隧道浅埋段施工工法

隧道浅埋段施工工法

1、工法形成过程

某部负责施工的×××铁路ZQⅦ标××隧道改DK254+300～改DK259+385段的施工任务， 4#斜井工区段承担的改DK258+908～改DK259+135段227米为黄土Ⅵ围岩，其中改DK258+970～DK259+110段140米为浅埋段，覆盖层最薄处仅3米，最厚的也只有20多米。

2007年6月份，4#斜井××方向工作面当石质围岩开挖到改DK258+908，机械排险时，拱顶石质层到顶终结，出现大面积、大方量坍塌，坍塌体所揭露地质情况为结构松散的细砂，较潮湿,根据坍塌处周围地质显示，已受开挖爆破强烈扰动，没有自稳能力,地表覆层为黄土，自稳性好。根据地质钻孔资料显示，该段内隧道开挖轮廓断面范围内下部为细砂层，拱部为新黄土层。

在以后的时间内，进行过以下不同施工开挖方法：

①、按照设计要求，在开挖拱部120度范围开挖9米长超前大管棚孔、孔环向间距3个/米，间隔开挖钻孔，由于先前砂质受开挖爆破严重扰动，出现无法成孔，该法施工受阻；

②、采用4米长超前小导管和径向小导管打入，小导管开间距15cm、梅花型布置注浆孔、1.0×1.0米梅花型布置打入，注浆加固地质，本循环工序多且复杂，由于工作空间有限，而且只能流水作业，进尺缓慢；在开挖支护段改DK258+908～+923段内，出现水泥浆顺向塌方空腔内和地外陡坡砂质流走，无法起效，在开挖支护过程中，多次出现小规模的坍塌，致使洞顶空腔扩大，在改DK258+908～917处出现钢架变形严重，沉降过大，支护混凝土面开裂，采用上导坑横向钢架支撑和中隔壁钢架支撑，这样空间狭小，施工不便，在2008年两个多月内共计进尺15米，严重影响工程工期；按本方案施工，不能保证施工的安全及工程进度。

经该项目部主要领导和4#斜井工地技术人员多次现场水文、地质和实际地形勘查后，发现:Ⅵ围岩改DK258+970～DK259+110段140米为浅埋段，覆盖层最薄处仅3m，最厚的也只有20多米，根据现场垂直钻孔地质资料显示，该段内隧道开挖轮廓断面范围下部为

细砂层，拱部为新黄土层，边墙至拱部处全部为坡积土，地表为为黄土梁峁地貌，隧道断面方向洞身及开挖边坡范围呈右左走向，左侧洞身边坡范围为黄土堆积区，平坦，开阔，与4#斜井工地路程仅300米，而工地经斜井去洞身掌子面600米。

对比出，对于该段处理，提出拱部明挖明作初期支护形成护拱而后洞挖的施工方案。

2、工法特点

拱部明作护拱暗挖施工介绍：

先对浅埋段土体以1：0.25放坡开挖至拱顶上2m，在开挖的同时，将开挖坡面进行锚喷支护。锚喷支护采用的支护参数：10cm厚C20素喷砼+长2mφ22砂浆锚杆（梅花状布置），锚杆间距150cm×150cm。

拱顶上2m以下，每5m分段跳槽直立开挖，利用土模施作拱部护拱，护拱按照原计设计初期支护参数进行施工，即：I20a型钢拱架0.6m/榀，拱架间满铺20×20cm间距φ8钢筋网片，27cm厚C20现浇混凝土护拱。

