在承压水软土地层条件下引水隧洞
下穿铁路施工技术
研究报告
中铁十六局集团第四工程有限公司
二〇一二年五月
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目 录
0 前言 ....................................................................................................................................................... 2 1 概述 ....................................................................................................................................................... 2
1.1 任务来源及依据........................................................................................................................ 2 1.2 工程概况 ................................................................................................................................... 2 2 研究目的、内容及研究方法 ................................................................................................................ 3
2.1 研究目的 ................................................................................................................................... 3 2.2 研究内容 ................................................................................................................................... 3 2.3 研究方法 ................................................................................................................................... 3 3 施工技术及研究成果............................................................................................................................ 3
3.1 总体施工方案............................................................................................................................ 3 3.2 地表旋喷桩止水帷幕施工技术 ................................................................................................ 4
3.2.1 施工环境........................................................................................................................ 4 3.2.2 施工工艺........................................................................................................................ 5 3.2.3 施工效果........................................................................................................................ 7 3.3 定向超前长大管棚施工技术 .................................................................................................... 7
3.3.1 施工环境........................................................................................................................ 7 3.3.2 施工工艺........................................................................................................................ 8 3.3.3 施工效果...................................................................................................................... 11 3.4 洞内超前排水施工技术 .......................................................................................................... 12
3.4.1 施工环境...................................................................................................................... 12 3.4.2 施工工艺...................................................................................................................... 12 3.4.3 施工效果...................................................................................................................... 12 3.5 软土隧洞开挖支护施工技术 .................................................................................................. 12
3.5.1 施工方案选定 .............................................................................................................. 12 3.5.2 施工工艺...................................................................................................................... 12 3.6 浅埋暗挖隧洞稳定性分析 ...................................................................................................... 15
3.6.1 监控量测设计 .............................................................................................................. 15 3.6.2 隧洞稳定性分析 .......................................................................................................... 18 3.6.3 动态施工控制 .............................................................................................................. 18
4 施工效益 ............................................................................................................................................. 19
4.1 经济效益 ................................................................................................................................. 19 4.2 社会效益 ................................................................................................................................. 19 5 总结 ..................................................................................................................................................... 19
