蔡 養(yǎng) 弟

(中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710054)

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30 t軸重鐵路雙線富水黃土隧道塌方處理及施工

蔡 養(yǎng) 弟

(中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710054)

以山西中南部30 t軸重鐵路臨汾地區(qū)富水黃土雙線隧道為例，從隧道設(shè)計(jì)、塌方處理、安全開挖、沉降控制、隧底加強(qiáng)等方面，闡述了隧道施工的技術(shù)措施，并歸納了黃土隧道在施工中的注意事項(xiàng)，可為今后類似工程施工提供參考。

軸重鐵路，富水黃土隧道，塌方處理，安全開挖，沉降控制

1 工程概況

山西中南部鐵路通道黃土隧道主要分布在山西省臨汾市，第四系黃土隧道群起始里程DK339+980～DK370+198，主要分布有馬家莊隧道全長(zhǎng)495 m，北卦地隧道全長(zhǎng)1 147 m，南卦地隧道全長(zhǎng)1 470 m，孔峪隧道全長(zhǎng)1 219 m，楊家掌隧道全長(zhǎng)2 610 m，紅木溝隧道全長(zhǎng)2 197 m，兩屆莊隧道全長(zhǎng)1 737 m，林馬莊隧道全長(zhǎng)545 m，干陽溝隧道全長(zhǎng)8 460 m,秦家凹隧道全長(zhǎng)3 785 m，地面高程間于700～970，隧道以Ⅳ，Ⅴ級(jí)圍巖為主,地層為第四系新黃土最大埋深270 m，最小埋深12 m，隧道為單洞雙線，軌道為彈性支撐塊無砟軌道。

山西臨汾地區(qū)處于黃土高原丘陵山區(qū)，支溝發(fā)育較多，隧道開挖揭示為砂質(zhì)黃土、粉土、粉土黏土，棕褐色，土質(zhì)均勻，結(jié)構(gòu)松散含沙量高，掌子面中下部及仰拱有滲水現(xiàn)象，為Ⅲ級(jí)嚴(yán)重性濕陷性場(chǎng)地類型。該區(qū)域水系為汾河水系支流，谷底有許多土壤孔隙水出露，其中干陽溝隧道、紅木溝隧道、兩屆莊隧道正常涌水量約1 019 m3/d，最大涌水量2 863 m3/d。

2 富水段塌方處理

干陽溝隧道在進(jìn)口累計(jì)開挖430 m時(shí)，DK362+215～DK362+245富水黃土發(fā)生地表沉降洞內(nèi)塌方冒頂，隧道洞身位于第四系中更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土層、粉質(zhì)黏土中，屬于Ⅲ級(jí)自重濕陷場(chǎng)地類型，埋深約40 m，設(shè)計(jì)為Ⅴ級(jí)圍巖。現(xiàn)場(chǎng)施工采用三臺(tái)階七步法開挖，掌子面為粉質(zhì)黏土，含水量較高約23%，仰拱處開挖后有滲水現(xiàn)象，土體遇水弱化、初期支護(hù)承受荷載增大的情況下未及時(shí)調(diào)整施工方法，施工工藝不規(guī)范，工序銜接不及時(shí)，質(zhì)量控制不嚴(yán)格，監(jiān)控量測(cè)未能及時(shí)反映塌方段沉降等綜合原因造成本次塌方。地表出現(xiàn)長(zhǎng)約29 m，寬約25 m，深3 m～4 m沉陷，塌落土體向洞口方向滑落，填充了約30 m洞身。由于安全員發(fā)現(xiàn)預(yù)警及時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)操作人員緊急逃生，未造成人員受傷和受困?，F(xiàn)場(chǎng)塌方處置方案主要如下：

1)對(duì)地面沉陷坑搭設(shè)防雨棚，四周設(shè)計(jì)截排水溝，防止雨水滲入塌方段洞頂土體擾動(dòng)區(qū)；

2)對(duì)隧道掌子面進(jìn)行噴混25 cm封閉，掌子面后10 m范圍增加橫豎門架式工鋼支撐，并在掌子面和塌方體后方30 m范圍內(nèi)每5 m增加5個(gè)監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)，每天測(cè)量一次進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)；

