0 引言

　　关于高寒地区的铁路隧道，冻害问题一直以来都很棘手，究其原因几乎都与隧道的排水体系密切相关，因此高寒地区隧道在设计、施工以及运营阶段对隧道防排水系统的设计和施工工艺的正确实施至关重要。

　　隧道中心深埋水沟是近年来我国在高寒地区隧道施工出现冻害后，为解决隧道冬季防排水而采取的一种排水措施。因单线隧道净空较小，提供的作业空间有限，且中心埋水沟开挖较深，开挖时对周围围岩扰动较大，施工时超挖较大、危险系数较高。为了提高施工时的安全性和工效，有关单位对中心深埋水沟施工工艺开展了一定研究。

　　本文针对区域地质构造和隧道区域岩层性状，通过现场调查与施工监测，采集开挖隧道后围岩的变形规律和超欠挖情况，后台建立详细的分析模型，分析了中心深埋水沟开挖施工组织、爆破方案、回填反滤层沉降控制技术，探索了中心深埋水沟的施工工艺和关键技术。

　　1 工程概况

　　新建铁路新疆博州支线阿拉套山隧道工程全长2 585m，Ⅲ级围岩地段隧道开挖断面净宽606cm，Ⅳ，Ⅴ级围岩地段隧道开挖断面净宽值610cm。考虑到高纬度地区冬季寒冷，隧道设置贯通的双层盖板保温侧水沟及直径80cm的中心深埋水沟，需要开挖施做中心深埋水沟2 585m，同时沿着隧道纵向每50m设置1处检查井，共58处。Ⅴ级围岩地段中心深埋水沟基坑尺寸为:底宽110cm，基坑深为304cm，顶宽240cm;Ⅳ级围岩地段中心深埋水沟基坑尺寸为:底宽110cm，基坑深为327cm，顶宽242cm;Ⅲ级围岩地段中心深埋水沟基坑尺寸为:底宽110cm，基坑深为343cm，顶宽为247cm。由于该单线铁路隧道中心深埋水沟施工的特殊性，导致施工技术复杂、难度大。

　　2 施工过程分析

　　2.1 结构组成及施工步骤

　　阿拉套山隧道为单洞单线铁路隧道，全线隧道均设置贯通的800mm(壁厚80mm)钢筋混凝土Ⅲ级管中心深埋水沟，水管埋深(水管顶面距仰拱填充/底板顶面2.87m)大于当地最大冻结深度1.1m。中心深埋水沟水管底铺设10～20cm碎石垫层，碎石垫层上方设置砂卵石反滤层，反滤层上方回填混凝土。中心深埋水沟检查井与隧道内避车洞合并布置。中心深埋水沟横断面如图1所示。单线隧道中心深埋水沟施工步骤如下。

　　

　　图1 中心深埋水沟结构横断面 

　　 

　　1)首先进行隧道中心深埋水沟沟槽开挖，开挖后立即喷射C25混凝土对沟槽进行防护。

　　2)自下而上施作C20混凝土基座。

　　3)安装内径800mm、壁厚80mm预制钢筋混凝土Ⅲ级排水管，预制钢筋混凝土排水管采用承插式管口，管接口采用滑动就位橡胶圈密封。

　　4)将环向盲管插入中心排水管≥3cm。

　　5)管座周边及水管下半部分采用混凝土回填密实，水管端头采用5cm厚木板进行暂时封堵，避免各种杂物堵塞水管，同时可对后续碎石层施工进行遮挡、控制。

　　6)分别回填粒径20～40mm砂砾厚度>50cm、粒径4～10mm砂砾厚度30～50cm、粒径1～5mm砂砾厚度30～50cm至设计高度，且必须回填密实。

　　7)回填到设计高度后浇筑5cm厚砂浆找平层，再铺设7cm厚的PU聚氨酯保温板，然后再浇筑3cm厚的砂浆保护层。

　　2.2 施工限制条件

　　阿拉套山隧道为单洞单线铁路隧道，净空限界小，因此在进行隧道中心深埋水沟过程中所面临的主要限制条件有以下几点。

　　1)隧道深埋中心水沟的开挖需进行松动爆破，而洞内掌子面初期支护、中心深埋水沟、检查井、仰拱及其填充、二衬交叉作业，平行推进施工难度大，尤其是中心深埋水沟及其检查井作业区开挖后受隧道净空限界影响，机械、车辆通行困难，对隧道开挖掘进影响较大，且作业周期长，制约仰拱及二衬及时跟进。

