黃土隧道沉降變形規律及控制措施研究

蘇隴羊

中鐵建大橋工程局集團西北工程有限公司 寧夏 銀川 750000

1 工程概況與設計支護參數

南梁隧道位于寧夏南部山區海原縣境內，隧道按照分離式形式布設，起訖里程K125+580～K127+905，全長2325m，屬長隧道，最大埋深約105m。黃土梁峁溝壑區，隧址區域由新老黃土覆蓋，地形起伏較大，地表最低海拔位于洞口淺埋段，高程約1560m，最高海拔位于隧中深埋段，高程約1696m，相對高差約130m，地形坡度約10～15°，隧址區植被稀少。圍巖結構疏松，土質較均勻，大孔隙，局部夾粉土，整體性較差，易形成崩塌區或滑坡等不良地質災害。干燥情況下，土體強度較高，直立性好，浸水時易發生濕陷變形及崩解，抗剪強度降低。

隧道設計滿足公路使用功能，遵循“安全、耐久、經濟、節能、環保”的基本原則，洞身襯砌按照新奧法原理進行設計。隧道Va級襯砌參數：設計開挖面積為121.89m2，采用I22b工字鋼+Φ8鋼筋網片+Φ22系統錨桿+28cm厚C25噴射混凝土+50cm厚C35鋼筋混凝土二次襯砌，洞內基底承載力不能滿足250Kpa段落，均采用高壓旋噴樁基底加固處理。

2 兩臺階開挖工法及變形規律分析

2.1 兩臺階施工步序

南梁隧道V級圍巖開挖采用上下臺階增設臨時仰拱工法，開挖過程中，嚴格控制施工機械對邊緣處的開挖，人工修整輪廓，減少開挖機械對圍巖的擾動損傷，避免拱頂掉塊、掉渣，嚴格控制超挖，提高圍巖自穩能力。兩臺階增設臨時仰拱法施工示意圖如下圖1、圖2所示。

圖1 兩臺階臨時仰拱法示意圖

圖2 兩臺階臨時仰拱法剖面圖

主要施工步序

第1步，開挖上臺階。超前支護完成后，開始開挖上臺階[1]，寬度約4米，核心土盡量留原狀土，縱向長度不小于5m，核心土到拱頂距離小于2m，到兩側邊墻距離約為2m，施作上臺階初期支護。

第2步，上臺階進尺10m左右，施作臨時仰拱，臨時仰拱到掌子面步距基本穩定保持在這個距離。

第3、4步，左、右側下導坑開挖，左右交替錯開施工，以前后距離拉開5m以上為宜，支護完成下臺階噴射混凝土。

第5步，拆除臨時仰拱，及時施做仰拱初支，每次初支開挖長度控制在3m以內，每完成2個循環仰拱初支，澆筑1次仰拱襯砌跟填充。

第6步，拱部及邊墻一次性澆筑二次襯砌。

2.2 變形數據統計分析

通過現場量測兩臺階法施工時隧道圍巖變形數據，得出隧道沉降收斂變形時空曲線。從觀測時間上看，隧道開挖后的一周是沉降收斂變化最明顯的時間段，期間變形量占比較大，再到仰拱封閉成環之前變形也相對較大，仰拱封閉成環之后基本處于穩定狀態，變形量所占比例很小，成環之后，一般情況，拱頂沉降與水平收斂占總變形量的比值＜5%，說明仰拱及時封閉成環對隧道變形的控制效果非常明顯。

對洞內監控量測的8個斷面數據進行了分類統計，監測時間從布設監測點采集初始值開始，到鋪掛二襯防水板前一天結束，累計觀測天數在21～30d之間，平均觀測天數為25d，累計總沉降變形在78～102mm之間，累計沉降平均值為95mm。

對各個施工工序的變形數據做了統計，上臺階期間（掌子面開挖至做完臨時仰拱）、下臺階期間（左、右側下臺階開挖至仰拱開挖前）、仰拱期間（仰拱開挖至混凝土澆筑完成）、仰拱完成至防水板鋪掛前共4個時間段。變形主要集中在前2個時間段內，期間變形占總變形量的比例分別為55.3%、34.4%，而仰拱期間及后期分別占8.2%和2.1%。可見，仰拱閉合成環澆筑混凝土后，沉降已趨于穩定狀態。

