浅埋富含水黄土隧道施工控制

摘要：结合在建的陕西宝（鸡）甘肃兰（州）客运专线甘肃段北二十里铺隧道,研究浅埋、富含水黄土隧道中的开挖方法及初支沉降控制措施,充分利用开挖空间和大型施工机械,在浅埋、富含水黄土隧道施工中安全、快速的开挖方法，在初期支护中采取必要的措施防止沉降的控制，确保隧道施工安全可控。

关键词： 黄土隧道 浅埋 开挖方法 沉降控制

中图分类号：TL372文献标识码： A

引言

伴随着20世纪世界科学、技术、经济的发展，交通运输、水利、水电、采掘，特别是城市地下交通及空间利用等，对隧道工程在数量和难度上提出了更高的要求。大规模的地下工程建设促进了隧道修建技术的进步。

纵观当今国内外交通隧道的发展，有个非常明显的趋势：即隧道越修越长，应用的场合越来越广，而且以隧道方式为多用和跨越水域的例子越来越多。这是经济的迅速发展，对交通运输提出了更高要求的必然结果。

由于黄土独特的节理和构造特征及其湿陷型，随着大量黄土隧道的修建，黄土隧道成了近年来隧道施工研究的重点和难点，本论文通过一个成功的案例对黄土隧道的富水浅埋段施工做出一个可行的施工方案。

1. 工程概况

北二十里铺隧道位于甘肃省定西市凤翔镇境内，地处黄土高原粱茆地区，地面高程1860～2190m，相对高差250～300m，最大埋深约为270m。在水流切割侵蚀作用下冲沟发育，沟深坡陡，主沟多切割至第三系泥岩，支沟基岩未出露。隧道出口段进洞地表穿越多处冲沟，沟内常年积、流水，隧址区土体含水均处于饱和状态。隧道起讫里程为IDK949+283～IDK953+789.6，隧道总长度为4506.6m，其中Ⅳ级3320m、Ⅴ级1186.6m。

隧道洞身通过的地层主要为第四系上更新统风积、冲积砂质黄土，第四系中更新统风积黏质黄土，第三系上统泥岩。

2. 施工工艺

本隧道属浅埋偏压黄土隧道，设计开挖净宽14.6米，开挖净空较大，隧道出口暗洞进洞需穿越长度达620米的V级围岩，所以必须严格保证施工安全红线及台阶步距，及时有效的监控量测监控分析。施工中遵循先行超前后行仰拱及二衬，采用三台阶七步开挖法，分上中下三个台阶，并在上台阶及阶下部施工临时仰拱及临时横撑。

遵循“弱爆破、少扰动、短进尺、快循环、强支护、紧封闭、勤量测”的施工原则，在监控量测指导下实施隧道的开挖与支护工作，做到仰拱及时封闭成环，二次衬砌施作紧跟。

如下图1~4：

附图1三台阶七步开挖法正面图

附图2三台阶七步开挖法工序纵断面图

附图3三台阶七步开挖法工序平面图

附图4三台阶七步开挖法立体示意图

2.1 超前支护

洞口段为超前管棚支护，管棚采用φ108*6热轧无缝钢管，长30m，环向间距为40cm，仰角设计为1°，实际施工时因下垂过大，仰角扩大到3°；管棚注浆采用0.5:1水泥浆，注浆压力初压0.3-1.0Mpa，终压1.5Mpa，注浆结束后清除管内浆液并采用M30水泥砂浆紧密填充，增强管棚的刚度和强度。

附图5洞口段长管棚正面布置图

洞身采用超前锚杆支护，在隧道拱部144°范围打设Φ42×3.5mm热轧无缝钢管，L=5 m，环向间距30 cm，外插角10°、14°。每打完一排后，开挖拱部及第一次喷射砼、架设钢拱架，初期支护完成后，隔3.0m（即5榀拱架设置一循环）再打另一排，搭接长度≥1.0 m。