3)初期支護(hù)開裂地段加固處理后，在地表沉陷坑外3.5 m采用φ42壁厚3.5 mm鋼花管對(duì)塌陷土體進(jìn)行間歇式自下而上注漿加固，注漿壓力不大于0.6 MPa，水灰比0.8∶1，注漿量按照空隙率1.5倍計(jì)算，最后綜合評(píng)判注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。注漿完成后將地面沉陷坑用三七灰土回填密實(shí)，并高出地表約50 cm，最后埋設(shè)監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)定期測(cè)量分析；

4)洞內(nèi)開始施工35 m長(zhǎng)φ108管棚支護(hù)，間距40 cm，外插角5°～10°，大管棚施工完成后采用4.5 m長(zhǎng)φ42壁厚3.5 mm鋼花管施作超前小導(dǎo)管，間距40 cm，水平搭接長(zhǎng)度不小于1 m，與大管棚環(huán)向間隔設(shè)置；

5)嚴(yán)格按照三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法組織施工，Ⅰ20鋼拱間距加密至60 cm一榀，橫向連接鋼筋加密1倍，每天開挖1榀～2榀鋼架距離，經(jīng)過45 d開挖塌方段順利處理完成。

3 富水段設(shè)計(jì)優(yōu)化及施工技術(shù)

DK361+740～DK363+780富水黃土段埋深12 m～85 m，開挖橫斷面136 m2,寬度14.0 m，高度11.8 m，洞身有孔隙滲水，水量1 019 m3/d，地下水豐富，安全控制風(fēng)險(xiǎn)極大，施工重難點(diǎn)是如何安全通過大跨富水Ⅴ+(黃土)圍巖，并保證施工質(zhì)量和工期要求。

原設(shè)計(jì)采用Ⅴ級(jí)圍巖大部分段落采用格柵鋼架支護(hù)間距1 m，施工中發(fā)生格柵鋼架多次變形，平均每月進(jìn)尺只有約30 m且存在較大安全隱患，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)掌子面地質(zhì)水文情況，建設(shè)單位組織設(shè)計(jì)、咨詢、監(jiān)理、施工等單位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)會(huì)勘，圍巖變更為Ⅴ(黃土)，部分中臺(tái)階出水地段采用Ⅴ+(黃土)支護(hù)參數(shù)，開挖按照三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法，主要把格式鋼架優(yōu)化成Ⅰ20型鋼，Ⅴ(黃土)間距0.8 m，Ⅴ+(黃土)間距0.6 m加強(qiáng)了初期支護(hù)，二襯設(shè)計(jì)參數(shù)未做調(diào)整?，F(xiàn)場(chǎng)施工中發(fā)現(xiàn)上臺(tái)階施工臨時(shí)仰拱極其不方便且因每次等噴混凝土強(qiáng)度開挖進(jìn)度緩慢，經(jīng)分析研究進(jìn)行了優(yōu)化，把上臺(tái)階臨時(shí)仰拱法換成核心土法，中臺(tái)階、下臺(tái)階仍按設(shè)計(jì)采用臨時(shí)仰拱法施工，在出水較大情況下中臺(tái)階臨時(shí)仰拱中增加工鋼橫撐加強(qiáng)，平均每月累計(jì)進(jìn)尺50 m～60 m。開挖工法效果圖見圖1。

3.1 開挖上臺(tái)階

利用上循環(huán)架立的鋼架施工隧道超前小導(dǎo)管支護(hù)，人工配合小型挖機(jī)每次開挖一榀鋼架進(jìn)尺，同時(shí)在上臺(tái)階預(yù)留核心土，在滿足施工情況下盡量預(yù)留大的核心土減少掌子面臨空面積，防止坍塌。

3.2 開挖中臺(tái)階

在滯后于上臺(tái)階約5 m，人工配合機(jī)械，一次開挖2榀鋼架進(jìn)尺。中臺(tái)階有一定量滲水積水，土體天然含水率大于23%時(shí)，開挖完成后需施作臨時(shí)仰拱噴射8 cm混凝土封閉，噴混厚度可根據(jù)水量適當(dāng)調(diào)整，可用Ⅰ20鋼支撐代替中臺(tái)階臨時(shí)仰拱。

