申运涛 谢江胜

（中铁二十局集团有限公司 陕西西安 710016）

1 前言

近年来我国中西部地区的路网设施建设步伐加快。由于中西部地区多为丘陵高原地貌，地质复杂，广泛分布有砂质新黄土、风积砂地质，多以长大隧道的方式通过。砂层隧道［1-3］在施工中受开挖扰动影响，极易出现漏砂、涌砂、塌方冒顶、沉降大变形等现象，施工难度极大。

针对该种工况，通常做法是采取洞内或洞外注浆加固等措施。本文从另一个角度出发，采取改变施工工法、加强支护措施、合理组织施工管理等措施方面进行专项研究。

2 砂层段地质情况及施工难度分析

2.1 不良地质情况

新建蒙西至华中地区铁路煤运通道工程麻科义隧道位于陕西省延安市姚店镇境内，为单洞双线隧道，正洞全长8 728.55 m，最大埋深约234 m。隧道洞身穿越部分多夹有细砂层、细圆砾土，层间结合差，开挖后易发生剥落、产生坍塌。

隧道DK359＋900～DK360＋035段存在砂层，主要位于黄土和土石界面之间。洞身断面拱部1～3 m范围内为中砂，黄褐色，密实，稍湿，砂质均匀，呈松散结构；砾岩，灰褐色，碎屑结构，块状构造，强风化～弱风化；砂岩，灰褐色，砂质结构，层状构造，强风化～弱风化，呈角砾碎石状松散结构。浅埋段洞身地下水为基岩裂隙水，水量较大，见图1。

图1 DK359+943断面地质素描

2.2 施工面临的主要困难

（1）拱部砂层垮塌

隧道开挖拱部为中细砂层，自稳性较差，其余部分为砾石土、砂岩夹泥岩，需爆破开挖。受爆破扰动，拱部砂层垮塌严重，形成大的空洞，对下方施工人员的人身安全带来了安全隐患，见图2［4］。

图2 拱部砂层垮塌

（2）掌子面溜塌

由于隧道浅埋砂层段上覆地层较薄，开挖引起的变形极易诱发地表变形和围岩大变形。由于砂层的物理力学性质较差，开挖后围岩自身难以形成支撑环来维持洞室稳定。若施工方法和支护加固措施选取不合理，会使围岩产生过大变形，从而引起围岩坍塌破坏，甚至冒顶。因此合理选择开挖方法以及超前支护（加固）技术对掌子面的溜塌控制具有决定性作用。

（3）围岩变形

受到隧道开挖扰动的影响，围岩中原始应力的平衡状态被破坏，产生应力重分布，岩体的受力状态改变，致使岩体的强度降低，承载能力下降。当二次应力值大于岩体强度时，岩体发生塑性变形，形成围岩松动圈，隧道发生内空收敛变形［5］。

围岩中砂层及破碎的泥岩夹砂岩稳定性差，若采取的初支结构承载力不足，当围岩应力集中达到一定值后，会造成初支急剧变形破坏。初支结构被破坏后，变形进一步加剧，极易造成初支侵限。因此应根据围岩的变化情况及时调整支护参数及预留变形量。

3 施工关键技术

参照大断面黄土隧道施工关键技术［6-8］，确定主要施工顺序：上台阶（两侧拱脚部分石质）及中下台阶测量放线，严格控制炮眼间距→固定人员钻孔爆破→使用带松土器的挖机进行拱部砂层开挖修整→人工修整拱部开挖轮廓线→上中台阶出渣→上中台阶初支钢架安装→下台阶及仰拱开挖出渣→下台阶及仰拱初支钢架安装（同时上中台阶喷射混凝土）→下台阶及仰拱喷射混凝土→进入下一循环施工。

3.1 开挖工法选择

拱部砂层段落围岩综合判定为V级，采用Vb土复合式衬砌。该段落采用三台阶预留核心土法［9］开挖，上台阶长度不超过4m，中台阶长度5m。为减少爆破扰动，下台阶长度适当加长，但最长不得超过20 m。

因拱部砂层自稳性较差，故采用逐榀开挖，严格控制每一循环的开挖进尺。在下部石质部分松动爆破完成后，应立即采用人工配合机械（安装了松土器的挖掘机）进行上台阶的开挖修整，尽量缩短围岩的暴露时间。下台阶开挖与上中台阶支护施作，下台阶支护与上中台阶喷射混凝土作业交叉进行。

