高速公路隧道洞口段濕陷性黃土施工的處理與研究

【摘要】本文通過山西某高速公路隧道為例，擅述了在高速公路隧道施工中洞口段恰遇濕陷性黃土時采用的施工方法和坍方的處理措施，通過處理達到防止隧道坍塌變形及塌方處理的的有效措施，從而確保高速公路隧道進洞的施工安全。

【關鍵詞】隧道；濕陷黃土；施工；研究

0.引言

近年我國北方等地區建設的高速公路隧道大都要穿越黃土地區，因隧道進洞段大多為黃土覆蓋區，隧道洞口段安全又是整體工程施工中的重中之重，濕陷性黃土一般集中在隧道洞口段，其居有壓縮性偏高，強度較低等特點，在土體自重應力或者自重應力和外部附加應力共同作用下，濕陷性黃土受水浸縮后強度會快速降低，當土體中殘余的結構強度不足以抵抗土體中的結構應力時，上體結構迅速被破壞，并且發生明顯的附加下沉。在濕陷黃土段進行隧道開挖時由于隧道本身自穩性差、收斂沉降大造成了隧道侵限和塌方的事故較高。下面以山西某高速公路隧道洞口段在濕陷性黃土地層坍方處理施工為例來淺談一下公路隧道洞口段遭遇濕陷性黃土的施工措施。

1.工程概況

該隧道位于山西省忻州市靜樂縣境內，施工起訖樁號為EK53+000，終點樁號為EZK56+800（EYK56+818），路線全長 3.8km（以右線計）。其中隧道左線EZK53+822～EZK56+818，隧道右線EYK53+870～EYK56+800。工程范圍內包括：隧道右線2930m；隧道左線2996m。

黃土Ⅴ級加強圍巖洞口段設計左右線各500米，經對洞口段35米、50米處巖土含水量進行試驗，測得該段黃土含水率為17-19%，最高含水率達22%，局部開挖后拱腳即有水滲出。，洞口段100 m范圍內處于富水黃土段，此段隧道穿越黃土的物理指標基本一致，其含水率18.8，密度1.90 g/era ，液限Wl一18.5 ，塑限WP一18.5，塑性指數J一7.3，液性指數Jl一0.04，粘聚力一13 kPa，內摩擦角一12.1。

2.過程施工介紹及處理措施

2.1施工參數

洞口黃土段Ⅴ級加強圍巖采用超前大管棚輔助進洞、超前注漿小導管、鋼拱架、噴錨網支護及模筑鋼筋砼及有仰拱襯砌。

隧道襯砌結構設計為噴射26厚C25早強混凝土；內置工20工字鋼，安裝間距60；Φ42 rnrn超前注漿導管支護，環向間距40；Φ25 mm中空注漿錨桿，布設間距80*60；Φ8鋼筋網，網格20*20。二次襯砌采用50cm厚C25鋼筋混凝土結構。

2.2施工過程中的沉降及坍方情況

2.2.1前期沉降侵限

洞口段采用V級施工方法，施工過程中項目部來把安全質量關，三臺階施工至左、右線各進洞約30米時，監控量測數據分析顯示圍巖變形收斂嚴重，隧道左線EZK53+849處最大一天沉降量為7，一個月內累計沉降收斂12。2009年6月13日，隧道右線一天沉降16。地表監測無明顯變化，仰拱砼距開挖面上臺階距離35m。

兩處沉降時項目經理部立即啟動隧道搶險預案，立即停止掌子面上臺階開挖，使用機械向開挖上臺階進行回填土，采用24h施工測量人員洞內值班監測，使用工字鋼對掌子面附近進行橫豎向加固，量測頻率不小于每小時一次，同時加快仰拱施工，監控量測穩定后采用雙液漿對沉降段及附近有裂紋及空洞處注漿。

由于沉降收斂嚴重，兩個月導致左右線初支侵限5-8，項目部編制啟動初支侵限處理方案，完成初支侵限處理共用時近兩個月。

2.2.2左線坍方

2009年7月5日上午10時，開挖面上臺階EZK54+103處拱頂開始有掉塊現像，11時20作業人員進洞準備施工下臺階時發現上臺階拱頂已持續塌落掉塊，拱頂已呈現2米的空洞，現場仍有土塊掉落，項目經理部管理人員到現場后立即啟動隧道防塌坍處理預案，指揮現場作業人員撤離開挖面，采用應急物資反壓回填掌子面，12：05分拱頂及掌子面大量土方涌出，具體情況如下圖：

施工段的圍巖為含水量大的黃色粘土，自坍方體上取樣經試驗室測試含水量結果為21.3%，中間夾有孤石，開挖支護后兩側有滴狀滲水。

地表坍塌出約35×28m的一個大坑，坑陷處下沉5m，此處地表埋深距隧道拱頂為43m，坍方體整體下沉施壓至隧道拱頂處，管理人員為防止雨季雨水倒灌和人蓄安全對地表壩方體進行了覆蓋警戒處理。具體情況好下圖：

經測量隧道內坍方涌出及初支變形段共為33m，隧道內EZK54+069～102段全部為坍方土體。

2.2.3塌方處理措施

①反壓回填：

在坍塌稍微穩定后，從洞外運土方及沙袋對塌方自下坡腳采用坡度為1：1的回填土進行反壓，然后在坍體上部采用噴砼封閉穩固，防止塌方繼續擴大，反壓里程EZK54+069～+084，高度約為2m。

