富水黃土隧道原因分析及施工預(yù)防措施

孫珂垚 徐智軍 孫立功

摘 要： 結(jié)合工程實(shí)際， 分析了富水黃土隧道易坍塌的原因，并從隧道施工角度提出預(yù)防措施，總結(jié)出富水黃土隧道施工必須堅(jiān)持“先治水、管超前、短進(jìn)尺、少擾動、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測”的施工原則，為類似工程積累了施工經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：富水，黃土隧道，坍塌，施工措施

1.工程背景

鄭西鐵路是第一條貫穿我國黃土地區(qū)的客運(yùn)專線，隧道較多，約占全線的16.7%，尤其是全線最長的富水大斷面黃土隧道——張茅隧道，成為制約全線工期、安全的控制性工程。張茅隧道全長8483米，是新建鄭西鐵路客運(yùn)專線最長的一座隧道。其中出口段為富水黃土3190m。洞身最大開挖面積163.87m2，洞身主要為第四系中更新統(tǒng)（Q2）老黃土，以黏質(zhì)黃土為主，洞身位于地下水位線以下，黃土中含有豐富的空隙潛水，滲透系數(shù)0.009～0.014m/d，隧道最大涌水量18990m3/d。富水大斷面黃土隧道施工采用“三臺階七步開挖法”，與傳統(tǒng)的大斷面隧道CRD、CD法相比，施工進(jìn)度提升至70m～75m/月，施工進(jìn)度快，工期保障性強(qiáng)；與CRD法相比平均每延米節(jié)約7000多元的臨時支護(hù)成本。

2.黃土隧道易坍塌的原因

2.1地下水的滲流

黃土的遇水軟化問題在黃土圍巖中表現(xiàn)尤為突出，洞身開挖時，如暴稍長，因開挖后水力坡度改變，地下水往開挖面滲透，地下水的流動及溶蝕帶走細(xì)顆粒及可溶性礦物使其強(qiáng)度降低，并在開挖面附近對黃土產(chǎn)生崩解破壞作用，臨空面失去平衡而變形甚至塌陷，特別是開挖的拱腳或墻腳位置，稍有積水，表層就迅速軟化，喪失承載能力，表現(xiàn)為初期支護(hù)沉降變形加大直至失穩(wěn)坍塌。

2.2土體強(qiáng)度低

隧道區(qū)黃土由于含水量高而呈軟塑狀，開挖后，因其抗剪強(qiáng)度低，初期變形大、變形速度快，圍巖自穩(wěn)時間較短，甚至不能自穩(wěn)，開挖后蠕動較快并發(fā)生滑塌。

2.3應(yīng)力重分布

隧道開挖的過程也是地層內(nèi)應(yīng)力重新分布的過程，在隧道開挖前，土體處于天然的應(yīng)力平衡狀態(tài)；隧道開挖后，土體原有的天然應(yīng)力狀態(tài)被破壞，圍巖應(yīng)力在洞周一定范圍內(nèi)產(chǎn)生了重新分布。黃土屬于塑性圍巖，當(dāng)圍巖應(yīng)力超過其抗壓強(qiáng)度后，產(chǎn)生徑向塑性位移，形成塑性區(qū)，釋放一部分應(yīng)力，另一部分向外傳遞，導(dǎo)致塑性區(qū)周邊繼續(xù)產(chǎn)生塑性變形，塑性區(qū)向外擴(kuò)大。隨著塑性變形發(fā)展到一定程度，圍巖不斷松動破碎，其粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角不斷下降，圍巖將出現(xiàn)松動失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。

2.4施工擾動

3.施工預(yù)防措施

3.1 黃土隧道的施工，首先要搞好的是治水

在隧道進(jìn)洞前就做好洞口邊仰坡截水溝，維護(hù)邊仰坡穩(wěn)定，防止地表水流入洞內(nèi)；對洞內(nèi)地下水采取排、堵相結(jié)合的措施：用噴射混凝土迅速封閉開挖面（含掌子面），有效阻止地下水的滲出；對滲出的地下水及時排走，防止浸泡拱腳、墻腳及隧底引起承載力降低，如在上導(dǎo)坑開挖時，在兩側(cè)拱腳留有略帶斜面的平臺，保證了拱腳不積水；對施工用水，要加強(qiáng)管理，合理布設(shè)水管，防止?jié)B漏水，保持洞內(nèi)排水暢通，施工廢水及時排出，嚴(yán)防人為造成塌方。

3.2 用小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)

小導(dǎo)管注漿在隧道開挖前就改變了圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)，直接影響開挖后的二次應(yīng)力狀態(tài)的分布結(jié)果。通過小導(dǎo)管自身起到的棚架和錨桿作用，注漿起到的改善巖體力學(xué)參數(shù)作用，而達(dá)到固結(jié)止水、預(yù)防坍塌的目的。

3.3 采用環(huán)形開挖留核心土法，短進(jìn)尺，少擾動開挖及下導(dǎo)坑左右錯進(jìn)