　　2)中心深埋水沟及检查井爆破开挖对初期支护造成一定的扰动，影响隧道稳定。

　　3)中心深埋水沟及检查井循环作业时间较长，仰拱或底板混凝土不能及时浇筑导致不能与初期支护形成封闭结构。

　　针对以上限制条件，对单线隧道中心深埋水沟施工采取了以下措施。

　　1)合理组织施工工序，减小中心深埋水沟及检查井施工对其他工序的干扰。

　　2)中心深埋水沟及检查井爆破开挖对初期支护造成一定的扰动，采取合理的爆破开挖工艺并在爆破后对隧道稳定性进行检查。

　　3)加强作业区监控量测，保证初期支护和仰拱封闭成环前隧道的稳定性。

　　4)加强隧道各工序施工期间的安全管理。

　　3 施工工艺与关键技术

　　3.1 中心深埋水沟施工工艺流程

　　阿拉套山隧道Ⅳ级围岩地段设计未设置仰拱初支，二次衬砌有仰拱，采用台阶法施工，分上台阶、下台阶、仰拱与中心深埋水沟三部爆破开挖，上台阶、下台阶采用预裂爆破，仰拱与中心深埋水沟采用“竖向预裂孔+水平炮孔”爆破成形。中心水沟开挖为倒梯形，上开口宽度2.41m，底面宽度1.1m，开挖深度3.27m，水沟水管拼装完成并回填砂卵石反滤层后，浇筑混凝土仰拱及填充。Ⅲ级围岩地段设计无仰拱，采用全断面法施工，正洞与中心深埋水沟分两部爆破开挖，正洞采用光面爆破，中心深埋水沟同样采用“竖向预裂孔+水平炮孔”爆破成形。水沟开挖为倒梯形，上开口宽度2.47m，底面宽度1.1m，开挖深度3.43m，水沟水管拼装完成并回填砂卵石反滤层后，施做中心深埋水沟保温板。中心深埋水沟施工工艺流程如图2所示。

　　

　　图2 中心深埋水沟施工工艺流程 

　　 

　　3.2 中心深埋水沟爆破开挖关键技术

　　以Ⅳ级围岩地段台阶法施工为例，Ⅳ级围岩地段隧道上台阶、下台阶、仰拱与中心深埋水沟三部同时爆破开挖。由于中心深埋水沟开挖深度Ⅳ级围岩达3.27m，Ⅲ级围岩达3.43m，且开挖宽度小，为控制爆破减少超挖量，提前采用潜孔钻打竖向深水沟预裂孔。爆破后进行通风排烟并排险，先进行上、下台阶出渣作业，上、下台阶出渣完成后，将上、下台阶初支钢架、连接筋、导管等运输至开挖面，然后回撤栈桥，上、下台阶初支作业的同时，仰拱及水沟进行出渣作业。水沟出渣完成后立即进行水沟开挖面的初喷作业。

　　Ⅳ级围岩段中心深埋水沟开挖深度为3.27m，Ⅲ级围岩段中心深埋水沟开挖深度为3.43m，除因围岩硬度和整体性引起的爆破参数变化外，钻孔、装药及爆破方式完全相同。中心深埋水沟开挖采用“竖向预裂孔+水平炮孔”爆破成形，一次开挖3m，由于水沟上开口距离下台阶拱脚不足2m，仰拱部分不钻孔爆破，仅靠水沟爆破便可成形。Ⅳ级围岩段中心深埋水沟开挖工艺如图3所示。

　　

　　图3 Ⅳ级围岩段中心深埋水沟开挖工艺 

　　 

　　3.2.1 炮孔布置

　　竖向预裂孔采用潜孔钻在隧道施工间歇期或不影响正常工序时尽可能超前施作，预裂孔直径80mm，间距45cm，孔深Ⅳ级围岩为开挖孔深327cm，Ⅲ级围岩为343cm，炮孔布置如图4所示。预裂孔不装药，爆破时起导向作用，达到控制爆破、减小超挖的目的。水平炮孔采用气腿式凿岩机进行钻孔施工，台炮眼直径40mm，孔深比开挖长度多15cm，为315cm。

　　

　　图4 炮孔布置 

　　 

　　3.2.2 单孔装药量

　　本隧道中心深埋水沟每次开挖长度L=3m，装药系数α取0.6，药卷采用32mm标准药卷，β=1kg/m，则单孔装药量R=Lαβ=1.8kg。

　　单孔装药量及孔眼布置根据爆破效果、围岩硬度和整体性适时调整，以达到最优爆破效果，不超挖、不欠挖。

　　3.2.3 装药结构

　　装药采用反向连续装药结构，反向装药既能最大限度利用炸药性能，又因雷管聚能穴朝向眼口，爆破方向与抛掷石碴的方向一致，可取得较好的爆破效果。

　　3.3 中心深埋水沟排水管安装

　　排水管纵坡高程要求顺应隧道纵坡由高到低设置，如果某一区域的排水管道线性不平顺，就会造成积水，影响整个排水的水流通畅。

　　水沟开挖完成后，用装载机将钢筋混凝土水管运至埋设区域，人工配合挖掘机安装水管，安装时采用混凝土垫块调整好水管纵向坡度，使得接满足中心深埋水沟的设计要求。并且连接平顺，接头密封有效，确保水流通常。预制钢筋混凝土排水管采用承插口管，管接口应采用滑动就位橡胶圈。保证排水管的整体线性平顺，水流通畅。用土工布包裹混凝土管，使用溜槽浇筑C20混凝土管基座，混凝土基座用以防止排水管下沉开裂。浇筑时可以根据试验人员提供的配合比加入适量的速凝剂，用以提高中心排水管的施工进度。中心深埋水沟排水管安装工艺如图5所示。

