吴康 WU Kang
（中铁电气化局铁路工程公司，北京 100000）
（Railway Engineering Company of China CREC Railway Electrification Bureau Group，Beijing 100000，China）
摘要： 结合隧道工程实践，对浅埋、软岩环境下隧道施工方案的探索，通过经济技术的比对和解析，即对工程情况、施工技术方案探索、施工技术要点、监控测量、进度效益等内容进行阐述。
Abstract： Combined with the practice of tunnel engineering， the tunnel construction schemes under the environment of shallow buried and soft rock is explored. Through the economic and technical comparisons and analysis， the construction situation， exploration of construction technology scheme， key points of construction technology， monitoring measurement， progress benefit and other concepts are expounded.
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关键词 ： 浅埋；软岩；大跨度；铁路施工；技术
Key words： shallow buried；soft rock；long span；railway construction；technology
中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：1006-4311（2015）25-0094-04
作者简介：吴康（1982-），男，陕西咸阳人，毕业于河北工程大学土木工程学院交通工程专业，研究方向为铁路、隧道。
0 引言
近年来，铁路隧道建设突飞猛进，进入了高速发展阶段。目前已通车运营铁路隧道达9000余座，总长度已超过6000公里，居世界第一。目前在建的铁路隧道有5000余座，总长度超过了9000公里，其中软岩隧道占了相当大的比例，在施工中稍有不慎，就有可能出现塌方、变形等工程事故。
在软岩铁路隧道施工中，有的施工单位为了节省成本，在一些钢构支撑中偷工减料；有的型钢支护前未进行混凝土初喷封闭围岩；喷射混凝土时拱脚处采用片石回填，导致初支背后脱空；由于施工技术不当导致钢架扭曲变形。这些都是软岩隧道施工中常见的问题，其直接后果就是造成隧道变形或塌方，严重的还会造成人员伤亡。所以，研讨和改善软岩环境下隧道开挖以及支护技术，对引导隧道建设、提升工程效率、加速工程进程、减少工程成本都有着不可替代的作用。
本文将结合软岩隧道特点，以刚建成通车的吉衡线铁路隧道工程为例，重点分析中隔壁法、交叉中隔墙法、双侧壁导坑法、三台阶法这四种适合软岩隧道的施工技术及监控测量方法，旨在通过严格的施工技术控制，预防围岩塌方、隧道变形等工程事故，确保隧道施工安全、有序地进行下去。
1 软岩隧道施工综述
1.1 软岩的概念
通常将抗压强度小于30MPa的围岩称为软岩，抗压强度小于5MPa的围岩成为极软岩。如土质、泥岩、页岩、砂岩、千枚岩、板岩等。
1.2 软岩隧道工程特性
①软岩强度低，隧道开挖后地应力发生重分布，围岩易受拉或受压产生塑性区，在隧道施工中围岩和支护易发生变形，若施工措施不当，很容易造成支护侵限、塌方等事故。
②软弱围岩隧道安全施工的核心是“控变、防坍”，即控制围岩和支护变形、防止塌方。
2 工程概况
吉衡线铁路为单线电气化铁路，起于江西吉安，止于湖南衡阳。吉衡铁路线路总长374.872公里，设计时速160公里。吉衡线铁路的排前二号隧道总长3公里，进口段位于既有水塘底部，进口段设计为V级围岩，进口段隧道地质条件不良，存在浅埋、软岩、富水量大等问题。在这种复杂的地质环境下，严重拖慢了隧道的整体施工进度，不能保证吉衡线铁路正常开通运营。
