高速公路隧道洞口段湿陷性黄土施工的处理与研究

【摘要】本文通过山西某高速公路隧道为例，擅述了在高速公路隧道施工中洞口段恰遇湿陷性黄土时采用的施工方法和坍方的处理措施，通过处理达到防止隧道坍塌变形及塌方处理的的有效措施，从而确保高速公路隧道进洞的施工安全。

【关键词】隧道；湿陷黄土；施工；研究

0.引言

近年我国北方等地区建设的高速公路隧道大都要穿越黄土地区，因隧道进洞段大多为黄土覆盖区，隧道洞口段安全又是整体工程施工中的重中之重，湿陷性黄土一般集中在隧道洞口段，其居有压缩性偏高，强度较低等特点，在土体自重应力或者自重应力和外部附加应力共同作用下，湿陷性黄土受水浸缩后强度会快速降低，当土体中残余的结构强度不足以抵抗土体中的结构应力时，上体结构迅速被破坏，并且发生明显的附加下沉。在湿陷黄土段进行隧道开挖时由于隧道本身自稳性差、收敛沉降大造成了隧道侵限和塌方的事故较高。下面以山西某高速公路隧道洞口段在湿陷性黄土地层坍方处理施工为例来浅谈一下公路隧道洞口段遭遇湿陷性黄土的施工措施。

1.工程概况

该隧道位于山西省忻州市静乐县境内，施工起讫桩号为EK53+000，终点桩号为EZK56+800（EYK56+818），路线全长 3.8km（以右线计）。其中隧道左线EZK53+822～EZK56+818，隧道右线EYK53+870～EYK56+800。工程范围内包括：隧道右线2930m；隧道左线2996m。

黄土Ⅴ级加强围岩洞口段设计左右线各500米，经对洞口段35米、50米处岩土含水量进行试验，测得该段黄土含水率为17-19%，最高含水率达22%，局部开挖后拱脚即有水渗出。，洞口段100 m范围内处于富水黄土段，此段隧道穿越黄土的物理指标基本一致，其含水率18.8，密度1.90 g/era ，液限Wl一18.5 ，塑限WP一18.5，塑性指数J一7.3，液性指数Jl一0.04，粘聚力一13 kPa，内摩擦角一12.1。

2.过程施工介绍及处理措施

2.1施工参数

洞口黄土段Ⅴ级加强围岩采用超前大管棚辅助进洞、超前注浆小导管、钢拱架、喷锚网支护及模筑钢筋砼及有仰拱衬砌。

隧道衬砌结构设计为喷射26厚C25早强混凝土；内置工20工字钢，安装间距60；Φ42 rnrn超前注浆导管支护，环向间距40；Φ25 mm中空注浆锚杆，布设间距80*60；Φ8钢筋网，网格20*20。二次衬砌采用50cm厚C25钢筋混凝土结构。

2.2施工过程中的沉降及坍方情况

2.2.1前期沉降侵限

洞口段采用V级施工方法，施工过程中项目部来把安全质量关，三台阶施工至左、右线各进洞约30米时，监控量测数据分析显示围岩变形收敛严重，隧道左线EZK53+849处最大一天沉降量为7，一个月内累计沉降收敛12。2009年6月13日，隧道右线一天沉降16。地表监测无明显变化，仰拱砼距开挖面上台阶距离35m。

两处沉降时项目经理部立即启动隧道抢险预案，立即停止掌子面上台阶开挖，使用机械向开挖上台阶进行回填土，采用24h施工测量人员洞内值班监测，使用工字钢对掌子面附近进行横竖向加固，量测频率不小于每小时一次，同时加快仰拱施工，监控量测稳定后采用双液浆对沉降段及附近有裂纹及空洞处注浆。

由于沉降收敛严重，两个月导致左右线初支侵限5-8，项目部编制启动初支侵限处理方案，完成初支侵限处理共用时近两个月。

2.2.2左线坍方

2009年7月5日上午10时，开挖面上台阶EZK54+103处拱顶开始有掉块现像，11时20作业人员进洞准备施工下台阶时发现上台阶拱顶已持续塌落掉块，拱顶已呈现2米的空洞，现场仍有土块掉落，项目经理部管理人员到现场后立即启动隧道防塌坍处理预案，指挥现场作业人员撤离开挖面，采用应急物资反压回填掌子面，12：05分拱顶及掌子面大量土方涌出，具体情况如下图：

施工段的围岩为含水量大的黄色粘土，自坍方体上取样经试验室测试含水量结果为21.3%，中间夹有孤石，开挖支护后两侧有滴状渗水。

地表坍塌出约35×28m的一个大坑，坑陷处下沉5m，此处地表埋深距隧道拱顶为43m，坍方体整体下沉施压至隧道拱顶处，管理人员为防止雨季雨水倒灌和人蓄安全对地表坝方体进行了覆盖警戒处理。具体情况好下图：

经测量隧道内坍方涌出及初支变形段共为33m，隧道内EZK54+069～102段全部为坍方土体。

2.2.3塌方处理措施

①反压回填：

在坍塌稍微稳定后，从洞外运土方及沙袋对塌方自下坡脚采用坡度为1：1的回填土进行反压，然后在坍体上部采用喷砼封闭稳固，防止塌方继续扩大，反压里程EZK54+069～+084，高度约为2m。