护拱完成后，按原设计施作防水设施，回填素土并夯实，回填土预留2%的横向排水坡。

洞身开挖采用暗挖法施工，变更原CRD开挖方法为三台阶开挖，墙部及隧底支护按原设计施工，墙部拱架与护拱型钢拱架相连。

施工方法上，由于浅埋段场地开阔，露天施工，与洞内施工无干扰，主要工作在黄土开挖部分，施工安全，可平行施工，机械和人工利用率高，工序少，循环时间短，

示意图附后。

图2.1

与原方案比较如下：

2.1、优缺点比较 

此种方案有如下优缺点：

2.1.1 优点

① 施工方法比较简单，施工难度低，不需要大型机械设备。

② 施工工序少，进度快，在进行该浅埋段处理的同时，可同时进行隧道其它部分洞身的施工，减少各专业交叉作业，降低相互干扰，总工期受影响较小。

③ 开挖后，坡面的锚喷支护和洞身的回填夯实，施工安全性高。

④ 洞挖时减少超前大管棚及小导管支护部分工程措施，降低成本。

2.1.2、缺点

① 由于地层自稳性差，最大挖深达20多米，在进行岩体开挖时，如坡体采用较陡的坡率，采用锚喷支护，难以保证坡面岩体的稳定，如采用较缓的坡率，岩体开挖土石方工作量大。

②不易雨季施工，如施工组织不合理或施工进度计划不紧凑，很难快速完成坡体的开挖和锚喷防护，可能会拖延工期。

③目前劳动及施工机具配备需成本投入。

2．2、原设计管棚法

此方案的施工方法：垂直隧道洞身轴线方向打设φ108mm管棚，并辅以φ42mm小导管超前支护，架立I20a钢拱架，并挂网锚喷砼，每次掘进长度0.6m。此种方案有如下优缺点：

2.2.1、优点

① 不需要对山体开挖，确保山坡土体的整体性，有利于山体自身的稳定。

② 由于先施工顺着隧道轴向的超前管棚及垂直于隧道轴线走向的横向小导管，在隧道开挖过程中，洞顶覆盖层薄弱地方的围岩安全系数得以提高。

2.2.2、 缺点

① 施工工序多，工序较复杂，工期较长。

② 管棚及超前小导管施工工艺较复杂，细砂层注浆固浆效果不理想，对围岩的注浆固结效果不能保证，开挖时仍易塌落。

③ 施工采用管棚，造价相对比较高。

2.3、各方案经济性比较

根据投标单价，如按原设计管棚施工，处理需351万元（不包括隧道洞身施工）；如按暗洞明挖法施工，需增加开挖费用50万元（不包括隧道洞身施工），减少拱部支护费用及超前支护费用共计350万元，比原方案节药投资301万元。

3、适用范围

明挖明作初期支护形成护拱而后洞挖的施工方法适用于浅埋隧道工程，地质差，暗挖施工受阻，地层干旱，土地利用率低的环境下。

4、工艺原理

本施工方法采用明挖，明作大块初期支护后，再洞内暗挖、暗进的方法，减少因局部支

撑强度不够造成沉陷，增加结构整体受力的结构原理；采用加大浅埋段隧道洞身覆盖层厚度，提高隧道洞身周围地层结构内力，减弱结构重力作用在隧道洞身所占比例的基本原理；

5、施工工艺流程

5.1施工方法采用如下工艺流程：

浅埋段施工工艺流程图5.1

5.2基本工艺过程和操作要点：

1地质调查和环境调查

    在该方案提出之前，首先要调查隧道浅埋段的环境要求，浅埋地表不得有重要的结构物、或不得改变或破坏的地物地貌，降雨稀少或有旱季施工的时间，或其他不能采用本方法的因素；

地质条件要求是土质或砂质覆盖层，覆盖层浅于20米的地段，易于开挖和开挖成本较低的先决条件；应先作两侧边墙垂直钻孔地层取样或其他地质调查方法，以便准确了解地层结构。

②工程施工方案

根据地质调查，分析地层结构关系，确定边坡开挖坡率，稳固平台宽度和边坡分层高度；确定护拱施做比例和范围，土方开挖工程量的预算前，应沿隧道轴线方向每隔5米距离测量一个刷坡范围内断面面积（地表变化处必须有断面），确定土方开挖工程量和刷坡支护工程量，支护浇筑混凝土工程量进行综合成本预算，与原洞内施工方法成本进行比较，采用低成本方案施工；

3施工准备

首先要根据工程量大小确定挖掘机和运输车数量；为较快的展开局面，刚开始一般准备足够的机械设备，参与土方开挖和运输，在开挖的同时，保证在第一层台阶刷坡支护施做前，将电力设施安装到位，高压风可采用内燃空压机送风，为喷混凝土施工使用；