2.2 上台阶开挖支护

在超前管棚的支护下进行上台阶开挖，三台阶七步开挖法施工工艺以机械为主，人工辅助修边。

开挖上台阶①部每循环开挖进尺为l榀I25a钢架距离（0.6 m），高度约2-3.8m，台阶长度控制在3～5 m，开挖完拱顶处弧形处保留核心土；然后开挖其两侧部分，每侧支护打设2根4米长锁脚锚杆，完成上台阶施工，形成足够的作业空间，充分发挥机械作用，提高施工速度。上台阶钢拱架由3个单元组成，避免连接部位在拱顶，各单元钢架之间采用15mm厚的钢板通过4套M24高强螺栓连接。

2.3 阶开挖支护

（1）上台阶超前阶3～5 m后，交错开挖阶②部分左侧和③部分右侧边墙，每次开挖控制在1～2榀，两侧交错大于2m以上，保证左右两侧的初期支护不同时处于悬空状态。

（2）阶开挖结束后，阶开挖高度约3.8m，人工修边和对上台阶初期支护底部修凿，及时喷射4 cm厚混凝土，封闭作业面。

（3）及时安装拱架，钢拱架采用I25a工字钢，拱架间距为60cm，此处因地基承载力不足，为防止沉降过大，特变更为加大拱脚处理，初喷砼后，人工开挖大拱脚，宽100cm，拱脚下垫C20垫块。

（4）初喷后打设锁脚锚杆和挂设钢筋网片。钢筋网片采用φ8 mm钢筋，网格间距20 cm×20 cm，复喷混凝土。

2.4 下台阶及仰拱开挖支护

下台阶④、⑤部分交错开挖，支护时再次打设锁脚锚杆。最后开挖核心土⑥-1、⑥-2和⑥-3，清理仰拱虚渣，安装拱架，喷射砼。完成一个仰拱施工长度后，及时浇筑仰拱混凝土，随后搭设仰拱栈桥，继续开挖前方掌子面。

3. 沉降控制措施

湿陷性黄土具有多裂隙性、崩解性和湿陷性等工程特性，黄土垂直节理发育，垂直方向渗透性强，地表水很快渗透至地下，使深部黄土处于饱水状态，其原有结构完全丧失，从而使强度和承载力降低，当隧道开挖至饱水黄土层时，围岩随即因失去支撑而失稳，黄土彼此在水平方向的连接力较弱。在干燥时，黄土的强度较高，衬砌受力较小；遇水后颗粒黏结力削弱，黄土强度随之降低，此时极易引起衬砌受力不均匀。当隧道跨度较大，且遇黄土饱和时，或隧道埋深较浅，也可坍塌到地表。黄土的这种湿陷变形具有突变性、非连续性和不可逆性，极易导致隧道基础沉降、衬砌开裂等，对隧道产生严重危害。施工中极易发生大变形甚至塌方、冒顶等事故，洞外地表沉降及洞内拱顶下沉难以控制。

黄土地层的承载力较小，在无水时粘滞系数大，围岩立壁性好，但拱部范围地层稳定性较差，开挖后拱部垂直荷载较大，而且初期支护与周边地层的粘结力低。型钢拱架的支座一般直接落在黄土上。在垂直荷载和初期支护自重的作用下，初期支护的沉降量比较大，一旦外力超出基底承载力极限，拱脚或墙角容易失稳，甚至导致整体沉降。

本隧道为浅埋黄土隧道，在黄土施工中沉降是最大的问题，沉降过大很难保障二次衬砌厚度，一味的增大初支预留变形量不是根本的解决办法，最终的目的还是采取一系列的措施减小初期支护沉降量，北二十里铺隧道施工的亮点就是采取了多项控制沉降的手段，①拱顶增加Φ89mm长管棚超前支护，保证围岩稳定性；②施工系统锚杆的同时，增加锁脚锚杆数量；③初期支护上、中、下台阶采取扩大拱脚处理，增加拱脚受力面积，扩大钢拱架支撑能力；④设置仰拱处50cm厚砾石换填，增大地基承载力；⑤增设正洞I25a拱架之间I20b工字钢纵向连接器，使拱架连接成整体受力等。

