淺談黃土隧道沉降控制措施的應(yīng)用

張璽 胡海強(qiáng) 溫亮珠

摘? 要：該文通過(guò)對(duì)我國(guó)某黃土隧道施工工程的黃土隧道施工建設(shè)分析，結(jié)合LJ-16合同段隧道進(jìn)口黃土隧道工程特點(diǎn)，具體分析了該案例隧道采取的施工工藝，分析了如何防止黃土隧道沉降事故的發(fā)生，對(duì)于我國(guó)在類似工程方面有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：黃土隧道;沉降控制;措施

中圖分類號(hào)：U45? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 工程概況

該工程洞身下穿Q3砂質(zhì)黃土地層，土質(zhì)呈現(xiàn)出淺黃色與灰黃色。該隧道附近圍巖的土質(zhì)組成較為均一，組成顆粒主要以粉粒為主。土壤的質(zhì)地與結(jié)構(gòu)較為松散，土壤內(nèi)部孔隙發(fā)育較為強(qiáng)大。隧道掌子面水分較多，表面潮濕有滲水現(xiàn)象發(fā)生。隧道地表面有多個(gè)陷穴和沖溝。隧道穿過(guò)陷穴，深度達(dá)到135 m。隧道內(nèi)部第一個(gè)沖溝深度為205 m，第二個(gè)沖溝深度為25 m，洞內(nèi)含水量高達(dá)35%，隧道洞穴承載力最高為158 kPa。在隧道施工的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，表明該隧道工程下降累計(jì)為190 m～400 m。

2 黃土隧道工程特征總結(jié)

2.1 圍巖變性量大

該工程黃土隧道的地質(zhì)特性較為特殊，其地質(zhì)組稱為數(shù)值性的節(jié)理發(fā)育。在施工過(guò)程中的表現(xiàn)極為明顯，該隧道的拱頂下塵量大，而周圍隧道圍巖收縮量又小，甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)值的情況，以及隧道凈空變量大。通過(guò)對(duì)該隧道的實(shí)時(shí)施工監(jiān)控，得出了61個(gè)監(jiān)控量，通過(guò)對(duì)于隧道斷面的數(shù)據(jù)總結(jié)分析，得出該隧道的水平收斂總量為64.7 mm，拱頂下沉總量甚至可以達(dá)到400 mm。

2.2 變形量快且變形速率高

根據(jù)對(duì)于該案例隧道的實(shí)時(shí)施工監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，在隧道進(jìn)行開(kāi)挖工程后的8 h，隧道周圍的巖石基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。隨著隧道工程施工的不斷開(kāi)挖，隧道圍巖出現(xiàn)了狀態(tài)變化。其中隧道下臺(tái)階、中臺(tái)階、隧道仰頂?shù)拈_(kāi)挖對(duì)于隧道圍巖的沉降影響較大。該隧道上臺(tái)階開(kāi)挖的下沉速率為1 mm～22 mm，試工3天之后，該下沉速率逐漸的降低。中臺(tái)階與下臺(tái)階的開(kāi)挖速率又回到了基本的15 mm～28 mm。

2.3 地基承載力差

在進(jìn)行隧道施工的仰頂開(kāi)挖過(guò)程中，該隧道的地基承載力較高為150 kPa。如果隧道承載力不足，則會(huì)對(duì)隧道的開(kāi)挖以及周圍的巖石產(chǎn)生負(fù)面影響。一般情況下，隧道黃土圍巖周圍的土壤壓縮性較低，通常屬于中低級(jí)的壓縮性土壤。在外界的一定條件下，該土壤的收縮變形是非常有限的。有效的變形量不能夠及時(shí)平均施工過(guò)程中產(chǎn)生的壓力，因此圍巖與地基可能會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)，從而導(dǎo)致隧道仰頂?shù)幕A(chǔ)下沉[1]。