3.3 開挖下臺(tái)階

在滯后于中臺(tái)階約7 m，拆除中臺(tái)階臨時(shí)仰拱2榀，開挖下臺(tái)階2榀鋼架進(jìn)尺。下臺(tái)階有大量滲水積水，土體浸泡在水中，開挖完成后需盡快施工下部仰拱早日成環(huán)閉合支護(hù)系統(tǒng)。

3.4 開挖仰拱及隧底換填

隧道仰拱段施工前，應(yīng)在仰拱開挖段與掌子面間設(shè)置積水井，左右兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)1.2 m3鐵方桶，同時(shí)在已施工仰拱段每間隔60 m左右，施作橫向截水溝及積水井，對(duì)圍巖滲水采取分段集中，反坡接力抽排至洞外。同時(shí)由于地下水影響，黃土已成飽和狀泥，隧道基底無法將積水、軟化的流泥清除干凈，為防止以后仰拱開裂下沉，并保證隧道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期穩(wěn)定滿足30 t軸重后期運(yùn)營，經(jīng)四方研究決定，對(duì)隧底采用50 cm厚級(jí)配碎石加摻量5%水泥換填。同時(shí)在換填級(jí)配碎石層預(yù)埋注漿花管，間距2 m梅花形布置，后期進(jìn)行定量注漿充填。

開挖后滲水效果圖見圖2。

4 沉降控制

富水黃土隧道主要工程特點(diǎn)是具有嚴(yán)重濕陷性，中下臺(tái)階有孔隙滲水積水，仰拱基底有小股流水積水，同時(shí)隧底因積水浸泡擾動(dòng)形成大量流泥。如何控制濕陷性富水黃土段隧道施工中沉降變形和隧底后期仰拱沉降變形成為關(guān)鍵，現(xiàn)場(chǎng)采取了以下主要措施：

1)采用三臺(tái)階分部勻速開挖，控制每天最大開挖進(jìn)尺，使沉降分部均勻釋放，同時(shí)考慮黃土隧道鎖腳錨桿比巖石隧道效果差，在中臺(tái)出水地段臨時(shí)仰拱中增加工鋼進(jìn)行加強(qiáng)。

2)各工序緊密銜接，初期支護(hù)及時(shí)成環(huán)，仰拱緊跟下導(dǎo)，二襯緊跟仰拱，臨時(shí)仰拱和結(jié)構(gòu)仰拱間距小于12 m，仰拱離掌子面控制在35 m。

3)施工期間應(yīng)做好抽排水工作，避免積水長(zhǎng)時(shí)間浸泡仰拱。

4)進(jìn)行基地?fù)Q填，在仰拱開挖過程中，因滲水較大仰拱低有流水積水，無法保證隧底施工質(zhì)量，增大后期仰拱沉降，并且無法在軟泥中進(jìn)行下道工序架設(shè)鋼架，嚴(yán)重影響了施工功效。本工程采用級(jí)配碎石換填后，可在基底暫時(shí)形成流水通道，隔離了飽和泥，保證了仰拱施工質(zhì)量，確保了重載鐵路隧底結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期穩(wěn)定。

5)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè),嚴(yán)格把測(cè)控量測(cè)納入施工工序進(jìn)行監(jiān)控。上臺(tái)階滲水量較少，監(jiān)控量測(cè)拱頂沉降為1.6 mm/d～2.0 mm/d之間，水平收斂為1.4 mm/d～1.6 mm/d之間；中臺(tái)階有少量滲水，監(jiān)控量測(cè)拱頂沉降為0.7 mm/d～1.3 mm/d之間，水平收斂為0.8 mm/d～1.2 mm/d之間，沉降收斂較上臺(tái)階減??；下臺(tái)階及仰拱監(jiān)控量測(cè)拱頂沉降為1.7 mm/d～2.3 mm/d之間，水平收斂為1.4 mm/d～1.8 mm/d之間，沉降收斂較中臺(tái)階增大。