布置图见下图6：

图6：防沉降措施布置图地基加固、大拱脚处理、双层锁脚、

3.1 拱顶增加Φ89mm长管棚超前支护

增加超前大管棚，管棚采用Φ89*5mm无缝钢管，单根长度L=12.0m，间距0.6m，外插角度为3°，纵向9.0m设置一环，每环31根。长管棚超前支护施工技术的支护作用机理在于, 主要是钢管与浆液固结体共同作用的结果, 结合北二十里铺隧道实际地质情况，在穿越浅埋偏压富含水地段通过施做长管棚，一方面进行钻孔、下设钢管, 当钢管穿过松散软弱围岩、岩石(土) 等破坏区后, 伸入到原状土部位时, 有力地保障了开挖掌子面岩土体的稳定, 起到骨架、格栅作用; 另一方面通过注浆使浆液从钢花管孔眼中压出,并在一定的压力作用下注入到钢管周围松散、软弱的地层中, 从而形成复合稳定的固结体, 使周围地层的力学性质得到改变, 稳定性能得到加强, 可以防止土层坍塌和地表下沉。

3.2 增加锁脚锚管

黄土隧道施工中, 砂浆锚杆是在钢架支设后进行打设, 从某种程度上砂浆锚杆的施工制约了喷射混凝土和钢架支护的最佳时机, 使变形量增加。

在此情况下锁脚锚管的加强尤为重要，即可以防止拱脚收缩和掉拱，又可对下部开挖起到超前支护作用，减少变形量。

本隧道采用三台阶开挖，每个台阶拱脚处相应增加锁脚锚杆来抵抗沉降，锁脚锚杆采用φ42*3.5mm热轧无缝钢管，长4m，每处打2根，全环共6处，锁脚锚杆与钢拱架紧密贴焊，与初期支护有效连接为一整体。 如下图7：

附图7现场拱脚双层锁脚锚管施工

3.3 大拱脚处理

扩大拱墙脚是减少拱顶下沉量的有效措施。扩大拱墙脚增大承压面积，有利于施工过程中竖向压力的传递，也有利于该节点横向受力的稳定。实际施工中，上台阶拱脚宽度为100 cm。在拱墙脚下垫设混凝土垫块，以增大地基承载力，减小初期支护闭合前的整体下沉量。

大拱脚施工空间狭小，全部为人工开挖，开挖后按设计应是喷射20cm厚C25混凝土拱架基础，但根据现场施工，在安装拱架时喷射混凝土强度不足，常被破坏，后改为厚20cm混凝土预制垫块。大拱脚采用1000*300*16mm钢板，I25工字钢斜撑与洞身初期支护工字钢连接形成整体，上、中、下台阶初期支护两侧钢架底部均增设纵向[32a槽钢，通长布置，上台阶及阶槽钢按倒用考虑，全部用C25喷射混凝土喷实。如下图8：

附图8拱脚大拱脚施工

3.4 地基50cm砾石换填

隧道开挖仰拱时，由于仰拱处含水率非常大，地基承载力较小，严重影响了基础的承载力及下沉的控制，现场施工中采用置换仰拱基底50cm湿陷性土层为砂砾石，可扩散附加应力，减小沉降量，提高地基土的承载能力。如下图9：

附图9地基承载力检测

3.5纵向连接器

为增加拱架之间的整体性稳定性，在隧道浅埋偏压、富含水地段中在上、中、下三台阶分部开挖处钢架间均增设2根I20b型钢连接器，单根长度为0.6m，环向间距为0.6m。每开挖完架立一榀拱架时均与上一榀焊接牢固，即有效的控制了拱架架子的间距误差，又增加了受力面，保证了低承载力情况下拱架沉降收敛可控。如下图10：

附图10拱脚大拱脚施工

4. 监控量测

由于黄土的塑性变形较大，变形周期较长，监控量测就显得更为重要。加强超前地质预报和围岩监控最测工作，为正确采用、修改相应的开挖和支护参数提供依据，以确保施工安全和工程质量。超前预报包括：洞内掌子面地质索描和地面地形地貌踏勘贯通以及超前物探(地质雷达和红外探水)贯通，必要时增加超前水平钻孔。为隧道开挖提供地质资料。 如下图11：

附图11地质雷达扫描

另外需要对支护进行监控量测。我们北二十里铺隧道监控量测主要包括以下几个项目：洞口及浅埋地段的地面沉降观测、拱顶下沉量测、周边收敛量测、仰拱隆起量测和开挖断面的地质素描。黄土隧道的收敛量测项目，除与一般软弱围岩相同的地方外，还要针对柔性支护的几个薄弱点(即钢支撑的接头位置)进行观查监控。

