黄土浅埋隧道掏砂洞安全施工技术

郭宝库

摘 要：以周家庄二号隧道在施工中遇到的掏砂洞回填施工为例，针对黄土浅埋隧道掏砂洞分布密集，支洞较多且相互贯通，错综复杂，呈蜘蛛网状结构，且沉降、开裂严重等特点为确保施工的安全，通过洞内外观测、人工开挖、严格控制开挖进尺、安全步距、超前支护、掏砂洞探明、回填及检测等技术，安全顺利的通过该特殊地段，为今后类似工程提供一定的参考。

关键词：黄土；浅埋；掏砂洞；沉降变形；开裂；检测

中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）05-0119-02

1 工程概况

中川铁路ZCTL-SG2标周家庄二号隧道位于兰州永登县内，全长515m，起讫里程HK20+290～HK20+805，隧道洞身纵坡为-6‰，-3‰的单面下坡。隧道最大埋深60m，区内地形起伏较大，沟壑纵横，自然坡度约20°～60°，山体多基岩出露较少，植被覆盖较差。

HK20+680～HK20+805段：（1）浅埋HK20+695～HK20+710地表有一处天然冲沟，冲沟下面有暗穴，埋深最浅HK20+700处为5.8m。（2）风积黄土：土质为第四系风积砂质黄土，具自重湿陷性，湿陷等级为Ⅳ级。洞内揭示土质疏松，用手可轻轻掰下，呈松散粉状。（3）掏砂洞：隧道通过地段人为坑洞比较多，本地居民以其做建筑材料、填地、人为的掏洞取砂。HK20+600—HK20+805段隧底掏砂洞分布密集，支洞较多且相互贯通，错综复杂，呈蜘蛛网状结构，掏砂洞高度一般为2.2m～3.8m，宽度3.5m～5.0m，洞顶在仰拱底以下3.0m左右，呈水平层状分布，据当地居民介绍，掏沙洞相互贯通，规模较大，粗圆砾土的采空率可达到50%以上。

2 洞外加固处理方案

2.1 截排地表水

由于施工处于雨季，山体坡面汇水面较大，为防止地表雨水对洞内施工影响，本段施工前先在洞外做截排水沟，将地表水引至既有沟渠。

2.2 冲沟、坟穴处理

为防止地表水浸入土体内，对洞顶周边15m范围内的冲沟、坟穴进行分层夯填，并用彩条布覆盖。

2.3 地表裂缝处理

由于黄土、浅埋和掏砂洞等不利因素影响，掌子面施工前方10m范围，地表出现开裂、沉降，裂缝达3～7cm，为防止地表水下渗，采取灌水泥、覆盖封闭处理。

2.4 加强地表沉降观测

在施工范围内每2m设置1组观测点，每天观测分析沉降情况。

3 洞内加固处理方案

3.1 超前支护

HK20+700～HK20+775段洞内施做Ф89管棚：每7m打设1环Ф89×5管棚，管棚长度10m，有效搭接长度不小于3m，环向间距40cm，内设Ф18钢筋笼。管棚间每榀打设40根Ф42×4m超前小导管，环向间距40cm；中、下台阶环向间距1.2m打设Ф22×3m砂浆锚杆。

3.2 开挖支护

（1）开挖：因隧道内为风积黄土，无黏结性，较松散，开挖进尺稍大或打设锁脚锚管时就会出现土体坍塌，采用三台阶预留核心土开挖方法施工。掌子面及中、下台阶开挖为避免机械扰动及进尺大，采用机械开挖配合人工开挖。上导坑每循环开挖支护1榀，采用I20b工字鋼，钢架间距50cm/榀；上导坑开挖后立即进行支护，上导和中、下进行单班作业，上导坑开挖支护完成后方可进行中导坑开挖作业，中、下每次开挖进尺不大于2榀。仰拱每次开挖1榀初喷混凝土后进行钢拱施工，施工3榀钢架后立模进行仰拱、回填混凝土施工。

（2）支护：拱架底脚垫实，先用大锤把土夯实后，再放10cm厚×30cm宽水泥方砖垫实拱脚，支立I20b工字钢架，焊接Ф22拱架连接筋及[20槽钢（增加钢架整体性，减少下部掏砂洞不均匀沉降），挂设Ф8钢筋网片。

（3）脚锚管施做：为保证锁脚锚管打入方向及角度，在钢架加工时，钢架内、外侧翼缘位置焊锁脚固定钢板，上中下3处每侧钢架内、外侧焊接三个。

打设：利用风动凿岩机，锚管穿过固定钢板上眼孔缓慢地送入土层。钢架内、外侧均用“L”型连接筋将拱架和锁脚锚管焊接牢固，确保钢架与锁脚锚管不脱离。因土质松软，为增加锁脚钢管与土层连接力，减少沉降，采取上、中、下台阶每侧拱脚处打设3组Ф42×4m锁脚锚管。

（4）临时仰拱：初期支护完成后，立即施做临时仰拱。临时仰拱采用I20b工字钢架，喷射C25混凝土。上、中、下3台阶均施做临时仰拱，每2榀施做1次。

（5）缩短安全距离：为确保施工安全，尽快封闭成环，二衬距掌子面安全步距控制在40m以内，二衬距仰拱距离12m，每施工完3板仰拱就进行二衬混凝土浇筑，完成后再进行仰拱开挖。