②施做洞内大管棚

经过监控量测数据分析确保坍方体稳定后开始施做套拱，C20套拱砼长2m，施做里程EZK54+069～+071，预埋Ф127钢管，施作36根长36m的超前管棚。管棚注浆采用W：C=1：1水泥浆。

③CRD工法施工：

在EZK54+071～105段采用CRD工法施工，以台阶法为基础，将隧道断面从中间分成4部分，每一部分开挖并支护后形成独立的闭合单元。步步封闭成环，使每个施工阶段都构成一个完整的受力体系。使支护结构在不同分部时，都能尽快形成一个完整的受力体系，增强安全度。

开挖塌方体施工超前支护在拱部采用双排Φ42长4.5米环向间距为30cm的小导管，超前小导管纵向搭接长度不小于1.2米，即每三个循环施做一次。注浆材料为水泥净浆液，水泥浆水灰比1：1注浆压力控制在0.3～0.5Mp，以保证注浆浆液的扩散半径。

坍塌体段的土质松软，含水率高，拱脚部位的承载力差，为提高拱架部位的地基承载力，防止出现拱顶较大的沉降，需增加拱脚部位的受力面积。在拱架部位人工开挖时，必须比钢架增加25cm的超挖，同时在立钢架时将拱架设置在I20b的型钢支撑上，拱脚处的钢支撑长50cm，拱脚处的超挖用C25喷射混凝土回填密实，以提高拱脚部位的承载力，当拱脚处有渗水时加大钢架脚板尺寸，在脚板下的入2-4根50长的钢管加固基底，并在钢架脚板处垫设厚木板支撑。

④支护参数：

超前支护：双排Φ42超前小导管，长4.5m，环向间距30cm，外层小导管外插角30，内侧小导管外插角13，超前小导管注水泥单液浆。

临时支护：临时仰拱及竖向中隔墙采用I20b型钢加工，间距50cm，所有连接处采用14mm厚钢板作为连接脚板，用M20螺栓连接牢固；纵向临时支撑间用Φ22钢筋连接，环向间距100cm增加整体性；临时仰拱及中隔墙间用C25早强喷射混凝土喷射平顺。

洞身支护：I20b型钢钢架，间距50cm，钢架纵向用Φ22钢筋连接，连接筋环向间距100cm；铺挂8钢筋网，网格间距20×20cm；边墙施作Φ25中空注浆锚杆，锚杆长4.5m，，间距80×60cm（环×纵）；喷射C25早强混凝计26cm。

⑤过程加强措施：

1）过程中加强对进尺的控制，上、阶一次开挖支护一榀钢架，下台阶一次最多开控控制的二榀。

2）监控量测全过程指导施工，坍方段处理期间量测频率不小于一天两次。

3）拱部钢架间采用18工字钢代替Ф22钢筋进行连接。

4）仰拱具备施工条件后及时跟进，监控量测持续稳定后可先拆除EZK54+072处少量的中隔墙，仍在有收敛时先行浇注仰拱再后续切除中隔墙。

5）在地表坑陷处设置截水沟，隧道内坍方体处理通过后及时回填地表陷坑。中隔墙拆除完毕后从EZK54+070处着手准备二衬施工。

6）开挖仰拱时基底土质较松软时采用打夯机夯实基底，拱脚处由人工夯实，黄土含水时较大导致过湿时在仰拱基底处覆盖干燥的喷浆料进行夯实加固基底。

3.施工效果

为应对该段含水量较大的湿陷性黄土层施工顺利通过，项目经理部持续研讨、论证直到完成黄土段用时一年之久，通过CRD工法四部开挖及加固脚板及基底的情况下正洞洞口段、斜井洞口段经过了几次沉降坍方后由黄土进入了石质层。

4.结论

湿陷性黄土是一种特殊性质的土，在一定的压力下，下沉稳定后，受水浸湿，土结构迅速破坏，并产生显著附加下沉。

因此在湿陷性黄土地基上进行工程建设过程中要以“强支护”为施工原则，在洞口段作业时严格按照“短进尺、早封闭、勤量测”，另外必须考虑因地基湿陷引起附加沉降对工程可能造成的危害，选择适宜的地基处理方法，当原设计施工不能满足围岩安全时应立即调整加强支护参数，提高初支支撑的的整体性，防止基础失稳，用时跟进仰拱。加强监控量测，如沉降值增大时及时自行调整并增强支护，缩写进尺快速闭合并封堵开挖面。

【参考文献】

[1]李宁军，曹文贵，刘生.隧道设计与施工百问[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2]陈建勋，姜久纯，王梦恕.黄土隧道网喷支护结构中锚杆的作用[J].中国公路学报.2007.20（3）：7l-75.

[3]关宝树.隧道设计要点集[M].北京：人民交通出版社，2003.

[4]赵占厂，谢永利.浅埋黄土隧道衬砌结构受力分析[J].现代隧道技术，2008，45（6）：56-60.

[5]韩桂武，刘斌，范鹤.黄土公路隧道结构设计与施工中的若干问题[J].岩石力学与工程学报，2007，26（1）：3250-3256.

[6]JTG D70-2004公路隧道设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.