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0 前言
随着厦门市经济特区的发展，城市对北溪引水左干渠的水质和水量提出了更高要求。为了保证供水的水质和水量能够满足厦门市经济特区发展需求，针对北溪引水左干渠进行工程改造，并被福建省列为重点工程。
大人庙引水隧洞为双洞下穿铁路工程，单洞长200m，由于其工期短，地质条件差，下穿施工难度大，是整个改造项目的重点控制工程。大人庙引水隧洞先后下穿新建鹰厦右线、厦深线和既有鹰厦线三条铁路，其中新建鹰厦右线、厦深线路基已成型，待新建鹰厦右线通车后，既有鹰厦下将拆除并在原位重建。由于引水隧洞下穿施工和铁路施工同时进行，如何保证隧洞施工和铁路安全是工程当中的重中之重。
1 概述
1.1 任务来源及依据
“在承压水软土地层条件下引水隧洞下穿铁路施工技术”研究是集团公司2011年科技发展计划项目，项目编号为K2011-22B，研究起止时间2011年10月至2012年5月。本科研课题依托中铁十六局集团第四工程有限公司承建的大人庙引水隧洞施工进行。
1.2 工程概况
大人庙引水隧洞地处龙海市角美镇，为双洞下穿铁路工程，全长2×200米，开挖断面高5.70米、宽5.94米，呈城门型双孔独立结构，先后穿越新建鹰厦右线、厦深线和既有鹰厦线三条铁路，隧洞顶到轨底距离约为12m～17m。
施工平面位置见图1
厦门厦门厦门厦门厦门隧洞外轮廓线路厦左线厦线81.40左洞水泥隧洞外轮廓线厦门特区 供水水管厦深线右洞新建鹰厦右线新建鹰既有鹰隧洞外轮廓线鹰潭鹰潭深圳鹰潭
图1 大人庙隧洞下穿铁路段平面示意图
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大人庙下穿铁路段地貌属剥蚀台地，地表植被发育，交通方便，构造节理较发育。隧洞围岩以残积砂质粘性土为主，局部含有孤石，设计等级为V级。残积砾质粘性土呈褐黄、灰白色，硬塑，含少量石英砾石，厚度10～20m，容许承载力σ0 =200KPa，渗透系数4×10-4cm/s。
隧洞位于地下水位以下，地下水类型以第四系土层中的孔隙水和基岩风化裂隙水为主，富水性较弱，受大气补给强。隧洞所处地层位于透水性地层中，残积砾质粘性土遇水易软化，开挖后地层多为泥化呈流塑状，掌子面无自稳能力，极易发生溜坍、沉陷。
2 研究目的、内容及研究方法
2.1 研究目的
通过研究，采用从地表施作旋喷桩止水帷幕，定向长大管棚超前支护，新型材料洞内超前排水，台阶法暗挖施工以保证隧洞施工和铁路安全，并验证支护体系、加固措施及开挖方法是否科学。
2.2 研究内容
（1）地表旋喷桩止水帷幕施工技术； （2）定向超前长大管棚施工技术； （3）承压水隧洞超前排水施工技术； （4）软土隧洞开挖支护施工技术； （5）浅埋暗挖隧洞稳定性进行分析。
2.3 研究方法
（1）工程类比
调查国内外类似工程施工经验和研究成果，通过类比制定科学的施工方法。 （2）动态施工
通过开挖时土体固结程度来检查止、排水及注浆效果，改进浆液类型及配比；通过监控量测指导调整支护体系强度。
3 施工技术及研究成果
3.1 总体施工方案
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大人庙引水隧洞洞顶到轨底距离约为12m~17m，围岩以残积砾质粘性土为主，局部含有孤石。隧洞位于地下水位以下，所处地层位于透水性地层中。残积砾质粘性土在超饱水条件下经扰动易软化，开挖后地层多为泥化呈流塑状，掌子面无自稳能力，极易发生溜坍、沉陷，下穿施工保证隧洞施工及铁路安全难度极大。
针对以上工程特点，采用先改良、加固土体再开挖的总体方案。首先施作纵横向高压旋喷桩止水帷幕；再采用定向长大管棚超前支护，一次性穿越三条铁路；新型材料洞内超前排水；台阶法暗挖，及时全环闭合支护；通过监控量测数据分析，及时调整支护结构，确保隧洞施工和铁路安全。
施工流程见图2
地表旋喷桩 止水帷幕 定向超前 长大管棚 检查止水 帷幕效果 洞内超前 排水 隧洞开挖 初期支护 监控量测 二次衬砌
图2 施工流程图
3.2 地表旋喷桩止水帷幕施工技术
3.2.1 施工环境
大人庙引水隧洞位于地下水位以下，所处地层位于透水性地层中，地下水受大气补给强。隧洞围岩主要为残积砾质粘性土，其在超饱水条件下经扰动易软化，为了保证隧洞施工及铁路安全，必须采取一定的防排水措施。而新建鹰厦右线、厦深线铁路路基已成型，若采用深井大面积降水势必会造成路基沉降开裂。通过查询以往类似工程施工资料，并进行分析，大人庙引水隧洞确定从地表施作旋喷桩止水帷幕方案。
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3.2.2 施工工艺