（6）监控量测：待初期支护完毕后，及时布设围岩观测桩，隧道内每个断面布设7处，洞外每2m一个断面。测量人员每天至少观测2次，及时进行沉降数据分析。如出现下降量超出规范要求立即停止掘进，撤出施工人员，将开挖掌子面进行封闭。洞内施工时，按要求摆放好逃生通道，管道间连接牢靠。洞内施工时24h安全员值班，要每天进行洞内外的巡视（特别注意初支拱架有无开裂掉块现象、洞外地表有无开裂）。

4 掏砂洞加固处理方案

设计阶段，由于掏砂洞年代久远，开采时无规划、无支撑，且洞内分支较多，洞口及洞身易坍落掉块，洞内稳定性极差，不具备安全勘察的条件。做到勘察结果详尽准确，存在较大的困难和极高的风险，调查人员未进入掏砂洞内部做详细勘察，仅依据周边较浅掏砂洞推测了洞身走向、洞身净空及洞身长度。

施工阶段在仰拱底部的线路中心位置发现一洞口宽4.25m，高3.19m的掏砂洞，该洞与隧道出口掏砂洞连通。洞内掏砂洞多分布在仰拱底和边墙处规模较大，一般主洞高度3m，宽4m，呈水平层分布。长度不等，支洞较多，走向不定，相互贯通，网状密布，规模较大，且变形、开裂、坍塌，稳定性较差且部分洞体坍塌严重，人员无法进入。如图1、2。

4.1 掏砂洞探测

（1）采用物探和人工探测相结合综合探测方式。（2）掏砂洞内自立性较好地段，采用支立@50cm钢架，钢架外立木模的支护方式。人员进入洞内，采用钢尺和罗盘仪绘制出支洞的相对位置平面图。（3）掏砂洞内坍塌严重人员无法进入和为确保施工安全，对掌子面下导坑和两侧边墙位置进行超前探孔，确保及时探明及时处理，先处理后施工。用潜孔钻配备15m钻杆超前探测：掌子面每两个循环（1.0m）探测1次，每个断面布设3个孔，孔位横向间距2.5m；下导每2个循环（1.0m）左、右侧各探测1次，钻孔角度斜向下30°。钻孔过程中，技术人员旁站，做好探测记录。如图3所示。

4.2 边墙掏砂洞处理

（1）两侧边墙处理范围：对已探明段隧道结构边墙底部至掏砂洞底部按30°角向外范围内做回填措施处理。（2）掏砂洞立拱架：已探明掏砂洞在隧道左、右侧边墙处3m范围内支立I20b拱架，拱架间距0.5m，拱架间用Φ22钢筋连接，挂设Φ8网片，喷射C25混凝土，确保掏砂洞体不再坍塌和上部隧道边墙处混凝土浇筑前稳定。（3）下导喷锚：掏砂洞内支护、封挡端头完成后，在隧道下导钢架间预留Ф80cm钢管（钢管底部尽可能贴近掏砂洞洞顶，以便混凝土浇筑饱满），并进行下导喷锚。（4）打设Ф42mm注浆小导管： 待隧道下导初期支护完成后，打设打设Ф42mm注浆小导管，小导管底部穿透掏砂洞洞顶即可。（5）浇筑掏砂洞混凝土：由于掏砂洞相互连通，回填时为确保混凝土回填密实，采取分段浇筑。人工堆码砂袋封挡端头。每个部位砂袋堆码3排，砂袋外用钢管斜撑。边墙处预留Φ80cm钢管，浇筑C30混凝土，塌落度180～220mm。（6）注浆：为防止混凝土填充过程中有未能达到的区域及混凝土浇筑后沉降收缩后留下填充空隙，对以后运营产生隐患，采取分次注浆进行填充空隙。浇筑混凝土达到初凝后采用1：1水泥浆进行回填补注浆，待浆液从注浆孔口处溢出且注浆压力达到0.7 MPa后停止注浆。第1次注浆完成后1天后进行第2次补注浆，确保所有区域填充密实。如图4、5。

4.3 仰拱处掏砂洞处理

仰拱内发现有掏砂洞，重型机械（挖机，装载机，出碴车辆，混凝土罐车）禁止通过，开挖仰拱时，严格按每2榀开挖支护一次施做。隧底开挖至硬质岩层或夯实后，素喷、立拱架、喷锚。

5 掏砂洞处回填检测

掏砂洞回填注浆完成后，请有资质的第三方检测单位采用CMPCC二维面波的吸收散射综合分析法检测，对有疑问部位分别采用钻芯取样和注水试验进行验证。

6 结语

在有掏砂洞隧道处理中，应针对掏砂洞探测、隧道内、隧道外排水加固措施、掏砂洞处理范围、混凝土回填方式、检测方法，制定合理处理方案，避免盲目处理，为以后运营埋下安全隐患，造成工程事故。本方案在中川铁路周家庄二号隧道中安全、顺利、快捷、经济地完成对掏砂洞隧道处理，确保施工过程和运营安全，可为类似的工程提供借鉴与参考。

参考文献

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[2]刘彦文.隧道穿越采空区同时下穿既有隧道设计[J].铁道建筑技术，2014（4）：13.

[3]王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京：人民交通出版社，2010：326-327，284.