为27cm，边墙为25cm.。

4、施工工艺

4.1洞口浅埋段地表处理

为了防止该浅埋段在暗挖时位于隧道顶部上方的水田、池塘内的存水在暗挖时渗向洞内，影响洞室稳定，敲定施工方案后，立即对皇家坪隧道出口浅埋段距隧道中线三倍宽度以内的水田和水塘内的积水进行了排放，同时将洞顶上方深度在1.5m左右的两个废弃电杆坑用不透水的粘土填筑密实，为该浅埋区段的暗挖施工创造条件。

4.2洞口加固

洞口工程是整个隧道施工的几个控制重点之一，故在洞口开挖时，应首先确保洞口的稳定和施工安全，对洞口边仰坡进行必要的加固处理。

洞口边仰坡按1：

0.75采用Φ22砂浆锚杆、φ6钢筋网及喷射砼进行加固处理。

锚杆长L＝3.5m，1.2m×1.2m，梅花型垂直坡面布置，锚杆处露5cm。

锚杆安装后，在坡面初喷5cm厚的C20混筋凝土，然后布设15cm×15cm的钢筋网，钢筋网焊接在锚杆上，以形成统一的受力系统，最后复喷10cm厚的C20砼。

洞口加固如“图2”所示。

4.3进洞开挖

进洞前，在隧道拱部开挖弧形以外布设超前小导管。

导管孔成型后，小导管用凿岩机气腿击盘打入。

注浆前，先用高压风吹洗管内砂石，然后再对夺浆设备进行水压试验，以检查机具设备是否正常。

注浆压力控制在0.5~1.5MPa。

注浆浆液采用单液注浆，浆液水泥为425#普贤通硅酸盐水泥，水泥浆液水灰比为1：

1~0.8：

1。

浆液用量的施工准量按如下公式计算：

Q=π·R2·L·n·а·β

式中R—浆液扩散半径，拱部为20cm；

L—小导管长度，3.5m；

n—岩石空隙率，取0.85；

β—浆液损耗系数，取1.15。

4.3.1洞身开挖

4.3.1.1洞身开挖方法

洞身开挖采用钻爆法开挖。

使用YT28风动凿岩机钻孔，采用3台20m3/min的电动空压机提供高压风。

上台阶开挖采用人工配合装载机出碴，下台阶及仰拱采用人工配合挖掘机出碴。

眼孔孔径为φ43mm，采用直眼掏槽；考虑到该区段为浅埋地段且沿隧道中线方向的坡面上大部分为水田及小型池塘等，施工过程中坡面上的水田池塘内的集水很有可能经由风化破碎的岩层缝隙渗至开挖工作面，为保险起见，炸药采用防水乳化炸药，非电毫秒雷管起爆。