采用二重管旋喷工艺，跳孔间隔法施工，在洞身两侧分别施作单排高压旋喷桩，每间隔10m设置一道横向旋喷桩，桩径60cm，桩间距50cm，施作范围为洞底以下2m至洞顶以上10m（水位线以上），其中水位线以上部分空钻。旋喷桩咬合形成闭合帷幕墙，将土体分隔成多个舱室，能够有效阻止地下水串流，取得良好的止水防渗效果，并且有效的约束了土体变形，提高了土体稳定性改良土体，提高土体稳定性，为后续工序的展开，特别是永久衬砌提供了稳定的空间和时间。旋喷桩止水帷幕布置见图3
纵向设置高压旋喷桩，桩径0.6m，间距0.5m横向每10m设置一道高压旋喷桩，桩径0.6m，间距0.5mK6+473K6+493平面图水位线水位线6060残积砾质粘性土残积砾质粘性土全风化辉石闪长岩I-I断面图200200全风化辉石闪长岩Ⅱ-Ⅱ断面图图1 旋喷桩布置图
图3 旋喷桩止水帷幕布置图
（1）施工机具
施工机具主要有高压泵、MJ-60型桩机、浆液搅拌器、旋喷管等。 （2）注浆材料施工配合比、及其它施工参数
旋喷桩使用的水泥采用新鲜无结块P.O32.5级水泥，施工用水为生活饮用水（自来水），水灰比为1:1，浆液在旋喷1h以内配制。
根据试验桩设定参数：旋转速度10r/min，提升速度10cm/min，压力为30MP。 （3）施工流程
①测量定位：用全站仪精确定位，桩位、标高复核无误后进行施钻。
②桩机就位：将钻机安置在设计的孔位上，使钻杆头对准孔位的中心。对钻机进行水平校正，使其钻杆轴线对准钻孔中心位置，施工时旋喷管的倾斜度不得大于1.5%。
③钻孔：用MJ-60型钻机进行钻孔，将喷射注浆管插入到设计标高位置。
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④插管：将喷射注浆管插入到预定深度，在插管过程中，为防止泥沙堵塞喷嘴，边射水边进行插管。
⑤浆液配制：在旋喷浆贯入注浆管的同时，在后台严格按设计及试验配合比拌制浆液，待压浆前将浆液倒入集料斗中。
⑥旋喷注浆：当喷管插入预定深度后，自下而上进行喷射作业，旋喷过程中严格按照设计与试桩参数进行施工，注浆管分段提升的搭接长度不得小于10mm；对需要扩大加固范围或提高强度的部分采取复喷的措施，施工桩顶标高高于设计标高0.3－0.5m。施工中值班技术人员必须跟班作业时刻检查浆液初凝时间、注浆风量、压力、旋转提升速度等参数是否符合设计要求，并且随时做好记录，绘制作业过程曲线。
⑦拔管冲洗：当喷射升到设计标高后，旋喷施工完毕，快速拔出注浆管，用清水将管路冲洗干净，管内机内不得残存水泥浆。
⑧桩机移位：旋喷桩机注浆管全部提出地面后，关闭电机，然后将桩机移至新的桩位。
旋喷桩施工工艺流程见图4
配制浆液测量定位钻机就位钻孔插管旋喷注浆钻杆提升旋喷结束清洗机具移动钻机
图4 旋喷桩施工工艺流程图
由于本地段地层组成主要有残积砾质粘性土和全风化辉石闪长岩，针对地层的组成、密实度、地下水状态，及时调整喷射施工工艺，以适应地质变化。旋喷桩止水帷幕桩长约为23 m，穿过残积砾质粘性土、全风化辉石闪长岩中，若只采用单一的固定不变旋喷参数，旋喷深层桩形成固结体时，势必形成直径不匀的上粗下细的固结体，严重影响其止水抗渗或约束土体变形作用。经过试桩，并结合地质剖面图、地下水资料，在不同深度、不同土层应适当调整旋喷参数，在不同的介质环境中有效喷射长度差别很大，重复喷射有增加固结体直径的效果。
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3.2.3 施工效果
通过进行开挖检查，所施工的旋喷桩桩径及垂直度达到设计要求，有效的阻止了地下水串流，取得了良好的止水防渗效果，同时约束了土体变形，隧洞收敛得到了有效控制，从而为后序工作的展开，特别是永久衬砌提供了充分的时间和空间。
旋喷桩施工质量照片见图5。
图5 旋喷桩施工质量照片
3.3 定向超前长大管棚施工技术
3.3.1 施工环境
大人庙引水隧洞围岩为残积砾质粘性土及全风化辉石闪长岩，局部含有孤石。为了保证隧洞施工及铁路安全，采用定向超长大管棚一次性穿过三条铁路线，注浆加固方案。
由于隧洞施工条件复杂，管棚施工存在以下特点：
（1）隧洞开挖断面为5.70m×5.94m，大型钻机作业受限，需先扩挖管棚工作室，提供必要的操作空间。
（2）管棚施工中要穿过旋喷桩和孤石等不均匀地质条件，因此，管棚施工机械特备牙轮钻头，以满足特殊钻机要求。
（3）管棚一次性施作长度为70m，仰角不大于0.5°，要求机械设备具有跟管施工及导向的能力。
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3.3.2 施工工艺
采用有线导向跟管施工技术，一次性施作超长大管棚70m，下穿三条铁路，并注浆加固，以增加支护刚度，保证隧洞施工及铁路安全。
（1）超前管棚主要技术参数 管棚长度：一次性施作长度为70 m；
管棚材料：φ108（壁厚6mm）热轧无缝钢管； 钢管长度：钢管长度为6～12 m； 管棚连接：钢管采用丝扣连接；
管棚间距：管棚钢管环向中心距为300 mm； 纵向间距：150mm（管外径至开挖面距离）； 管棚数量：单洞一环25根； 管棚仰角：≦0.5°； 注浆压力：1.0～2.0MPa。 （2）主要施工设备
