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浅埋段软弱富水围岩隧道施工技术探讨

发表时间：2021/3/16 来源：《建筑科技》2020年8月下作者：周斌

[导读] 浅埋段软弱富水围岩隧道在施工中容易存在坍塌、突泥、突水、冒顶等安全隐患，所以一直是隧道工程施工的重难点。因此，本文将以新建合肥至福州铁路客运专线闽赣段IV标上梅隧道为例，首先研究探明软弱围岩隧道复杂地段的地质情况，然后探讨采取洞内水平旋喷桩加固施工和地表袖阀管注浆施工对围岩进行加固和支护，最后确定三台阶上部分步开挖法开挖的施工工艺，成功达到本隧道快速安全有效的施工，为类似浅埋段软弱围岩施工提供借鉴

江西南昌中铁城建集团南昌建设有限公司周斌 330002

摘要：浅埋段软弱富水围岩隧道在施工中容易存在坍塌、突泥、突水、冒顶等安全隐患，所以一直是隧道工程施工的重难点。因此，本文将以新建合肥至福州铁路客运专线闽赣段IV标上梅隧道为例，首先研究探明软弱围岩隧道复杂地段的地质情况，然后探讨采取洞内水平旋喷桩加固施工和地表袖阀管注浆施工对围岩进行加固和支护，最后确定三台阶上部分步开挖法开挖的施工工艺，成功达到本隧道快速安全有效的施工，为类似浅埋段软弱围岩施工提供借鉴。
关键词：软弱围岩；隧道；施工技术
        伴随我国铁路建设飞速发展，浅埋段软弱富水围岩隧道也越来越普遍，但浅埋段软弱富水围岩隧道的施工又需要很高的技术要求。稍有不慎，就会对整个隧道工程施工的质量造成很大影响，也比较难控制施工成本。但是如果在施工过程中充分探明复杂地段围岩情况，利用合理的施工技术，加强各阶段的技术应用指导，把质量放在首位，在保证质量和人员安全的基础上，进而来控制保证工程的经济效益最大化。
        一、工程概述
        新建合肥至福州铁路客运专线闽赣段IV标上梅隧道全长3824.5米，其中V级围岩为1204.5米，占全长的32%。其中DK567+075-DK567+300里程为浅埋段软弱富水围岩，围岩状况较差，最小覆土厚度为3.6米，最大覆土厚度达13米。大部分岩体为全风化云母石英片岩，地表为灌溉水田，坡面植被较为丰富，地下水较发育，上升泉较多，遇水容易塌陷。因此，该里程段也作为全隧道工程重点控制实施，所以怎样快速安全有效通过该里程段施工，研究总结一套适合该地质地形情况的施工工艺，对提高隧道施工水平，减少安全风险性，降低事故发生率，提升经济效益，有着很大价值。
        二、浅埋段软弱富水围岩主要工程地质特点
        1.围岩松散破碎、粘结性弱：围岩很大部分由土层、风化岩体层、压缩破碎带等组成，因为围岩结构松散破碎，岩体之间的粘结性弱，洞室开挖后仅依靠颗粒间的摩擦和弱胶结作用成拱。这样极不稳定，很容易导致浅埋地段出现坍塌冒顶。
        2.围岩遇水易软化、强度弱：隧道地质情况主要岩性为全风化云母石英片岩，强度弱、稳定性不好，遇水易风化软化且容易坍塌。
        3.围岩结构面松软、易塌陷：受结构面切割影响严重的围岩岩体中普遍存在。由于围岩结构面的粘结性又较弱，施工过程中四周岩石容易产生滑移和坠落等变形破坏情况。
        三、实施步骤及施工重难点控制
        新建合肥至福州铁路客运专线闽赣段IV标上梅隧道始终以“新奥法”为主要施工原则，遵循“短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测”的施工理念，“确立科学发展、内结外合、引进吸收、抓住重点、精益施工、及时跟进、分阶段验收的原则，确保基础先进发展”。以上梅隧道浅埋段工程为载体，探讨适合浅埋段软弱富水围岩施工的施工工艺。
        1.实施步骤
        第一步的难点集中在如何准确的探明隧道掌子面前方围岩情况进行技术研究,根据现场实际情况综合考虑,采用多种技术手段进行探明隧道围岩及水系分布情况,如:TGP206、地质雷达、超前钻探、地表勘探孔等技术手段，经过反复开挖后验证，跟开挖后实际围岩地质情况基本相同。
        第二步的难点集中在采取何种技术手段对围岩进行加固和支护。从相邻类似隧道工点、相邻标段隧道和专业加固公司进行了广泛的调研，从加固工艺上进行反复比选，在经济、安全、有效的原则下进行分析比较，故考虑采用洞内水平旋喷桩加固施工和地表袖阀管注浆加固施工，经现场实践后达到理想效果。分析简略如下：
        （1）洞内水平旋喷桩加固施工
        ①原理：水平旋喷桩桩径60cm，采用水泥单液浆，注浆压力30~40Mpa,其原理是通过水泥浆置换原土层，并采取啮合布置起到止水、隔水作用，但其抗剪能力差。适用于富水软弱松散土层，淤泥、淤泥质土，砂质地层，塌方等地段的拱顶预支护，应在隧道开挖之前完成。
        ②施工周期：施工按20m一循环布置，环与环搭接3~5米以上，水平高旋喷桩施工从搭设设备到拆除设备施工时间为11天左右，管棚时间需要7天左右，共需18天左右时间。期间隧道掌子面不能作业，隧道掌子面开挖每月12天左右。
        ③施工成本：经调研数据了解约为1280/米，折算到隧道每延米为75000元/米左右。（不含隧道窝工费用）
        （2）地表袖阀管注浆施工
        ①原理：采用φ50袖阀管，含实管和花管，在隧道表层垂直方向进行钻孔，后分层注浆，采用水泥单液浆或双液浆，注浆压力5～10Mpa,其原理是通过水泥浆液填充岩体之间的孔隙和孔洞，以达到止水和固结岩体的作用，适用于富水软弱松散及隧道埋深小于20米深的隧道地层，对易产生塌方隧道地段的上部进行加固，应在隧道开挖之前完成。
        ②施工周期：施工布孔按2.0m矩形布置，根据钻机配套数量，单台钻机每天可施工8～10根，期间隧道掌子面可进行作业，隧道掌子面开挖月施工25～28天左右，另需3～5天施作洞内洞身长管棚。
        ③施工成本：经调研多家专业队伍，综合单价约300元/米。（无隧道窝工费用）
        第三步难点集中在开挖施工工艺上。本隧道浅埋段施工工艺对比如下表所示：

