淺埋濕陷性黃土隧道施工技術研究

王滿谷

（中鐵五局集團第一工程有限責任公司，湖南 長沙 410117）

地質條件會顯著影響隧道施工質量、進度等，隧道施工時應依據現場條件確定施工技術方案。隧道在濕陷性黃土區域施工時，受到濕陷性黃土承載能力及穩定性較弱因素影響，隧道施工時面臨圍巖變形量大、掘進迎頭垮落風險高等問題，如何實現濕陷性黃土隧道高效施工是需要重點解決的問題。眾多隧道施工經驗表明，隧道施工期間降低開挖給圍巖擾動，可在一定程度降低圍巖控制難度。眾多學者對濕陷性黃土隧道施工及支護技術展開研究，并針對性提出開挖、圍巖支護技術方案，現場應用取得較好成果。文章就在前人研究成果基礎上，以潘城隧道施工為例，對隧道在濕陷性黃土區域采取的施工技術方案進行分析，以期為其他隧道類似條件下施工工作開展提供經驗參考。

1 工程概況

彭大高速公路潘城隧道長2 103 m，最大埋深130 m，洞身淺埋處約16.5 m。隧址區內地層簡單，上部為第四系上更新統風積黃土（Q3），下部為第四系中更新統風積黃土（Q2）。風積黃土主要分布于洞口地段，中更新統（Q2）風積黃土分布于洞身段，圍巖級別全部為Ⅴ級。但實際開挖揭示，隧道進口端進洞開始就一直有明水，成股狀流出。隧址區特殊性巖土為濕陷性黃土，厚度12~16 m，濕陷性黃土具備多孔性、垂直節理發育、沉陷性、透水性較強等特征，濕陷性黃土對隧道施工有顯著影響。

2 隧道施工及支護技術

2.1 隧道掘進

隧道開挖方式能對項目的安全、質量、成本造成顯著的影響。選擇開挖工法，直接關系到整個施工過程的成敗。開挖工法值得在安全、質量、成本、進度上，進行論證比較和對比，需選擇合適優質高效的工法。黃土隧道一般有CD法、CRD法、雙側壁導坑法和臺階開挖法等。潘城隧道進口端淺埋段采用的CD法施工，其他段落通過采用的三臺階法施工。

2.1.1 孔口開挖施工

潘城隧道孔口開挖采用中隔壁法，具體斷面施工圖見圖1所示。

圖1 中隔壁（CD）法施工工序橫斷面圖

隧道開挖時應遵循下述要求：

（1）上部導坑循環進尺控制為1榀鋼架間距，下部導坑進尺依據現場情況確定可適當放大。

（2）初期支護后方可進行開挖，現場地質較差時，每個臺階底部均應設置臨時型鋼或臨時仰拱；左右兩側導坑開挖工作面的縱向間距不宜小于15 m；當開挖形成全斷面時，及時全段面初期支護。

（3）導坑下部導坑邊墻側和中隔壁側須錯開開挖，錯開距離3~4 m，仰拱部分初期支護與下部導坑一次成型。

（4）施工中為了保證施工運輸通暢，每側導坑設置一組簡易仰拱棧橋輔助施工。

2.1.2 其他段開挖

潘城隧道其他段采用三臺階法開挖，具體三臺階法開挖示意圖見圖2所示。

圖2 三臺階法施工平面示意圖

隧道開挖時應遵循下述要求：

①施工主要步驟：開挖上臺階核心土弧形→弧形部一次襯砌→開挖上臺階核心土→中臺階左、右側異常開挖→開挖中臺階核心土→中臺階一次襯砌→開挖下臺階核心土→開挖左、右側壁交錯3~4 m→一次襯砌→仰拱襯砌、填充→二次襯砌。

②開挖時上臺階、中臺階及下臺階長度分別為5~6 m、3~4 m、6~8 m，一次襯砌緊跟開挖面。拱頂弧形導坑及中下臺階左右導坑開挖進尺控制在2榀鋼架，下臺階開挖進尺控制在3 m。

