赵彦旭

线路与桥隧

黄河高阶地复杂地质大断面隧道施工技术

赵彦旭

摘 要：结合兰新铁路第二双线兰州铁路枢纽引入工程孔家营隧道施工，介绍不同围岩地层断面所采用的开挖方法和辅助施工方法，总结高阶地复杂地质大断面不同地层组合隧道围岩的施工技术，以期对类似工程有一定借鉴作用。

关键词：黄河高阶地；兰新铁路第二双线；孔家营隧道；三台阶临时仰拱法；三台阶七步法

0 引言

随着近年来铁路建设的全面、快速发展，我国铁路建设在隧道施工过程中面对复杂多变的地质条件，特别是地质单元的复杂性与多样性时，较早期的铁路建设有了很大的进步。

兰州黄河阶地是国内最为典型的河流阶地，地层结构复杂，阶地构造变形剧烈[1]。对于黄河高阶地复杂地质条件下，大断面隧道的开挖施工实践较少，传统施工方法的适用性及其参数的选择有待论证[2-6]。通过兰新铁路第二双线兰州铁路枢纽引入工程孔家营隧道的施工，在高阶地复杂地质条件下大断面隧道的施工方法和施工组织方面获取了宝贵的经验。

1 工程概况

孔家营隧道为双线隧道，全长2959m，位于甘肃省兰州市西固区境内，地处祁吕贺兰山字型构造体系前弧西翼与河西系武威兰州构造带的复合部位（见图1）。本区主要受北北西向及北西西向两组构造的控制，构造运动十分强烈，以间歇性垂直升降运动为主，形成多级阶地，各级阶地台面高差十分显著。隧道洞身穿越地层主要为第四系上更新统风积冲积黄土、冲积圆砾土及白垩系泥岩夹砂岩，钻孔未揭示到地下水。

2 总体施工方案

2.1 进洞方案比选

孔家营隧道进口处于西固区马耳山沟内，沟谷较深且窄，洞口没有施工场地，进洞施工难度较大。根据现场实际测量，对3种进洞方案进行比选。

方案1：由马耳山市场经便桥沿沟直接进入隧道洞口。该方案需经马耳山市场进入马耳山沟，即使能够解决好市场赔偿问题，但沟内有常年流水，施工便道需修在半坡上，施工难度较大，且弃渣场选址较远。

图1 孔家营隧道平面位置

方案2：由一分部便桥出发沿乡村公路一分部弃渣场、垃圾场沿山盘旋路至隧道洞口。该方案利用一分部便桥和马耳山隧道进口的弃渣场便道，可减少重复投资。但垃圾场到隧道口高差63m，沿山盘旋进入隧道洞口，按照8%的坡度，需640m才能到达隧道口。山沟需填高40m，弃渣和原材料运输困难，且经过乡村公路和马耳山村，村民阻工风险较大。另外，该方案同样面临沟内常年流水，无法弃渣，弃渣场选址较远的问题。

方案3：从兰州石化林场开挖进入隧道。该方案经过乡村公路1．7km。该处树木较多，均属于兰州石化。赔偿问题属于与单位协商，较为简单。同时可将开挖土方弃至同侧沟内，减少运距。

经比选，方案3较为合理，原因：（1）临建总额低于前两种方案；（2）弃渣场处于明挖段出口，较为方便，减少运距。

2.2 设计方案优化

初步设计隧道施工方案为：隧道采用无砟轨道运输。洞门段采用明挖法，Ⅴ级围岩段浅埋段隧道，施工方法采用交叉中隔壁法（CRD法），Ⅴ级围岩、Ⅳ级围岩段深埋段隧道，施工方法采用三台阶七步法。

基于黄河高阶地岩土体地质特性，经施工实践，提出新方案，即Ⅴ级围岩浅埋段（黄土地层及黄土圆砾土地层）隧道采用三台阶临时仰拱法，Ⅴ级围岩、Ⅳ级围岩段深埋段（圆砾土软岩地层、黄土圆砾土软岩地层）隧道，施工方法采用三台阶七步法。

