淺談富水黃土隧道施工技術(shù)

曹利

（神華包神鐵路公司塔韓鐵路項目部，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

1 工程概況

某隧道起訖里程改為DK121+825～DK122+422，DK121+825～DK121+882 由 V級圍巖暗洞變?yōu)槊鞫?。洞身最大開挖高度10.39m，最大開挖寬度11.56m，洞身穿越自穩(wěn)性差的第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土地層及強風(fēng)化砂巖夾泥巖結(jié)構(gòu)地層，第四系上更新統(tǒng)系砂質(zhì)黃土為特殊巖土，出口端洞身DK122+305～DK122+422段主要位于含砂量較高的砂質(zhì)黃土地層，且兩側(cè)存在較為發(fā)育的兩大沖溝，隧道洞身通過富水性地段，地下水主要為基巖裂隙水，水位較高。

2 施工中遇到的問題

2.1 施工過程

隧道從出口端開始進洞，按原設(shè)計方案采用三臺階法施工，支護參數(shù)為：拱部超前支護采用φ42超前小導(dǎo)管，每根長4.5m，環(huán)向間距40cm，縱向每四榀鋼架施作一環(huán)，鋼支撐采用I18型鋼鋼架，間距0.8m，結(jié)合噴射混凝土及鋼筋網(wǎng)片、徑向錨桿進行聯(lián)合支護。

在施工至DK122+384時，發(fā)現(xiàn)中臺階左側(cè)拱腰部位滲水嚴重，地質(zhì)條件惡化，監(jiān)控量測速度達到-2.43～-6.46mm/d，累計變化量達到-7.87～-13.43cm。對DK122+370～DK122+305段進行變更，支護參數(shù)由V級圍巖復(fù)合式加強襯砌調(diào)整為VI級圍巖復(fù)合式襯砌，同時在隧道內(nèi)每隔5米設(shè)置一處直徑為50cm的滲水井，邊墻拱腰部位每隔3～5米預(yù)埋3根PVC排水管，將地下水抽排至洞外。

上臺階施工至DK122+350.4時，在DK122+384處初支混凝土出現(xiàn)環(huán)向裂紋，最寬達5mm，根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)反映結(jié)果發(fā)現(xiàn)DK122+370～DK122+394段量測速率為-4.78～-8.72mm/d，累計量測數(shù)據(jù)持續(xù)增大，圍巖處于急劇變化狀態(tài)，隨即將掌子面立即封閉，并對洞內(nèi)初期支護設(shè)置臨時豎向支撐進行加固，同時仰拱跟進至掌子面附近，隨后進入冬歇期，對洞內(nèi)滲水繼續(xù)降水。

第二年復(fù)工后，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)洞身出現(xiàn)整體性下沉，拱頂累計值下沉達到-36.17～-50.55cm，原有30cm預(yù)留變形量已被全部吃掉，最大侵限值達40.55cm，嚴重威脅隧道施工安全及后期運營安全。

2.2 原因分析

該隧道為典型的富水風(fēng)積細砂黃土隧道，裂隙水發(fā)育，圍巖呈流～軟塑狀，地質(zhì)條件極差，是隧道變形持續(xù)變化最后出現(xiàn)整體性下沉的客觀原因，而施工期內(nèi)特別是冬歇期3個月內(nèi)不斷的降水是導(dǎo)致隧道出現(xiàn)整體性下沉的直接原因。

施工期間，洞內(nèi)不斷有地下水滲出，每天抽水量達16m3，由于土體中水分大量流失，土體中孔隙被壓縮，原有平衡狀態(tài)遭到破壞，致使隧道洞身周邊圍巖整體下沉，出現(xiàn)較為嚴重的初支侵限情況發(fā)生，通過對已施工完畢仰拱破解分析及第二次地質(zhì)勘探資料顯示，后碾房梁隧道該段落地層為富水地層，地下水位埋深約18.3～30.2m，位于隧道仰拱底面高程以下。

