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摘要：在锦赤铁路努鲁尔虎山隧道施工中，出口浅埋湿陷性砂质黄土段采用大管棚注浆与小导管结合的超前支护方法并采用环形开挖预留核心土的开挖方法安全进洞，取得良好效果。
关键词：V级加强围岩 大管棚 注浆 观测 开挖
1 工程概况
锦赤铁路努鲁尔虎山隧道位于内蒙古赤峰市与辽宁省朝阳市交界处，单线隧道，隧址位于低山丘陵区，地势陡峻，横向沟谷发育，多呈“V”字型，地形起伏较大，隧道全长5910m。隧道出口里程DK147+420，设计15明洞，明暗交界处隧道埋深4m，地面坡度30°。地表为全新统坡洪积砂质黄土，具湿陷性，下伏全风化片麻岩。
2 施工方案
根据地质资料分析，进洞处砂质黄土埋深4.0m，较松散并具有湿陷性。确定进洞方案采用管棚超前支护，管棚长43m，采用Φ108mm熱轧无缝钢管，壁厚t=6mm，环向间距40cm。并且内注浆以固结拱顶外砂质黄土及充填钢管与孔壁之间空隙。开挖施工时在管棚之间打设超前小导管并注浆，保证将管棚注浆未固结完全的砂质黄土完全固结，防止由于开挖震动和自身压力使大量松散围岩从管棚固结缝隙中渗漏入隧道，造成坍塌。初期支护形成后，采用“环形开挖预留核心土三台阶”的开挖方法成洞。
3 管棚施工
3.1开挖管棚作业平台
隧道出口洞口施工采用挖掘机按设计开挖线自上而下分层开挖，人工配合刷坡修边。隧道明洞15m段土体开挖时，自便道至洞口（20m）挖至明暗交界面起拱线下1m标高位置，明洞15m段采用8m斜坡道加7m施工平台方式至明暗洞交界面，暗洞拱顶设计开挖线下120cm为土体平台顶面，平台宽7m。
3.2导向墙施工
导向墙以上边坡按1:0.75的坡比进行开挖，厚度范围内按垂直面开挖。导向墙施工前，对起拱线处地基进行夯实，底部设置（长200cm×宽100cm×厚60cm）混凝土支座，支座下施作6m长砂浆锚杆24根，下倾角20°左右。导向墙在衬砌外轮廓线以外施作，导向墙内埋设4榀I18工字钢型钢架，钢架各单元由I18工字钢与14mm厚的钢板焊接成型，间距50cm，两端各留25cm，自里向外加固导向墙钢拱架；同时在拱架外缘用25钢筋固定导向套管（Φ140×5mm）。导向套管长2m，环向间距40cm，每环26根。外插角度通过里侧钢管架外缘加焊钢筋接头实现。导向管完成后，安装加固导向墙拱圈内、外侧及堵头模板，经检查合格后浇注C20混凝土。
3.3 大管棚施工
3.3.1 施工主材及机具
大管棚采用Φ108×6 mm热轧无缝钢管，环向间距40cm，节长3m，6m，交错使用以保证相邻两管的接头错开3m左右。钢花管上钻注浆孔，孔径10～16mm，孔间距15～20cm，呈梅花形布置，尾部留不钻孔的止浆段150cm。根据隧道出口的围岩情况和施工成本考虑，管棚成孔采用HQD110A电动潜孔钻机，固定在预留的施工平台上沿导向管钻孔，采用高压风清孔。钻杆外径Φ50 mm，钻头直径110 mm。注浆设备采用ZJB-3注浆泵。
3.3.2 大管棚施工
（一）钻机就位。HQD110A电动潜孔钻机在预留施工平台上就位加固，钻机平台用枕木搭设。
（二）钻孔。第一节钻杆沿套拱导向管开始施钻，钻机开钻时，先低速低压钻进，待成孔5m后，根据地质情况逐渐调整钻速。围岩清孔较好时一次成孔，成孔困难时应采用套管跟进方式顶入。
（三）清孔验孔。先用钻杆配合钻头来回扫孔，清除孔内浮渣，再用高压风从孔底往外清理钻渣。用测斜仪检测钻孔倾角、外插角。
（四）顶管、注浆。验孔合格后，将钢管逐节顶入，采用丝扣连接，丝扣长15cm。单号管采用钢花管，双号管采用钢管。