3 施工方法

3.1 洞口明挖施工

3.1.1 洞口刷坡、防排水及防护

按设计要求的坡比，首先对边坡、仰坡进行开口线的放样。由于洞口围岩为黄土，在开口线5m以外做双向截水沟，以拦截地表水，防止雨季地表汇流水对边坡及洞口造成冲刷，导致边、仰坡的失稳及冲刷洞门造成危害。同时，也防止地表水渗入开挖面，影响明洞边坡和成洞面的稳定。截水沟施工完成后，根据测量放样的开口线位置，利用挖掘机直接刷坡，人工配合修整边坡。采用装载机或挖掘机装渣，自卸汽车运渣。

当边坡开挖整修完成，经检测合格后及时采用喷锚挂网方法进行边、仰坡的防护加固。

3.1.2 开挖方法及支护措施

孔家营隧道洞口地质条件较差，为符合“早进晚出”的原则，隧道进、出口设置长度30m的大管棚进行超前支护。管棚钢管采用节长5m和10m，从而保证隧道纵向同一横断面内接头数不大于50%，相邻钢管的接头错开5m。管棚采用φ108mm热轧无缝钢管及钢花管，环向间距40cm，用φ114mm×5mm热轧无缝钢管及钢花管，环向间距40cm，用φ114mm丝扣连接钢管，连接钢管长度30cm。每一洞口管棚共有50根钢管。为了保证钻孔方向及成洞面的稳定，在明洞衬砌轮廓线外施作长1．0m、厚1m的C20钢筋混凝土导向墙和φ140mm孔口管。钢管设计仰角1°～3°，方向与路线中线平行。注浆浆液采用水泥浆液，水泥浆液以水泥为主，水泥浆水灰比1∶1。注浆压力：初压0．5～1．0MPa，终压2．0MPa。一般按单管达到设计注浆量作为注浆结束的标准。当注浆压力达到设计终压不少于20min，进浆量仍达不到设计注浆量时，也可结束注浆。注浆结束后清除花管内浆液，最后和普通管一起逐根压填M20水泥砂浆。

3.2 三台阶临时仰拱法

隧道Ⅴ级围岩浅埋偏压段（黄土地层及黄土圆砾土地层）隧道采用三台阶临时仰拱开挖法。老黄土土质结构胶结强度大，直立性好，有一定的自稳能力，局部易坍塌掉块。因此在该地层中施工时要求施工工序紧凑，及时封闭，否则将会出现喷层开裂、局部掉块现象。

三台阶临时仰拱开挖法是将隧道断面分成上中下3部分进行开挖的施工工法（见图2），要求及时施作各部临时仰拱，各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开、平行推进，具体施工步骤如下：

（1）开挖①部；施作①部导坑周边的初期支护，钢架设锁脚锚管，拱脚采用钢垫板，为保证拱脚基础牢固，防止拱顶下沉量过大，对拱脚位置采用槽钢或木板支垫；底部架立临时仰拱，喷射10cm混凝土封闭。

（2）在滞后①部5～10m距离后，先拆除①部2～3榀临时钢架，再人工配合机械开挖②部，开挖进尺为2～3榀钢拱架间距；施作②部导坑周边的初期支护；架立临时仰拱，打设锁脚锚管，封闭临时仰拱。

