铁路大断面隧道软岩施工工法

铁路大断面隧道软岩施工工法

任杰

中铁建大桥工程局集团第六工程有限公司 吉林长春 130000

1、前言

在铁路建设的高潮中，不同长度，不同类型的山岭隧道大量涌现，因此，隧道技术的方法面临着新的机遇和挑战。从目前的工程实际出发，因不良地质灾害造成的隧道初期支护出现的严重开裂、挤压、急剧下沉等变形现象，导致初期支护侵入二次衬砌的情况时常发生，给施工进度和生命财产带来严重威胁。探讨如何在隧道施工中，快速、安全的通过不良地质，采用超前支护、临时支护的措施，加强监控量测等方法。

我单位负责施工的鲁坝隧道，该隧道通过区位于西秦岭褶皱系，地质结构十分复杂。围岩软弱破碎，开挖断面大，为139m²，开挖跨度为14m；V级软岩采用三台阶七步开挖法，配合临时支撑施工顺利通过，经总结形成本工法。

2、工法特点

2.1针对大断面隧道受力比较复杂，应力分布不均匀，拱部采用φ108大管棚结合φ42小导管超前注浆加固。

2.2根据围岩软弱破碎的特点，选取三台七步开挖施工法控制开挖断面，保证施工安全，如果地质情况发生变化，根据情况及时调整施工

2.3全面开展监控量测和科研工作，施工过程处于可控状态。

3、适用范围

本工法适用于围岩软弱破碎、自稳能力差的大断面铁路、公路、水电隧道（隧洞）及具有同类特点的大型地下工程的施工。

4、施工工艺流程及操作要点

4.1施工技术参数

表1 衬砌参数表

4.2施工工艺流程

表2 三台阶施工流程图

4.3施工顺序及操作要点

表3 三台阶七步开挖法施工工序及操作要点

4.4软弱围岩变形控制技术

4.4.1施工监控量测

隧道量测必测项目：

（1）拱顶下沉

（2）水平相对净空收敛

（3）地表沉降

（4）洞内、外观察

4.4.2拱顶下沉和水平相对净空变化量测

水平相对净空变化值和拱顶下沉量测断面的间距应根据围岩级别、隧道断面尺寸、埋置深度及工程重要性等确定，量测断面布置间距及测量频率详见表4和表5。

表4 量测频率表

位移速度		距开挖面距离
位移速度（mm/d）	量测频率	位移速度（mm/d）	量测频率
≥5	2次/d	（0～1）B	2次/d
1～5	1次/d	（1～2）B	1次/d
0.5～1	1次/2～3d	（2～5）B	1次/2～3d
0.2～0.5	1次/3d	>5B	1次/7d
＜0.2	1次/7d

注：1 B为隧道开挖跨度

表5 拱顶下沉及周边收敛量测间距表

围岩级别	量测断面间距（m）
Ⅴ（浅埋）	5～10
Ⅴ（深埋）	10～15
Ⅳ（深埋）	10～20
Ⅲ	20～40

4.4.3浅埋段地表下沉量测

（1） 若想测量数据足够严密精细，在测量之前，首先要先对建设地表的地质地形，以及向上是否存在建筑，向下地下水有无进行测量，根据此保证数据严密，确立挖掘方式。对于地表下测点的选择，应与共顶下的测点为位于同一截面内，并要沿隧道的中线分布，地表下沉量测断面的间距可按表所示采用。

表7 地表下沉量测断面间距表

（2） 横断面方向地表下沉量测的测点间隔应取2～5m，出口车站V级浅埋段（DK288+240～DK288+350）断面测点布置如下图所示，在一个量测断面内不少于17个测点。地表下沉量测应在开挖工作面前方H+h（隧道埋置深度+隧道高度）处开始，直到衬砌结构封闭、下沉基本停止为止。地表下沉的量测频率应和拱顶下沉及水平相对净空变化的量测频率相同。各项量测作业均应持续到变形基本稳定后1～3周。

图5 洞顶地表下沉量测断面布置图

4.4.4数据处理、分析以及相应的参数调整

（1） 对初期的时态曲线应进行回归分析，选择与实测数据拟合好的函数进行回归，预测可能出现的最大拱顶下沉及水平相对净空变化值。

（2） 根据所绘各曲线的变化情况与趋势，判定围岩稳定性及时预报险情。确定施工时应采取的措施，提供修改设计参考依据。

（3） 围岩及支护的稳定性应根据开挖工作面的状态、净空水平收敛值及拱顶下沉量的大小和速率综合判断，并及时反馈于设计和施工中，根据水平相对净空变化值进行判断时，应符合《铁路隧道喷锚构筑技术规范》的有关规定。

（4） 当位移速度及位移量过大，围岩长时间不能稳定时，则应加强监视，增加量测次数。并根据情况提前施作仰拱，增强支护钢度，如增设和加长锚杆，加厚喷层等。必要时，加强钢拱支撑并提前做模筑衬砌。