2.4 蠕變與突變

在隧道的初期施工中，其支護(hù)封閉工作完成后，開(kāi)始進(jìn)行隧道拱頂?shù)氖┕ぁＴ谒淼姥鲰斒┕r(shí)，隧道表面的變形速度逐漸緩慢，但是隧道開(kāi)挖的后續(xù)工程會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生負(fù)面影響，再加上隧道本身洞頂?shù)淖灾貕毫Γ蜁?huì)造成隧道初期支護(hù)的開(kāi)裂，嚴(yán)重時(shí)噴射砼甚至?xí)粍兟洌瑢?duì)于隧道的城建控制產(chǎn)生著極強(qiáng)烈的負(fù)面效果，從而導(dǎo)致隧道很容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

2.5 圍巖遇水

隧道圍巖在接受水分侵入后，其變形現(xiàn)象會(huì)加劇發(fā)生。這是由于砂質(zhì)性的黃土在遇到水分侵入后，其狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，強(qiáng)度會(huì)大幅度降低。并且土質(zhì)遇水滲流部分，其黏性都會(huì)下降，極易出現(xiàn)脫落掉塊的事故。主要原因是現(xiàn)行黃土的力學(xué)特征，對(duì)于水的敏感度較強(qiáng)，黃土結(jié)構(gòu)本身具有較強(qiáng)的親水性，并且黃土垂直部分的滲透系數(shù)大于黃土水平方向的滲透系數(shù)，黃土在垂直方向黃土的地下水滲透速度更快。因此，當(dāng)部分被水浸濕后，隧道整體會(huì)很容易被水分浸蝕，從而發(fā)生水分滲透，造成隧道圍巖被水軟化，導(dǎo)致后期的剝落、開(kāi)裂事故發(fā)生，從而導(dǎo)致隧道的承載力下降，導(dǎo)致隧道發(fā)生后期的變形沉降事故。

3 黃土隧道沉降控制措施總結(jié)

經(jīng)過(guò)對(duì)于該研究隧道施工過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，相關(guān)人員分析并總結(jié)了工程特征。研究表明，隧道的沉降域流量控制在40 cm是最合適的，同時(shí)在施工過(guò)程中也沒(méi)有出現(xiàn)二次進(jìn)空的現(xiàn)象。但是，當(dāng)隧道的沉降量過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致隧道頂部的山體拉斷，隧道整體的重力與壓力會(huì)完全地作用于初期的支護(hù)上，極大程度地增加了隧道支護(hù)的荷載量，對(duì)于隧道后期的施工投入與使用運(yùn)營(yíng)都存在較大的威脅隱患。因此需要控制黃土隧道的沉降，最根本措施就是要控制隧道拱頂?shù)某两盗縖2]，施工過(guò)程中通常會(huì)采取以下措施。

3.1 嚴(yán)格按照工法進(jìn)行施工，控制布局和紅線

三臺(tái)階臨時(shí)仰拱施工法，是黃土隧道施工過(guò)程中的常用方法（如圖1、圖2所示）。該措施通過(guò)控制隧道個(gè)臺(tái)階的施工長(zhǎng)度，落實(shí)了隧道的紅線施工距離。具體就是將隧道掌子面刀拱頂?shù)募t線距離控制在36 m，將隧道的掌子面距離到隧道二襯的紅線距離控制在50 m。

通過(guò)對(duì)該案例工程的實(shí)時(shí)施工監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析，研究得出該工程施工時(shí)要將時(shí)間控制在上臺(tái)階施工完成后的一周內(nèi)，這對(duì)于隧道后期的施工提供了方便。同時(shí)，下臺(tái)階的施工開(kāi)挖時(shí)間要控制在中臺(tái)階完成后的2周內(nèi)。通過(guò)數(shù)據(jù)分析表明，上臺(tái)階施工時(shí)的極限值為83 mm，而中臺(tái)階施工時(shí)的沉降極限值為104 mm。在施工過(guò)程中，在仰頂施工完成后，研究發(fā)現(xiàn)楊頂?shù)南鲁了俾视辛嗣黠@的減小。通過(guò)對(duì)相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)隧道仰拱的施工要控制的下臺(tái)階施工的2周內(nèi)，該隧道沉降的極限值為51 mm。