在这种地质条件下对浅埋、软岩中大跨度隧道的施工工艺及其技术进行系统的探讨，有着巨大的现实意义和经济价值。
3 施工技术方案探索
洞身围岩的状况是确定施工技术方案的参考依据，假如单就围岩的级别来挑选施工方法，是不合理的。应对围岩级别、岩性、初始应力、地下水、不良地质环境、洞附近围岩风化状况进行权衡，挑选出最佳的施工办法。
3.1 中隔壁法
中隔壁法主要用于地下水含量适当、工作面平稳的V级围岩内抑或围岩碎裂带中。施工工艺图见图1。
中隔壁法的施工优势：减少单次挖掘的跨度，能够第一时间密闭隧道，合理控制隧道的围岩形变，挖掘流程少、工序简易。
而中隔壁法的施工劣势是：对拆卸中曲壁时间性要求较为严格，中曲壁以及初期支护节点的位置应力过度汇集，稳定性不足。
3.2 交叉中隔墙法
交叉中隔墙法大部分用于地下水含量较高、工作面不很稳固的V级围岩，抑或地下水含量很高的围岩破碎带，施工工艺图见图2。
交叉中隔墙法的优势是：降低单次挖掘跨度，工作面小，有助于稳固度的提升，能够第一时间密闭隧道，管控隧道变形。
其劣势是：对拆卸中曲壁时间要求较严格，中曲壁以及初期支护节点的位置应力过度汇集，施工工艺较为繁杂。
3.3 双侧壁导坑法
双侧壁导坑法因为分割断面小，能够保证掌子面的平稳并合理管控隧道周围的松动范畴。先进的导坑能够探索出前面的地质状况，遇到不良地质条件时能够在挖掘前进行防治，但是当地质条件变化时，变更工法较为艰难。
此外，由于挖掘断面小，大型器械的功能发挥有限，施工情况并不是十分理想。该类办法适用于城市地下建筑，对地表沉降的要求严谨的工程以及地质环境较差的地段。施工中台阶法、中壁法转换较为艰难，掘进进度不是很理想。其施工工艺图见图3。
3.4 三台阶法
3.4.1 三台阶法适用于隧道围岩强度较好、少量地下水或无地下水的Ⅳ、Ⅴ级围岩，抑或地下水含量较低的破碎带。施工工艺简图见图4。
3.4.2 三台阶法的特征
①施工空间广阔，能够引进大型机器设施，作业面平行动工，动工效率理想；一些软岩地带能够运用反铲挖掘机挖掘下台阶，降低了对围岩的扰动频率。
②在地质构造繁杂变换、软硬围岩相混淆的隧道施工中，有助于施工模式的调节，工程进度能够保证。
③适用于相异跨度与多类断面，不需要拆卸临时支护设备，节约成本。
④爆破施工能够分为多个作业面实施，将集中爆破转换成分散爆破，既不会频繁扰动围岩，又恰如其分地使用了时间空间，还增加了爆破临空面，减少了炸药的损耗。
⑤混凝土仰拱超前作业，不但有利于初期支护以及早闭合成环承载，对隧道中的作业和运输条件也进行了改良。
⑥全断面一次施做防水层以及浇灌混凝土衬砌，保证了混凝土衬砌的施工进度。
⑦不用增添特殊设施，成本少、操控简单。
3.4.3 三台阶法要求台阶长度不大于1倍洞径，台阶高度根据机械设备确定。目前很多单位采取长台阶工法（远大于1倍洞径），造成初期支护不能及时闭合，仰拱不能紧跟，二次衬砌不能及时施作，造成未施工二次衬砌段的隧道出现塌方事故。
本文采取超前小导管支护、松动爆破开挖，人工配合机械出渣。施工工序及步长见图5。
4 施工技术要点
4.1 施工原则
浅埋、大跨、软岩隧道遵照“管超前、短进尺、强支护、早成环、勤量测、紧跟衬砌”的施工原则，依照围岩收敛测量状况以及对初期支护的加强，对围岩变形作出应对，在保障安全施工的基础上实施挖掘。
①管超前：采用超前预支护措施，通常采用超前小导管，特殊底层或特殊条件采用大管棚或水平旋喷超前支护。
②严注浆：利用超前管棚进行注浆加固地层。
③短开挖：采用尽量短的开挖进尺。
④强支护：尽可能早的施作初期支护，以防止围岩出现变形。
⑤早封闭：仰拱尽早封闭，距掌子面的距离小于30~40m。
⑥勤量测：做好洞内、地表的监测工作，数据异常时及时上报。
⑦超前探：进行超前地质预报和超前地质钻探，超前探明前方地质状况。
⑧严治水：处理好地表水和洞内水，采取措施防止地表水连续流入洞内，对地下水应超前引排必要时进行降水，洞内积水及时排放。
4.2 超前支护、初期支护的数据分析