3.3.3注意事项
钻孔过程中要根据钻机钻进的现象及时判断成孔质量，并及时处理钻进过程中出现的各种事故，并认真做好钻孔原始记录，对孔口岩屑进行地质判断、描述，为暗洞开挖提供依据。钻进过程中经常用测斜仪量测钻杆的偏斜度，发现偏差超过设计要求时及时纠正。严格控制钻机施工平面位置，管棚不得侵入隧道开挖线内，相邻钻孔不得相撞。钻孔时间隔跳跃施工，防止串孔。
4 超前小导管的施工
4.1 小导管结构及布置
小导管采用直径为Ф42 热轧钢管，长3.5m/根，环向间距0.3m，纵向每2.4m打一环，纵向水平搭接长度为1.1m，外插角为5～10°。小导管超前支护布置见下图。小导管前端加工成锥形，以便插打，并防止浆液前冲。小导管中间部位钻直径为8mm的注浆孔，注浆孔呈梅花形布置(防止注浆出现死角)，间距为75mm，尾部0.5m 范围内不钻孔以防漏浆，末端焊直径为6mm的环形箍筋，以防打设小导管时端部开裂，影响注浆管联接。
4.2 小导管安装方法
在预定的位置用风动凿岩机钻孔。把管子插入孔内，带好丝扣保护帽，专用顶头顶入到要求的深度，使麻丝柱塞与孔壁充分挤压紧。然后再用CS胶泥填充孔口。注浆管的外露长度为30cm。以便连接孔口阀门和管路。顶管时注意保护钢管尾部不被损坏，以便与高压注浆管连接。
5 注浆
5.1注浆参数
（1）注浆材料及配合比：注浆浆液采用单液水泥浆，水泥采用42.5普通硅酸盐水泥，水泥浆液浓度1：1.25～1:0.8。
（2）浆液扩散半径：不小于25cm。
（3）注浆压力：0.5～1.0Mpa
（4）单根钢管注浆量Q计算：Q=r2ln
式中：R-浆液扩散半径，取25cm；l-钢管长度；n-围岩孔隙率，取10%
5.2施工程序及注意要点
5.2.1施工程序
施工时先打设钢花管并注浆，注浆前用锚固剂将孔口及周围裂隙密封，采用ZJB-3注浆泵将水泥浆压入管内。注浆压力保持在0.5—1.0 MPa，达到终压2 min后压力无变化或浆液流出时停止注浆。注浆完毕后打设双号钢管，以检查钢花管的注浆质量。具体注浆作业见注浆施工工艺（图1）。
5.2.2注意要点
孔口岩面相交处胶泥未凝固到一定强度不得注浆；现场严格控制各种材料用量，精确配制混合料；浆液应先经过过滤网过滤，防止杂物进入注浆泵或进入钢管；严格控制注浆压力，以防压裂开挖面。注浆机压力应与规定压力配套，不宜升压过快。注浆压力达到规定时应予以稳压一定时间，以利浆液进一步渗缝，注浆时密切监视压力变化，发现异常及时处理；注浆时注意防止串浆和跑浆，若发生串浆和跑浆要停止注浆，分析原因随时解决，做好注浆压力、注浆量、注浆时间等各项记录。
6 开挖
超前支护施做完毕，待水泥浆强度满足开挖要求后，进行暗洞开挖。采用“环形开挖预留核心土三台阶法”施工，施工过程中严格控制开挖台阶长度，控制循环进尺长度，及时初期支护。旁站人员做好施工记录。
7 拱顶下沉及围岩收敛预控措施
7.1 加强施工监测和跟踪变形趋势
安排专业测量人员负责施工监测工作，成立测量工作组，制订详细监测方案和监测制度，及时布设测量点，收集整理系统测量数据，及时统计、分析数据，并结合围岩判定，随时掌握施工阶段围岩和支护动态，了解支护构件的作用与效果，确保隧道工程安全与经济，为调整初期支护设计参数，确定二次衬砌与仰拱的施作时间提供依据，同时，积累资料为以后施工提供参考。
7.2拱顶下沉预控措施
对拱脚有孔隙水出露的地段，要及时引排，绝不允许浸泡基底；锁脚锚杆、径向锚杆严格按照设计要求施作，并对锚杆及时压注水泥浆，以控制围岩挤压。防止拱顶下沉过大；按照设计要求，开挖时，拱墙初期支护预留沉降量按照20cm考虑，以后根据监控量测数据，再做适当调整；钢架间的接点必须焊接或用螺栓连接牢固；开挖至拱脚位置时，采用大拱脚形式，大拱脚采用钢垫板(180 mm×200 mm×15 mm)与斜撑和Iz8 槽钢焊接，连成整体；开挖过程中，根据施工实际围岩地质情况及监控量测资料调整支护结构形式。