軟弱圍巖隧道核心土有其不可替代的作用，它能減少開挖的臨空面，支撐掌子面土體穩(wěn)定，又為初期支護(hù)提供一個自然的作業(yè)平臺。短進(jìn)尺開挖施工充分利用掌子面約束周邊土體變形的空間效應(yīng)，利于圍巖穩(wěn)定，也利于實(shí)現(xiàn)軟弱圍巖快支護(hù)的施工理念。新奧法的原理就是充分利用圍巖的自承能力，先用挖掘機(jī)環(huán)形開挖，周邊采用風(fēng)鎬開挖修整，局部欠挖采用洋鎬或鐵鍬處理，盡量減小對圍巖的擾動，少破壞周邊土體的自然結(jié)構(gòu)，發(fā)揮圍巖的自承能力；下導(dǎo)坑左右錯進(jìn)，利用土柱及已施工支護(hù)的承載能力，避免上導(dǎo)坑初期支護(hù)雙側(cè)懸空。一般環(huán)形開挖進(jìn)尺為0.8-1m，不宜過長，每臺階長度為3～5 m。

3.4 用濕噴法噴射砼封閉開挖面

噴射砼在灰骨比一定的情況下，水灰比是影響混凝土強(qiáng)度的主要因素。干（潮）噴在噴咀處加水量的多少，是噴射手憑自己的經(jīng)驗(yàn)啟閉閥門的大小而實(shí)現(xiàn)的，這就形成當(dāng)水量大時會沖走灰骨料，并降低強(qiáng)度；水量少時，物料粘不住，回彈量和粉塵都會增大。由此可見干（潮）噴混凝土的水灰比帶有較大的隨意性其強(qiáng)度離散性較大，封閉質(zhì)量不穩(wěn)定。濕噴法的混凝土按標(biāo)準(zhǔn)工藝生產(chǎn)后運(yùn)至濕噴機(jī)進(jìn)行噴射，其配比完全處于受控狀態(tài)，從而保證了噴射混凝土的質(zhì)量。

3.5 加強(qiáng)初期支護(hù)

通過鋼拱架支撐、掛網(wǎng)、打錨桿等加強(qiáng)土體強(qiáng)度、限制圍巖變形及對圍巖應(yīng)力重新分布起到調(diào)整作用。

3.6 快速、分步進(jìn)行初期支護(hù)。

當(dāng)黃土含水量達(dá)到20%以上時，在上部導(dǎo)坑實(shí)施開挖的過程中，側(cè)壁就會伴隨著小量的坍塌掉塊現(xiàn)象，其實(shí)在這時候圍巖總體是穩(wěn)定的，因黃土的強(qiáng)度較低，垂直裂隙發(fā)育，隨含水量增大，粘結(jié)力降低，僅產(chǎn)生表面剝落現(xiàn)象，洞室開挖成型后，迅速初噴混凝土5cm厚是必不可少的一道工序，首先它起到封閉圍巖，延緩圍巖風(fēng)化，有效阻止地下水外滲的作用，在局部超挖處，用噴射混凝土將其補(bǔ)平，可減少因超挖造成的應(yīng)力集中而引起進(jìn)一步的掉塊、坍塌現(xiàn)象，在短時間內(nèi)能起到加固圍巖的作用，為初期支護(hù)作業(yè)提供一個安全的操作空間。

3.7 仰拱緊跟，早封閉

仰拱及填充超前于襯砌，緊跟掘進(jìn)平行作業(yè)，首先，能使全斷面初期支護(hù)盡早封閉成環(huán)，形成一個完整的受力結(jié)構(gòu)，限制支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形；其次，能盡早地封閉隧底基巖面，避免地下水及施工廢水浸泡隧底及墻腳而降低土體承載力；另外，還可減少機(jī)械、車輛行走對隧底的擾動，盡早提供硬化的行走道路，提高施工效率。

3.8 通過現(xiàn)場監(jiān)控量測信息指導(dǎo)施工，修訂初期支護(hù)參數(shù)

隧道監(jiān)控量測是現(xiàn)代化施工管理的重要組成部分，隧道的施工是一個動態(tài)設(shè)計(jì)、動態(tài)施工的過程，提前預(yù)知圍巖和支護(hù)的變形發(fā)展趨勢，預(yù)報險情，確保安全；又可合理評價既有支護(hù)及施工技術(shù)參數(shù)，指導(dǎo)施工中優(yōu)化支護(hù)及施工方案，亦為今后施工積累經(jīng)驗(yàn)和依據(jù)。

4.結(jié)論

黃土隧道施工必須堅(jiān)持“先治水、管超前、短進(jìn)尺、少擾動、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測”的原則，嚴(yán)格管理，精心組織，快速施工，可有效的避免坍塌事故的發(fā)生。富水大斷面黃土隧道施工采用“三臺階七步開挖法”，達(dá)到了安全、快速、優(yōu)質(zhì)施工的目的，無需投入特殊設(shè)備，施工質(zhì)量滿足驗(yàn)標(biāo)要求，操作便捷，節(jié)約施工成本，推廣性強(qiáng)。

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