在隧道施工过程中，从一进洞开始，一个断面内在拱顶、2个拱腰处和2个拱脚处埋设5个观测点，用徕卡1201+1”级全站仪分别观测水平收敛值和拱顶下沉值。随着隧道施工的前进，每隔5m作一个观测断面，最前端的一个断面紧跟掌子面。每天观测2次，上午1次，下午1次。 具体点位布置如下图12：

附图12监控量测点位布置图

为了减小沉降量，现场所采取措施加强控制，增加锁脚锚管及扩大拱脚基础进行加固，初支拱架间工字钢纵向连接，仰拱处换填砾石等多项控制沉降的手段，同时及时进行喷射混凝土封闭初期支护面，及时施工该段仰拱，缩短与掌子面距离。截止目前拱顶下沉速率得到显著改善，开挖上台采取措施之前沉降速率一般为6mm-12mm/d，采取措施之后为5mm-9mm/d；开挖采取措施前一般为5mm-9mm/d，采取措施之后为4mm-8mm/d；开挖下台一般为2mm-7mm/d，采取措施之后为2mm-3mm/d；仰拱浇筑完沉降速率为0.5mm-3mm/d（持续3-5天）。效果较为明显。

通过观测发现上台开挖最大沉降为29.5mm，开挖最大沉降为82.0mm，下台开挖最大沉降73.9mm，三台阶开挖总沉降185.4mm，符合上述结论。仰拱施做完后一般仍有10mm-30mm沉降，那么最大沉降就是215.4mm，。综上所述，最大预留量应为22cm，加上二衬预留5cm，预留量至少应为25cm。

根据观测结果及时反馈至施工中去，将原有预留沉降量35cm变为25cm。有效地节约二次衬砌的混凝土量。

5. 施工注意事项

在软弱围岩土体中，三台阶七步开挖法是防止坍塌的一种较好施工方法，为使该方法行之有效，在应用中必须注意：

（1）锁脚锚杆在黄土隧道施工中是防止沉降最有效的措施，要保证锚杆与拱架紧密贴焊为一整体，锚杆注浆要饱满，使其与岩体锚固力达到要求。

（2）严格喷射砼工艺，严格按配合比拌制砼，特别要严格控制外加剂掺量；

（3）保证立拱质量，注意螺栓松紧质量和连接筋的焊接质量；

（4）确保钢筋网与围岩紧密相贴，钢筋网必须连接牢固，否则喷射砼时会使钢筋网发生振动而降低喷射砼的质量；

（5）新旧砼表面要清洗至露出砼的本色，没有泥土或杂物，并采取分层喷射以保证喷射砼的质量；

（6）保证核心土的大小和长度；

（7）及时清除拱脚积水与淤泥；

（8）通过打拱脚锚杆或扩大拱脚来加固拱脚，加强纵向连结，使初期支护与围岩形成完整体系；

（9）尽量单侧落底或双侧交错落底，避免上半断面两侧拱脚同时悬空；

（10）减少上下台阶施工的相互干扰，并及时封闭成环；

（11）找出每道工序的合理施工时间，各工序严格按标定时间进行控制，缩短循环作业时间，减少开挖面土体的暴露时间；

（12）及时监控量测围岩，观察拱顶、拱脚的收敛情况，据此调整初期支护参数。

6. 结束语

通过研究浅埋富含水黄土隧道施工特点，对北二十里铺隧道三台阶七步开挖法进行施工，采取各项措施加以控制沉降，并及时总结和进行论证，解决了施工中诸多技术难题，施工有序可控，确保了施工安全，实现了黄土隧道快速掘进，工期得到保证。施工中采用的新工艺和技术保证措施，对其他黄土及地质复杂的软岩隧道施工具有参考价值。

参考文献：

[1] 《黄土隧道网喷支护结构中锚杆的作用》 陈建勋,姜久纯,王梦恕

[2] 《大断面黄土隧道快速掘进施工方法研究》 霍玉华 铁道标准设计

[3] 《黄土隧道结构设计与施工中的若干问题》 赵占厂 谢永利 现代隧道技术

[4] 《陕北晋西黄土湿陷的初步研究》曲用新，张永双等 工程地质学报，第九卷，第三期

[5] 《论湿陷性黄土》 百度文库