黃土隧道臺階法施工分階段變形控制

穆冬冬

（中鐵十六局集團第一工程有限公司，北京 101300）

0 引言

在國內黃土、軟弱圍巖隧道修建過程中，臺階法因其安全性、經濟性、靈活性而得到廣泛使用。隧道穿越軟弱圍巖及黃土夾砂帶臺階法施工期間，受圍巖滲水、砂礫層分布不均、偏壓、滑塌等不良地質影響，在施工過程中極易出現較大的圍巖變形，對施工現場工作人員的生命安全和工程施工質量及進度造成極大影響。針對黃土隧道臺階法施工，目前均以總變形控制為主，缺少對隧道開挖各階段分級圍巖變形的精細控制研究。

鳳凰山隧道位于甘肅省臨夏回族自治州康樂縣，隧道穿越黃土峁梁，山體走向大致呈南北走向，溝壑較發育，大致呈西北方向分布，隧道自東向西穿越山梁，土質含砂量高，大孔隙發育，具垂直節理，土質疏松，含水量高。在隧道施工過程中極易出現大變形、涌水塌方等工程問題，給隧道施工帶來不同程度的安全威脅，施工過程中通過超前小導管注漿堵水[1]、初支背后埋設環向排水盲管排水及初支面加密布設環向排水管等措施對圍巖滲涌水進行堵排。在鳳凰山隧道穿越破碎、軟巖大變形地段臺階法施工過程中，通過對各部位的拱頂下沉及周邊收斂[2]進行數據統計分析，從而提出黃土隧道臺階法施工分階段變形控制方案：即上臺階大鎖腳加“聯排”、中臺階大鎖腳，下臺階“微型鋼管樁”，該方案的實施有效控制了黃土隧道軟巖大變形。

1 臺階法施工技術優勢

（1）隧道初支變形控制效果好。通過對三臺階開挖各階段拱頂下沉及周邊收斂[3]進行數據統計分析，制定有針對性的、分階段變形控制方案，確保各階段沉降變形控制在規定范圍之內，從而保證隧道整體初支變形的穩定性，變形控制效果好。

（2）隧道開挖支護施工安全性高。通過對三臺階施工進行分級控制，能夠有效地降低隧道侵線及塌方的可能性，確保臺階法施工過程中生命財產安全。

（3）有利于提升整個工程的經濟和社會效益。該施工方案可以解決鳳凰山隧道穿越黃土斷層破碎帶及滲水軟弱巖大變形地段臺階法施工中的初支侵限以及初支侵限引起的預制拱架無法安裝以及二襯安全厚度不達標的問題，減少初支侵限換拱的成本與工期，具有良好經濟效益；同時對處理隧道塌方、順利通過淺埋、偏壓等高風險地段起到安全、保質、高效的作用，能夠為后續類似工程提供指導和借鑒，創造了良好的社會效益。

2 施工變形控制實踐

2.1 原設計初支變形量數據統計

由表1對原初支變形量的數據統計可知：各臺階累計變形量大，出現嚴重侵線現象，原設計支護參數已不能滿足安全質量標準，需采取加強支護方案，重新進行換拱處理，確保累計變形量控制在有效范圍內。

表1 原初支變形量數據統計

2.2 各臺階初支控制方案的確定及實施

為保障隧道施工的安全穩定，防止初支變形侵線，結合監控量測[3]數據分析，項目部決定按照臺階法分階段控制確保初支變形的穩定性。

2.2.1 上臺階弧形導坑開挖支護

采用直徑42mm、長4m的小導管超前支護后進行拱部開挖（見圖1所示）。超前小導管采用外徑42mm[4]、壁厚4mm熱軋無縫鋼管，由鋼構件加工廠統一加工制作，采用風鎬按設計角度打入預先鉆孔中，超前小導管布設在隧道拱頂120°范圍內，環向間距40cm，外插角為5°～12°。根據本標段黃土隧道土質含砂量高、軟弱破碎、滲涌水等地質特性，故選用（水泥-水玻璃雙液漿）進行超前小導管注漿[1]，其主要作用為：漿液通過超前壓注到巖體裂隙中經過物理化學作用，即能將破碎圍巖或松散顆粒在短時間內膠結成整體，起到超前預支護作用，為隧道開挖安全施工提供保障和增強圍巖的整體穩定性[1]。