④土方开挖和运输及堆放

土方堆放在距离刷破线10米外地方，应沿隧道两侧就近堆放，或在回填覆盖时易于利用，首先依据边坡高度和开挖坡率进行测量放线，当边坡为结构稳定的黄土层时，坡率可调整为1∶0.25，边坡为夹层土或砂质层时，坡率应放缓至1∶0.3～0.4开挖，层高小于8米，预留稳固平台2～3米宽，当地质较差时可适当降低层高；

开挖先从刷坡线处开始起挖，采用挖掘机开挖和收集，装载机装运，运输汽车运输，堆放高度小于6米；

⑤边坡锚、网、喷支护

     边坡锚喷支护前应搭设简易移动台车，锚孔依据土质情况可采用Φ42麻花钻杆，电动机动力钻孔，钻孔方向为下倾15度角，锚固用砂浆灌满孔位，打入锚杆，锚杆材料为：Φ22钢筋、L-2.5m，1.0×1.0梅花型布置；

     网片可在现场用φ8长钢筋与锚杆头连接，间距25×25cm,网片紧贴坡面连接；

     喷射混凝土采用干喷法，喷层厚度为10cm，盖住网片，喷层密实；

边坡支护时，可根据施工场地进行平行作业，边开挖，边支护；

⑥稳定性安全判别

  边坡开挖支护过程中，应安排专人观察，检查边坡稳定情况，发现异常立即停止开挖，加强支护，修改支护参数；

⑦支护层开挖

     拱顶部位开挖时，两侧边墙采用机械快速开挖，拱顶少部分土层人工修理，及时测量护拱钢架位置，确定开挖和修理准确到位；

⑧支护钢架架设

     钢架架设前，必须测量钢架的垂直度，钢架按照测量的标高、中线和弧度摆放位置准确定位，连接板螺栓连接牢靠，钢架下必须填满垫层距离钢架底5cm空间，确保混凝土浇筑时不得侵入洞身界限，钢架两侧拱脚部位必须立模板，浇筑混凝时防止混凝土垮落，架设完后，应检查钢架之间混凝土空间和钢架是否干净；

⑨混凝土浇筑

     混凝土浇筑时，应先拱脚浇筑，再拱顶，振捣及时，可采用挖掘机端料，连续浇筑；

⑩覆盖土层

混凝土浇筑完后，及时拆除拱脚处模板，土层充分覆盖混凝土，土层覆盖时采用下一个循环开挖土层覆盖；

6、材料和施工设备

本方法施工简易，机械使用较少，使用材料和机械设备为隧道施工常用，主要材料和设备为：

                                                                表6.1

本工法在质量上，遵照国家执行的铁路行业标准，依据《铁路隧道工程施工质量验收标准》TB10417-2003/J287-2004验收文件进行验收，依据《客运专线铁路隧道工程施工技术指南》TZ214-2005进行技术指导，现场安排隧道工程师和质检工程师现场指导施工，检查操作成果，对违规操作的工人进行指导和处罚，对按规范作业的人员要进行奖励和要求其他工人观摩学习，对不合格的施工工序和成果进行返工处理；

8、安全控制

在安全施工方面，安全员对边坡进行全程盯控，发现异常吹哨子警示，及时撤离危险范围，机械开挖时，安全员要指挥开挖，对松软地层应少扰动，分层开挖，安全员全程盯控坡面变化，坡脚下施工人员要抢时间快速作业，作业完成后及时撤离坑道；开挖和坑道作业安排在白天时间施工；

9、环保措施

在环境保护方面，应按照和遵照执行贯彻执行《环境管理体系－规范及使用指南》(GB/T24001－1996), 尽量减少植被破坏，废弃的砂、石、土必须运至指定的弃碴土场堆放，做好挡护和绿化。浅埋段工程竣工后，对弃土场及施工便道等，按照当地水土保持主管部门的要求进行复耕或绿化，同时修建好排水系统，防止水土流失。

10、应用实例

在太中银铁路工程绥德隧道出口端黄土Ⅵ级围岩施工中，改DK258+960.0～改DK259+110段150米浅埋段，采用本施工方法，取得较好的效果，详细实物工作量见后表：