3.2 加強(qiáng)拱腳處理措施

3.2.1 在隧道的公交處安放2根錨管，施工后其繼續(xù)添加為4根錨管

在隧道的施工環(huán)節(jié)中砂漿錨桿的施工，在一定程度上會(huì)影響噴射混凝土和隧道鋼架支護(hù)的施工，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)蛊溴e(cuò)過(guò)最佳的施工時(shí)機(jī)，從而導(dǎo)致黃土隧道沉降量的增加。在此背景下，隧道拱腳錨管的建設(shè)對(duì)隧道沉降的控制就起著至關(guān)重要的作用。鎖腳錨管的施工采用，可以一定程度上避免鎖腳發(fā)生收縮現(xiàn)象，同時(shí)也可以防止隧道的掉拱事故發(fā)生，又可以對(duì)隧道下部分的施工開(kāi)挖，起到前期的支護(hù)保護(hù)作用，一定程度上減少了黃土隧道施工沉降的變形量。該案例工程的隧道采取3個(gè)階段的部分開(kāi)挖，對(duì)每個(gè)施工階段的拱腳處都要增加相應(yīng)的錨管，從而一定程度上控制黃土隧道的沉降量。鎖腳錨管設(shè)備的采用一般會(huì)使用無(wú)縫的鋼管，長(zhǎng)度在5 m左右，在每個(gè)施工階段打入2根鎖腳錨管，全過(guò)程共12處。施工過(guò)程中保證錨桿與鋼拱架之間的焊接較為緊密，與前期隧道的支護(hù)合為一體，起到了一定的支撐保護(hù)作用。

3.2.2 在隧道上中下三臺(tái)階各拱腳處增加縱向連接器

縱向連接器的施工使用主要起到了隧道整體的拱架連接作用，在隧道中臺(tái)階和下臺(tái)階的施工開(kāi)挖過(guò)程中，縱向連接器可以控制隧道的懸空拱架，從而減少黃土隧道的沉降變形量。

3.2.3 上臺(tái)階與中臺(tái)階的拱腳設(shè)置

該案例隧道的含水量一般處于30%，隧道的最大承載力為15萬(wàn)Pa。在隧道臺(tái)階拱腳處設(shè)置拱腳，增加了拱腳的壓力受力面積，一定程度上控制了隧道頂部的沉降。研究表明，在未設(shè)置拱腳時(shí)，其隧道工程拱頂?shù)某两盗繛?40 mm，而在設(shè)置拱腳之后，隧道的沉降量減少為了230 mm，研究表明，拱腳措施的采用起到了良好的沉降控制效果。

3.3 加強(qiáng)仰拱基底承載力

在進(jìn)行隧道拱頂?shù)氖┕ぶ校捎诠绊敽糠浅４螅涞鼗某休d能力較小，因此發(fā)生沉降事故的可能性較大。但是施工現(xiàn)場(chǎng)中可以使用基地50 cm的濕陷性土層，將其置換為沙爍石，可以一定程度上分散拱頂?shù)某休d壓力，提高了地基的壓力承載能力，減少了隧道的沉降量。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)于該工程黃土隧道沉降的研究，發(fā)現(xiàn)采取三臺(tái)階七步開(kāi)挖法對(duì)于黃土最大的沉降控制具有重要的推動(dòng)作用。該文就分析了具體的沉降措施以及黃土沉降的表現(xiàn)特征，對(duì)于其他工程的施工具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]王圣濤.下穿民房密集區(qū)大斷面黃土隧道變形控制工法的研究與應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2019，56（S2）：598-603.

[2]胡振聯(lián)，劉藝，姜夢(mèng)林，等.西安地鐵某區(qū)間盾構(gòu)施工產(chǎn)生左、右線地面沉降顯著差異原因淺析[J].地下水，2019，41（6）：81-84.