2.3 開挖方案

變更DK122+422～DK122+356段為路塹，同時根據(jù)地質(zhì)補鉆探結(jié)果調(diào)整制定專門的路塹基底處理、路塹排水方案。

鑒于DK122+305～DK122+350段所暴露土質(zhì)均為新黃土，整體性和成拱能力較弱，裂隙水發(fā)育，由V級圍巖調(diào)整為VI級圍巖，開挖支護方法由三臺階法調(diào)整為CRD法，施工過程按有水黃土隧道做好防排水工作，確保洞內(nèi)無積水，并對DK122+328～DK122+356段采用施作高壓旋噴樁進行加固松散土質(zhì)地層。

3 富水黃土隧道施工

施工中遵循“管超前、少擾動、短進尺、強支護、早封閉、勤量測、嚴治水、緊襯砌”的施工原則，緊湊施工工序，精心組織施工。整體施工方案是在高壓旋噴樁加固地層的基礎(chǔ)上，采用CRD法開挖加井點降水措施，開挖中采用側(cè)壁大管棚加固預(yù)防垮幫。

3.1 開挖措施

3.1.1 有水黃土隧道施工必須保證上、中、下三個臺階的距離盡可能地縮短，各臺階間距離保持在5～10米范圍內(nèi)，盡量減少拱腳被浸泡的時間。同時縮短開挖進尺，上臺階每循環(huán)進尺0.5m，開挖后立即噴射8cm厚混凝土封閉掌子面，下臺階鋼架接長采用跳槽法進行施工，每循環(huán)接長鋼架榀數(shù)控制在1～2榀以內(nèi)。

3.1.2 開挖時嚴禁超挖，以減少對圍巖的擾動，如有超挖情況出現(xiàn)，需用同級別混凝土及時進行回填，嚴禁初期支護背后出現(xiàn)空洞，保證隧道圍巖整體穩(wěn)定性。

3.1.3 調(diào)整洞身開挖斷面矢跨比，根據(jù)以往經(jīng)驗，在保證結(jié)構(gòu)受力矢跨比≥0．3，可以提高支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能,確保隧道施工安全。

3.2 支護措施

3.2.1 鋼架安裝：提高鋼架支護強度，將I18型鋼鋼架調(diào)整為I20型鋼鋼架，縮短鋼架間距，由0.8m/榀調(diào)整至0.5m/榀，并增加鎖腳的鉆設(shè)數(shù)量，保證鎖腳錨管與鋼架間的焊接質(zhì)量,提高鋼架整體受力性能和穩(wěn)定性，同時為防止鋼架下沉，鋼架底部須安放于穩(wěn)定的基礎(chǔ)之上，鋼架底部基礎(chǔ)剩余50cm采用人工開挖，并將鋼架安放在30cm×30cm×5cm的混凝土預(yù)制塊上，必要時可擴大拱腳基礎(chǔ)，提高基礎(chǔ)承載能力。

3.2.2 超前支護及注漿加固：掌子面土體松散軟弱，自穩(wěn)性能差，且地下水滲漏情況嚴重，為防止開挖后土體大面積坍塌掉快，在原設(shè)計基礎(chǔ)上進行小導(dǎo)管注漿加密處理，在拱部130°范圍采用雙排超前小導(dǎo)管進行注漿加固，環(huán)向間距由40cm調(diào)整至20cm，這樣可以使隧道的拱部超前小導(dǎo)管形成止水帶,有效的止水,改良了隧道頂?shù)耐馏w結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定了掌子面土體。同時對邊墻初期支護背后土體采用預(yù)埋φ42超前小導(dǎo)管進行加固注漿，小導(dǎo)管呈梅花狀布置，間距3m×2m。

3.3 高壓旋噴樁加固地層

對DK122+328～DK122+356段受地下水影響較大，且隧道洞身穿越地層為濕陷性砂質(zhì)黃土覆蓋，土體軟弱，自穩(wěn)性差，采用高壓旋噴樁地基加技術(shù)措施，通過高壓噴射水泥漿液以固結(jié)濕陷性土體，重組土體結(jié)構(gòu)，改善土的變形性質(zhì)，從而減少基礎(chǔ)沉降，提高了土體的自穩(wěn)性，通過固結(jié)原理和擠壓作用達到消除黃土的濕陷性目的，同時也可起到阻截地下水流，減少振動，防止液化或流砂等作用。

