复杂地质条件下铁路隧道施工技术的研究

复杂地质条件下铁路隧道施工技术的研究

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

摘要：我国近年的高速铁路建设正在飞速发展建筑中，而在地质恶劣的条件下进行隧道施工是当前影响铁路建设的主要障碍之一，论文针对兰渝铁路新寨隧道浅埋、富水卵石地段施工变形控制及安全、快速施工问题，研究了大断面隧道穿越浅埋、富水卵石地层变形特性及工程应对措施，运用理论分析以及现场监测等方法，对施工中围岩及隧道支护进行研究，为新寨隧道的施工提供有力的技术保障。

关键词：隧道施工；施工技术；地质条件

1.引言

隧道施工中岩性决定着施工的整体安全和进度，围岩松散、破碎、风化严重，则岩体整体强度低，个别隧道开挖后自稳时间仅为几个小时，甚至没有自稳时间，易出现冒落破坏，形成安全事故。因此，为安全、优质、快速完成该隧洞的施工，论文依托新寨隧道为例，主要针对浅埋富水卵石地段安全快速施工提出了解决方法。

2.隧道的概况及其特点

新寨隧道全长612米，围岩类别主要为Ⅴ、Ⅵ级，属软弱围岩。围岩主要为碳质千枚岩，卵（砾）石，隧道线路下穿两山夹一沟。沟谷段长60m，沟谷段主要岩性洪积细角砾土、粗角砾土。围岩松散破碎、风化严重、自稳性极差，工程地质条件差对整体的安全和进度有着严重的影响。

3.主要综合施工技术

表1 衬砌参数表

3.1超前管棚及小导管施工

图1 超前小导管工艺流程图

3.1.1注浆技术参数

根据地质情况，按渗透系数确定注浆类型，进行注浆设计。注浆设计主要进行注浆压力、注浆半径、单管注浆量和浆液配比的选定。

注浆压力：一般为地下水静水压的2～3倍，同时应考虑岩层的裂隙阻力，根据现场情况试验后确定。

浆液的扩散半径r：根据已有资料进行工程类比及现场岩体注浆试验情况选定注浆压力范围，确定浆液扩散半径r的大小。

单孔注浆量：Q注=πr2hηβ

式中：r——浆注扩散半径（m）

　　　h——压浆段有效长度（m）

　　　η——岩石裂隙率

　　　β——浆液在裂隙内的有效充填系数

浆液配比：水泥单液浆先按水灰比1：1，速凝剂参量5％配制，根据实际情况调整。其它浆液也应根据实际情况调整。

注浆材料一般有水泥浆、改性水玻璃、水玻璃和CS浆，采用何种注浆材料应视地质条件选用，注浆材料可参考表2选用。

表2 注浆材料选择参考表

3.2管棚施工

在施工中为了确保前方开挖的安全，同时控制开挖支护后减小钢架下沉变形，在沟谷段采用超前小导管的同时，结合洞身管棚。洞身管棚采用φ108mm的无缝钢管，纵向长度10～15m。

图2 洞内管棚施工示意图

3.3三台阶七步法施工

三台阶七步开挖法可分为以下主要步骤：

第一步

⑴机械辅以人工开挖，最大进尺不得超过1.5m，严格控制超欠挖。

⑵采用弱爆破时，严格控制装药量，减少围岩扰动。

2. 三步

左、右侧中台阶开挖：开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5m，开挖高度一般为3～3.5m，左、右侧台阶错开2～3m，开挖后立即初喷3～5混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架墙脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。

第四、五步

左、右侧下台阶开挖：开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5m，开挖高度一般为3～3.5m，左、右侧台阶错开2～3m，开挖后立即初喷3～5混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架墙脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。