7.3水平收敛预防措施
严格控制台阶错台长度，台阶间最大错台长度不允许>8m，按照新奥法施工原理，对掌子面及时形成早封闭，达到快循环的目的；所有径向锚杆、锁脚锚杆严格按照设计长度及角度进行施作，并对锚杆及时压注水泥浆，以达到控制围岩挤压导致水平收敛变形过大；开挖并对施作完后的初期支护，及时对拱脚位置进行分层夯填；钢架间的接点必须焊接或用螺栓连接牢固；按照设计要求，对拱墙初期支护预留收敛量按照10cm考虑，根据开挖后的监控量测数据，再做适当调整；对拱脚有孔隙水出露的地段，要及时引排，绝不允许浸泡基底；开挖过程中，根据施工实际围岩地质情况及实际监控量测数据，及时调整支护结构形式。
8 结束语
湿陷性砂质黄土土质松软，在振动、水等作用下容易塌陷，严重影响隧道施工。由于本工程合理采用超前大管棚与超前小导管进行洞口超前支护，暗洞合理采用了“环形开挖预留核心土三台阶法”施工，确保暗洞开挖顺利进行。结果表明，大管棚超前支护保证了暗挖进洞的施工安全性，使得超前小导管端部不利的悬臂状态，变为有利的简支状态；超前小导管弥补大管棚注浆范围不到位的缺陷，使拱部松散围岩更好固结。开挖时，能够极大地减少对周边软弱围岩的扰动，并且围岩不会出现较大的收敛及下沉。监控量测数据分析显示，最大沉降量发生在DK147+380位置，开下导时由于连续降雨，拱顶突降5cm，累计沉量降12cm。其他地段沉降均不超过8cm。采用此工艺结合方法保证了洞口开挖作业安全，并且保证了施工进度。
参考文献：TB10417-2003铁路隧道工程施工质量验收标准
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：V级加强围岩 大管棚 注浆 观测 开挖
1 工程概况
锦赤铁路努鲁尔虎山隧道位于内蒙古赤峰市与辽宁省朝阳市交界处，单线隧道，隧址位于低山丘陵区，地势陡峻，横向沟谷发育，多呈“V”字型，地形起伏较大，隧道全长5910m。隧道出口里程DK147+420，设计15明洞，明暗交界处隧道埋深4m，地面坡度30°。地表为全新统坡洪积砂质黄土，具湿陷性，下伏全风化片麻岩。
2 施工方案
根据地质资料分析，进洞处砂质黄土埋深4.0m，较松散并具有湿陷性。确定进洞方案采用管棚超前支护，管棚长43m，采用Φ108mm熱轧无缝钢管，壁厚t=6mm，环向间距40cm。并且内注浆以固结拱顶外砂质黄土及充填钢管与孔壁之间空隙。开挖施工时在管棚之间打设超前小导管并注浆，保证将管棚注浆未固结完全的砂质黄土完全固结，防止由于开挖震动和自身压力使大量松散围岩从管棚固结缝隙中渗漏入隧道，造成坍塌。初期支护形成后，采用“环形开挖预留核心土三台阶”的开挖方法成洞。
3 管棚施工
3.1开挖管棚作业平台
隧道出口洞口施工采用挖掘机按设计开挖线自上而下分层开挖，人工配合刷坡修边。隧道明洞15m段土体开挖时，自便道至洞口（20m）挖至明暗交界面起拱线下1m标高位置，明洞15m段采用8m斜坡道加7m施工平台方式至明暗洞交界面，暗洞拱顶设计开挖线下120cm为土体平台顶面，平台宽7m。
3.2导向墙施工
