铁路隧道洞身开挖中的全断面法施工工艺

李蓬

（中铁十七局集团第五工程有限公司，山西太原 030032）

1 工程概况

某铁路扩能改造工程标段中隧道起讫里程为DK14+380～DK24+025，全长9645m，共布设3 个斜井，具体位置及长度分别为：DK17+367 线路右侧，长550m；DK20+090 线路左侧，长1080m；DK23+130 线路右侧，长230m。隧道施工条件特殊，经技术可行性分析后决定采用全断面法，以期通过该施工方法的应用创造安全的施工环境，高效施工。

2 铁路隧道洞身开挖的重难点及工作思路

2.1 开挖的重难点

（1）隧道施工规模大，地质、水文条件复杂。隧道长度达到9625m，现场地质条件组成错综复杂，包含Ⅱ级围岩5295m、Ⅲ级围岩1830m、Ⅳ级围岩1840m、V 级围岩680m。勘察结果显示，施工现场的断层达到高度发育的状态，分布范围较广，与隧道洞身多角度相交。在施工现场F4 断层带的影响下，明显加剧隧道施工现场的水文复杂性，正常涌水量达到了416m3/d。从隧道埋深的角度来看，最浅处仅为24m，地表沟谷长期处于有水的状态，产生较大的汇水面积。此外，周边建有水库。若缺乏有效的控制措施，在开挖的扰动性影响下容易出现涌水事故，不利于施工进程的顺利推进。

（2）质量要求高，施工难度大。根据要求，设计速度目标值为250km/h，还考虑到远景发展需求，预留提速条件，如何满足列车的高速通行要求为重难点内容。考虑到现场水文条件所带来的干扰，切实提高隧道防水等级，即采取一级建设标准，要求设置足够稳定性与严密性的防排水结构，通过各结构的联合应用共同形成防护体系，最大限度减小水侵蚀问题。并且，隧道对混凝土的耐久性提出较高的要求，不可因为使用时间的延长而出现失稳、破碎等情况。

（3）围岩稳定性不足，安全隐患多。隧址区存在凝灰岩、流纹斑岩，其性质特殊，在开挖期间若方法不当或是未采取有效的控制措施，则容易发生岩爆。

2.2 工作思路

（1）管超前：Ⅳ、V 级围岩易在开挖的扰动性作用下而出现失稳现象，因此开挖前施作超前注浆小导管，采取注浆加固措施，以此维持围岩的稳定性[1]。

（2）严注浆：施工现场存在部分地质断层以及富水地段，在此类特殊的地段施工时压注水泥浆液，通过浆液的固结作用增强围岩的完整性，确保其具有自稳性。

（3）短进尺：加强对开挖进尺的精细化控制，减小超前支护承载跨度；合理协调各项生产要素，快速喷射混凝土，缩短掌子面的暴露时间，从而减小外部对掌子面稳定性所带来的影响。

（4）弱爆破：以微震控制爆破的方式较为合适，细分方法包含光面爆破、预裂爆破；在不影响爆破施工质量的前提下尽可能减少装药量，以免破坏围岩的稳定状态。

（5）强支护：以径向砂浆锚杆较为合适，将其设置到位，增强围岩的稳定性。

（6）早封闭：开挖完成后随即组织混凝土初喷作业，通过此途径尽快封闭开挖面。施工前根据要求制作格栅钢架和工字钢钢架，通过质量检验后转移至现场，利用此类装置及时支撑围岩，局部地质条件欠佳时采取加强措施，尽早封闭成环。

3 洞口开挖与支护

洞口开挖的安全隐患较多，该部分穿过山体埋深最浅的地段，在开挖施工之下洞口范围内的总体状况发生变化，即天然植被山体遭到破坏，山体水系的路径随之改变，顺洞口向下流淌，在水的侵蚀作用下容易诱发塌方事故。此外，洞口的表层岩石处于风化状态，破碎状明显，拱部的稳定性欠佳。针对此情况，在洞身施工前便要采取防护措施，切实保证洞口的稳定性。此外，可采取长管棚套拱进洞的方案，此方式可有效减小仰拱开挖的影响，使山体在开挖施工期间无滑塌、局部掉落等问题[2]。