①HTG-100型水平定向钻机1台。全液压驱动，功率：55KW；顶进/回拖力：150KN；扭矩：6000NM。
②SE－1型水平导向系统2套。包括探头和监视器，导线连接。可测钻头倾角及钻头斜面的面向角。
③泥浆系统。包括BW－250型泥浆泵1台，泥浆搅拌器1台，2KW污水泵2台。
④H－3移动式钻机工作台架1套。 （3）施工流程
①扩挖工作室，施作导向墙
由于隧洞开挖断面小，施工机具较大，不能满足跟管作业要求，需开挖9m管棚工作室，并在隧洞拱部施作导向墙。工作室比原设计开挖断面扩挖80cm，扩挖前需采用超前小导管注浆加固，保证施工安全。临时开挖面采用喷锚防护，挂设φ8钢筋网，网格间距20cm×20cm；φ42小导管注浆加固，每根长4.5m，间距1m，梅花型布置。导向墙浇筑时，在管棚位置预留φ125孔口管，管位采用全站仪和精密水准仪精确测设其三维坐标定位，以保证管棚钻孔精度。管棚工作室及导向墙布置见图6。
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工作室开挖线原设计开挖线导向墙孔口管5#10#1#25#
图6 管棚工作室及导向墙布置图
②钻机就位
钻机对位正确与否是管棚钻孔的首要保证，由于H-3型钻机工作台架可以自由移动，调整孔位就十分方便了，当钻机对正孔位后，为保证钻机对位精确可用精密水准仪和全站仪配合验证。开钻前，对钻机的位置、钻杆、滑架倾角及方位都要认真核对。
③钻孔施工
采用水平有线导向跟管钻进的方法，钢管安装和钻机进尺是同一过程。钻头采用与钻管等径的楔型钻头，楔板回转半径略大于钻管半径，钻头前端有Φ8－10mm的水眼，当钻头正常回转钻进时钻管沿直线前进。当钻头由于某种原因偏离预定轨迹偏向某一方向时，把钻头楔面调至已经偏斜的方向，钻机停止回转加力顶进，钻头由于斜面的作用就会向相反的方向偏斜，以此调整钻进的方向。面向角的朝向和钻头的偏斜方位都是由装在钻头后部的导向探头监测的，通过穿过钻管的导线连接到位于钻机操作台的显示屏，机手可以方便的调整钻进方向。这样终孔偏差可以控制在5‰以内。
钻头示意图见图7。
图7 超长管棚钻头示意图
如图所示：钻头内装有特制的传感器，传感器直接由15V直流供电。显示屏显示钻头的倾角(水平角度)、面向角(导向板的方向： 导向板朝上即为12点，如同钟面)。
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打设角度如果偏下，可以把钻头调到12点，即导向板朝上，直接顶进，此时由于导向板底板斜面面积大，受到一个向上的力，钻头轨迹就会朝上运动。同理在6点纠偏可以使钻头轨迹朝下，9点、3点分别是为左、右纠偏方向。如果角度合适，钻机会匀速旋转钻进，此时钻杆轨迹一般是平直的。所以导向钻头是上下纠偏的关键。至于左右偏差根据传感器尾端的发光装置来定，通过仪器测量参数来纠偏。
根据所钻地层情况选择钻进工艺参数，给进压力根据所钻地层软硬程度而定，不宜过大或过小，过大的给进压力会造成孔斜；过小的给进压力易产生重复破碎影响钻进速度及钻头寿命。钻进压力控制在10～40 kN，遇到大的孤石时钻进应平稳但速度减缓，此时可将给进压力适当调高到30～40kN，如遇到破碎地层，钻杆跳动剧烈，宜将给进压力降低至10～20 kN，转速为90 r /min。循环泵流量要控制适当，过大容易引发塌孔，过小则对排渣及钻头冷却都不利，实际钻进中调整在20～50 L /min，保持中低压力，匀速中速钻进。
④管棚安装
管棚采用φ108×6mm热轧无缝钢管，长度6～12m，其中双号孔采用钢管，单号孔采用钢花管，壁设φ10～16注浆孔，注浆孔环向间距15mm，纵向间距15cm，尾部预留不小于150cm的不钻孔止浆段。每段钢管采用丝扣套接，连接长度30cm，同一断面内接头数量不得超过总钢管数的50%。从钻机动力头通孔后端推入第二根钢管与第一根丝扣连接，钻机正转，管棚跟进。
每根管棚安装前必须进行质量检查，管材不得有弯曲，丝扣四周壁厚均匀，丝扣完整合格。钢管内的铁屑、脏物及锈皮必须清理干净，安装时钢管抬放动作不应过于剧烈，避免损失管扣。
管棚钢管注浆孔布置形式见图8。
φ108无缝钢管注浆孔φ10-16注浆孔
图8 超前大管棚注浆孔布置图
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⑤封孔
钢管推入到设计深度后按要求将多余部分用气割切除，即可封口。采用强度为C15的水泥砂浆封堵钢管与钻孔间隙，用6mm厚钢板将钢管端头焊接封死，同时在钢板中间焊φ25 mm注浆钢管(长300mm)。
⑥注浆
注浆采用1：1水泥浆液，先注单号孔（钢花管），待单号孔注浆完成后再钻双号孔并安设钢管，以检查钢花管的注浆质量。注浆的顺序原则上由底向高依次进行，先低压、大流量注入，注浆过程压力逐渐升高，注浆流量逐渐减少，注浆压力一般为1.0～2.0MPa。以单孔设计注浆量和注浆压力作为注浆结束标准，其中应以单孔注浆量控制为主，注浆压力控制为辅。注浆时要注意对地表以及四周进行观察，如压力一直不上升，应采取间隙注浆方法，以控制注浆范围。注浆时，应对注浆管进行编号，每个注浆孔的注浆量、注浆时间、注浆压力作出记录，以保证注浆质量。 3.3.3 施工效果