高壓旋噴樁布置方式：樁基縱橫向間距均為1.2m，梅花型布置。成樁范圍：從拱頂以上3m處至基底全風(fēng)化砂巖夾泥巖地層不小于1m，樁徑0.5m。

加固寬度：隧道中線左右側(cè)各9m。施工參數(shù)：水灰比 1:1；噴射壓力：20Mpa；鉆頭旋轉(zhuǎn)速度：22r/min；鉆頭提升速度25cm/min；漿液流量：100L/min。旋噴施工頂部樁長應(yīng)有一定的預(yù)留量，以便保證樁長及樁身頂部質(zhì)量，樁頂部應(yīng)保證足夠厚度的埋深，以保證旋噴效果。

3.4 監(jiān)控量測措施

做好監(jiān)控量測工作，及時反饋數(shù)據(jù)，驗證支護結(jié)構(gòu)效果，確認支護參數(shù)和施工方法的準確性，為調(diào)整支護參數(shù)和施工方法提供有力依據(jù)。

3.5 防排水和降水措施

黃土隧道一旦遇水，就會使土體呈現(xiàn)不同程度濕陷性，圍巖軟化，造成支護結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)被水浸泡軟化，支護變形，甚至發(fā)生下沉侵限情況，因此黃土隧道必須做好防排水工作。

3.5.1 洞外防排水施工：在洞口施工前應(yīng)先做好截（排）水溝，截水溝設(shè)置在開挖線10m以外。洞頂截水天溝底部從基礎(chǔ)采用三七灰土換填，換填厚度為30cm，截水溝與路基排水系統(tǒng)做好銜接，將截水天溝內(nèi)水引入路塹排水溝內(nèi)。

3.5.2 洞身防排水主用通過設(shè)置降水井，并采用無砂管抽水的方式進行排水。第一、二部（上部左、右側(cè)導(dǎo)坑）開挖高度宜至富水層標高上1.0m處；以下開挖高度分為兩次開挖，降低一次開挖高度以預(yù)防垮幫。在一、二部（上部左、右導(dǎo)坑）開挖和初期支護完成后，即在隧道滲水量較大一側(cè)開挖積水井，采用井點降水方案將地下水位降至仰拱底2.0m標高。在上臺階掌子面附近設(shè)置排水橫溝，將拱腳處積水引至隧道中間集水井，然后將通過開挖中部縱向排水溝將集水井內(nèi)的積水逐步抽排至洞外。積水井可采用無砂管周圍加小石子圍護。

3.5.3 在滲水量較大地段，通過在隧道拱腰邊墻部位每隔3～5米預(yù)埋3根50cm長泄水盲管，使得初期支護背后地下水能夠通過泄水管路及排到隧道中部集水井，降低水力坡度，減少初期支護背后承受壓力。

3.6 側(cè)壁大管棚加固

在隧道開挖過程，由于飽和土仍呈現(xiàn)流朔狀態(tài)，導(dǎo)致坑壁大面積跨邦，造成上部右側(cè)初期支護噴射混凝土出現(xiàn)環(huán)向裂縫三條，縱向裂縫兩條，裂縫最大寬度達10mm。監(jiān)控量測表明拱頂下沉最大達-26.4mm/d，周邊收斂變形達-98.0mm/d。

為保護圍巖，限制其變形，在隧道右側(cè)既成初期支護軌面上2.5m～3.0m處打設(shè)兩排108#側(cè)壁大管棚，管棚鋼管長10.0m，縱向間距0.5m，上下兩排共打設(shè)鋼管20根。同時對于隧底軟基，除采取必要的換填加固措施外，并預(yù)埋鋼花管以備以后對基底進高壓注漿加固。

3.7 仰拱及襯砌施工

嚴格按照鐵道部（120號）文件要求，控制仰拱及二襯與掌子面的施工距離，二襯距離掌子面不大于50米為宜，仰拱直接施工至下臺階掌子面附近。對于大斷面砂質(zhì)黃土隧道，及時施作仰拱及二次襯砌，能夠使隧道洞身支護結(jié)構(gòu)及早閉合成環(huán)，形成穩(wěn)定的支護結(jié)構(gòu)體系，有效抑制圍巖收斂變形，確保隧道施工安全和運營安全。

