摘要：铁路隧道洞口段围岩偏破碎，局部夹杂土层，缺乏完整性和稳定性，不利于土体成拱，施工期间的安全隐患较多，以何种方法安全完成洞口段的施工至关重要。以某铁路隧道工程为例，重点对其洞口段施工工艺展开分析，提出超前大管棚支护技术在其中的应用要点。实践表明，通过该项技术的有效应用，施工安全性有所提升，可顺利推进施工进程，洞口段施工同时满足安全、质量、效率多重要求。
关键词：铁路隧道；洞口段；大管棚支护
1工程概况
某铁路隧道进出口里程DK42+120~DK42+510，全长390m，设计速度250km/h。隧道进口~DK42+291.86位于直线段，剩余部分位于半径4000m的左偏曲线上。隧道最大埋深37.5m，进口至出口位于30‰的下坡。
2测量放样
复测设计中线，布设导线网联系隧道进出口，联测闭合进出口高程。洞外加密点为一个整网，测段间用边联结的方式构成带状网，用双频GPS接收机按三等联测加密点。分别为各洞口设平面控制点，以保持良好的通视关系，布设的各控制点必须稳定，且便于引测进洞。
3隧道洞口段施工工艺分析
洞口段施工内容涵盖边仰坡的土石方开挖、防护、明洞施工等，为顺利施工，需要针对性地采取施工工艺。洞门为帽檐斜切开孔式缓冲结构洞门，以明挖法组织洞口段明洞的开挖作业，搭设Φ108mm大管棚，以起到支护作用。
3.1洞口开挖
对于洞口土石方，按照从外向内、自上而下的顺序开挖，逐层、逐段推进。期间加强对边仰坡开挖高度和坡度的检测与控制，保证各项指标的合理性。土方和强风化岩的开挖作业以挖掘机为主，人工辅助清理开挖面，提高开挖精度。对于不具备机械开挖的条件局部陡坡段，采取人工开挖的方法。边仰坡开挖后尽快组织防护作业，有效防护围岩，以免出现雨水渗透、围岩风化问题。以喷锚的方式对边仰坡加以防护，打设锚杆，挂钢筋网，喷射混凝土，共同构成临时防护结构。喷射层与原坡面平顺衔接，以免坡面风化。
3.2暗洞进洞
为给暗洞施工创设安全的环境，以锚喷（网）的方式对洞口衬砌外1~3m的边仰坡做加固处理。严格控制洞口土石方的开挖量，达到大管棚施工高度时，将稳定性较好的台阶作为平台，于该处施作超前大管棚，组织暗洞洞身的开挖作业。通过应用三台阶临时仰拱法，即可安全、顺畅地开挖暗洞进洞部分。
3.3超前支护施工方法
根据现场勘察资料可知，隧道洞口及明暗交界段的地质条件欠佳，为此设Φ108mm超前大管棚，增强支护效果。洞口段超前长管棚分节制作成型，单节长度为4m或6m，材料选用的是壁厚6mm的Φ108mm热轧无缝钢花管，外插角1~3°，环向间距40cm。开挖至管棚施工段时，暂时保留下台阶，将该部分作为施工平台，于该处组织管棚和混凝土导向墙的施工作业。根据施工要求控制预留下台阶的尺寸，宽度2.5m，高度2.0m。导向墙宽度、厚度均按1m设置，用C20混凝土施工成型。以3榀I18工字钢为基础构件，共同构成完整的钢拱架，设置于导向墙内，构成环向支撑装置。钢架外缘设壁厚为5mm的Φ140导向钢管，以焊接的方式实现与钢管的稳定连接。管棚材料选用Φ108钢管，按150mm的间距在管壁上开设孔径为10~16mm的孔，钢管尾端150cm内不做钻孔处理（作为止浆段）。管棚分节段制作，单节长度4m、6m。奇数号选用钻孔钢花管，偶数号选用不钻孔钢花管。以方木为材料，按“井”字形搭设作业平台。根据钻孔深度和孔径要求适配钻机，要求钻机运行性能稳定，可在360°范围内钻孔。钻机平稳就位后进入钻孔环节，孔径为127mm，平面误差不得超过20cm。钻进期间钻杆维持稳定，以免影响成孔效果[1]。钻孔后安排检测，判断孔位、孔径、孔深、垂直度各方面是否满足要求，在确认无误的前提下对钢管做接长处理。