3.2 支护参数及预留变形量设置

（1）初支采用H230格栅钢架，间距60 cm；C25喷射混凝土，厚度30 cm；单层φ8钢筋网片，20 cm×20 cm。在上、中、下台阶每节点处各打设4根φ42×5的锁脚锚管，每根长4 m，在施作之前预注1∶1水泥浆，以增强锁脚锚管的抗压强度。施作角度为向下30°～45°。

（2）二次衬砌采用C35模筑钢筋混凝土，厚度50 cm。

（3）预留变形量根据监控量测数据进行动态调整，含水砂层段按照10～15 cm设置，无水砂层段按照15 cm设置。

3.3 超前支护施工

超前支护措施为φ89超前短管棚＋φ42超前密排小导管。

（1）φ89超前短管棚施工

为防止塌孔，采用潜孔钻机从两侧拱脚向拱部方向依次施作。φ89超前短管棚配合3～4环φ42超前密排小导管为一个循环。

（2）φ42超前密排小导管施工

超前小导管施工直接影响拱部围岩的超欠挖及稳定性。

若开挖台车长度不能满足小导管的施工要求，则先采用2 m的短钻杆预先成孔，完成后更换成3.5 m的长钻杆成孔。超前小导管外插角应控制在10°～15°，钻孔时风枪前端位于钢架腹板上固定孔位处且保证距离掌子面1 m（与线路中线平行）处，风枪枪身高度为18～27 cm。

3.4 下部石质松动爆破及超挖控制技术

因拱部的砂层自稳性较差，在隧道下部为石质需爆破开挖的地段，采用分区域、分段位、多打眼、少装药、间隔爆破等方式，以减少爆破施工对拱部砂层的扰动。

3.5 初支施工

（1）钢架安装

若因超挖或坍塌造成进尺过大（超过10 cm）时，应增设一榀钢架，确保钢架紧贴掌子面围岩。在上、中台阶拱脚处采用泡沫铝或混凝土垫板进行支垫［11］，见图 3。

图3 拱脚处支垫

（2）钢筋网片施工

相邻网片搭接不小于一个网格；若超挖较大，则采用2～3层钢筋网片，喷射混凝土直接封闭。

（3）锁脚锚管施工

为保证锁脚施工角度，采用洞渣或简易小平台，实现洞身“中间高，两侧低”，为作业人员创造条件，提高锁脚施工质量。

（4）喷射混凝土施工

(1) 开挖后的层状岩质边坡，围岩的应力场会重新分布，应力集中主要发生在拱顶附近，为压应力，其值随深度的增大而增大。拉应力集中发生在坡面附近。剪切应力主要发生在第二控制软弱结构表面附近。第一控制结构面上的剪应变最大，且主要的剪切应变沿着控制结构面分布。

采用湿喷机械手进行喷射作业。每次施工时，必须将靠近掌子面的初支钢架端头采用喷射混凝土封闭密实，避免临空面过大而造成围岩坍塌。

在支护过程中安排专职安全员时刻观察拱部砂层的稳定情况，一是确保下方施工人员的人身安全，二是发现有漏砂处及时插入网片加强支护。每循环的钢架必须紧贴掌子面，在喷射混凝土时钢架与掌子面的间隙必须封闭，防止拱部的砂层继续向前方垮塌，形成恶性循环。

（5）初支背后回填注浆

虽然采取了一定的超前加固措施，但受到过大的爆破振动或施工工序衔接不紧促等因素的影响，松散的砂层结构极易产生坍塌掉块现象。若产生较大坍塌，需要在常规喷射作业完成后，再使用粉煤灰砂浆或C20细石混凝土进行拱部回填。

对于拱部超挖最大的位置，在初支钢架安装时预埋φ89注浆钢管，钢管外露15 cm，且不能紧贴岩面，距离超挖顶面预留5 cm，以免注浆料无法灌入。根据拱部需要回填的范围确定预留钢管的根数，一般预留2～3根即可，见图4。

图4 拱部预留注浆管

回填时间一般在初支施工后3 d左右，喷射混凝土3 d强度约为15 MPa。根据拱部需要回填的方量可分为两种情况进行回填注浆：回填方量不大于10 m3，可直接使用车载泵进行拱部回填；回填方量大于10 m3，需要在已支护好的上台阶钢架处设置临时钢支撑加固，并布置监控量测点进行观测。