　　

　　图5 中心深埋水沟排水管安装工艺 

　　 

　　3.4 中心深埋水沟反滤层施工

　　排水管安装完成后，装载机装运砂卵石等回填料进行水沟回填，回填砂卵石前有环向盲管的地方，先施作环向盲管，环向盲管插入中心排水管≥3cm。为避免各种杂物堵塞水管，同时对后续砂砾层施工进行遮挡、控制，水管端头采用5cm厚的木板进行暂时封堵。分别回填粒径20～40mm砂砾厚度>50cm、粒径4～10mm砂砾厚度30～50cm、粒径1～5mm砂砾厚度30～50cm至设计高度，且必须回填密实。

　　3.5 中心深埋水沟保温板施工

　　反滤层回填到设计高度后浇筑5cm厚砂浆找平层，再铺设7cm厚的PU聚氨酯保温板，然后再浇筑3cm厚的砂浆保护层人工进行平整。

　　从中心深埋水沟开挖到仰拱或底板施工完成前，因围岩受到中心深埋水沟开挖扰动，隧道处于最不稳定的状态，在施做完中心深埋水沟各部结构后迅速施工仰拱或底板，及早使仰拱封闭成环，并加强监控量测，保证现场施工安全。

　　3.6 中心深埋水沟检查井及横通道施工

　　3.6.1 检查井及横通道施工工艺流程

　　本隧道沿着隧道纵向每50m设置1处检查井，全隧共设检查井58处。当跨越检查井时，先纵向爆破水沟，再横向爆破检查井通道。检查井及横通道采用水平周边眼+掏槽眼分2次爆破开挖成形，第1次爆破分两台阶进行，第2次爆破为局部爆破，爆破完成并出渣结束后，检查井开挖面打设锚杆、挂钢筋网片并喷射C25混凝土。施工过程中合理安排模板工和钢筋工，尽快完成钢筋混凝土检查井的浇筑施工。中心深埋水沟检查井及横通道施工工艺流程如图6所示。

　　

　　图6 隧道中心深埋水沟检查井施工工艺流程 

　　 

　　3.6.2 检查井及横通道开挖关键技术

　　检查井采用水平周边眼+掏槽眼分两次爆破成形，炮眼均采用气腿式凿岩机进行钻孔施工，台炮眼直径4cm，两次控制爆破如下。

　　1)第1次控制爆破

　　检查井第1次爆破分两台阶进行，开挖长度均为180cm，周边眼孔深180cm，间距60cm，掏槽眼孔深190cm，炮眼布置如图7所示。

　　检查井第1次爆破开挖长度L=1.8m，装药系数α取0.6，药卷采用32mm标准药卷，β=1 kg/m，单孔装药量R=1.08kg。

　　装药采用反向连续装药结构，单孔装药量及孔眼布置根据爆破效果、围岩硬度和整体性适时调整，以达到最优爆破效果，不超挖、不欠挖。井身基坑开挖的超挖部分，一律用同等级混凝土回填密实。

　　2)第2次控制爆破

　　检查井第2次爆破为局部爆破，开挖长度200cm，周边眼孔深200cm，间距60cm，掏槽眼孔深210cm，炮孔布置如图8所示。

　　检查井第2次爆破开挖长度L=2.0m，装药系数α取0.6，药卷采用32mm标准药卷，β=1 kg/m，单孔装药量R=1.2kg。

　　3.6.3 局部段落跳槽施工

　　有检查井段落，如果检查井不能在仰拱达到9m浇筑条件时完成施工，则部分回填砂卵石等回填料，搭设2跨栈桥跳槽施工，在保证掌子面初支正常施工的同时，分别进行未完成的检查井施工和继续进行水沟开挖埋设作业，当检查井施工完成或跳槽达到仰拱9m浇筑条件时立即浇筑仰拱混凝土，使初期支护与仰拱尽快形成封闭结构。跳槽施工如图9所示。

　　

　　图7 第1次炮孔布置  

　　 

　　

　　图8 第2次炮孔布置  

　　 

　　

　　图9 跳槽施工示意 

　　 

　　4 结语

　　高寒地区修建隧道尤其是单线隧道受客观条件影响，存在诸多困难，而有限的施工空间和较深的中心深埋水沟开挖深度更加增大了施工难度。本文结合阿拉套山隧道中心深埋水沟施工经验，系统总结了高寒地区单线隧道中心深埋水沟施工工艺和关键技术，可为同类工程安全、快速施工提供参考。当前，高寒地区单线隧道中心深埋水沟尚无完全成熟的工艺技术体系，只有在大量的工程实践中不断总结经验，逐渐探索提高施工技术水平。