黃土隧道設計與施工要點分析

李 鵬

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

山西省地處黃土高原東翼，境內黃土分布廣泛。近年來山西省的高速公路建設項目中，大多含有黃土隧道。黃土隧道與石質隧道相比，具有事故易發，且一旦發生事故，事故規模往往較大的特點。這些都與黃土自身的特點有關。眾所周知，黃土具有“大孔性”、“垂直節理發育”、“層理不明顯”、“透水性強”的特點，部分黃土還具有“嚴重濕陷性”。在設計與施工中與石質隧道有著明顯的區別，在設計與施工中必須區別對待。筆者就山西省近年發生的兩起較大的黃土隧道冒頂事故，分析事故原因，總結處治方案，提出一些在設計與施工過程中應當特別注意的要點。

1 隧道情況

水頭隧道，左洞全長2 870 m，左洞開挖至ZK27+389掌子面時，拱頂冒頂（冒頂掌子面距離洞口1 087 m），造成ZK27+345—ZK27+389段塌方（該段上導坑初支完成），長約44 m，塌方段埋深42.0～83.0 m，圍巖由第四系中更新統中密—密實粉土硬—可塑黃土組成，屬于松軟土，呈巨厚層狀結構，稍濕—潮濕，土質均勻，Q2黃土，圍巖級別為Ⅴ級。

東福窯隧道，左洞全長2 230 m，左洞開挖至DZK48+796掌子面時，拱頂冒頂（冒頂掌子面距離洞口256 m），造成DZK48+760—DZK48+796段塌方（該段上導坑初支完成），長約36 m，塌方段埋深37.0～58.0 m，圍巖由第四系上更新統馬蘭組黃土，以褐黃色粉土為主，Q3黃土，圍巖級別為Ⅴ級。

2 兩起冒頂事故的原因分析

總結兩起冒頂事故原因發現，它們的共同點在于：a）同為黃土隧道，開挖均采用的是長臺階法；b）隧道冒頂時，水頭隧道仰拱距離掌子面90多米，東福窯隧道仰拱距離掌子面100多米；c）水頭隧道冒頂時正值夏季雨水較多時，東福窯隧道塌方時正值春季融雪時期，兩起事故發生前，掌子面含水量均有明顯的增大跡象。

3 兩起冒頂事故的處治方案

兩起塌方事故的處治方案歸納為：

及時反壓塌方體后，在塌方體上施打φ22藥卷錨桿，掛單層φ8鋼筋網，噴射15 cm厚C25早強混凝土以封閉掌子面。

待塌方體及圍巖穩定后，對塌方體掌子面往洞口方向10～15 m范圍內的洞體加固，實際施工中，應結合監控量測數據確定加固長度的合理范圍。具體加固方法為：φ42小導管注水泥水玻璃雙液漿，環向間距1.2 m或者1.5 m,Ⅰ20a臨時鋼拱架（與原鋼拱架錯開布置）及臨時仰拱，臨時鋼拱架采用φ42注漿小導管鎖腳，管內填充水泥砂漿，每榀4根，局部可做豎向支撐，另外，對于侵界的鋼拱架必須拆除重新施工。

推進仰拱及二襯施工進度，使仰拱距離掌子面不超過15 m，二襯距離掌子面不超過25 m。滿足上述強制性要求后，方可進行下一步開挖施工，并且要保證在整個塌方段落施工期間，始終滿足上述要求。

塌方段落施工參數為：預留變形量20～40 cm，具體數值根據監控量測數據動態調整。開挖采用“三臺階環形開挖留核心土法”，上臺階開挖長度1.0～1.5 m，中臺階及時跟進，做到早落底成環。超前采用雙排φ42小導管注水泥水玻璃雙液漿，第1排小導管長度為4.0～5.0 m,環向間距30 cm，外插角3°～5°；第2排小導管長度為5.0～6.0 m，環向間距30 cm，外插角10°～15°，環向布置范圍為拱頂120°,系統錨桿采用φ42導管環向間距 1.0～1.2 m，掛φ8雙層鋼筋網，Ⅰ20b鋼拱架，鋼拱架下墊 [40a槽鋼以增強拱架穩定性，鎖腳采用φ42導管，管內填水泥砂漿，尾端與拱架焊接牢固，中臺階設Ⅰ20a臨時仰拱，初噴26 cm,二襯采用50 cm鋼筋防水混凝土。

地表冒頂區域回填密實，表層做50 cm厚6.0%灰土層防水，并依地形做漿砌片石排水溝截排地表水。

4 經驗總結及設計與施工要點

黃土隧道區別于石質隧道的一個明顯特點是黃土的遇水軟化現象。黃土隧道開挖掘進后，如果沒有及時噴射混凝土封閉圍巖，受空氣中水蒸氣以及施工廢水的影響，圍巖含水量增大，特別是拱腳位置黃土含水量如若增大，會使拱腳處圍巖失穩，從而引起整個初支失去承載能力。因此，在黃土隧道設計過程中應制定詳細而有效的隧道洞內洞外防排水措施方案。如：對地表沖溝、陷穴等應回填夯實,并將地表水通過順溝、排水溝等綜合措施排至隧道范圍以外。地層含水量較大時，上臺階掌子面附近宜開挖橫向排水溝，將水引至隧道中部縱向排水溝排出洞外，防止浸泡拱腳。可采用井點降水等措施將地下水位降低至隧道襯砌底部以下，以保證施工順利進行。雨季施工應采取可靠措施確保施工安全[1]。

