炭质页岩隧道施工技术

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摘 要 ：铁路炭质页岩隧道属软岩隧道，围岩类别一般为IV~V级。在兰渝铁路LYS-II标段胡家湾隧道中，针对其隧道埋深浅、岩体裂隙发育、极易掉块等特点，我们运用三台阶七步法施工，成功解决了以上难题，确保了工程质量，工程进度也一直走在前列。本文详细介绍了其施工工艺及施工过程中质量控制要点，为今后大跨度页岩隧道施工提供了经验。

关键词：铁路页岩隧道 施工 三台阶七步法 控制要点

中图分类号：U45文献标识码： A

1.工程概况

兰渝铁路胡家湾隧道为单洞双线隧道，全长2862米。采用复合式衬砌，按新奥法原理设计与施工。

隧道经过区地层主要为：零星分布为第四系全新统坡积黏质黄土、粗角砾土、碎石土以及崩积碎石土，上更新统风积砂质黄土，出露及下伏下第三系泥岩、二叠系上统砂岩夹页岩、下统石灰岩以及断层角砾、压碎岩。隧道通过f7断层及其破碎带，夹有炭质页岩。

2.施工工艺

胡家湾隧道采用新奥法，遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的原则施工，通过各种技术手段实现“动态施工”，确保施工质量。

IV、V级围岩均采用超前小导管先行，上部弧形导坑法短开挖施作拱部初期支护，再左右错位开挖及施作边墙初期支护，仰拱紧跟下台阶并及时施作，尽早闭合成环受力的三台阶七步法组织施工。

3.施工方法

3.1初期支护

对于软弱围岩，隧道的主要破坏因素就是大变形，当变形量级很大而且延续时间很长时，围岩发生蠕变，产生持续不断的破坏以至深入到围岩内部，围岩的塑性区逐渐增大，隧道衬砌将承受极大的形变压力，如果不能及时控制持续不断的变形和破坏，隧道将发生大面积坍塌。因此，对处于软层或断层破碎带的隧道，衬砌支护设计面临的主要问题是如何处理形变压力。

这就要求支护要及时施作及时封闭，且支护要有一定的柔性和足够的韧性。

3.1.1 喷锚网联合支护

喷混凝土具有及时、密贴、高强、柔性四个特点，当隧道开挖后可及时封闭开挖面，防止局部围岩变形和坍塌，但因喷混凝土抗拉强度较低，不能承受较大的荷载，而锚杆可以起到整体加固围岩的作用，可以使隧道周围形成一个加固环，大大提高隧道的承载能力，为了提高喷混凝土的抗拉强度，并敷设钢筋网，这样由锚杆、钢筋网和混凝同组成喷锚支护是软岩隧道大变形区支护的首要措施。

3.1.2 超前小导管

为把隧道开挖的影响限制在最小限度内，防止围岩的松弛，采用超前小导管法是非常有利的。超前小导管纵向具有梁的作用，横向具有拱的作用，且对岩体具有明显的固结作用，起到了保护围岩的超前支护作用。V级设计采用Φ42钢管，壁厚3.5cm，倾角5~10°，环向间距40cm。

①、小导管安设一般采用钻孔打入法，即先按设计要求钻孔，钻孔直径比钢管直径大3～5mm，然后将小导管穿过钢架，用锤击或钻机顶入，并用高压风将钢管内的砂石吹出；

②、小导管安设后,用塑胶泥封堵孔口及周围裂隙,必要时在小导管附近及工作面喷射混凝土,以防止工作面坍塌；

③、隧道的开挖长度应小于小导管的预支护长度，预留部分作为下一次循环的止浆墙；

④、需进行预注浆时，注浆前应进行压水试验，检查机械设备是否正常，管路连接是否正确，为加快注浆速度和发挥设备效率，可采用群管注浆（每次3～5根）；

⑤、注浆量达到设计注浆量和注浆压力达到设计终压时可结束注浆;注浆过程中要随时观察注浆压力及注浆泵排浆量的变化，分析注浆情况，防止堵管、跑浆、漏浆。做好注浆记录，以便分析注浆效果；