②施做洞內大管棚

經過監控量測數據分析確保坍方體穩定后開始施做套拱，C20套拱砼長2m，施做里程EZK54+069～+071，預埋Ф127鋼管，施作36根長36m的超前管棚。管棚注漿采用W：C=1：1水泥漿。

③CRD工法施工：

在EZK54+071～105段采用CRD工法施工，以臺階法為基礎，將隧道斷面從中間分成4部分，每一部分開挖并支護后形成獨立的閉合單元。步步封閉成環，使每個施工階段都構成一個完整的受力體系。使支護結構在不同分部時，都能盡快形成一個完整的受力體系，增強安全度。

開挖塌方體施工超前支護在拱部采用雙排Φ42長4.5米環向間距為30cm的小導管，超前小導管縱向搭接長度不小于1.2米，即每三個循環施做一次。注漿材料為水泥凈漿液，水泥漿水灰比1：1注漿壓力控制在0.3～0.5Mp，以保證注漿漿液的擴散半徑。

坍塌體段的土質松軟，含水率高，拱腳部位的承載力差，為提高拱架部位的地基承載力，防止出現拱頂較大的沉降，需增加拱腳部位的受力面積。在拱架部位人工開挖時，必須比鋼架增加25cm的超挖，同時在立鋼架時將拱架設置在I20b的型鋼支撐上，拱腳處的鋼支撐長50cm，拱腳處的超挖用C25噴射混凝土回填密實，以提高拱腳部位的承載力，當拱腳處有滲水時加大鋼架腳板尺寸，在腳板下的入2-4根50長的鋼管加固基底，并在鋼架腳板處墊設厚木板支撐。

④支護參數：

超前支護：雙排Φ42超前小導管，長4.5m，環向間距30cm，外層小導管外插角30，內側小導管外插角13，超前小導管注水泥單液漿。

臨時支護：臨時仰拱及豎向中隔墻采用I20b型鋼加工，間距50cm，所有連接處采用14mm厚鋼板作為連接腳板，用M20螺栓連接牢固；縱向臨時支撐間用Φ22鋼筋連接，環向間距100cm增加整體性；臨時仰拱及中隔墻間用C25早強噴射混凝土噴射平順。

洞身支護：I20b型鋼鋼架，間距50cm，鋼架縱向用Φ22鋼筋連接，連接筋環向間距100cm；鋪掛8鋼筋網，網格間距20×20cm；邊墻施作Φ25中空注漿錨桿，錨桿長4.5m，，間距80×60cm（環×縱）；噴射C25早強混凝土共計26cm。

⑤過程加強措施：

1）過程中加強對進尺的控制，上、中臺階一次開挖支護一榀鋼架，下臺階一次最多開控控制的二榀。

2）監控量測全過程指導施工，坍方段處理期間量測頻率不小于一天兩次。

3）拱部鋼架間采用18工字鋼代替Ф22鋼筋進行連接。

4）仰拱具備施工條件后及時跟進，監控量測持續穩定后可先拆除EZK54+072處少量的中隔墻，仍在有收斂時先行澆注仰拱再后續切除中隔墻。

5）在地表坑陷處設置截水溝，隧道內坍方體處理通過后及時回填地表陷坑。中隔墻拆除完畢后從EZK54+070處著手準備二襯施工。

6）開挖仰拱時基底土質較松軟時采用打夯機夯實基底，拱腳處由人工夯實，黃土含水時較大導致過濕時在仰拱基底處覆蓋干燥的噴漿料進行夯實加固基底。

3.施工效果

為應對該段含水量較大的濕陷性黃土層施工順利通過，項目經理部持續研討、論證直到完成黃土段用時一年之久，通過CRD工法四部開挖及加固腳板及基底的情況下正洞洞口段、斜井洞口段經過了幾次沉降坍方后由黃土進入了石質層。

4.結論

濕陷性黃土是一種特殊性質的土，在一定的壓力下，下沉穩定后，受水浸濕，土結構迅速破壞，并產生顯著附加下沉。

因此在濕陷性黃土地基上進行工程建設過程中要以“強支護”為施工原則，在洞口段作業時嚴格按照“短進尺、早封閉、勤量測”，另外必須考慮因地基濕陷引起附加沉降對工程可能造成的危害，選擇適宜的地基處理方法，當原設計施工不能滿足圍巖安全時應立即調整加強支護參數，提高初支支撐的的整體性，防止基礎失穩，用時跟進仰拱。加強監控量測，如沉降值增大時及時自行調整并增強支護，縮寫進尺快速閉合并封堵開挖面。

【參考文獻】

[1]李寧軍，曹文貴，劉生.隧道設計與施工百問[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2]陳建勛，姜久純，王夢恕.黃土隧道網噴支護結構中錨桿的作用[J].中國公路學報.2007.20（3）：7l-75.

[3]關寶樹.隧道設計要點集[M].北京：人民交通出版社，2003.

[4]趙占廠，謝永利.淺埋黃土隧道襯砌結構受力分析[J].現代隧道技術，2008，45（6）：56-60.

[5]韓桂武，劉斌，范鶴.黃土公路隧道結構設計與施工中的若干問題[J].巖石力學與工程學報，2007，26（1）：3250-3256.

[6]JTG D70-2004公路隧道設計規范[S].北京：人民交通出版社，2004.