（5） 设计单位可根据施工单位所提供的监控量测数据反分析求算初始应力、岩体的弹模、塑性区范围、作用在二次衬砌上的荷载及岩体流变参数等，为动态设计提供信息和资料。

4.5围岩变形处理技术

4.5.1隧道初期支护变形现象描述

不同的隧道因为其地质地形的复杂多样从而在初期，混凝土面和刚公家进行支护喷射时会出现洞身变形的表现。在这里有很多种例子可以来说明这一点。例如隧道浅埋、或地下水构造有问题、诱惑是隧道发生严重偏压，这都会使得在洞身初期建造工作中，会有多种不良现象的出现，这无疑会直接造成，实际完成效果与初期设计效果不符，另外一点在施工期间内，也会对施工人员会造成极大的不便以及安全隐患，在洞身完工之后，投入使用之后也有可能会出现洞身变形，在之后也有可能造成安全隐患。

4.5.2施工技术处理方案

由于隧道建设初期，因为洞身有可能出现变形从而有可能会造成的安全隐患，因此一方面是为了确保建筑施工人员的安全以及隧道完工投入使用的安全，另一方面为了减少隧道建设国中有可能存在的偏差，因此在建设过程中要最大程度上保持整体上的稳定，应该将临时以及永久性加固同时采用，使得其应力应该得到一个新的平衡。下文中就是给大家介绍一下临时与永久性两种加固方式。

对于变形严重的钢架，应采取换拱架来解决侵线问题。换拱架过程中应由测量跟踪指导，换钢架过程中应避免对围岩大的扰动，采取人工、破碎锤或者是弱爆破，开挖一榀钢架，马上支护，及时封闭。

图6 人工开挖换钢架

（1）临时加固措施

临时加固措施主要是采用强力支撑于变形的初期支护，减小和抑制已变形的初期支护继续增大。主要采用:增设临时仰拱，提早形成封闭受力环，如图7。

图7 临时仰拱

（2）永久加固措施

永久加固措施主要是选取恰当、合理的支护参数，采用可满足隧道受力条件的技术方案，永久性的加固洞身结构。

a.在施工过程中，当发现初期支护出现了开裂或监控量测有较大的下沉变形，可立即施做径向注浆小导管，进行注浆固结围岩，增强围岩间的摩擦阻力，形成具有一定能力的自稳性。结合隧道洞身变形情况的分析，在洞身变形后，沿所有损毁和开裂处采用长4m，间距1mX1m的φ42小导管注浆，其单口注浆量平均在0.5~2t，浆液浓度采用1:1配比。

如图8 φ42小导管径向注浆

施做径向小导管注浆措施能暂时稳定里变形的继续发展。但由于隧道受地形、地质条件的制约，地层应力复杂，无法准确掌握围岩间的实际受力情况，因此隧道在短暂的稳定后，很可能再次出现下沉、收敛等变形，隧道平衡状态失稳。对此，为了使隧道达到新的平衡受力条件，经综合分析采取永久加固措施。其永久加固措施为：①在已变形处采用径向注浆控制变形的继续增大，及时封闭成环，施做仰拱及二次衬砌；②施做小导管或者大管棚超前支护；③合理选择开挖方法和支护参数。

对已变形的地段采取径向注浆的同时，及时准确的分析监控量测的数据，在已变形的地段结合临时加固措施，及时的开挖仰拱，施做二次衬砌，同时衬砌应紧跟掌子面的掘进。

b.施做大管棚，大管棚一般采用φ70mm～φ180mm的钢管，纵向长度10～45m。

一般施作管棚时都要设置管棚工作间，管棚工作间按钻机特点设计，比隧道断面加宽50～70cm，工作间长度2～3m，如果只进行一个循环管棚施作，管棚工作间比较简单。但如果循环多时，施作多个管棚工作间就存在着两个问题。

①施作工作间，隧道断面加大后，开挖难度加大，开挖安全风险增加。

②由于管棚工作间采取扩挖断面方法，既增加了开挖费用，又增加了回填混凝土的费用，浪费大。

图9 管棚工作间纵断图

图10 大管棚施工工艺流程图

（3）在做好超前支护的前提下，开始掘进施工本着超前支护、短进尺、少扰动、强支护、勤量测、紧封闭的原则，采取合理的开挖方法及支护参数。针对软弱围岩的变形情况复杂，为了保证二次衬砌厚度及洞室的尺寸，结合监控量测选择合理的预留量。

5、材料与设备

表8 主要机具设备一览表

表9 本工法主要材料一览表

6、质量控制

1建立健全工程质量责任制。上至项目经理，下至施工队操作者，均制定质量责任制，形成质量管理系统。明确各级人员的具体责任，各职能部门在技术业务上也有明确责任，并受上级责任人的领导，做到管理者负责质量，指导者管好质量，供应材料者确保质量，施工操作者干好质量，检查者确定质量。把质量管理的每项工作、每个环节具体落实到每个部门、每个人。