圖1 上臺階拱施工現場

超前支護完成后環向開挖上部弧形導坑[2]，預留核心土的長度為3.0～5.0m[2]，面積不得小于上半斷面的50%。開挖后在初支背后的巖土面上埋設環向排水盲管，埋設完成后立即初噴4cm混凝土[4]。及時按設計間距架設鋼拱架、掛設雙層鋼筋網片，將原設計拱腳位置直徑60mm、長4m的鎖腳錨桿更換為直徑89mm、長6m的大鎖腳，大鎖腳在每榀拱架拱腳兩側采用上下交叉式斜向下30°打入巖面并注入M20水泥砂漿填塞密實，并采用30槽鋼將拱架兩側大鎖腳與鋼架焊接鎖定成整體，最后復噴混凝土至設計厚度。為保障支護過程中所用鋼構件的安裝質量，特采用一種鋼筋彎曲機（屬專利產品，專利號為：ZL 2022 2 3426497.2）對鋼筋進行加工（該工程各臺階初支階段的加工均采用該彎曲機加工）。

2.2.2 中臺階左右側開挖支護

左右側臺階開挖錯開2～3m[4]，開挖后在初支背后的巖面上接上臺階埋設環向排水盲管，埋設完成后立即初噴4cm混凝土[4]，及時接長鋼架并進行噴、錨、網系統支護，在拱腳位置安裝雙筒式支架緊貼鋼拱架兩側斜向下30°或45°由原設計打設兩根直徑60mm、長4m的鎖腳錨桿，變更為各打設兩根直徑89mm、長6m的鎖腳錨桿并注漿M20水泥砂漿，兩根鎖腳錨桿通過直徑22mm圓鋼穿過鋼拱架腹板預留孔將其包裹并焊接為一體，最后復噴混凝土至設計厚度。

2.2.3 下臺階左右側開挖支護

左右側臺階開挖錯開2～3m，開挖后在初支背后的巖面上接中臺階埋設環向排水盲管，埋設完成后立即初噴4cm混凝土[4]，及時接長鋼架并進行噴、錨、網系統支護。受軟弱圍巖的影響，為保證仰拱開挖過程中下臺階初支變形的穩定性，在下臺階拱架安裝時拱腳位置設置三角形大拱腳[5]（見圖2所示），并多方位打設3根直徑89mm、長6m的微型鋼管樁并注M20水泥砂漿。鋼管樁通過直徑22mm圓鋼穿過鋼拱架腹板預留孔將其包裹并焊接為一體，最后復噴混凝土至設計厚度。

圖2 大拱腳微型鋼管樁施工現場

2.3 新方案換拱后初支變形數據統計

測量隊對新方案換拱后施工段落進行監控量測[3]統計，結果列入見表2。從表2可知，新方案通過對上臺階、中臺階、下臺階分階段進行變形控制，有效克服了黃土隧道軟弱、破碎、滲涌水引起的整體大變形問題，保證了隧道初期支護安全可控，為后續仰拱、二襯施工提供了有利保障。

表2 新方案換拱后初支變形量數據統計

3 結束語

鳳凰山黃土隧道在穿越斷層破碎帶臺階法施工時，針對圍巖條件較差造成的初支侵限問題，項目部從施工角度出發，研究提出了黃土隧道臺階法施工分階段變形控制方案。采用數據統計分析的方法對原設計已施工段落分部進行變形分析，針對不同部位變形量大小及圍巖狀態制定不同的控制方案，從而將臺階法施工過程中的各階段開挖初支變形控制在預留變形量范圍之內；解決了軟弱巖大變形隧道臺階法施工中的初支侵限以及初支侵限引起的預制拱架無法安裝以及二襯安全厚度不達標的問題，滿足了施工對開挖初支總變形控制的要求，取得了良好的經濟和社會效益。