4 體會和總結(jié)

該隧道是典型的富水砂質(zhì)黃土隧道，目前該隧道已經(jīng)順利貫通，通過該富水砂質(zhì)黃土隧道施工，主要體會及結(jié)論如下：

4.1 在富水砂質(zhì)黃土隧道施工中，對于地下水的處理，要根據(jù)實際情況而定，同時在排水過程中嚴格按照監(jiān)控量測規(guī)范要求，做好監(jiān)控量測作業(yè)，對隧道施工進行動態(tài)管理，確保隧道施工安全。

4.2 富水砂質(zhì)黃土隧道施工必須嚴格執(zhí)行“管超前、勤排水、短臺階、短進尺、留核心、強支護、早封閉、勤量測、快成環(huán)、緊襯砌”的原則。

4.3 開挖時要注意控制開挖進尺和超欠挖，在上半斷面施工支護完成并進行下部開挖時，拱腳位置應(yīng)預(yù)先采取加固措施，增設(shè)鎖腳錨管，防止由于下部開挖拱腳失穩(wěn)拱架下沉引起坍塌（對鎖腳錨管的施工質(zhì)量須高度重視）這樣可以有效保持拱頂穩(wěn)定,保證人員安全。

4.4 施工中一定要重視地質(zhì)的變化，針對不同的地質(zhì)條件，采取相應(yīng)的施工支護措施。

4.5 富水砂質(zhì)黃土隧道圍巖及初期支護變形過大，又難以及時補強時，可提前施作二次襯砌，以改善施工階段結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，此時二次襯砌應(yīng)予以加強。

4.6 可根據(jù)地質(zhì)變化合理放大預(yù)留變形量，增加鎖腳錨管、擴大拱腳基礎(chǔ)、增設(shè)支撐墊板，并結(jié)合CRD法穩(wěn)步施工。

4.7 嚴格控制仰拱施工步距，及早使初期支護閉合成環(huán)，提高結(jié)構(gòu)整體受力性能，且襯砌應(yīng)緊跟，襯砌與上臺階掌子面距離控制在40m以內(nèi)，以確保施工安全。

5 施工建議

5.1 實踐證明，利用高壓旋噴樁技術(shù)對濕陷性黃土進行加固的效果是顯著的，大大改善了濕陷性黃土地基的不良工程地質(zhì)病害，又極大地提高了隧道基底承載力，高壓旋噴樁用于富水砂質(zhì)黃土。不僅起到了加固地層及防滲的效果，而且加快了施工進度，確保了隧道施工的安全可靠性，有很大的推廣價值。

5.2 對于大跨度、淺埋偏壓、富水黃土隧道，CRD法是一種非常有效的施工方法，CRD法通過將斷面分塊，使支護結(jié)構(gòu)從上至下，環(huán)環(huán)相扣，及時封閉，達到減小開挖跨度和降低開挖高度，縮短了各分塊斷面的封閉時間，有效阻止圍巖下沉和收斂變形，從而保證了隧道施工安全。

5.3 對地質(zhì)條件極其復(fù)雜地段，應(yīng)適當(dāng)放大預(yù)留變形量，建議此類富水砂質(zhì)黃土雙線隧道預(yù)留30～40cm變形量，具體預(yù)留值還需根據(jù)現(xiàn)場圍巖實際情況及監(jiān)控量測數(shù)據(jù)確定。

5.4 在施工中要做到緊跟襯砌，隨挖隨支，盡量縮短襯砌距離，減少圍巖暴露，提高初期支護參數(shù)，必要時對邊墻及拱部進行注漿加固，保障安全。

5.5 在發(fā)現(xiàn)圍巖收斂、沉降速率較大時，應(yīng)停止施工，分析原因，并及時封閉掌子面、增設(shè)臨時支撐、對初支背后圍巖進行徑向注漿加固，待變形穩(wěn)定后再行施工。

5.6 加強施工用水控制，保持排水暢通，嚴防地基軟化引發(fā)的坍塌事故。

5.7 側(cè)壁大管棚加固時保護圍巖，限制隧道和圍巖變形的有效手段。

[1]周小斌.大跨富水黃土隧道的工程特性與施工技術(shù)研究[J].