黃土隧道洞口淺埋段開挖支護技術探討

朱義嘉

（中鐵隧道集團二處有限公司，河北 三河 065201）

0 引言

黃土作為一種特殊的巖土，在其中進行隧道開挖作業時，特別需要考慮黃土的濕陷性及垂直節理導致的沉降問題［1］［2］，尤其在淺埋地段，往往容易發生因沉降過大導致黃土中出現裂縫貫通至地表，引起整個黃土邊坡的失穩。本文以寶蘭客專蘭山隧道為例，對隧道洞口段的總體施工方案進行介紹，并針對在施工過程中出現的沉降過大導致襯砌裂縫及地表裂縫的問題，分析其原因，通過反壓墻控制邊坡滑移，采用仰拱緊跟及三臺階臨時仰拱法控制隧道拱部沉降等一系列措施，保證洞口段的正常施工，總結了針對黃土隧道洞口段的施工方案，為相似隧道施工提供參考。

1 工程概況

寶蘭客運專線蘭山隧道位于甘肅省蘭州市南側皋蘭山腹地，隴西黃土高原梁峁區。隧道起止里程為DK1022+880～DK1028+332，全長5 452.8m，為雙線隧道。隧道洞身最大埋深470m，進口段2 540m位于直線上，其余段落位于半徑為8 000m的曲線上。隧道洞身全部為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，其中Ⅳ級圍巖3 368.8m，Ⅴ級圍巖2 084m。

隧道地處隴西黃土高原西北部，地形起伏較大，位于黃土高原梁峁、溝壑區，地面高程1 620～2 140m，相對高差100～570m，自然坡度為20°～45°。區內黃土梁峁起伏，溝壑縱橫，多呈“V”型。黃土梁峁區頂部為第四系上更新統風積砂質黃土，洞身主要為沖積砂質黃土及第三系泥巖夾砂巖及礫巖，局部為碎石類土。隧道洞身地段沒有大的構造地形，只是受新構造運動上升的影響，形成了溝壑、梁、峁相間的黃土山地地貌形態。特殊巖土主要為濕陷性黃土、松軟土及膨脹土，濕陷土層厚度50～80m不等；砂（黏）質黃土屬松軟土，層厚10～15m。

2 洞口段總體施工方案

蘭山隧道出口段地表成臺階形式，埋深為10～20m，開挖揭示地質特征為第四系上更新統砂質黃土。淺黃色、土質均勻，成分以粉粒為主，可見蟲孔及針狀空隙，砂感明顯，多能形成陡立邊坡土體自穩性較差，稍濕（含水率15%左右），中高壓縮性，自重濕陷性Ⅳ級，地基承載力較低。掌子面中部、下部土體陷穴發育，洞徑最大達2m。

蘭山隧道出口原設計設置23m明洞，在明暗交界處DK 1 028+309打設φ108超前長管棚，L=30m，打設范圍為拱部144°。暗洞采用三臺階臨時仰拱法進行開挖，上臺階預留核心土。DK 1 028+279～DK 1 028+309洞口淺埋黃土段設計采用Ⅴe支護斷面，具體支護參數為：Ⅰ25a型鋼拱架支護、間距0.6m；超前支護為φ108大管棚+φ42超前小導管；φ8鋼筋網、網格尺寸20×20cm；墻部設φ22系統砂漿錨桿、長L=4m、C25噴射混凝土厚度35cm。洞口段施工按照明挖段邊仰坡開挖防護、管棚施做、明挖段落底，洞口段形成三臺階形態、明洞施做、暗洞開挖的總體步驟進行。

3 先期施工洞口段出現的問題

洞口導向墻及超前大管棚施工完成后，按照三臺階臨時仰拱法進行開挖。正常情況下每天完成4個循環，每循環60cm，日進尺2.4m。為滿足步距要求并避免互相干擾，仰拱初支每天施做一次，進尺2.4m，仰拱距掌子面距離約為35m。

暗洞開挖進洞后，監控量測顯示拱頂出現較大沉降，沉降速率最快達47.3mm／d，累計最大值達220mm。典型拱頂沉降時間曲線如圖1所示。

圖1 前期拱頂沉降曲線圖

隧道洞內初支出現環向裂縫（見圖2），仰坡坡面出現裂縫，隨著暗洞的掘進，裂縫變寬，并在掌子面對應地表前方發展新的裂縫。洞口上方土體出現裂縫（見圖3），同時具有向洞口外移的趨勢，造成導向墻拱腰斷裂。

