随着我国铁路工程的不断发展,铁路隧道施工中遇到地质越来越复杂,尤其是遇到富水弱胶结砂岩地层情况下,含水量高、胶结度差,施工中极易出现突水涌泥、滑塌、坍塌、地面沉陷等现象,危及施工安全,影响施工进度,加大施工成本。当前国内富水砂层大断面隧道施工的现状主要是将隧道断面分割进行施工,隧道工作空间狭小,大多数仍以人工为主的作业,工序循环时间长,对围岩扰动很大,安全风险高,支护困难,进度缓慢,造成软岩隧道既不能快速施工,也不能形成机械化作业,经济效益低。

　　 部分富水砂层隧道已开通运营,对其施工中的工程特性研究、采取的措施以及取得的经验进行了相关总结。文献[1,2]提出了“重降水、密导管、强支护、辅注浆、快挖快支快封闭”的施工技术。文献[3]分析了富水砂层隧道工程特性,并通过施工组合方法对比双导洞施工工法和水平旋喷加固工法相对更安全,为隧道施工、设计提供参考。文献[4]分析了富水砂质围岩超前加固情况下隧道施工变形规律情况。文献[5]介绍了隧道工程概况、地质问题、施工工艺、施工设备及核心土加固控制变形技术的应用效果。

　　 针对富水砂层隧道如何在保证安全的前提下实现大断面施工,并充分利用机械,是复杂地质条件下隧道施工的技术难题。本文以桃树坪隧道为背景,原设计施工方法为双侧壁导坑法,施工机械化程度低,进度非常慢,通过现场试验与施工,提出在第三系富水弱胶结粉细砂岩地层双线铁路隧道大断面施工技术。

　　 桃树坪隧道为单洞双线铁路隧道,进口位于兰州东站出站端,出口位于榆中县方家泉村,起点DK3+430,讫点DK6+655,全长3 225m。隧道穿越地层含水率为3.2%～24.2%,相对密度为2.63,孔隙比为0.38～0.42,黏粒含量为4%～10%,渗透系数为1.0×10^-3～3.5×10^-4cm/s ^[6]。隧道开挖断面面积为160m²,高度为13.35m,开挖最大宽度为15.05m。隧道设计正常涌水量约为600m³/d,最大涌水量为1 100m³/d。隧道开挖施工中掌子面涌水量为300～1 000m³/d(见表1)。

　　 兰渝铁路桃树坪隧道除进口外,桃树坪隧道0～4号斜井和出口掌子面均位于富水未成岩粉细砂层中,成岩作用极差,局部无胶结,属极软岩,地下水丰富。隧道开挖后围岩自稳能力极差,粉细砂遇水即呈软流塑状,即形成涌砂,掌子面变形坍塌;下台阶施工墙壁滑塌,初期支护施作艰难,背后脱空、松动圈加大,支护结构变形严重,隧道施工进度缓慢,难度和安全风险极高 ^[7]。

　　 施工中遵循“综合降水是基础、超前注浆加固是安全保障、快速封闭是关键”的施工原则,建立了“洞内综合降水+高压喷射注浆加固+大断面机械化施工”的施工方法应用于本段落施工,施工工艺流程如图1所示。

　　 第三系富水弱胶结粉细砂岩通过超前降水,含水率控制在10%左右,有利于掌子面处于稳定状态。通过试验,建立了工作面超前深孔降水、开挖轻型井点紧跟降水和后续仰拱底面垂直降水井后续降水相结合的降水方式。降水孔位布置如图2所示。

　　 超前深孔降水孔:在下台阶开挖轮廓线外左、右两侧各埋设水平超前降水管5根,纵深18～20m(沿隧道轴向),外插角3°～8°,孔径90mm。

　　 轻型井点降水:在中台阶两侧拱脚布置长度4～5m的32 PVC管,外插角60°,纵向间距0.5～0.75m;下台阶两侧拱脚处除外插角30°外,其余同中台阶布置。若仰拱部位存在层间滞水,可在仰拱开挖前,在帷幕前方设置1排轻型井点降水管。

　　 垂直降水井降水:垂直降水井井管直径为150mm、深度为10m、沿隧道方向间距10m,左、右梅花形布置,开挖仰拱前在下台阶位置进行施作。

　　 隧道旋喷加固分布在隧道周边(开挖轮廓线外)、隧道掌子面、边墙锁脚和隧道底部共4个部位,旋喷桩桩位布置如图3,4所示。

　　 1)隧道周边采用PST60单臂钻机施工,周边桩间距50cm,桩径60cm;旋喷压力40～50MPa;水泥浆流量170L/min,转速10r/min;旋喷后退速度为5cm/8s,桩间咬合偏差≥2cm,桩长≥15m,纵向搭接长度≥3m。

　　 2)隧道掌子面桩间距150cm,梅花形布设,桩径60cm;桩位偏差≥5cm,旋喷压力等参数及机械同隧道周边加固。玻璃纤维锚杆抗拉强度≥500MPa,总长度≥15m,同一断面处丝扣连接接头≤50%;打入隧道掌子面旋喷桩内,既能有效控制掌子面挤出变形,有利于稳定,又有利于提高成桩质量。

　　 3)边墙锁脚旋喷加固中下台阶拱架连接处采用多功能地质钻机施作锁脚旋喷桩,桩长≥5m,桩径≥600mm。

　　 4)隧道底部帷幕旋喷在工作面第三台阶坡脚处,沿隧道轴线隔6～8m(仰拱开挖长度+1m)采用多功能地质钻机设置1排竖直旋喷帷幕,桩径800mm,桩心间距700mm,桩长6m,邻桩咬合。

　　 隧道采用台阶法开挖,初期支护拱架1榀/0.5m,喷射33cm厚C30早强混凝土;拱墙背后回填注浆终止压力≥0.3MPa;二次衬砌采用厚度60cm的C45钢筋混凝土。开挖工序如图5所示,工序说明如表2所示。

　　 通过监测显示,隧道拱顶、收敛平均变形速率在3mm/d以内,隧道变形量拱顶沉降≤200mm,水平收敛≤250mm,变形控制在标准范围内,确保隧道处于安全状态施工,测点布置和拱顶下沉变形曲线如图6,7所示。

　　 通过“洞内综合降水+高压喷射注浆超前加固(支护)+大断面机械化施工”的应用,解决了掌子面易坍塌、拱脚易失稳、隧底仰拱水量大等施工难题,实现了该地层条件下三台阶大断面机械化施工,既确保了施工安全,又加快了施工进度,最大月进度达24m,平均月进度达15～20m ^[3]。

　　 1)第三系富水弱胶结粉细砂岩稳定性差,含水量高,隧道施工中极易发生突水涌砂灾害,施工难度极大,安全风险极高。

　　 2)建立“降水是基础、超前加固是安全保障、快速封闭是关键”的施工原则,通过“洞内综合降水+高压喷射注浆超前加固(支护)+大断面机械化施工”的应用,保证了施工安全,加快了施工进度,实现了软岩隧道大断面机械化施工。

　　 3)通过大断面机械施工与其他工作面的双侧壁导坑法、中隔壁法相比,减少了临时支撑系统的投入,增大了施工作业空间,提高了大型机械化施工效率,拓宽了大型隧道工程机械的应用范围。