通过对施工完成的管棚进行开挖检查，所施工的50根长管棚的竖向下垂量最大为0.3%，水平位移量最大控制在0.15%以内，较好地满足了大管棚施工的精度要求，保证了隧洞施工和铁路安全。大人庙引水隧洞大管棚设计与施工均取得良好的效果，受到左干渠改造建设指挥部和监理单位的一致好评。
超前长管棚施工质量见图9。
图9 超前长大管棚施工质量照片
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3.4 洞内超前排水施工技术
3.4.1 施工环境
大人庙引水隧洞位于地下水位以下，所处地层位于透水性地层中，残积砾质粘性土在超饱水条件下经扰动易软化，失自稳能力。采用超前排水措施使土体相对干燥，为开挖支护提供一定的稳定时间，保证隧洞施工和铁路安全。 3.4.2 施工工艺
由于粘性土中水土结合，如何将水土有效分离才是关键。采用台湾进口新型材料毛细透排水带，利用产品本身所具有的“毛细力”作用，主动将土中过饱和水倒吸进入排水带毛细孔槽内，“毛细力”及“虹吸力”在毛细管孔内产生负压，促使排水带主动吸水排水，自动水土分离。
（1）超前造孔
采用空气潜孔锤在掌子面造孔，孔径100mm，孔深4.5m，根据围岩含水量确定孔数；
（2）安装毛细透
在打有渗水孔的PVC管内塞入毛细透排水带，插入长子面土体内，利用“毛细力”作用，将土体内过饱和水吸出；
（3）集水井
将水流汇入集水井，集中抽排。 3.4.3 施工效果
毛细透排水措施简单易操作，此次排水试验的成功，为隧洞开挖支护提供了一定的稳定时间，保证了隧洞施工和铁路安全。
3.5 软土隧洞开挖支护施工技术
3.5.1 施工方案选定
结下穿施工风险大、隧洞地质条件差、结构浅埋、隧洞断面小等工程特点，经方案比较和安全性论证，要求施工中采用短台阶法暗挖，全环钢拱架闭合支护，遵循短进尺、紧封闭、快成环的原则。施工中通过隧洞水平净空收敛、拱顶下沉和地表下沉量测数据处理分析，采取各种有效措施调整支护参数，确保隧洞施工和铁路安全。 3.5.2 施工工艺
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采用短台阶法暗挖，预留核心土体，上台阶环形导坑人工开挖，核心土及下台阶采用挖掘机开挖，台阶长度4～6m。上台阶开挖进尺控制在1榀钢架距离，即0．6m，开挖后立即喷射混凝土封闭周边轮廓和开挖掌子面，之后及时施工支护结构。下台阶开挖进尺同上台阶，中间挖掘机开挖，两侧边墙轮廓人工刷边，减少对土体的扰动。开挖完成后及时喷射混凝土封闭开挖面，之后及时完成支护结构。在施工中加强监控量测，依靠量测数据调整施工参数。 3.5.2.1 支护结构参数
（1）超前支护
φ108定向长大管棚超前注浆加固，25根，70m/根；拱部φ42超前小导管，每环25根，每根3.5m（局部补强）；
（2）初期支护
全环I20a工字钢架，间距0.6m；φ8钢筋网，@20×20cm；喷C25钢纤维混凝土27cm；φ42系统锚管注浆加固，长3.5m，间距1m；
（3）临时支护
I18工字钢临时仰拱，纵向间距0.6m；玻璃纤维锚杆（掌子面局部超前加固）；开挖面喷C20混凝土4cm；
（4）加强措施
φ42钢管桩注浆固结仰拱，以提高基底承载力，避免隧洞整体或不均匀沉降。 （5）衬砌结构
二次衬砌C35P8钢筋混凝土，底板70cm，边墙及拱部60cm。 支护结构见图10。
I20a钢架间距60cm/榀C25喷射混凝土27cm厚φ8钢筋网间距20*20cm二衬60cm钢筋混凝土上台阶临时仰拱下台阶φ42*3.5mm径向注浆小导管
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图10 支护结构图
3.5.2.2 施工工序
短台阶法施工工序见图11。
φ42径向注浆小导管L=3.5m,环向间距1mφ108超前大管棚L=70m,环向间距30cm 27cm初支 60cm衬砌4cm喷射砼封闭掌子面临时仰拱 φ42钢管桩
图11 开挖工序纵断面图
（1）利用上一循环架立的钢架与超前支护开挖上台阶，并喷射混凝土封闭掌子面；初喷4cm喷射混凝土、安设钢筋网、架立上边墙钢架、拱部钢架和临时仰拱钢架，并设锁脚锚杆；钻设径向小导管，与钢拱架焊接锁牢，并注水泥浆，后复喷混凝土至设计厚度。
（2）开挖下台阶侧壁并喷射混凝土封闭掌子面；初喷4cm喷射混凝土、安设钢筋网、接长边墙钢架，并设锁脚锚杆；钻设径向小导管，与钢拱架焊接锁牢，并注水泥浆，后复喷混凝土至设计厚度。
（3）开挖底部仰拱并喷射混凝土封闭掌子面；初喷4cm喷射混凝土，安设仰拱钢架全环闭合，边墙钢架脚底垫I25槽钢；梅花型布设钢管桩并注水泥浆，并预留管头，复喷至设计厚度。
（4）浇筑底板及边墙二衬混凝土。 （5）浇筑拱部二衬混凝土。 3.5.2.3 短台阶法开挖工艺要求
（1）施工时应要严格坚持“弱开挖、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的施