（3）在滞后于②部5～10m距离后，开挖③部，同时错开2m开挖④部两侧边墙，以便施作钢架，每循环开挖进尺保持在2～3m；施作台阶周边的初期支护。

（4）开挖④部其余仰拱部位，每次循环开挖进尺不大于3～4m。及时施作仰拱部位初期支护并封闭成环，封闭位置距离掌子面不得大于35m。

（5）根据监控量测结果分析，待初期支护收敛后，拆除②部临时仰拱；浇筑Ⅳ部仰拱及Ⅴ部仰拱填充。

（6）利用衬砌模板台车一次性灌注Ⅵ部拱墙二次衬砌（拱墙衬砌一次施作）。

3.3 三台阶七步法工序

利用上一循环施工的钢架作为隧道超前支护开挖①部→掌子面喷射混凝土封闭→①部导坑周边初期支护施工→交错开挖②和③部→掌子面喷射混凝土封闭→周边初喷、钢拱架施工→④和⑤部交错施工→导坑周边初喷、钢拱架施工→分台阶开挖⑥部→开挖⑦部→灌筑Ⅷ部仰拱及隧底填充（仰拱及隧底填充应分次施作）→根据监控量测结果分析，待初期支护收敛后，利用衬砌模板台车一次性浇筑Ⅸ部衬砌（拱墙衬砌一次施作）。具体工序示意见图3。

4 结论

黄河高阶地复杂地质条件下大断面隧道的开挖施工实践较少。兰新铁路第二双线兰州铁路枢纽引入工程孔家营、东坪村和小坪村等隧道穿越黄河Ⅲ级阶地，地质条件较为复杂。其中，孔家营隧道被兰新铁路甘青有限公司定义为二级风险隧道。通过孔家营隧道的施工实践，选用合理的施工方法、严密的施工组织，可以保证高阶地复杂地质条件下大断面隧道的安全施工和质量。

图2 三台阶临时仰拱法工法示意图

图3 三台阶七步法工法工序示意图

（1）选择合理的施工方法。经过比选，黄河高阶地隧道Ⅴ级围岩浅埋段（黄土地层及黄土圆砾土地层）隧道可采用三台阶临时仰拱法，Ⅴ级围岩和Ⅳ级围岩段深埋段（圆砾土软岩地层、黄土圆砾土软岩地层）隧道可采用三台阶七步法。

（2）根据现场实际情况在隧道纵深开挖过程中挑选了黄土断面DK14+190、黄土圆砾土断面DK14+240、黄土圆砾土基岩断面DK15+175、圆砾土基岩断面DK15+226四个不同地层组合的典型断面进行现场监控量测验证[7]，三台阶临时仰拱法临时仰拱能有效阻止水平方向围岩压力，减少隧道围岩变形。三台阶七步开挖法可在不同的部位采用机械开挖和弱爆破等不同的开挖方式；尤其是断面上部为圆砾土时，在保证安全和满足净空要求的前提下，能尽快调整闭合时间，有效阻止拱顶围岩压力。

（3）三台阶临时仰拱法和三台阶七步开挖法支护封闭时间短，初期支护变形小，围岩稳定快，二次衬砌支护可控制偏压对隧道稳定性的影响，确保隧道的施工安全，并加快施工进度。

5 参考文献

[1]胡春生，潘保田，苏怀，等．兰州盆地黄河800kaB．P．阶地的发现及其古地磁年代[J]．地理科学，2009(2)：278-282．

[2]铁道第一勘察设计院．阶地黄土隧道设计施工难点[R]．西安，2006．

[3]关宝树．隧道工程施工要点集[M]．北京：人民交通出版社，2007．

[4]TB10204—2002铁路隧道施工规范[S]．

[5]TB10304—2009/J947—2009铁路隧道工程施工安全技术规程[S]．

[6]TZ204—2008客运专线铁路隧道工程施工技术指南[S]．

[7]吕擎峰，刘洋，赵彦旭．兰州黄河高阶地复杂地质大断面隧道监控测量[J]．铁道建筑技术，2014(2)：1-6．

赵彦旭：中铁二十一局集团有限公司，教授级高级工程师，甘肃 兰州，730000

责任编辑 苑晓蒙

中图分类号：U45

文献标识码：A

文章编号：1672-061X（2015）05-0025-03