結(jié)合監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)及各階段臨空面及施工時(shí)間長(zhǎng)短，下臺(tái)階及仰拱開挖是富水黃土隧道施工最危險(xiǎn)的工序，本項(xiàng)目采用短進(jìn)尺、多循環(huán)、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)原則，同時(shí)施工仰拱開挖支護(hù)一次控制在3 m，并保證臨時(shí)仰拱與結(jié)構(gòu)仰拱間距不大于12 m，同時(shí)每處增設(shè)鎖腳錨桿2根，確保初期支護(hù)穩(wěn)定安全。拱頂監(jiān)控量測(cè)曲線圖見圖3。

5 結(jié)語

1)黃土隧道宜根據(jù)隧道斷面、埋深、含水率等綜合考慮圍巖自穩(wěn)能力，選擇合適的工法，如本隧道有滲水，就不適宜三臺(tái)階七步法，宜采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法；如隧道在斷面高度滲水情況變化較大，可以把上臺(tái)階臨時(shí)仰拱法優(yōu)化成核心土法，節(jié)約臨時(shí)仰拱措施費(fèi)用，提高了功效。

2)黃土Ⅲ級(jí)自重濕陷性軟弱圍巖施工中，必須采用強(qiáng)支護(hù)限制開挖后洞體沉降變形，建議黃土隧道特別是黃土富水隧道初期支護(hù)全環(huán)設(shè)置，并盡量采用工鋼，現(xiàn)場(chǎng)施工出現(xiàn)多次格柵鋼架變形，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)施工總結(jié)分析Ⅰ16工鋼比正洞每延米用鋼量大的φ20鋼筋制作的格柵鋼架控制變形效果好。

3)黃土隧道塌方后土體已不具備自穩(wěn)能力，因此需采用注漿和超前管棚支護(hù)，并且開挖時(shí)以人工為主，機(jī)械配合，根據(jù)鋼架間距逐榀開挖，開挖后及時(shí)施工初期支護(hù)，并加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，仰拱距掌子面不大于30 m，二砌距掌子面不大于45 m。

4)黃土隧道含水率小于23%，用核心土代替上臺(tái)階臨時(shí)仰拱，用Ⅰ20鋼支撐代替中臺(tái)階、下臺(tái)階臨時(shí)仰拱施工，因工鋼可重復(fù)利用節(jié)省臨時(shí)仰拱費(fèi)用，單口平均月進(jìn)尺60 m，提高開挖效率約45%。

5)黃土隧道含水率大于23%采用上臺(tái)階核心土法，二、三臺(tái)階施作臨時(shí)仰拱施工，需長(zhǎng)時(shí)間停工時(shí)臨時(shí)仰拱中增加工鋼橫撐加強(qiáng)，并堅(jiān)持“管超前、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早成環(huán)、勤量測(cè)”的原則，有效的控制了塌方、拱部沉降與收斂，并在保證安全的情況下加快了施工進(jìn)度，單口平均月進(jìn)尺50 m，提高開挖效率約35%。

[1] 賀延西，蘇萬軍.石太鐵路客運(yùn)專線大斷面黃土隧道施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2006(7)：139-140.

[2] 張 彪.重載鐵路干陽溝大跨度富水黃土隧道施工技術(shù)[J].山西建筑，2013，39(15)：189-191.

Collapse treatment and construction technology of double-line water-rich losses tunnel of 30 t axle-load railway

Cai Yangdi

(China Railway 1st Bureau Group Co., Ltd, Xi’an 710054, China)

Taking double-line water-rich loose tunnel in Linfen region of 30 t axle-load railway in central south region of Shanxi province as an example, starting from aspects of tunnel design, collapse treatment, safe excavation, subsidence control and bottom tunnel strengthening, the paper describes tunnel construction technologies, and summarizes matters needing attention in loose tunnel construction, which will provide some guidance for similar engineering construction in future.

axle-load railway, water-rich losses tunnel, collapse treatment, safe excavation, subsidence control

1009-6825(2016)12-0135-03

2016-02-17

蔡養(yǎng)弟(1982- )，男，工程師

U455.49

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