        综上比较，经过多方商量讨论，最后确定使用三台阶上部分步开挖法施工。其施工工艺如下：
        （1）首先搭建钢架对隧道围岩进行前期支护，然后对①部弱爆破开挖，喷射5cm厚混凝土对①部周边岩体进行加固。搭设锁脚钢管，再在导坑底部和侧面搭设工字钢架形成临时仰拱，接着喷射20cm厚混凝土加固，出现状况时提前密封掌子面。而后钻孔放置锚杆，再喷射混凝土进行加固岩体。
        （2）施工完①部接着在①部后3-5m对②部弱爆破开挖，喷射5cm厚混凝土对②部周边岩体进行加固，后搭设初期钢架和锁脚钢管。再在导坑底部和侧面搭设工字钢架形成临时仰拱，接着喷射20cm厚混凝土加固，出现状况时提前密封掌子面。而后钻孔放置锚杆，再喷射混凝土进行加固岩体。
        （3）施工完②部接着在②部后3-5m对③部弱爆破开挖，喷射5cm厚混凝土对③部周边岩体进行加固，后搭设初期钢架和锁脚钢管。接着在导坑底部喷射8cm厚混凝土形成临时仰拱，而后钻孔放置锚杆，再喷射混凝土进行加固岩体。
        （4）施工完③部接着在③部后3-5m对④部弱爆破开挖，喷射5cm厚混凝土对④部周边岩体进行加固，后搭设初期钢架和锁脚钢管。再在导坑周边喷射混凝土进行加固岩体。
        最后对仰拱及隧道底部进行灌注，对初期支护做到动态监控直到收敛，后使用衬砌模板台车对拱墙和衬砌统一浇筑。
        2.施工重难点控制
        （1）监控量测
        根据新奥法施工原理，监控量测一直是隧道作业的核心环节，主要有地表下沉、支护情况观察、拱顶下沉观察、周边收敛情况等。通过动态监控量测，对围岩稳定性做出评估，从而确定支护形式有效性，评估支护结构的安全性和合理性，发现问题及时做出调整，以确保施工工序施工安全。
        （2）隧道塌方预防
        ①施工之前充分探明隧道四周地质结构状况。施工过程中认真观察和量测软弱围岩动态变化，然后根据不同情况安排施工作业。严格依照当时审核的方案落实到位。
        ②施工之前收集好软弱围岩的全部相关资料，加强现场技术人员施工技术交底和施工规范的落实，做好对施工过程中出现的围岩各种问题的及时沟通，然后及时做好调整。
        （3）衬砌防排水
        ①隧道防排水严格依照“防、排、截、堵”，以防为主的基本原则，通过附加防水层多重设防，从而提高结构的防水能力。
        ②在进出口洞顶仰坡开挖标高以外挖设一道截水沟，防止地表水流入主体结构。
        ③在初期支护和二次衬砌之间满铺350g/m2无纺布和防水板，然后在防水板背后设置渗水盲沟，并在侧沟设置泄水孔以及排水管，然后将排水管拉入水沟，防止地下水流入衬砌之内。
        四、结束语
        上梅隧道整个浅埋段作业没有出现一起质量安全事故，相较于以前施工方法而言，极大降低了事故的发生，比预期的施工时间提前了3个月，为日后隧道工程积累了足够的施工经验和技术措施。在技术研究过程中取得了一定的经验和成绩，如下：
        1.新增地表地质勘探孔，结合洞内超前地质预报手段，结合洞身长管棚辅助地质预报等手段，有效掌握了隧道掌子面前方状况，及时做到了方案优化、方案调整和应急预案，预控。
        2.运用袖阀管注浆加固施工方案，保障了隧道作业过程中的安全，降低了安全风险，为洞身开挖保驾护航。
        3.优化了开挖工法，降低了人员投入，加快了施工进展，单月最高施工进度指标达到42m/月，最低也达到了37m/月。
参考文献：
[1]当胡峰.浅论软弱围岩隧道施工技术[J].科学时代.2014,(06).
[2]梁飞.软弱围岩隧道施工技术研究[J].科技资讯，2010(32).
[3]何晓敏.分析软弱围岩隧道施工技术[J].城市建设理论研究.2014,(17).
[4]中华人民共和国行业标准.铁路隧道施工规范(TB10204-2002)[S].北京：中国铁道出版社，2002.