黃土隧道區別于石質隧道的另一個明顯特點是：石質隧道在開挖之后，圍巖收斂變形，應力重新分配，在襯砌支護的共同作用下，可以在較短時間內達到新的應力平衡，而黃土具有的塑性變形和開挖后含水量變化引起的結構變化導致黃土隧道圍巖的變形穩定延續的時間較長，黃土隧道隨著開挖時間的積累，圍巖破壞的可能性不斷增加，必須選擇有效及時的控制圍巖變形的支護方式和施工方式。可以說，“強支護”、“及時支護”是黃土公路隧道施工指導思想。正是本著這一指導思想，黃土隧道的開挖、支護必須嚴格遵循以下幾大要點：

a）黃土隧道的開挖必須采用短臺階法。開挖循環進尺須控制在0.5～1.5 m。而且保證核心土的尺寸，不得把核心土開挖的太小，起不到反壓掌子面的作用。開挖時應先用挖掘機環形開挖保留核心土，墻腳、拱腳處預留出足夠土體空間，采用人工開挖以避免超挖欠挖。開挖中應特別注意拱腳、墻角、墻中部的穩定性。開挖下導時要做到單側落底或兩側交錯落底，避免上半斷面兩側拱腳同時懸空；控制落底長度，視圍巖情況控制在1.0～3.0 m范圍內。上、下導坑施工當中，鋼拱架拱腳宜設置剛性墊腳，如槽鋼、預制鋼筋混凝土墊塊等以增大拱腳受力面積，提高拱架穩定性。

b）由于系統錨桿在巖石隧道中的懸吊作用在黃土中不能充分發揮，導致黃土隧道拱部系統錨桿發揮的作用較小，而鎖腳錨桿卻能充分發揮其摩擦力和抗剪力，有效地減小拱腳位移。因此，黃土隧道支護應弱化拱部系統錨桿的設計，加強鎖腳錨桿設計施工，鎖腳宜采用小導管，管內壓注水泥砂漿，老黃土宜采用3.5 m長，新黃土宜采用4.5 m長。

c）仰拱緊跟，盡可能及時地施做仰拱，使初支盡早封閉成環，形成一個完整的受力結構，限制支護結構的側向變形。其次也能盡早地封閉基底，起到抵御仰拱圍巖壓力的作用。并能避免地下水和施工廢水浸泡隧道基底和墻角使圍巖失穩。仰拱必須一次性灌注成型，仰拱距離掌子面不得超過30 m。仰拱開挖不得超過3榀鋼拱架。特別是距離洞口較近時，更應嚴格遵守這一規定。

d）仰拱施工后，可以使整個初支形成一個環形封閉的整體結構。同時由于仰拱與邊墻是剛性連接，以使初支所承受的荷載可以通過仰拱傳遞至基底上，極大地改善了初支的受力結構體系。隧道在開挖施工過程中，拱頂的豎向位移和應力最大，拱腳的水平位移和應力最大。整個初支在上斷面開挖后，仰拱施做之前受力最為不利[2]。因此，及時施做仰拱是整個黃土隧道支護過程中最為重要的一環。但同時往往也是最容易被忽視的一環，一個施工隊伍施工水平的高低，直接地反應在仰拱跟進掌子面的進度上。

e）初期支護應該是剛性支護，而二次襯砌的施工時機的選擇也尤為重要。原則上應該是在綜合考慮水平收斂和拱頂下沉速度、初期支護表面裂紋等因素后，決定施工二次襯砌的時機。切不可操之過急，以免施工后二襯受力過大，出現裂縫等危害。同時為了保證整個襯砌的穩定性，二次襯砌距離掌子面洞口50 m范圍內老黃土不得超過35 m，新黃土不得超過25 m，洞內不得超過60 m。二襯拆模必須在混凝土強度達到設計強度的70%以上，且同時滿足養護3 d的要求。受到工藝及場地等影響，隧道二襯施工中，拱頂混凝土往往存在不密實和少量空洞現象。這就給上方土體提供了松動變形的空間，極易引起二襯局部受力不均引發二襯開裂等病害，施工后應仔細排查，發現二襯空洞后必須注漿處理。

本文提到的兩座隧道，在隧道冒頂前期，均發現掌子面含水量變大，圍巖穩定性較之前變差的現象。可以說，黃土隧道含水量變大是隧道塌方的一個很大的誘因。而在隧道開挖方式上，兩座黃土隧道又都沒有嚴格地執行山西省交通運輸廳下發的《公路黃土隧道施工技術要點》中所提的要求。存在著仰拱距離掌子面距離超長，甚至存在兩側同時落底現象，二襯距離掌子面距離嚴重超標現象。可以說，這一點是導致隧道冒頂的最大原因。施工方管理水平良莠不齊，黃土隧道這種開挖很方便容易，仰拱施工卻較石質隧道難的情況時，仰拱與掌子面脫節、二襯與掌子面脫節的情況非常常見。這就需要我們設計人員與施工人員重新審視和認識黃土隧道設計施工的特點，避免類似的工程事故的發生。