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工原则，避免对围岩产生较大的扰动，及时支护和量测。
（2）隧洞采用人工开挖为主，挖掘机配合，农用车出碴，隧洞内严禁违规作业，确保施工安全。
（3）上下台阶开挖长度L一般宜在4～6m，先行导坑需设置临时仰拱及时闭合成环。钢架封闭成环段大于5m，立即组织衬砌混凝土的浇筑，以确保施工安全。
（4）工序变化处隧洞周边钢架基脚应设φ42锁脚锚管，及时施作钢架间的纵向连接筋并连接牢固。为防止钢架拱脚下沉，可采取在拱脚增设槽钢、钢管桩注浆加固仰拱等措施，保证钢架稳定。
（5）由于初期支护、二次衬砌分块施作，应严格控制各部钢架加工质量，采用螺栓连接牢固，确保整环受力均匀。衬砌预留钢筋接头错开35d（主筋直径）长度，并采用单面焊缝帮条焊，避免“同一截面”问题。
（6）衬砌施工缝处设止水条，伸缩缝处设止水铜片，防止渗漏水。
3.6 浅埋暗挖隧洞稳定性分析
大人庙引水隧洞埋深浅、地质条件极差，下穿铁路施工安全风险大。在地表旋喷止水帷幕后，施做定向超前大管棚，采用短台阶法暗挖施工，施工方案及工艺是否得当直接关系隧洞稳定性状态，进而影响到铁路安全。施工中通过监控量测数据处理，分析隧洞稳定性和铁路状况，必要时调整施工方案和支护结构，确保铁路行车安全。 3.6.1 监控量测设计 3.6.1.1 监控量测的目的
通过监控量测了解隧洞各施工阶段地层与支护结构的动态变化，把握施工过程中地层和支护结构的稳定性状态；用现场实测的结果弥补理论分析过程中存在的不足，并以监测结果反馈设计、指导施工；通过监控量测了解该工程条件下所表现、反映出来的一些地下工程规律和特点，为今后类似工程提供借鉴、依据指导作用。 3.6.1.2 监控量测项目的选择确定
根据大人庙引水隧洞埋深浅、地质条件差、下穿铁路等工程特点，确定的监测项目有：地质及支护状态观察、地表沉降监测、铁路路基下沉、隧洞拱顶下沉监测、净空水平收敛变形监测、二次衬砌沉降。详见表1。
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表1 监测项目一览表
项目名称 1 2 3 4 5 6
地质和初期支护状况观察 水平收敛 拱顶下沉
方法及工具
岩性、结构面产状及支护裂隙观察和描述，地质罗盘等
收敛计
布置
开挖后及初期支护后进行 每2m一个断面，每断面2对测点
每2m一个断面，每断面1个测点
在二次衬砌上每5m一个断面 每5m一个断面
在铁路线两侧路肩布置一个断面（延伸至隧洞影响范围外30m）
量测频率 每天开挖后进行 4次/天 4次/天 2次/天 同上
水准测量的方法，水准仪、钢
卷尺等
二次衬砌水准测量的方法，水准仪、钢沉降 卷尺等
水准测量的方法，水准仪、钢
地表沉降
卷尺等 铁路路基沉降
水准测量的方法，水准仪、钢
卷尺等
同上
地表沉降、拱顶下沉、水平收敛布置在同一断面，以使监测结果相互对照，相互印证。铁路路基下沉观测断面应延伸至隧洞影响范围外30m，每10m设置一个观测点作为路基沉降观测的参照点。测点布置见图12、13。
10m10m10m6m5m×n6m10m10m10m地表沉降观测点图12 地表沉降观测点布置示意图开挖工序纵断面图
图13 台阶法开挖洞内拱顶下沉及周边收敛测点布置示意图
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3.6.1.3 监控量测基准值
为了正确利用监测数据及时调整施工方案，确保隧洞施工及铁路的安全，需对各项目制定监控量测的管理基准值，基准值参考《铁路隧道施工规范》、《地下铁道工程施工及验收规范》等制定，具体值可参照表2。
表2 施工监控量测基准值
量测项目 基准值 预警值
地表下沉 30mm 20mm
铁路路基沉
降 20mm 10mm
二次衬砌沉
降 10mm 5mm
拱顶下沉 60mm 30mm
净空收敛 1.00% 0.5%
净空收敛基准值是指允许相对位移值，即实测位移值与两测点间距离之比。 3.6.1.4 管理等级
根据实测位移值Uo与最大容许位移值Un的比值划分管理等级实施相应对策。本暗挖隧洞按三级管理考虑对策。见表3。
表3 变形管理等级表
管理等级 III II I
地表沉降
施工状态 可正常施工 应加强支护 应采取特殊措施
Uo﹤Un/3 Un/3﹤Uo﹤2 Un/3
2Un/3﹤Uo
注：Uo-实测位移值 Un-最大允许位移 （1） 根据位移速率管理
①当日位移速率大于5mm/d时，表明围岩处于急剧变形阶段，应密切关注围岩动态；
②当日位移速率在1~5mm/d之间时，表明围岩处于急剧变形阶段； ③当日位移速率在1~0.2mm/d之间时，表明围岩处于缓慢变形阶段； ④当日位移速率小于0.2mm/d时，表明围岩已达到基本稳定。 （2） 根据位移时态管理
①每次量测后应及时整理数据，绘制时态曲线；
②当时态曲线位移速率逐渐变小，即d2u/dt2﹤0时态曲线趋于平缓，表示围岩变形趋于稳定，可正常施工；