用钻机顶入孔内，遇阻碍或是存在其他异常状况时，先安排清孔，再继续顶入钢管。为钻孔编号，单号孔顶入有孔钢管，双号孔顶入无孔钢管。钢管接头错开布置，以利于优化管棚的受力条件。相邻钢管接头错开距离不小于1m，两节钢花管间用Φ114mm丝扣联结，保证稳定。注浆材料为1:1水灰比的水泥浆液，采用全控压入式的注浆方法，在0.5~2.0MPa的压力条件下将浆液压注至长管棚内。注浆前组织试验，确定合适的作业流程、作业参数，为正式施工提供引导。按自下而上的顺序注浆，根据注浆压力控制结束作业的时间。注浆后及时清理管内残留的浆液[2]，制备适量M7.5水泥砂浆进行填充，以此来提高管棚的强度和刚度。
3.4洞身开挖
根据围岩特性确定开挖方法，其中Ⅳ级围岩段用三台阶法施工，Ⅴ级围岩用三台阶临时仰拱法施工。对于具体的开挖要点做如下分析：
3.4.1三台阶法开挖
在三台阶法开挖中，将断面划分为上、中、下台阶三部分，三部分均采用光面爆破的开挖方法。对拱部及边墙做光面爆破处理后，可在保证开挖效果的同时增强开挖轮廓线的圆顺性，减小开挖作业对围岩的扰动作用。配套简易工作台架，以便高效施工，并用YT28型风钻钻孔。通过应用PC200型挖掘机将上、中台阶产生的石碴转至下台阶，由装载机装碴，用自卸车外运。三台阶施工如图1所示。其中：I为超前小导管，II为上台阶初期支护，III为中台阶初期支护，IV为下台阶初期支护，V为施作中心深埋水沟并回填，VI为仰拱填充混凝土VII-拱墙混凝土；1为上台阶开挖，2为中台阶开挖，3为下台阶开挖，4为仰拱开挖，5为中心深埋水沟开挖。各部分的开挖要点如下。上台阶：时间安排在拱部超前支护设置到位后，由开挖轮廓线环向开挖，每循环进尺不超过2榀钢拱架间距。考虑到开挖面的稳定性要求，开挖后随即初喷混凝土，予以封闭；搭设稳定可靠的型钢钢架，配套锁脚锚管和系统锚杆，喷射混凝土，使其构成完整的结构。中台阶：开挖进尺为每循环不超过2榀钢架间距；开挖后随即以喷射混凝土的方式予以封闭，架设型钢钢架，将锁脚锚杆和系统锚杆设置到位，对该基础框架喷射混凝土。下台阶：每循环开挖进尺以及开挖后的防护方法均与上、中台阶一致，故此处不再赘述。仰拱：围岩偏软弱、破碎时，为减小开挖产生的扰动作用，仰拱单独开挖；围岩条件较好时，在协调得当前提下仰拱与下台阶同步开挖；仰拱开挖采用机械为主、人工为辅的方案，绝大部分用机械设备开挖，而后安排人工清底；待开挖完成后施作仰拱衬砌，安排填充处理。将各步台阶的单次开挖量控制在2~3m，隧道开挖后及时封闭成环，缩短开挖面的外露时间。对于Ⅳ级围岩的施工中，封闭位置与掌子面的距离不得超过35m。
3.4.2三台阶临时仰拱法开挖
上台阶以弱爆破或人工风镐的方法开挖，中、下台阶采取控制爆破开挖方法或挖掘机开挖。此类方法可在保证开挖质量的同时，减小对围岩的扰动，且开挖成型的轮廓更加圆顺、稳定。其中，中下台阶的左、右边墙交错施工，各部的间距需控制在2~3m，以减小扰动作用。上台阶每循环开挖支护不超过1榀钢架间距，三个台阶平行作业。仰拱部分采取短开挖的方法，根据岩土体特性控制开挖量，土质围岩不超过1.5m，石质围岩不超过3m，仰拱墙脚、拱脚部位先由机械设备开挖，即将接近指定位置后预留60~70cm，转为人工精细化开挖的方法。开挖期间加强洞内抽排水，减小水文条件带来的不良影响，维持边墙的稳定性。组织1部台阶的开挖，喷射10cm厚混凝土，封闭掌子面。将2部的初期支护设置到位，初喷4cm厚混凝土，根据设计要求稳定架设钢架装置，于指定位置设锁脚锚管，增强支护效果。于导坑底部设I18临时钢架，复喷混凝土，直至实测厚度达到要求为止，从而有效支护。