⑥、开挖掌子面根据地质条件可采用喷C20混凝土进行封闭，厚10cm；

⑦、注浆前应进行现场注浆实验，可根据实际情况调整注浆压力等注浆参数。

3.1.3 钢拱架架立

1)钢拱架架立应控制好6个方面的问题：①、钢拱架的标高；②、钢拱架的横向尺寸；③、钢拱架的垂直度；④、钢拱架的连接螺栓；⑤、钢拱架各单元连接处松散物及虚渣的处理；⑥、钢拱架的间距。安装钢拱架必须做到标高、宽度尺寸标准，上中下导钢拱架连接弧度圆顺，架立后技术干部要反复核对，确保各项数据符合设计要求。

2)钢拱架应与围岩紧密相贴，如不能紧贴时，应按规范要求，用高标号混凝土预制块填塞顶实，其点数单侧不得小于8个接触点，以确保其整体受力。钢架之间的纵向连接筋应设于拱架内缘；连接筋环向间距及长度，严格按设计要求施工，便于与下一榀钢架连接，同时要求钢拱架的纵向安装间距误差不超过±4 cm。

3.1.4 锚杆施作

1) 锁脚锚杆

锁脚锚杆在页岩隧道的施工中非常关键，必须按设计长度、数量随钢拱架的作业及时跟进。锁脚锚杆要在端头加工成L型弯钩焊接在钢拱架上，确实起到锁脚作用，防止钢拱架下沉过大。

2) 系统锚杆

为了确保系统锚杆沿法线方向布设，系统锚杆的工作台可放在上导坑核心土的后面，且一定要使用垫板，垫板焊接在钢拱架的腹部，以便加强钢拱架的稳定性，提高其刚度。系统锚杆可以在数量不变的情况下，增大环向间距；减小纵向间距；锚杆必须与钢拱架焊接，系统锚杆的注浆必须按照设计要求达到注浆压力。

3.1.5 钢筋网工程

钢筋网片必须严格按设计要求先在洞外定型加工，在洞内安装，相互之间的搭接长度不应小于20 cm。钢筋网应随受喷面的起伏而铺设，在施作前需初喷4 cm～6 cm厚混凝土形成钢筋保护层。

3.2开挖

3.2.1三台阶七步法开挖步骤

为确保施工安全，V级围岩每循环开挖进尺80cm，IV级围岩每循环开挖进尺120cm，在三个台阶上分七个工作面(见下图)，以前后七个不同位置相互错开同时开挖，然后分部及时支护，形成支护整体，缩小作业空间，逐步向纵深推进。洞身采用人工风镐配合挖掘机开挖，各台阶相距6m左右，便于出渣。同时仰拱、二衬紧跟，距掌子面分别为20～30m。

三台阶七步法开挖示意图

1、利用上一循环架立的钢架施作隧道超前支护弱爆破或人工开挖①部，同时，每循环进尺，掌子面喷5cm厚砼封闭 分部施作①部导坑周边的初期支护，即初喷4cm厚砼，架立钢架 锁脚锚杆，钻设系统锚杆 复喷砼至设计厚度。

2、在滞后于①部一段距离后，弱爆破左右交错开挖②、③部

喷5cm厚砼封闭掌子面导坑周边部分初喷4cm厚砼，施作钢架

锁脚锚杆，钻设系统锚杆 复喷砼至设计厚度。

3、在滞后于③部一段距离后，弱爆破左右交错开挖④、⑤部。

导坑周边部分初喷4cm厚砼，施作钢架 钻设系统锚杆复喷砼至设计厚度。

4、分台阶开挖⑥部。

5、开挖⑦部 隧底周边部分初喷4cm厚砼，施作钢架 复喷砼至设计厚度。

6、灌筑⑦部仰拱及隧底填充（仰拱及隧底填充应分次施作）。

7、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拱部衬砌（拱墙衬砌一次施作）。

3.2.2三台阶七步法开挖工艺流程

Ⅴ级围岩采用三台阶七步作业法开挖施工。三台阶七步开挖法工艺流程如“三台阶七步开挖法工艺流程图”所示。

三台阶七步开挖法工艺流程图

1、洞身开挖采用自上而下分三台阶、七步骤，每开挖一步均应及时施作锚喷支护、安设钢架。上台阶分部开挖时，分部施作初期支护。上台阶开挖完成后，滞后3m距离开始第二台阶左、右部开挖及支护，形成左、右两侧开挖及支护相互交叉的情形；同样方法开挖第三台阶。