导向墙以上边坡按1:0.75的坡比进行开挖，厚度范围内按垂直面开挖。导向墙施工前，对起拱线处地基进行夯实，底部设置（长200cm×宽100cm×厚60cm）混凝土支座，支座下施作6m长砂浆锚杆24根，下倾角20°左右。导向墙在衬砌外轮廓线以外施作，导向墙内埋设4榀I18工字钢型钢架，钢架各单元由I18工字钢与14mm厚的钢板焊接成型，间距50cm，两端各留25cm，自里向外加固导向墙钢拱架；同时在拱架外缘用25钢筋固定导向套管（Φ140×5mm）。导向套管长2m，环向间距40cm，每环26根。外插角度通过里侧钢管架外缘加焊钢筋接头实现。导向管完成后，安装加固导向墙拱圈内、外侧及堵头模板，经检查合格后浇注C20混凝土。
3.3 大管棚施工
3.3.1 施工主材及机具
大管棚采用Φ108×6 mm热轧无缝钢管，环向间距40cm，节长3m，6m，交错使用以保证相邻两管的接头错开3m左右。钢花管上钻注浆孔，孔径10～16mm，孔间距15～20cm，呈梅花形布置，尾部留不钻孔的止浆段150cm。根据隧道出口的围岩情况和施工成本考虑，管棚成孔采用HQD110A电动潜孔钻机，固定在预留的施工平台上沿导向管钻孔，采用高压风清孔。钻杆外径Φ50 mm，钻头直径110 mm。注浆设备采用ZJB-3注浆泵。
3.3.2 大管棚施工
（一）钻机就位。HQD110A电动潜孔钻机在预留施工平台上就位加固，钻机平台用枕木搭设。
（二）钻孔。第一节钻杆沿套拱导向管开始施钻，钻机开钻时，先低速低压钻进，待成孔5m后，根据地质情况逐渐调整钻速。围岩清孔较好时一次成孔，成孔困难时应采用套管跟进方式顶入。
（三）清孔验孔。先用钻杆配合钻头来回扫孔，清除孔内浮渣，再用高压风从孔底往外清理钻渣。用测斜仪检测钻孔倾角、外插角。
（四）顶管、注浆。验孔合格后，将钢管逐节顶入，采用丝扣连接，丝扣长15cm。单号管采用钢花管，双号管采用钢管。
3.3.3注意事项
钻孔过程中要根据钻机钻进的现象及时判断成孔质量，并及时处理钻进过程中出现的各种事故，并认真做好钻孔原始记录，对孔口岩屑进行地质判断、描述，为暗洞开挖提供依据。钻进过程中经常用测斜仪量测钻杆的偏斜度，发现偏差超过设计要求时及时纠正。严格控制钻机施工平面位置，管棚不得侵入隧道开挖线内，相邻钻孔不得相撞。钻孔时间隔跳跃施工，防止串孔。
4 超前小导管的施工
4.1 小导管结构及布置
小导管采用直径为Ф42 热轧钢管，长3.5m/根，环向间距0.3m，纵向每2.4m打一环，纵向水平搭接长度为1.1m，外插角为5～10°。小导管超前支护布置见下图。小导管前端加工成锥形，以便插打，并防止浆液前冲。小导管中间部位钻直径为8mm的注浆孔，注浆孔呈梅花形布置(防止注浆出现死角)，间距为75mm，尾部0.5m 范围内不钻孔以防漏浆，末端焊直径为6mm的环形箍筋，以防打设小导管时端部开裂，影响注浆管联接。
4.2 小导管安装方法
在预定的位置用风动凿岩机钻孔。把管子插入孔内，带好丝扣保护帽，专用顶头顶入到要求的深度，使麻丝柱塞与孔壁充分挤压紧。然后再用CS胶泥填充孔口。注浆管的外露长度为30cm。以便连接孔口阀门和管路。顶管时注意保护钢管尾部不被损坏，以便与高压注浆管连接。
5 注浆
5.1注浆参数
（1）注浆材料及配合比：注浆浆液采用单液水泥浆，水泥采用42.5普通硅酸盐水泥，水泥浆液浓度1：1.25～1:0.8。
（2）浆液扩散半径：不小于25cm。
（3）注浆压力：0.5～1.0Mpa
（4）单根钢管注浆量Q计算：Q=r2ln
式中：R-浆液扩散半径，取25cm；l-钢管长度；n-围岩孔隙率，取10%
5.2施工程序及注意要点
5.2.1施工程序
施工时先打设钢花管并注浆，注浆前用锚固剂将孔口及周围裂隙密封，采用ZJB-3注浆泵将水泥浆压入管内。注浆压力保持在0.5—1.0 MPa，达到终压2 min后压力无变化或浆液流出时停止注浆。注浆完毕后打设双号钢管，以检查钢花管的注浆质量。具体注浆作业见注浆施工工艺（图1）。