随着上台阶施工进程的推进，达到适当的距离后安排2部台阶的开挖。先将初期支护设置到位，初喷4cm厚混凝土，再将配套的各类装置设置好（钢架、锁脚锚管），设I18临时仰拱，复喷混凝土。达到适当的距离后，安排3部台阶的开挖，出于维持结构稳定性的目的，施作边墙结构初期支护。类似的，待下台阶开挖至适当距离后，在现场无异常状况的前提下组织第4部的开挖，依然设置初期支护结构。以分段的方式有序设置纵梁，每完成一榀钢拱架的设置工作后，用纵梁进行连接处理。以焊接的方法稳定连接纵梁与仰拱环向钢架。配套适量锁脚锚管，将纵梁锚固至围岩上。纵梁与仰拱环向钢架结合，通过对两者的焊接，构成完整且稳定的整体结构。
3.4.3洞口土方施工期间的安全防护措施
洞口段地质条件特殊，开挖的扰动性较强，施工前设置防排水设施，减小水文条件的干扰。施工期间加强对坡面的观察，判断是否有异常状况。视现场施工进度及时施作洞口边仰坡防护结构，增强稳定性，营造安全的隧道洞口段施工环境。按自上而下的顺序开挖，使开挖区排水系统始终保持通畅状态，并高效连通至原有水系，以免产生积水。开挖期间遇到岩石破碎土质松软部分，一方面控制开挖面的尺寸不宜过大，另一方面及时采取防护措施，缩短暴露时间。
3.5明洞施工
以横向分层、纵向分段的方式开挖，以挖掘机为主要的开挖设备，局部可联合应用弱爆破和机械刷坡的方法。开挖产生的石碴及时用装载机装载，由现场的自卸车外运。开挖后及时处理基底，做承载力检测，实测结果满足要求后，施作仰拱、填充混凝土。
3.6仰拱及边墙基础的施工
仰拱全幅施工，用挖掘机高效完成基础部分的开挖作业。钢筋安装前先测量放样，将定位钢筋布置到位，以此为基准进一步安装其他钢筋。仰拱及边墙基础混凝土浇筑时，于钢筋骨架上方固定拼装式钢模，以保障仰拱混凝土浇筑顺利进行和成型结构具有良好的拱形。
3.7拱墙混凝土浇筑
以模板台车为工作平台，施工人员于该处完成拱墙钢筋的安装作业，使端墙处预留钢筋与洞门端墙钢筋形成连接关系。明洞衬砌施工环节，组合钢模作外模，模板台车作内模，拱墙衬砌混凝土一次灌注到位。期间用插入式振捣器处理，以减小混凝土内部的空隙，提高内部密实性和表面平整性。待洞口衬砌与洞门整体灌注完成后，在确保无质量问题的前提下安排洞顶回填施工。
3.8明洞回填
待洞外防水层成型且实测强度达标后组织明洞回填。侧墙回填采取两侧同步推进的方法，以增强施工均衡性，并提高施工效率。现场为土质地层时，将墙背坡面开挖成台阶状，以分层的方法逐步码砌片石，对处理后局部存在得缝隙，用碎石填实。拱部回填以分层的方法有序进行，单层厚度不得超过0.3m。控制好回填两侧的高度，实测高差不得超过0.5m。顶层回填材料选用黏土，以达到隔水的效果。
3.9洞门修筑
进洞施工无异常后安排洞门施工，此部分用混凝土浇筑成型。为给洞门修筑作业的开展创设良好的条件，搭设钢管脚手架，配套钢模板，以泵送的方式高效浇筑混凝土。期间安排专员用插入式振捣器处理，提高混凝土的密实度。洞门施工成型后，修筑洞顶排水沟，提高排水效率，减小现场水资源对洞口稳定性的不良影响。
4结语
综上所述，纵观隧道的各部分施工，洞口段属于薄弱部位，具有安全隐患多、施工难度大的特点。出于安全施工的目的，本文对洞口段开挖、超前大管棚支护、洞口段填筑几个方面的具体技术要点展开了探讨，希望所提内容可为类似施工参考。
参考文献
[1]刘珂.隧道洞口不良地质段的施工技术研究[J].工程建设与设计,2021(18):154-156.
[2]柴天建.梅家庄隧道洞口段支护技术及其效用研究[D].南昌:南昌大学,2017.
作者：于立源 单位：中铁十九局集团第五工程有限公司