3.1 洞口开挖

正式开挖前，先修筑洞外路堑天沟和洞顶截水沟，构成完善的排水系统，改善现场的施工条件，以便推进洞口开挖施工进程。截水天沟距边仰坡开挖线的距离控制在5～10m。详细检查洞口顶部地表的平整度，若该处有凹坑或是小洞穴可利用粘土予以回填，使其具有平整性。洞口拉槽段开挖环节采取的是挖掘机开挖、自卸车装运的联合作业模式。从上部开始逐层向下开挖，考虑到开挖岩土体的稳定性要求，在开挖期间及时采取仰坡防护措施。

3.2 洞口支护

大管棚超前预支护，主要的施工流程为：先组织洞口开挖作业，待实际开挖位置在起拱线处时，按设计图纸设置钢筋混凝土套拱结构，将管棚导向管埋设到位，最后设置长管棚，至此则可以形成完整、稳定的洞室轮廓[3]。在洞口支护工作中，超前大管棚的打设为重点内容，环向间距取0.6m，制备水泥浆并将其填塞至管体内，拱部设φ42 超前小导管，该装置与大管棚交错布置；此外，使用适量长度为3.5m 的小导管，依然按环向间距0.6m 的标准设置，注浆施工所用材料为水泥浆。加强对管棚中心位置的检测与控制，要求其距离开挖轮廓线约30cm，外插角按1°～3°加以控制。管棚套拱结构示意图如图1 所示；洞口开挖支护示意图如图2 所示。

图1 管棚混凝土套拱结构

图2 洞口段开挖支护方法及工艺

4 洞身全断面开挖施工工艺

根据现场地质条件，因地制宜地采取可行的施工方法，洞口、洞口明洞施工环节均采用明挖法，暗洞段为新奥法，考虑到开挖施工的效率要求，辅以光面爆破法。其中，不同围岩等级的开挖方法不尽相同，对于Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、V 级围岩，分别采用的是全断面法、台阶法、三台阶开挖法、四台阶四步开挖法。拱墙施工遵循连续性原则，即一次浇筑成型，以保证拱墙结构的完整性。

正洞衬砌施工所用材料为C35 钢筋混凝土。V 级围岩施工段，开挖采取的是“挖掘机（主）+风镐（辅）”的综合型方案，遇局部施工条件异常特殊的情况时用风钻打眼爆破；除此之外的其他施工段，钻眼施工所用装置均为YT-28 凿岩机，待炮眼的深度、孔径等方面均满足要求后进行光面爆破施工。

两相对开挖工作面的距离为施工中的重点考虑内容，待其减小至40m 时，尤为重要的是加强安全防护，两端工作人员及时取得联系，就实际施工情况展开沟通，协调工作关系，确保安全；随施工进程的推进，待两开挖面的距离减小至10～15m 时一端暂停施工，另一端开挖，直至贯通为止。

5 隧道洞身开挖施工的注意事项

隧道洞身开挖是一项安全隐患较多的工作，期间潜在诸多突发性因素，必须加强控制。在开挖前，通过激光指向仪、激光断面仪等相关装置的联合应用，根据设计图纸要求确定开挖轮廓线和炮孔的具体位置，做好标记，给相关工作的开展提供参照基准[4]。

爆破开挖前应组织爆破试验，通过此方式验证钻爆参数的可行性，若实际爆破效果不满足要求则对钻爆参数做灵活的调整，直至钻爆方案切实可行为止。加大施工期间的监测力度，及时掌握地质条件以及振动波的特性，根据所掌握的数据对爆破施工效果做出准确的判断，及时调整钻爆参数，在该动态化施工的模式下，尽可能降低爆破施工对围岩、支护及衬砌的影响，以免造成不良影响。

6 结语

综上所述，在根据铁路隧道洞身施工条件采取相适应的全断面法后，能够有效保证施工的安全性，充分发挥出支护、衬砌等相关结构的安全防护作用，从而给隧道施工创设了良好的条件。施工全程安全状况良好，实际施工质量满足要求。根据该工程实例可知，全断面法施工工艺在铁路隧道洞身开挖施工中具有可行性，可为类似工程提供参考，同时也需根据工程的实际情况合理优化方法，全面发挥出施工方法的应用优势。