昔格达地层大断面隧道下穿既有建筑施工技术研究

王义春

(中铁二十三局集团有限公司 四川成都 610072)

1 引言

昔格达地层[1]是分布于我国攀西地区的一种特殊半成岩，主要由黏土岩、粉砂质黏土岩和粉砂岩组成，具有孔隙比大、粘结力和水稳性差等特点。

随着我国成昆线如火如荼的建设，多达十几条在建隧道需穿过昔格达地层，施工过程表现为围岩自稳能力差，隧道大变形问题严重、掌子面坍塌等现象。目前，国内学者对昔格达地层隧道修建技术展开了研究。孟祥磊[2]以成昆线米攀段朱家隧道为依托工程，对软弱围岩隧道变形机理及支护技术展开研究。孙长升[3]采用室内试验和数值模拟的方法，开展含水率对昔格达地层隧道围岩稳定性影响的研究。周平[4]通过多种研究手段，考虑含水率对昔格达地层的影响，提出了一种围岩稳定及亚分级的方法。王志杰[5]等针对昔格达地层隧道的破坏形态进行现场调研，对昔格达地层隧道围岩灾变特征与致灾因素展开研究。舒东利[6]等为研究昔格达地层隧道初期支护背后注浆时机和预留变形量的大小，通过现场实测与统计分析，得到了初期支护的变形规律和预留变形量。周平[7]等对昔格达地层隧道围岩变形特征和变形机理进行研究。王志杰[8]等以冉家湾隧道为工程依托，采用强度折减法对昔格达地层隧道围岩稳定性进行了分析，并进一步探讨了系统锚杆的作用。王立川[9]等以前家山隧道为依托，介绍了PBA进洞法在浅埋富水昔格达地层的成功实践经历。王志杰[10]等针对昔格达地层隧道围岩的失稳特征，总结出有水和无水条件下隧道开挖工法。周平[11]等采用室内土木试验测试和数值计算方法，给出昔格达地层隧道遇水软化的稳定性判别方程。丁文富[12]等针对成昆铁路修建过程中遇到的昔格达地层问题，采用试验手段，提出了合理的地质参数与工程处理措施。

纵观诸多学者对昔格达地层隧道施工技术的研究发现，目前几乎没有对昔格达地层隧道下穿既有建筑物的施工技术探索。鉴于此，本文以米攀铁路攀枝花段中铁二十三局承建的冉家湾隧道为工程依托，对昔格达地层隧道下穿既有建筑物施工技术展开研究，研究成果可为类似工程施工提供宝贵经验。

2 工程概况

成昆铁路冉家湾隧道出口工区，设计为客货共线双线铁路隧道，起始里程为D6K584+236，终点里程为D6K585+647，长1 411 m。隧道D6K584+681～D6K584+850段下穿三线建设博物馆，而在D6K584+730～D6K584+770段上跨保安营2号隧道LSD4K0+735～LSD4K0+775段，于D6K584+850～D6K584+890段下穿炳仁路，D6K584+890～D6K585+006段下穿浅埋回填区(见图1)。隧道洞身通过地段主要为成岩作用差的第三系昔格达地层，少部分为混合岩强风化带(W3)，岩质软、易风化，遇水易软化崩解，水稳性差，产状平缓，陡倾节理发育，洞顶及洞壁易发生掉块、坍塌。地下水主要为岩面渗水，工程地质条件差。

图1 冉家湾隧道平面位置

如图2所示，三线博物馆为建设在斜坡上的多层框架建筑，总高46 m，对地基沉降变形敏感。三线博物馆除了大厅为本土外，周边全部为回填土。回填时由于工期紧，碾压可能不到位，目前已经发生多起沉降和变形。三线博物馆的修建对隧道洞顶原有地貌破坏严重，洞顶覆盖层变薄。冉家湾隧道和保安营2号隧道在博物馆下方交叉穿越，根据竣工资料，博物馆采用群桩基础，桩底标高距离冉家湾隧道拱顶约31 m，保安营隧道拱顶距离冉家湾隧道拱底仅8 m(见图3)。

图2 三线博物馆

3 施工技术

3.1 开挖工法

为避免和减少因设计、施工等原因引起地表周边建筑物设施安全事故的发生，经过专家多次分析探讨，决定采用三台阶七步开挖法施工，如图4所示。

图4 三台阶七步开挖法示意

隧道开挖控制要点如下:

(1)隧道环形导坑应沿开挖轮廓线环向开挖，预留核心土，周边部位预留30 cm人工开挖，其余部位采用机械开挖。

(2)根据隧道围岩地质情况，合理确定循环进尺，每次开挖长度一般为0.6～0.8 m；开挖后立即初喷3～5 cm混凝土，以减少围岩暴露时间，防止围岩长时间接触空气而导致力学参数变差。

(3)在留足作业空间和台阶稳定的前提下，尽量缩短台阶长度，核心土长度应控制在3～5 m，宽度为隧道开挖宽度的1/3～1/2。

(4)中、下台阶左、右侧开挖应错开，严禁同时施工，左、右侧错开距离宜为3～5 m。

(5)超前施作仰拱，仰拱距上台阶开挖工作面宜控制在40 m左右。

3.2 超前加固方案

为有效控制隧道变形，在隧道下穿三线博物馆地段，增加大管棚、中管棚、超前小导管等预支护。为了提高预加固质量，减少隧道开挖对围岩的扰动，应采取适当加密超前小导管数量、加强锁脚锚杆参数、采用大拱脚进行支护、掌子面预加固等综合措施控制隧道变形。