2、各部开挖时，周边轮廓尽量保持圆顺，减小应力集中。

3、各部的底部高程与钢架接头处一致。

4、后一侧部位开挖后全断面及时封闭。

5、同台阶左、右部纵向间距，适当拉开3m距离。

6、仰拱开挖后，及时施工初期支护封闭，灌筑仰拱及隧底填充(仰拱及隧底填充分次施作)。

7、灌注二次衬砌时，根据围岩监控量测结果，待初期支护收敛后，采用衬砌台车一次性浇筑(拱墙衬砌一次施作)。

3.3仰拱施工

页岩隧道在开挖后受各种因素影响，在前期即开挖后24h内围岩变化较大，根据现场实际施工发现，掌子面距仰拱最大距离不超过30m为宜。据现场施工经验仰拱开挖采用全幅施工，开挖长度以5~8m最为安全，以防止边墙拱脚处内敛，造成喷射混凝土面开裂，拱架失稳等病害。

3.4二衬施工

根据围岩量测结果分析，及时施作二次衬砌，二衬与仰拱最大距离应不超过30m。为确保二衬的密实度和外观质量，在台车上加设12台附着式振捣器，并在拱顶布设纵向注浆花管，紧贴初期支护混凝土面，孔位向上，在二衬混凝土外留注浆孔；为避免二衬混凝土施工中的收缩裂纹，除严格控制混凝土坍落度外，还应对其拌合时间、振捣时间有严格的要求；为防止混凝土离析，混凝土垂直落距控制在1.2m范围内。

4.开挖及初期支护施工要点

a．核心土距掌子面距离应保持3~5m，“宁欠不超”原则进行，核心土应保证其长度和宽度，上弧导开挖5-6m 时，方可开挖核心土。

b．坚持开挖后立即初喷的原则。页岩隧道在开挖后，极易坍塌或出现大面积掉块，采用挂网喷射混凝土的方法，有效地解决掉块问题。

c．严格控制拱顶下沉及围岩收敛。通过拱脚增加锁脚锚杆，扩大拱脚基础，增设支撑垫板来增强拱脚承载力，减小拱顶下沉；通过合理选择预留变形量（V级25cm，IV级20cm），仰拱初喷混凝土增强地基承载力来减小围岩松弛、收敛变形。

d．完善洞内临时防排水系统。通过下导横沟及多种排水管引走掌子面流水方法，来防止地下水对仰拱地基侵蚀。

5 效果及体会

“三台阶七步开挖法”施工的精髓是短进尺、快循环、快封闭、严格工艺、严格标准、严格管理、及时支护、及时量测、及时反馈、及时仰拱封闭和二次衬砌。胡家湾隧道采用“三台阶七步开挖法”进行施工，及时总结反复论证，成功地解决了页岩隧道施工中诸多技术难题，在确保安全的情况下不但克服了页岩隧道地表、拱顶沉降的难题，而且使施工变得有序可控，实现了大断面页岩隧道最高每月80米的快速掘进施工目标，工期进度得到了保证。

参考文献：

[1] 关宝树编著.隧道及地下工程喷混凝土支护技术，人民交通出版社，2009。

[2] 王成编著.隧道工程，人民交通出版社，2009年。

[3] 杜永昌，高速铁路与客运专线铁路施工工艺手册，北京：科学技术文献出版社，2006。

[4] 铁道第一勘察设计研究院，胡家湾隧道施工图设计。