圖2 初支環向裂縫示例圖

圖3 地表裂縫示例圖

4 洞口淺埋段優化后支護技術

4.1 反壓墻控制仰坡滑移

開挖支護后洞頂邊坡出現多條環向裂縫，洞內沉降較大，導向墻在兩側拱部出現裂縫。經量測洞內洞頂及導向墻上部均出現縱向位移，判定仰坡下滑對初支產生向下壓力及向前推力。考慮明洞施做周期較長，為防止裂縫進一步發展，因此在洞口兩側采用反壓擋墻控制仰坡滑移（見圖4）。反壓墻采用C20混凝土，施做長度為16m，下部基礎寬度為2m，基礎標高為軌面標高下2.3m，墻體總高為8m，分層錯臺施工。反壓墻施做后，洞內拱頂沉降得到控制，導向墻及仰坡裂縫未繼續發展，整體結構趨于穩定。

圖4 反壓擋墻施做示例圖

4.2 三臺階臨時仰拱法盡早封閉成環

為達到仰拱初支盡快成環，控制洞口淺埋段開挖后沉降，在滿足規范要求的前提下對施工工序進行改進調整：采用仰拱初支緊跟下臺階的辦法。分四層開挖（主洞分上、中、下臺階加仰拱初支開挖）上臺階長度為3～5m，臺階高度為3.5m，每次開挖1榀，進尺為60cm／榀；中臺階長度為3～5m，臺階高度為3.5m，每次開挖1～2榀；中下臺階開挖時，先開挖右側，每次進尺1～2榀，左側開挖落后右側2榀，每次開挖1～2榀；仰拱每天開挖一次，進尺2.4m，緊跟下臺階開挖，利用上中臺階噴漿的時間進行仰拱的拱架安裝，然后跟進仰拱初支噴射，在下一循環利用開挖渣土回填仰拱。施工工序更為緊湊，仰拱封閉距離由原來的30m縮短為15m，封閉時間由15d縮短為7d，初支封閉距離的縮短顯著減少了隧道內拱頂的沉降。其他施工技術主要為：開挖采用挖機開挖、人工配合的方式進行。每循環開挖前測量組提前測設開挖輪廓線，挖機根據輪廓線進行開挖。挖機開挖過程中有專人指揮，觀察周圍情況，并避免碰撞已施工初期支護、量測點等部位，應減少超挖。上臺階開挖完畢，挖機在向下臺階扒渣過程中，上臺階開始人工處理。三臺階施工工序如圖5所示，主要施工步驟如下：

圖5 三臺階臨時仰拱法工序橫斷面示意圖

（1）開挖1部臺階，每循環進尺一榀，同時施做超前支護。初噴4cm厚混凝土，立初期支護鋼架及臨時鋼架，打鎖腳錨桿（管），系統錨桿并復噴混凝土。

（2）上臺階施工3～5m后，分側開挖2部臺階并立拱錨噴，2部臺階左右側拱架錯開兩榀，每循環進尺一次。

（3）中臺階長度達到5m左右，分側開挖3部臺階，并立拱錨噴，2部臺階左右側拱架錯開兩榀，每循環進尺一次。同工序（2）。

（4）開挖仰拱，及時封閉初期支護，仰拱初期支護與底部填充層分開施做。

（5）利用襯砌模板臺車一次性施做Ⅶ部二次襯砌。

4.3 初期支護

蘭山隧道出口承載力150 kPa左右，承載力不足導致開挖支護后沉降比較大。蘭山隧道出口段初期支護采用錨噴支護，I25型鋼拱架，榀距60cm，連接筋φ22環向間距1m；兩側邊墻設置φ22長3.5m系統錨桿，間距1m，呈梅花型布置；φ8單層鋼筋網，網格間距20×20cm；噴35cm厚C20混凝土。為進一步控制沉降，采用了如下加強措施：