使用车载泵进行泵送时，采用间歇式泵送，泵送速度不得超过10 m3/h，并时刻观察监控数据，每15 min采集一次数据，当两次采集的累计数据大于5 mm时应立即停止泵送，加强临时支撑系统，以提高泵送回填时原初支的稳定性，见图5。

图5 拱部回填注浆及监测现场

3.6 安全步距控制

根据砂层段变形释放快、易失稳的特点，在原铁道部120号文的基础上，结合蒙华公司施工理念和现场实际围岩的特性，施工过程中以“仰拱封闭成环距掌子面距离不超过25 m，二衬仰拱、拱墙衬砌紧跟”的强制性规定来指导施工，这一强有力的措施很大程度上保证了施工安全［12］。

4 监控量测数据分析

4.1 监控量测情况

按5 m间距设置量测断面，每个断面埋设5个观测标，进行变形观测。该砂层段落长135 m，埋设监测断面28个，共埋设140个观测标。

经统计，拱顶沉降GD累计最大值为13.8 mm，其最大变形速率为3.9 mm/d。水平收敛SL1累计最大值为-19.9 mm，其最大变形速率为-4.1 mm/d；水平收敛SL2累计最大值为-17.06 mm，其最大变形速率为-4 mm/d。

为体现出砂层段的变形特征，选取该段落中拱顶沉降和周边收敛累计值最大的断面DK359＋940、DK360＋020作为典型断面。

（1）DK359＋940典型断面

上台阶施工时间2017年6月4日，中台阶施工时间2017年6月7日，下台阶施工时间2017年6月24日。典型断面的变形趋势见图6。

图6 隧道DK359+940典型断面测点变形曲线

GD累计变形13.8 mm，SL1累计变形-4.2 mm，SL2累计变形-3.2 mm。初支成环时，GD累计变形量占总变形量的101%，SL累计变形量占总变形量的69%。初支外观无异常。

（2）DK360＋020典型断面

上台阶施工时间2017年4月26日，中台阶施工时间2017年4月29日，下台阶施工时间2017年5月11日。典型断面的变形趋势见图7。

图7 隧道DK360+020典型断面测点变形曲线

GD累计变形12.6 mm，SL1累计变形-19.9 mm，SL2累计变形-5.2 mm。初支成环时，GD累计变形量占总变形量的88%，SL累计变形量占总变形量的104%。初支外观无异常。

4.2 典型断面数据分析

对上述典型断面的量测数据进行分析，得出以下结论：

（1）通过分析累计变形值可知，采用超前加固和超前支护措施的砂层段初支水平收敛SL2大于拱顶沉降GD和水平收敛SL1，其变形特征以收敛变形为主，拱顶沉降和水平收敛变形均在可控范围之内，整体上初支变形累计值均不大（20 mm以内）。

（2）初支变形主要发生在施工初支成环之前，故控制上、中台阶开挖支护时初支变形和压缩上台阶开挖至初支成环的时间间隔，可减少初支累计变形量。

（3）采用超前加固和超前支护措施后，在施工过程中各量测断面均未出现预警，初支表面未出现起皮开裂等异常情况。监控量测方案确定的预警值适用于该种工况下的黄土隧道。

（4）在监测数据无异常时，监测数据采集频率按设计的1次/d来进行。施工过程未出现异常情况，故此量测频率满足施工安全需求。

5 结束语

（1）砂层的自稳性较差，导致超挖难以控制，是施工过程中最难解决的问题，所以合理地选择支护参数是关键。

（2）施工人员在砂层段下方施工，首先要保证人身安全，所以在施工过程中必须要配备专职安全员，对拱部砂层的变化情况实时观察。

（3）需要爆破开挖的地段，采用分区域、分段位、多打眼、少装药、间隔爆破的措施，以减少对拱部砂层的扰动。

（4）超前支护小导管的间距应根据砂层分布情况进行动态调整，间距应控制在15～20 cm。且小导管端头入岩深度不能小于1 m。小导管越密集，越能防止大块的围岩掉落，保证施工人员的人身安全。

（5）钢架支护必须紧贴掌子面，喷射混凝土时钢架与围岩之间必须封闭，防止垮塌砂层继续向前发展。开挖过程中要注意对各台阶钢架连接板的保护，只有连接板不被破坏，钢架间才能有效连接，起到初支的作用。

（6）拱部的空洞及时回填，回填过程采用间歇式泵送，泵送过程中要对初支进行观察。