③上臺階掌子面超前15~25 m后，開挖3~4榀鋼架仰拱，仰拱封閉成環段距離掌子面在35 m以內。

④二次襯砌距離仰拱距離在30~40 m。

⑤中臺階預留臺尺寸為上部為2 m，下部為3 m，不得出現其他情況。

2.1.3 機械開挖

隧道采用機械開挖，輔以人工鑿除修邊。上、中臺階用挖掘機扒渣至下臺階，下臺階可由挖掘機開挖，渣土由裝載機裝卸至自卸車上，外運。其中上、中臺階存在支護遮擋，挖掘機不能完全開挖到位。挖掘機配置快速轉換接頭，使挖掘機正反鏟都能施工。為控制超欠挖，挖掘機開挖必須人工指揮，杜絕因機械操作不當，造成超挖。拱頂拱腰預留3~5 cm，各臺階拱腳位置預留20~30 cm暫不開挖，由人工進行削邊刨腳，保證不超挖，拱架拱腳能放置于硬底上。人工修邊這里特意提出一點，拱腳部分必須采用人工處理，嚴禁挖機開挖，主要目的是為了保證初支鋼架及內模鋼架置于穩定基礎上，防止拱架下沉。

2.1.4 仰拱開挖

仰拱滯后下臺階6~8 m并及時跟進，仰拱一次開挖長度3~4 m。仰拱開挖以機械為主，機械開挖預留20 cm人工開挖，保證仰拱基底密實。

2.1.5 超欠挖控制

超欠挖控制既能有效降低施工安全風險，又能減少施工成本，防止初期支護背后出現孔洞、初支厚度不足等現象的有效手段。作為黃土隧道須嚴格控制開挖進尺，當地質情況較差的時候，縮短開挖進尺，減少開挖臨空面，可以有效防止拱頂坍塌，也可以減少拱頂超挖。特別是變形較大的隧道，需結合監控量測數據，合理預留隧道變形量，第一是減少不必要的開挖量，降低施工成本；第二是保證隧道二次襯砌厚度，確保施工質量；第三是不因預留過大出現隧道二襯混凝土超耗嚴重，為項目部增效減虧。超欠挖控制的好與壞，最能體現項目部的管控水平和技術能力。

2.1.6 開挖進尺控制

單次循環工作面越多和開挖進尺越長，對隧道的沉降變形是有很大影響的。由于對隧道擾動得越厲害，圍巖的應力釋放速度就會越快，應力釋放傳遞到初支上，直觀表現就是沉降速率迅速增大。同時新奧法本來就有短進尺，早封閉的理念，所以遇到軟弱圍巖，單次循環開挖面和開挖進尺需嚴格控制。每次開挖為三個面即上臺階、中下臺階各一側。開挖進尺視前一天監控量測數據，若沉降在1~2 cm/d，上臺階開挖1榀，中下臺階各2榀；若小于1 cm，上臺階開挖2榀，中下臺階各2榀，仰拱開挖一般利用噴漿時間進行。每天開挖循環為2.2~2.3個，上臺階循環進尺一般按照1榀、2榀交替進行，每天開挖進尺在2~2.4 m/d。特殊情況開挖仰拱需暫停用掌子面掘進，單獨開挖。

2.2 隧道圍巖控制要點

2.2.1 設托梁加鎖腳

黃土遇水，承載力下降明顯，要抵抗沉降，需加強初支整體性。故在拱腳設置縱向托梁，加強初支的整體性，進而有效控制拱頂沉降變形量，具體托梁結構見圖3所示。加設與不加設，在隧道沉降量上有很大差別，若當天沉降量大于1 cm時，增設托梁沉降量能減少至5 mm/d。也可以采用擴大拱腳的方法，因本隧道土體含水率量大，拱腳擴大施工時易出現溜塌，不適宜采用。