第六步

上、中、下台阶开挖预留的核心土。

⑴ 开挖进尺应同隧道开挖进尺一致，最大不得超过1.5m。

⑵ 便于机械、人工作业方便，提供作业平台。

图3三台阶七步法施工效果图

图4 三台阶七步法施工横断面图

图5 三台阶七步法施工平面图

4.技术要点分析

对于超前支护来说，结合开挖轮廓线利用超前小导管做为超前支护结构，钢管直径需要设置为42毫米小导管，拱部150度范围内进行施工，超前小导管的长度为4.0米，施工外插角度为12度，搭接长度高于2.0米，小导管的尾部与拱架腹部焊接连接，进而能够强化共同支护效果，在钢管内部需要进行水泥沙浆的充填。对于上部弧形导坑开挖时，需要在拱部超前支护下进行上部弧形导坑开挖，首先利用挖掘机环向开挖上部的环形导坑预留核心土，其长度宽度为3×5米，根据初期支护钢架间距确定开挖循环进尺间距为0.5-0.6米，开挖之后需要及时进行初喷，在钢架拱架角上部30厘米位置处紧贴钢架两侧边缘，倾角25度搭设4根锁脚锚杆，将钢架与锁脚锚杆尾部进行有效焊接。对于中台阶左右侧错开开挖时，需要根据初期支护钢架的间距来确定开挖进尺，两侧钢拱架的长度为1.5米，开挖高度3.0-5.0米，左右侧台阶错开距离为2.5米，开挖之后还需要及时进行初期支护，在钢架脚部位置30厘米处紧贴钢架两侧边沿，按下倾角为25度搭设四根锁脚锚杆，将钢架与锁脚锚杆的尾部进行有效焊接。对于下台阶左右侧错开开挖需要根据初期支护钢架间距来确定开挖进尺，两端的钢拱架长度为1.5米，开挖高度2.1米，左右侧台阶错开距离为2米，开挖之后还需要及时进行系统支护，其长杆架在钢架墙角30厘米位置处紧贴，钢架两侧边缘按下倾角脚25度搭设两根锁脚锚管，将钢架和锁脚锚管的尾部进行有效焊接。完成一个循环后，分别开挖上中下台阶预留核心土，将各个台阶循环进尺数与开挖进指数保持一致。对于仰拱开挖成环施工来说，需要使用短距离跳槽实现仰拱开挖，每次循环开挖度应当控制在5米范围内，短距离跳槽次数低于三次，每次跳槽的间隔为4米，仰拱开挖之后还需要及时进行杂物，积水的清除，安装仰拱钢架，喷射混凝土使其达到相应的厚度，进而能够使初期支柱结构实现及时闭合成环，仰拱施工长度为9米，分段全幅浇筑混凝土，一次成型且未留纵向施工缝。仰拱填充混凝土是在仰拱衬砌混凝土终凝之后浇筑的，浇筑之前还需要及时清除仰拱表面的积水，杂物，连续进行浇筑，一次成型，仰拱填充表面的坡度应当符合相关的设计需求，要求其平顺且不积水，排水通畅。

管棚施工时应严格对角度进行控制，该开挖技术在基于超前支护下完成上部环形开挖，如果管棚角度较高开挖之后，对于管棚下部的土体整体性能较差，会出现全部脱落的问题，导致较大超挖。因此从施工角度上来看，需要合理控制管棚的角度。

合理控制混凝土喷射施工工艺，根据配合比进行混凝土配置，尤其还需要控制混凝土外加剂掺量，上下台阶混凝土面需要清理使其露出混凝土原色，且无其他杂物分层喷射，确保混凝土喷射质量。

确保拱架质量拱架法线垂直度应当满足相关的设计需求，进而能够使拱架受力良好。在具体施工过程中还需要注意单元之间节点板连接质量，螺栓松紧度，纵向连接钢筋焊接质量。

及时清除拱架脚部位置的淤泥和积水等杂质，通过设置拱架脚部锁脚锚杆并且扩大拱脚加固拱脚，强化纵向连接进而能够使围岩和初期支护形成相对完整的支护体系。

做好两侧交错开挖，避免两侧拱脚同时处于悬空的状态，严格控制落底长度，根据围岩情况要求中下台阶的开挖长度为1.5米。

做好各个工序的衔接，控制好环形开挖长度，合理进行循环进尺尺寸确定，在本隧道开挖长度应当低于0.6米，合理安排工序，减少围岩的暴露时间，防止由于长时间暴露导致出现围岩失稳的问题。

仰拱应当超前施作，仰拱距离上台阶开挖面距离为30米内，之后需要及时开展防水板，二次衬砌，在具体施工过程中还需要做好相关的质量监测，根据监测结果进行支护参数的调整，以确定二次衬砌时间实现信息化管理。

5.施工监控测量

根据该工程监控测量，结果发现在初期支护时沉降值较高，隧道水平收敛小，变形主要体现于拱顶沉降，主要在隧道的中下台阶开挖之后到达仰拱封闭成环这一过程中，如下所示为拱顶沉降变化曲线。

图6 三台阶七步开挖法变形曲线

通过分析拱顶沉降其原因主要涉及以下两点：第一，拱顶弧形导坑开挖之后其沉降较小，主要是由于锁脚锚杆和超前支护下其稳定性良好；第二，仰拱二次衬砌和仰拱填充施工后其变形基本稳定，因此在施工过程中还需要确保仰拱施工与开挖工作面距离将有效控制沉降变形。

6.结束语

新寨隧道灵活应用三台阶七步开挖法配合超前小导管注浆和洞身中管棚施工等施工方法安全顺利的通过了地质不良地段。该技术从一定程度上避免双侧壁倒坑法以及中隔壁法等临时支护拆除和受力转换导致的施工不安全因素，及时进行闭合时间调整，便于实现大型机械化施工和转换施工工序。

近年来，三台阶七步开挖法是铁路隧道施工常用的开挖法，经过多年的隧道施工结合过去的施工经验进行隧道开挖工法的技术总结，能够显著提升施工进度，节约施工成本，未来在同类型隧道开挖中的方法将会实现广泛应用。

参 考 文 献

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[5]铁路大断面隧道三台阶七步开挖法施工作业指南 .中国铁道出版社，2007

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