4.3.1.2超前支护

洞身超前小导管的材质、加工制作和施工工艺同洞口挂齿时的小导管施工工艺。

注浆泵采用KBY－50/70注浆泵。

为了保证注浆效果和注浆质量，超前支护施工时应注意以下几点：

A、每轮注浆前，先将掌子面用5~10cm厚喷射砼封闭掌子面，形成止浆盘；

B、注浆时，应对支护的工作状态进行检查。

发现支护变形或损时，应立即停止注浆，采取措施；

C、保证每轮注浆小导管的纵向搭接有效长度不小于1m；

D、注浆小导管的止浆段外露部分要通过连接钢管或连接钢筋与型钢钢架进行有效焊接，使超前注浆管与初期支护型钢钢架形成一个整体受力体系。

4.3.1.1环挖挂齿

考虑到皇家坪隧道出口属典型的浅理段且严重风化破碎，虽然该浅埋段地表自然坡度沿隧道中线往小里程方向坡度较缓，但掌子面山体应力整体呈上升趋势。

为了保证成功挂齿进洞，洞口前10m采用环形开挖预留核心土施工工艺。

采用该开挖工艺除上述原因外，同时还考虑到了以下因素：

1、开挖量小，出碴时间短，有利于尽快架设钢拱架和及时喷混凝土封闭；

2、可抵卸来自掌子面的正面压力，防止掌子面坍塌。

3、在开挖过程中，万一某一部位出现剥落坍塌时，可利用中央核心土作为临时工作台架处理坍方作业。

4、环形爆破的一次性用药量大大减少，有利于维护洞口稳定和开挖形状的形成，且前面挖出的环形槽对后续主体部分的爆破能起到减震作用。

正因为有此作用，后续的主体部分开挖可以使用较大药量和采用较大进尺进行爆破，从而提高工效。

4.3.1.2正洞开挖

4.3.1.2.1上台阶开挖

上台阶每茬炮的开挖进尺按1.1m设计，夹制作用较大的掏槽眼和角眼按1.3m孔深布设。

上台阶开挖断面周边采用光面爆破，整个开挖爆破按微震弱爆工艺设计施工。

周边眼采用φ25光爆小药卷。

光爆参数的确定采用先通过理论计算法、然后用工程类比法和现场试验法等方法选定，该区段的爆破设计参数经过数排炮的参数调整后，最后调整后的各种参数详见“图5皇家坪隧道出口浅埋地段炮眼布置设计图”及“表Ⅰ上台阶爆破装药参数表”。

周边眼装药采用竹片、导爆索和非电毫秒雷管并参照炸药周边眼单孔装药量对光爆药卷进行切割后加工成连续柱状装药结构，使周边眼内的炸药爆破时能量在周边眼内均匀释放，以起到减小对周边围岩的局部扰动破环，从而使爆破后获得较好的周边轮廓效果。

周边眼及其余炮眼的装药结构详见“图6周边眼和其余炮眼装药结构图”。

4.3.1.2.2下台阶开挖

下台阶开挖滞后上台阶15~20m，下台阶采用半幅拖槽，拖中槽以隧道中线划分左右区域，开挖时先左后右，左侧开挖完成后且完成边墙钢拱架的连接后，立即用右侧开挖出来的爆碴对左侧边墙钢拱架进行回填，利用回填土对左侧钢拱架进行横向约束。

半幅拖槽控制在5m左右，在5m拖槽区域内，边墙采用跳挖马口的方式进行分部开挖，5m拖槽区域的开挖方工详见“图7马口开挖顺序图”。

每开挖完成一个马口，立即在第一时间内组织人力进行初期支护施工，尽可能使格栅钢架尽快封闭成环。

半幅中槽施工时，要以减少边墙的震动为控制要点，为了防止开挖时钢拱架拱脚处的支撑岩石出现因爆破震动过剧而出现大面积崩塌，造成拱顶初期支护钢拱架沉降量加剧或出现掉拱现象，2部和4部开挖时，靠边墙一侧采用预裂爆破，以充分保证拱架不会因拖半幅中槽而出现失稳现象。

为了更好的保证边墙的稳定，马口开挖以浅眼弱爆工艺施工，炮眼孔底距边墙轮廓线5～10cm，爆破清邦后再用风镐对局部欠挖处进行处理。

4.3.1.2.3仰拱开挖

仰拱开挖采用一次性开挖。

其爆破工艺仍采用弱爆工艺，仰拱与上台阶、下台阶各部的开挖不同的是，上部采用弱松动爆破，两侧边墙采用松动爆破，仰拱采用强松动爆破。

因此仰拱开挖用药量较上、下台阶的爆破用药量有所增加。

仰拱开挖的单孔装药量按下式计算：

q=K·a·W·L·λ（kg）

式中q---单眼装药量，kg；

K---软岩爆破装药参数，查阅隧道爆破专业书籍选取，kg/m3。

a---炮眼间距，m；

L---炮眼爆破方向抵抗线，m；

λ---炮眼所在部位系数，查阅隧道爆破专业书籍选取；

4.3.1.2.4爆破效果

根据该浅埋地段爆破掘进前31m的爆破效果统计数据分析：

上台阶（1部）光面爆破，炮眼利用率达108%，平均线性超挖9.7cm，炮眼痕迹保存率63%；下台阶2部和4部临墙控制边的预裂爆破，炮眼利用率为73%，平均线性超挖左边墙21cm，右边墙18.7cm，炮眼痕迹保存率52%。

爆破效果比较理想。

4.4监控量测

4.4.1监控量测点的布设

4.4.1.1地表量测点的布设

为了准确撑握隧道在开挖过程中地表的沉降情况，在该浅埋段边仰坡及洞脸加固处理后挂齿进洞前，分部测量队按《铁路隧道监控量测技术规程》管理办法进行了该浅埋段的地表监控量测点布设。