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③当时态曲线位移速率不变，即d2u/dt2=0时态曲线趋于上升，表示围岩变形急剧增长，无稳定趋势，应及时加强支护，必要时暂停掘进；
④当时态曲线出现反弯点，即d2u/dt2﹥0表明位移速度逐步增大，表明围岩已处于不稳定状态，应停止掘进，及时采取相关措施、启动应急预案。 3.6.2 隧洞稳定性分析
大人庙引水隧洞采用短台阶法开挖时，通过量测数据处理、分析，地层及支护结构主要经历了3个主要变形阶段，如图14。
5#沉降点0-20-40-60-80-10001020304050607080905#沉降点
图14 s-t曲线图
3.6.2.1 上导坑开挖引起的变形
超前管棚注浆加固后，地层参数得到提高，减小了开挖过程中的地层损失，且采用人工开挖，对上覆土体的扰动也较小，故上导坑开挖引起的拱顶及地表沉量也较小，此阶段变形量占总变形量的25%。 3.6.2.2 下导坑开挖引起的变形
由于上导坑及边墙施工时的扰动，下导坑地势低洼汇水，围岩自稳能力差，易溜方滑塌，施工过程中上部拱架有整体下沉现象，此阶段为施工中的主要下沉阶段，此阶段变形量占总变形量的55%左右。当采用径向小导管、钢管桩注浆固结后，隧洞变形得到了有效控制，变形速率明显减缓。 3.6.2.3 初期支护成环后的缓慢变形
初期支护封闭成环后，结构受力条件得到改善，变形速率减缓，二次衬砌底板浇筑后，支护结构进一步增强，变形量基本消除，此阶段变形量占总变形量的20%。 3.6.3 动态施工控制
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隧洞开挖时，拱顶下沉最大值为89mm，后通过增加超前小导管、径向小导管等措施调整支护结构强度；通过地表旋喷、超前管棚注浆等措施固结地层，增强其自稳能力和承载能力。后续开挖施工中，隧洞稳定性显著增强，变形量基本控制在5mm之内，取得了较好的效果，有力的保证了隧洞施工安全和铁路安全。
4 施工效益
4.1 经济效益
大人庙引水隧洞下穿铁路工程，通过优化施工方案、比选施工设备、动态施工等各项措施，既保证了施工安全，又节约了投资，经济效益显著。
（1）下穿铁路施工中，采用地表旋喷桩止水帷幕施工技术、定向长大管棚施工技术、承压水隧洞排水施工技术、软土隧洞开挖支护施工技术等施工工艺，在三条铁路线高风险的施工条件下成效显著，安全就是最大的效益，在这里得到了充分论证。
（2）大人庙引水隧洞在大管棚施工前，通过广泛的市场调查，若采用小型机械施工，管棚工期在两个月左右，仅工费一项成本近百万，且管棚施作质量难以达到设计标准；最终决定租用大型管棚钻机，月租金30万，机械到位后不到一个月管棚全部施工完成，管棚施作精度、长度等各项指标完全满足设计要求，只此一项就节约工程投资70万元。
（3）隧洞开挖过程中，通过监控量测数据分析及时调整施工方案，采用超前小导管注浆、径向小导管注浆等简易措施，有效的增强了围岩自稳能力和承载能力，降低了隧洞支护结构的压力，保证了隧洞施工和铁路行车双安全，用“小投资”换来了“大效益”。
4.2 社会效益
大人庙引水隧洞下穿铁路工程，隧洞浅埋、土体富水软弱、施工进展及铁路安全一直受到业主单位、设计单位、铁路建管单位及社会各界的高度重视，从地表旋喷桩帷幕、超前大管棚施工到台阶法暗挖进洞，每步施工都经各方专家现场论证，专家一致认为大人庙隧洞下穿铁路是“新工艺、强措施、高保障”，对工程的质量、进度给予了充分肯定，取得了良好的社会效益。
5 总结
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大人庙引水隧洞下穿铁路工程，隧洞浅埋，围岩为软土且含水量大，施工风险性极高。通过现场认真研究，在施工方案及工艺上有了新的突破：
（1）施工中采取从地表施作纵横向高压旋喷桩止水帷幕方案，有效阻止了地下水串流，取得了良好的止水防渗效果，并约束了土体变形，保证了隧洞施工和铁路安全。
（2）掌握了复杂地质条件下定向超前长大管棚施工技术，通过对施工完成的管棚进行开挖检查，所施工的50根长管棚的竖向下垂量最大为0.3%，水平位移量最大控制在0.15%以内，较好地满足了大管棚施工的精度要求，保证了施工安全。
（3）采用新型材料毛细透排水带超前排水，利用材料本身所具有的“毛细力”作用，主动将土体中过饱和水倒吸进入排水带内，并使土水自动分离，再利用集水井集中抽排水，保持掌子面土体相对干燥稳定，为隧洞施工创造了有力条件。
（4）采用台阶法暗挖施工，预留核心土，上台阶增设临时仰拱，使上导坑钢架独立成环闭合，达到尽快稳定、收敛的目的。隧洞支护采用I20a型工字钢架全环闭合设置，0.6m/榀；采用抗裂性好、吸收变形能力强的C25钢纤维混凝土网喷；采用φ42注浆小导管径向布置，管尾与钢拱架焊接在一起，对钢拱架进行锁定，保证隧洞的稳定安全。全断面初期支护封闭成环后，利用衬砌台车及时浇筑二次衬砌混凝土，整个结构体系受力达到了平衡。
（5）施工中通过监控量测数据处理，分析隧洞稳定性和铁路沉降状况，及时调整施工方案和支护结构，取得了较好的效果，确保了隧洞施工和铁路安全。
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