圖3 托梁連接示意圖

上臺階拱腳處、中臺階拱腳處均設置通長縱托梁，鋼架與托梁連接板連接，托梁分段制作縱向間連接板連接保證形成整體，增強初支的縱向連接剛度。隧道設計上未設計錨桿，為控制沉降，只有加強鎖腳。在拱腳處打設2根φ42×4 mm長度6 m的鎖腳，加強鎖腳能力抑制變形，在縱托梁上增設2根φ42×4 mm長度6 m的鎖腳。

2.2.2 增設臨時仰拱

由于圍巖受水軟化，在施工過程中，特別是下臺階落底和仰拱開挖時，初期支護因沉降影響有時會出現環向裂縫。每當出現初支環向裂縫時，及時在中臺階設置臨時仰拱，這能有效控制初支變形。

2.2.3 隧道初期支護（一次襯砌）

一次襯砌模筑混凝土為現澆C25混凝土，噴錨支護混凝土為噴射C25混凝土，故二者在混凝土施工上存在較大差異。超前支護、洞身開挖、立架工序基本都一樣，但一次模筑鋼架施工完緊接模板支設，然后是混凝土泵送施工，等待混凝土初凝以后再進入下循環施工。噴錨支護立架過程中有鋼筋網片，局部設計有錨桿的還要打設錨桿，濕噴后進入下一循環施工。因一次襯砌下循環施工需要等待混凝土強度，為縮短時間，在混凝土攪拌中摻入早強劑。為加快工序循環，襯砌模板支撐采用HW175型鋼支撐。混凝土施工完成后，先拆除臨時支撐，然后進行核心土開挖，待混凝土初凝后，拆除堵頭模板，進行掌子面的開挖。夏季氣溫高，混凝土在加入早強劑后2~3小時達到初凝，冬季氣溫低，混凝土初凝時間4~5小時。混凝土拆模一般在24小時后，為保證循環施工，上臺階一襯模板采用三套模板進行循環使用。

2.2.4 超前支護

超前支護作為開挖輔助施工措施，隧道洞口段用超前大管棚，其余位置均用超前注漿小導管。超前支護施作的好與壞關系到隧道開挖的質量，若是超前支護施作不好，易出現小坍塌，嚴重時發生大的坍塌。施工過程中需嚴格控制注漿工藝，但現場實際因工序時間卡控和黃土注漿效果不明顯，故實際都未注漿。根據經驗可采用插入Φ22鋼筋和填塞錨固劑的形式代替注漿，以提高超前小導管的抗壓抗剪強度，達到超前施工效果。注漿漿液選用水泥砂漿，注漿壓力0.4~0.6 MPa。具體注漿工藝見圖4所示。

圖4 注漿工藝流程

3 總結

①黃土隧道采用短臺階和一次襯砌三臺階的快速施工實踐，為今后黃土隧道施工提供了較好經驗。根據監控量測數據反饋信息，及時增設臨時仰拱、托梁、鎖腳抵抗隧道的沉降變形，通過調節臺階的長短快速封閉成環，整體受力，有較快的施工進度，安全也有較好的保證，能確保目標工期。潘城隧道施工期間月進尺能可達60 m，實現了隧道安全高效施工。②三臺階往往是圍巖破碎，穩定性差，需要以小的開挖面盡快支護達到圍巖穩定目的，但是空間相對較小、機械不易施展開展。提高三臺階開挖效率主要措施包括有提高出渣效率、循環開挖效率以施工進度。三臺階分部開挖較多，上、中、下鋼架的連接上易出現問題。開挖過程中機械易碰到拱腳，鎖腳施工不到位拱腳處應力最大易發生變形，隧道圍巖以收斂變形為主的，要著重注意鋼架的連接和鎖腳的施工質量。結合部施工不好，容易出現鼓包，侵入二襯凈空，給防水板鋪設造成極大麻煩；同時施工時分部較多對圍巖的擾動也較多，中、下臺階和仰拱的開挖都會影響掌子面應力的分布，圍巖不好的地段會加大初期支護的變形。