本隧道洞口利用89mm大管棚，洞内采取42mm小导管超前注浆预支护；挖掘工程是环状挖掘预留核心土法；初期支护是全环H175型钢钢架、锁脚锚杆、系统锚杆、网喷混凝土等等。技术数据见表1。
4.3 环形开挖预留核心土法技术举措
洞口采取89mm大管棚，洞内采取?准42mm小导管超前注浆预支护。浆液水灰比是（1：1）-（0.6：1）；注浆压力在0.6-1.5MPa之间。
隧道洞中的地质是全风化的变质砂岩以及砾岩，该类岩石兼备土质以及岩石的工程特征。挖掘开始时——特别是解析“冒顶”倾塌原由时得出：这种岩石本体是土质，尺寸巨大，节理间隙大部分充塞了灰颜色或黑颜色的软泥；注浆后由浆液裹住注浆管壁；增加注浆压力以后，少数水泥浆液渗透进裂隙，无法达成预计目标。
所以，进行超前支护，要尽可能做好超前小导管，采取短进尺环形挖掘方法，在小导管的棚户下进行开挖掘进，并第一时间架设H175型钢钢架、装设锁脚锚杆、系统锚杆以及对钢筋网焊接以后复喷混凝土，构成强支撑初期支护。
小导管的外插角通常需要管控在10-15°，长度在3-5m之间，搭接长度是1.5-2m。当预留核心土土体不稳固的时候，要在梯状核心土两端肩部的位置搭设超前小导管。
5 监控测量
在软岩中进行隧道的修建，初期支护的收敛形变大，围岩并不稳固，在布置二次衬砌的条件下还可能产生衬砌开裂情况。所以，应依照软岩的性质进行监督和控制，预判围岩与支护构造的稳固程度以及作业状况，明确二次衬砌与挖掘掌子面间的间距，保证初期支护以及二次衬砌的稳定性。
依照《铁路隧道喷锚构筑法技术规范》TB10108-2002的标准，监控量测必须测量的内容是：洞内外测量、收敛量测、拱顶下沉量测以及浅埋隧道地表下沉量测。净空收敛根据围岩级别来设置，利用收敛计量测，拱顶和地表下沉利用水准仪量测。
因为在建隧道是软岩居多，稳定情况不佳，形变大，利用小断面开挖并第一时间进行初期支护以后，变形量依然较大。所以，应增强初期支护的刚度以降低隧道收敛量，提升隧道的稳固程度。
从监测状况来讲，在建隧道初期支护利用H175型钢钢架喷射混凝土支护以后功效显著，拱顶在临近隧道中线的位置沉降情况较为严重；在距隧道中线较远的位置中线沉降不大。地面的最大沉降地处隧道中线以及它的周围，数值是20-25mm，在可控范围之内。挖掘后第一时间密闭隧道底板有助于降低隧道收敛量，围岩并未产生显著的流变变形。
6 进度控制
利用环形开挖预留核心土法进行隧道的施工，加速大跨、软岩隧道施工进程的重要技术是加快对H175型钢的快速施工技术的研发。通过对H175型钢材料的运用，每榀拱环形支撑钢架的装设需要8小时，通过变更安装技术，利用小规模器械等多类举措，上断面环状挖掘支护每天可达到2-2.5循环，挖掘进尺能够达到1.6-2m。
使用预留核心土法后，从2009年6月动工，隧道进口平均施工进度每月50.5m，隧道出口围岩级别较好，每月进度110m，按两年的工期计算，总体上完成了进度目标。
7 结束语
软弱围岩的抗压强度一般小于30MPa。开挖软岩隧道时，如果不进行有效的超前探测，施工措施不当，施工中就容易出现变形、塌方等工程事故。排前二号隧道施工项目，对施工技术的控制非常严格，并且现场监控测量工作十分到位，施工成本控制得当，并且也获得了预期的社会效益和经济效益。
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参考文献：
[1]柳墩利.浅埋偏压段大断面隧道施工方案及施工工序优化[J].桂林理工大学学报，2012，32（1）：77-81.
[2]于宝军.山区软岩大跨大断面四线铁路车站隧道二衬施工技术研究[J].铁道建筑技术，2012（11）：13-16，40.
[3]何春保，舒丽红.兰渝铁路高地应力软岩隧道变形机理和施工控制[J].铁道工程学报，2014（5）：68-73.
[4]王建鹏.高应力软岩在铁路隧道施工中的工程地质特性探讨[J].铁道标准设计，2013（9）：69-74.
[5]李国良，刘志春，朱永全，等.兰渝铁路高地应力软岩隧道挤压大变形规律及分级标准研究[J].现代隧道技术，2015，52（1）：62-68.
[6]姬延波.软岩大变形隧道二次衬砌混凝土回填量控制研究[J].隧道建设，2013，33（8）：664-667.