參照王強對監控量測異常數據的分析，由于受地質條件變化或者在關鍵時間段內施工管控不到位的影響，都會出現變形異常的情況，其主要形成原因，基本可以歸納為兩類。第一類是主觀原因，由于施工現場管控不力，原有技術措施沒有嚴格得到落實，工人麻痹思想作怪，憑經驗施工，一味圖快圖省工省料，沒有嚴格按開挖一榀支護一榀的要求施工，或是降低了支護措施的標準，尤其是進尺超挖，是對變形影響最明顯的不安全行為。第二類是客觀原因，是圍巖變化所致，面對圍巖變化缺乏應變能力，沒能及時做出調整，沒有采取增強支護措施，當現場圍巖發生變化或土體含水量發生變化時，主要管理人員漠視環境條件的改變，繼續按慣性進行施工，沒有及時調整開挖速度和加強支護參數。

3 控制變形施工措施及技術要點

3.1 超前地質預報及監控量測

隧道工程屬于隱蔽工程，常常會受到各種不良地質的影響，施工前如果不能對掌子面前方可能遇到的不良地質做準確判斷和全面掌握，盲目掘進，可能會引發地質災害，影響施工進度，甚至發生事故。加強隧道沉降觀測與地質素描，準確掌握圍巖變形情況，用數據指導現場施工，做到心中有數，操之有度。不僅可以提高施工效率，降低成本，而且能保證現場施工安全。

3.2 嚴控開挖進尺，合理循環時間，落實支護參數

開挖進尺的大小對大斷面黃土隧道施工變形的影響很大，開挖冒進會造成掌子面處臨空面增大，導致開挖土方量增大，出渣時間跟支護時間相應增長，土體暴露時間增長，施工安全系數降低，與早封閉的新奧法施工基本原則相悖，對抑制沉降也是十分不利的。要求上臺階開挖1榀，支護1榀，不得一次開挖2榀同時支護，下一循環開挖前要保證上一循環混凝土強度達到要求，開挖時注意不能讓機械觸碰已經初支完成的拱架，下臺階要求左右側錯開落底施工，不能同時懸空，一次開挖不超過2榀，仰拱最多一次開挖3榀，開挖后快速立架閉合，完成噴射混凝土作業，仰拱襯砌和填充施工時，應控制每次澆筑長度不超過6m。整個開挖過程，切忌拉槽開挖[2]。另外，兩臺階臨時仰拱法施工，臨時仰拱及早封閉，這對控制變形是十分有效的。按要求打設鎖腳，墊實或擴大拱腳，提高鋼拱架縱向連接增強整體性，也是防止發生大變形的重要技術措施。

3.3 加強超前支護，穩定掌子面

為保證施工安全，隧道洞口超前支護可采用大管棚支護體系，外插角跟搭接長度滿足要求，主洞超前支護采用Φ42mm小導管，加強段雙層布設，使鋼管從鋼架腹部穿過，尾部與鋼架焊接，外插角符合設計要求，并按要求比例壓注水泥漿。當遇到圍巖不好的情況，可以適當擴大超前環向施工范圍。掌子面的穩定性對隧道安全施工十分重要，特別是大斷面黃土隧道，大多數坍塌冒頂事故都是由于掌子面失穩引起的。穩定掌子面的方法有很多，根據其功能不同，可以分為維護圍巖穩定的超前支護和管棚，改良圍巖結構的注漿，發揮錨固作用的錨桿和噴射混凝土[3]，核心土可以有效反壓掌子面，控制掌子面變形。

3.4 控制拱腳變形技術

鎖腳錨桿、擴大拱腳跟增設臨時仰拱是控制拱腳變形的三大主要措施。為了保證鎖腳的受力效果，一是保證鎖腳的打入角度，二是要保證鎖腳跟鋼拱架的連接質量，南梁隧道施工設計是在拱腳處工字鋼內外側各設置一塊鎖腳鋼板，鎖腳錨管緊貼鎖腳鋼板打入，錨管尾部采用固定筋跟鋼板焊接的方式，這樣更有利于發揮承載作用。而且增設了臨時仰拱，大大提高了結構受力，對控制變形非常有利。

3.5 仰拱快速封閉成環，二襯緊跟

濕陷性黃土隧道施工中，往往由于局部圍巖變差，導致掌子面失穩，相繼出現崩塌現象。除了前面提到的技術措施外，較為有效的辦法是創造條件促進仰拱與二襯緊跟，從而確保掌子面安全推進。根據南梁隧道現場施工中的8個斷面的實測監測結果分析，仰拱封閉成環之后的沉降數據占總沉降量的2.1%，所以在滿足安全步距的同時，盡量縮小仰拱、二襯到掌子面的步距也是控制變形的另一關鍵措施。

4 結束語

以南梁隧道兩臺階施工現場的實測數據為基礎，進行沉降收斂回歸曲線分析得出，大斷面黃土隧道采用兩臺階增設臨時仰拱法施工，輔以超前小導管與鎖腳等技術措施，加強現場把控，控制好施工中的每個關鍵環節，能有效地控制變形，保證隧道安全施工。