从洞口里程开始，纵向每距10m沿隧道中线的法线方向布设一组地表监控量测点，地表监控量测点的布设情况按“图8”布置。

4.4.1.2洞内监控量测点的布设

监控量测点分沉降观测点和收敛观测点两种，其纵向布设间距视围岩级别而定，一船Ⅴ～Ⅳ级按5～10m设置，Ⅳ级按10～30m设置，Ⅲ级按30～50m设置，Ⅱ级以上围岩视具体情况确定布设。

同一断面上同时布设沉降观测点和收敛观测点。

皇家坪隧道出口浅埋段的沉降观测点和收全敛观测点均按10m的纵向间距布设。

该浅埋区段的监控量测点在洞内横断面上的布置详见“图9”。

4.4.1.3量测方法

4.4.1.3.1地表点的量测方法

地表监控量测点水平高程监控采用尼康AS-2水准仪进行测量，纵横向位移用LeicaTPS1200+全站仪进行测量。

测量频率详见“表Ⅱ”。

表Ⅱ地表监控量测点监控量测频率

监控量测断面距开挖面的距离（m）

监控量测频率

备注

（0～1）B

2次/d

（1～2）B

1次/d

（2～5）B

1次/2～3d

＞5B

1次/7d

注：

B为隧道开挖宽度

4.4.1.3.2洞内观测点的量测方法

沉降观测点的观测：

用尼康AS-2水准仪配合挂尺进行沉降观测。

初始读数在测点埋设后立即读取。

测量频率详见“表Ⅱ”。

收敛观测量的观测：

隧道周边净空变化监测采用读数分辨率可达0.01mm，测量精度可达0.06mm的JSS30A型数显示收敛计进行收敛观测。

观测测量频率详见“表Ⅱ”。

4.4.1.4监控量测对该浅埋段的施工的指导作用

4.4.1.4.1地表量测数据处理分析

皇家坪隧道出口浅埋段（DK656+720～+680）分别在DK656+720、DK656+710、DK656+700、DK656+690和DK656+680五个断面上共设了43个地表观测点。

其中沉降值量最大的点在洞口DK656+720断面上，其沉降值为18mm，沉降值量最小的点在DK656+680断面上，其沉降值为2mm，其沉降值随着该浅埋段覆盖层的加厚成递减趋势；各断面横向沉降值在隧中最大，两边最小，其沉降曲线基本成锅底对称状。

地表量测数据处理结果表明：

该区段地表沉降正常。

4.4.1.4.2洞内量测数据处理分析

该浅埋段分别DK656+720、DK656+710、DK656+700、DK656+690和DK656+680五个断面上共设了5个拱顶沉降观测点和10组收敛观测点。

洞内监控量测点的总体位移趋势为：

距离开挖工作面越近，位移量越大，随着开挖工作面与测点的距离逐渐拉大，位移量逐渐变小。

各断面测点位移量与时间和距掌子面的距离均成正态衰减趋势。

洞内监控量测数据表明：

该浅埋段支护方法得当，洞室初支结构稳定。

5、施工心得

1、只要施工方法得当，浅埋地段仍然可采用暗挖法施工。

在浅埋地段，通常岩层节理发育，风化破碎严重，在这样的地质环境下实施暗挖作业，超前支护手段必不可少。

在超前支护手段跟上的同时，一定要遵循“短进尺、弱爆破、快支护、紧封闭、勤量测”的施工工艺。

2、光面爆破、预裂爆破等控制爆破技术，在浅埋软弱围岩地段仍大有用武之地。

皇家坪隧道出口特浅埋地段之所以能成功实施暗挖法施工，除了经济合理地采用了超前支护、初期支护等支护参数和施工工艺外，根据具体情况在上台阶合理地采用了光面爆破、下台阶合理采用了预裂爆破及在邦墙上合理地采用了浅眼弱爆工艺等控制爆破技术不无关系。

尽管爆破效果统计数据不是十分理想，但在开挖过程中对维护洞室稳定起到了至关重要的作用。

3、通过对监控量测数据的处理分析，可以很直观地了解在隧道施工中过程中洞室的绝对变形量和相对变形量，从而从容地组织后续工序的正常施工。

4、在铁路工程中经常出现的“先施工，后出图”，各施工单位纷纷将加快施工进度和缩短工期作为取得铁道部、业方等方方面信赖和前期主要赢利途径的大环境下，皇家坪隧道出口浅埋段的成功施工，为今后类似工程环境下的隧道施工确实积累了宝贵的施工经验。