D6K584+681～D6K584+720段和D6K584+850～D6K584+971段拱部采用φ76中管棚，环向间距0.4 m，每环51根，每根长10 m，搭接长度不小于3 m，采用套管法施工。拱部采用φ42小导管，环向间距0.4 m，每2.4 m一环，每环51根，每根长3.5 m。

D6K584+720～D6K584+795段和D6K584+795～D6K584+850段拱部采用φ159大管棚，环向间距0.4 m，每环51根，每根长80 m，搭接5 m，采用套管法施工。拱部采用φ42小导管，环向间距0.4 m，每2.4 m一环，每环51根，每根长3.5 m。

钢管前端做成尖锥状，尾部设置箍筋，小导管、中管棚倾角5°～10°，大管棚倾角1°～3°。 注浆材料为水泥浆液，水泥浆液水灰比为1∶1(重量比)，注浆压力0.5～1.0 MPa。注浆前先喷射厚度为5～10 cm的混凝土封闭掌子面，以防工作面坍塌。注浆按由下至上的顺序进行，注浆量达到设计注浆量或注浆压力达到设计终压(1.5 MPa)时方可结束注浆。注浆后要将注浆孔堵塞密实，浆液强度达70%以上，或4 h后方可进行开挖工作。注浆过程中要随时观察注浆压力及注浆泵排浆量的变化，防止堵管、跑浆、漏浆。做好注浆记录，分析注浆效果，注浆不饱满应补注。大管棚支护如图5所示。

图5 管棚支护(单位：mm)

3.3 初期支护

隧道开挖完成后，应及时喷射混凝土、安装钢拱架。钢拱架安装前，应清理拱脚或墙角的虚渣，处理欠挖部位至设计断面。型钢钢架按设计位置拼装，型钢钢架与封闭混凝土之间间隙较大时增设垫块定位，两排钢架间纵向按设计要求用钢筋连接，形成纵向连接体系。

为尽可能减小三线博物馆沉降量，需增强初期支护强度，D6K584+690～D6K584+850段采用双层钢拱架，其中拱墙部外层钢拱架为HW175型钢，内层钢拱架为 18型钢，仰拱采用单层 20钢拱架。

为保证钢架稳定，严格控制位移沉降，需增强锁脚锚杆的支护参数。锁脚锚管采用长4.5 m的φ42无缝钢管+长8 m的φ76大锁脚。在每个台阶支护施工时，每榀钢架上台阶拱脚两侧各设置2根φ42锁脚锚管和2根φ76大锁脚，中、下台阶拱脚两侧同样各设置2根φ42锁脚锚管和2根φ76大锁脚，位置为距离拱脚20 cm处，与拱架轴线呈45°夹角插入岩体。

纵向型钢拱架及大锁脚锚杆安装如图6所示。

图6 纵向型钢拱架和大锁脚锚杆

3.4 二次衬砌

二次衬砌应在围岩收敛变形稳定后施作，但由于本工区围岩自稳能力差，而且下穿既有建筑物，初期支护难以使其达到完全稳定。为减小三线博物馆沉降量，减少隧道开挖对既有建筑物的影响，根据支护情况及量测信息，及时进行二衬施工并增设二衬钢筋，达到初期支护与二次衬砌共同受力的目的，充分发挥二次衬砌的作用。

4 施工效果分析

冉家湾隧道于2017年4月15日开始进行下穿三线博物馆施工，2017年9月8日二次衬砌施作完成，成功下穿三线博物馆，不到5个月的时间完成了昔格达地层隧道下穿三线博物馆的施工任务。施工效果表明，在保证施工进度、质量和效益的前提下，采用三台阶临时仰拱法施工，配合大管棚、超前小导管适当加密预支护，大拱脚、锁脚加强，掌子面预加固等综合施工措施可以有效解决昔格达地层下穿建筑物的施工难题。

根据设计要求，执行《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB 50911-2013)标准进行监测。监测结果表明，博物馆广场累计最大变化点为D6K584+705，累计下沉量为84.19 mm，变化速率为0.24 mm/d，沉降变化曲线如图7所示。

图7 博物馆广场最大沉降点沉降值随时间变化曲线

博物馆广场沉降相对较大，通过施工过程反分析，笔者认为，由于围岩太差，下台阶开挖后，围岩遇水收缩，导致局部位置钢拱架拱脚悬空，锁脚锚杆不能充分发挥作用。鉴于此，应根据现场的实际施工情况，将锁脚锚杆改为锁脚锚管，并在钢架薄弱节点增加锁脚锚管，可以更好地控制地表建筑物沉降。

5 结束语

(1)昔格达地层大断面铁路隧道采用大管棚超前支护和三台阶七步开挖法成功下穿既有建筑物，沉降最大值为84.19 mm。

(2)三台阶七步法每循环进尺宜为0.6～0.8 m，开挖后初喷3～5 cm厚混凝土，核心土长度应控制在3～5 m，宽度为隧道开挖宽度的1/3～1/2。左右侧错开距离宜为3～5 m，仰拱距上台阶开挖工作面宜控制在40 m左右。

(3)采用φ159大管棚及φ42小导管的超前加固措施，可以有效保证昔格达地层超前预加固质量。

(4)从现场施工过程看，宜增强锁脚锚杆支护参数、保证注浆质量，可以更好地控制地表建筑物沉降。