（1）臺階拱架落腳處采用預制混凝土墊塊，擴大落腳處受力面積，拱腳清理后安放預制塊。

（2）加強鎖腳錨桿連接［3］，原錨管尾端用L型鋼筋焊接于拱架，施工中每拱腳加強為6根鎖腳。后期施工鎖腳有所改進。拱架拱腳處焊接鋼板，鋼板割孔，鎖腳穿過割孔打入巖層，此種方法既保證了打設角度又保證了焊接質量。

（3）拱部雙層小導管，由于隧道洞口段埋深較淺，土質松散，開挖后容易產生豎向垮塌，因此在開挖前拱部打設雙層小導管，角度分別為10°和40°。

（4）為增強拱架縱向連接，在隧道拱部增設為雙層連接筋及網片。

（5）黃土隧道施工及時封閉成環尤為重要，因此施工中采取仰拱初支緊跟下臺階施工，施工完畢后回填渣土，后期施做仰拱混凝土時采用人工配合挖機開挖清理。

通過以上措施，開挖之后后沉降得到有效控制。

4.4 襯砌

為保證施工安全，黃土隧道施工步距要求極為嚴格。隧道開挖后初期支護及時施作封閉，封閉位置距離掌子面一般≤30m［4］，施工中采用仰拱初支緊跟掌子面來滿足要求；二次襯砌距掌子面距離Ⅳ級圍巖應≤90m、Ⅴ、Ⅵ級應≤70m［5］。襯砌采用復合式防水襯砌。隧道襯砌采用C45防滲混凝土，抗滲等級≥P10。為保證步距要求，仰拱混凝土端頭后的40m范圍內初支基面處理及防水板施作、襯砌鋼筋施作、臺車就位施工等工序各占據一個工作面。各工序需合理組織，才能做到互不干擾有序施工。

4.5 地質觀察及監控量測

黃土隧道施工除超前地質預報外，現場要求每5m進行一次含水率測試及承載力檢測，當含水率及承載力出現異常變化時及時采取措施。監控量測在黃土隧道施工中發揮著非常重要的作用，在蘭山隧道洞口施工中體現得尤為明顯。對照量測數據后發現，洞口開挖時導向墻出現縱向位移，施作反壓墻后趨于穩定；后洞內出現幾次量測預警，及時采取措施處理后隧道沉降及收斂數據趨于穩定。另量測數據指導著施工中開挖預留量的調整。洞口段沉降量較大時預留量達到40cm，后預留量逐步減小到10cm，既保證了襯砌厚度又減少了混凝土超耗量。

5 結語

黃土隧道洞口段面臨淺埋、土質松散等特點，施工中由于黃土承載力不足，容易導致沉降過大，初期支護開裂，圍巖內裂縫向地表發展，洞內圍巖坍塌等問題，施工難度較大。蘭山隧道洞口段采用反壓墻控制邊坡滑移，大管棚加超前小導管雙層超前支護，三臺階臨時仰拱法且盡早封閉進行開挖等技術方法，順利通過淺埋段。通過對黃土隧道淺埋洞口段的施工技術總結，提出以下幾點看法與體會：

（1）堅持隧道施工“勤量測”的施工原則，量測數據如有異常，及時進行原因分析，有必要時暫停掌子面施工。

（2）對初期支護進行快速封閉成環，仰拱初支緊跟下臺階初支施工，及早提高初期支護的整體抗壓能力。

（3）對于洞口土體存在整體移動，沉降較大的淺埋段，暫停掌子面施工，及時施做二次襯砌，實行單工序作業，確保施工安全。

（4）洞口施做反壓擋墻，能有效抑制仰坡土體位移，穩定效果較明顯。

（5）通過加強初期支護，提高支護強度。增設鎖腳錨桿，防止拱架下沉；拱部設雙層鋼筋網，提高初支的抗剪能力；加大下臺階拱架腳板及采用預制塊進行支墊，提高拱架的整體支撐能力。

［1］梁建忠.淺埋黃土隧道洞口段施工技術探討［J］.山西建筑，2012，38（9）：193-195.

［2］王新東.淺埋大斷面黃土隧道安全快速施工方案探討［J］.鐵道建筑技術，2012.5：86-90.

［3］楊建民，喻 渝.淺埋大斷面黃土隧道初期支護研究［J］.現代隧道技術，2008，45（6）：16-22.

［4］JTJ042-94，公路隧道施工技術規范［S］.

［5］JTGD-2004，公路隧道設計規范［S］.