2建立材料检验制度。严格把好材料、成品、半成品的质量关。所有的进场材料，均具有出厂合格证和材质化验单，材料的物理、化学性能满足工程要求，对水泥、钢材必须进行复检，超过三个月的水泥或受潮结块的水泥坚决清理出现场，对于砂、石料含泥量超过规范规定的，采取清洗或过筛措施。混和料配合比按规范和设计要求进行配合比设计，经试验合格后，才能用于施工。新材料、新产品，要对其做出技术鉴定，制定出质量标准和操作规程，才能在工程上使用。

3建立质量奖惩制度。坚决贯彻“争创行业一流，实现顾客期望，奉献满意工程”的质量方针，实行质量奖优罚劣制度；惩罚采取“三不放过”的原则。

4按规范要求认真进行各工序的检查和签证。检查程序：首先由班组质检员检查，然后再由队技术负责人和经理部质检工程师检查。最后通知监理工程师检查，并按监理工程师指示进行整理、完善，直到达到规范标准。

7、 安全措施

施工中除遵守国家相关安全管理规定外，根据本工法的特点，采取以下安全措施：

1建立完善的安全管理体系和管理制度，建立专门的安全生产机构，严格三级安全教育，严格安全检查制度。严格按照《铁路工程施工安全技术规程》组织施工。

2对参建人员进行各项安全生产作业的培训，进行应急处理和事故抢险演练，参建人员必须经考核通过方可上岗。

3施工时应先行做好洞口边坡防护及天沟等防排水设施，再进行洞口开挖，尽早修建洞门及洞口段衬砌，保证施工安全。

4应严格按要求进行超前地质预报，采取TSP远距离，地质雷达中距离，超前地质钻近距离相结合的综合超前地质预报手段，并据此进行综合分析，结合围岩情况合理调整施工方案，确保施工安全。

5 施工时应配备足够的抽水设备，若揭示溶洞、溶槽，应加强安全防护。

6 应加强监控量测，当变形异常时，应立即加强钢架和径向支护，及时衬砌并作必要加强，确保施工及结构安全。

7 保证与洞外生产组织调度中心联络畅通，配备符合本隧安全要求的应急照明设备、抢险物资等，保障施工抢险可靠有效。

8各种机械设备的操作人员未经考核不得上岗。

9施工时，严格操作规程，隧道内的作业，严禁超限和违规操作，确保施工安全。

10爆破施工时，严格按照爆破设计控制装药量。

11隧道爆破事故的预防：开挖中进行爆破时，要严格控制爆破规模，遵循"短进尺、弱爆破"的原则，防止发生爆炸事故；爆破时要按规定设置合格的警戒；通电后放不响时，一定要先取下钥匙和母线，再等一定时间再进入检查，以防不测；处理拒爆、残爆时要按规定严格操作；爆破后，要等炮烟吹散到能对掌子面进行观察时再进入工作面；封足炮泥，严禁用杂物当炮泥装入炮眼；爆破前后对工作面要及时洒水。

8、环保措施

为了加强对环境的保护工作，从源头预防环境污染和生态破坏，促进经济、社会和环境的全面协调可持续发展，根据《中华人民共和国环境影响评价法》、《中华人民共和国节约能源法》、《中华人民共和国水污染防治法》、《建设项目环境保护条例》展开施工。

1施工中严格遵守国家现行有关环境保护的法律、法规，坚持“以防为主、防治结合、综合治理、化害为利”的原则，采用有利措施，防止破坏自然环境。

2施工期间始终保持工地的良好排水状态，修建有足够泄水断面的临时排水通道，并与永久性排水设施相连接，不形成淤积和冲刷；施工平面布置尽量利用永久征地，减少对耕地或林木的破坏，避免水土流失，保持生态平衡；施工营地和施工现场的生活垃圾，设置临时堆放场集中堆放，定期清至环保部门指定场所；隧道出碴、清理场地的废料，按图纸规定或监理工程师要求运至指定弃碴场，并做好防护工作。

3施工作业区随时进行洒水，较少灰尘污染；易于引起粉尘的细料或散料进行遮盖或适当洒水。运输时用帆布、盖套遮盖。不在工地燃烧各种垃圾及废弃物，防止污染空气。

10、应用实例

本工法应用于兰渝铁路鲁坝隧道进口段。

鲁坝隧道工程位于甘肃省宕昌县境内，为兰渝线兰州至广元段一双线隧道，最大埋深280m，隧道起讫里程为323+846—327+825，全长3979m。

鲁坝隧道通过区位于秦岭褶皱系中,地质构造复杂，褶皱发育。本工程部分基岩地层为V级围岩，施工过程中有出现突水、涌水的可能，隧道容易坍塌、掉块，变形严重，对施工影响较大，施工难度大；

鲁坝隧道进口DK323+846-DK323+984浅埋段长138m，覆盖层7—15m； 隧道（DK324+674）处地表发育泥石流，该处埋深10m，线路通过泥石流的流通区，沟谷狭窄、顺直、下切作用强烈，泥石流爆发时的冲刷、侵蚀作用，可能对工程安全影响巨大。自2009年6月开始施工，2010年10月本工法形成。采用本工法，隧道顺利掘进710米；

作者简介：任杰，男，1986.02、汉族、黑龙江省齐齐哈尔、本科、工程师、研究方向：地下工程施工技术。

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