5.2.2注意要点
孔口岩面相交处胶泥未凝固到一定强度不得注浆；现场严格控制各种材料用量，精确配制混合料；浆液应先经过过滤网过滤，防止杂物进入注浆泵或进入钢管；严格控制注浆压力，以防压裂开挖面。注浆机压力应与规定压力配套，不宜升压过快。注浆压力达到规定时应予以稳压一定时间，以利浆液进一步渗缝，注浆时密切监视压力变化，发现异常及时处理；注浆时注意防止串浆和跑浆，若发生串浆和跑浆要停止注浆，分析原因随时解决，做好注浆压力、注浆量、注浆时间等各项记录。
6 开挖
超前支护施做完毕，待水泥浆强度满足开挖要求后，进行暗洞开挖。采用“环形开挖预留核心土三台阶法”施工，施工过程中严格控制开挖台阶长度，控制循环进尺长度，及时初期支护。旁站人员做好施工记录。
7 拱顶下沉及围岩收敛预控措施
7.1 加强施工监测和跟踪变形趋势
安排专业测量人员负责施工监测工作，成立测量工作组，制订详细监测方案和监测制度，及时布设测量点，收集整理系统测量数据，及时统计、分析数据，并结合围岩判定，随时掌握施工阶段围岩和支护动态，了解支护构件的作用与效果，确保隧道工程安全与经济，为调整初期支护设计参数，确定二次衬砌与仰拱的施作时间提供依据，同时，积累资料为以后施工提供参考。
7.2拱顶下沉预控措施
对拱脚有孔隙水出露的地段，要及时引排，绝不允许浸泡基底；锁脚锚杆、径向锚杆严格按照设计要求施作，并对锚杆及时压注水泥浆，以控制围岩挤压。防止拱顶下沉过大；按照设计要求，开挖时，拱墙初期支护预留沉降量按照20cm考虑，以后根据监控量测数据，再做适当调整；钢架间的接点必须焊接或用螺栓连接牢固；开挖至拱脚位置时，采用大拱脚形式，大拱脚采用钢垫板(180 mm×200 mm×15 mm)与斜撑和Iz8 槽钢焊接，连成整体；开挖过程中，根据施工实际围岩地质情况及监控量测资料调整支护结构形式。
7.3水平收敛预防措施
严格控制台阶错台长度，台阶间最大错台长度不允许>8m，按照新奥法施工原理，对掌子面及时形成早封闭，达到快循环的目的；所有径向锚杆、锁脚锚杆严格按照设计长度及角度进行施作，并对锚杆及时压注水泥浆，以达到控制围岩挤压导致水平收敛变形过大；开挖并对施作完后的初期支护，及时对拱脚位置进行分层夯填；钢架间的接点必须焊接或用螺栓连接牢固；按照设计要求，对拱墙初期支护预留收敛量按照10cm考虑，根据开挖后的监控量测数据，再做适当调整；对拱脚有孔隙水出露的地段，要及时引排，绝不允许浸泡基底；开挖过程中，根据施工实际围岩地质情况及实际监控量测数据，及时调整支护结构形式。
8 结束语
湿陷性砂质黄土土质松软，在振动、水等作用下容易塌陷，严重影响隧道施工。由于本工程合理采用超前大管棚与超前小导管进行洞口超前支护，暗洞合理采用了“环形开挖预留核心土三台阶法”施工，确保暗洞开挖顺利进行。结果表明，大管棚超前支护保证了暗挖进洞的施工安全性，使得超前小导管端部不利的悬臂状态，变为有利的简支状态；超前小导管弥补大管棚注浆范围不到位的缺陷，使拱部松散围岩更好固结。开挖时，能够极大地减少对周边软弱围岩的扰动，并且围岩不会出现较大的收敛及下沉。监控量测数据分析显示，最大沉降量发生在DK147+380位置，开下导时由于连续降雨，拱顶突降5cm，累计沉量降12cm。其他地段沉降均不超过8cm。采用此工艺结合方法保证了洞口开挖作业安全，并且保证了施工进度。
参考文献：TB10417-2003铁路隧道工程施工质量验收标准
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。