黃土隧道洞口淺埋段開挖支護(hù)技術(shù)探討

朱義嘉

（中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北 三河 065201）

0 引言

黃土作為一種特殊的巖土，在其中進(jìn)行隧道開挖作業(yè)時(shí)，特別需要考慮黃土的濕陷性及垂直節(jié)理導(dǎo)致的沉降問題［1］［2］，尤其在淺埋地段，往往容易發(fā)生因沉降過(guò)大導(dǎo)致黃土中出現(xiàn)裂縫貫通至地表，引起整個(gè)黃土邊坡的失穩(wěn)。本文以寶蘭客專蘭山隧道為例，對(duì)隧道洞口段的總體施工方案進(jìn)行介紹，并針對(duì)在施工過(guò)程中出現(xiàn)的沉降過(guò)大導(dǎo)致襯砌裂縫及地表裂縫的問題，分析其原因，通過(guò)反壓墻控制邊坡滑移，采用仰拱緊跟及三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法控制隧道拱部沉降等一系列措施，保證洞口段的正常施工，總結(jié)了針對(duì)黃土隧道洞口段的施工方案，為相似隧道施工提供參考。

1 工程概況

寶蘭客運(yùn)專線蘭山隧道位于甘肅省蘭州市南側(cè)皋蘭山腹地，隴西黃土高原梁峁區(qū)。隧道起止里程為DK1022+880～DK1028+332，全長(zhǎng)5 452.8m，為雙線隧道。隧道洞身最大埋深470m，進(jìn)口段2 540m位于直線上，其余段落位于半徑為8 000m的曲線上。隧道洞身全部為Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，其中Ⅳ級(jí)圍巖3 368.8m，Ⅴ級(jí)圍巖2 084m。

隧道地處隴西黃土高原西北部，地形起伏較大，位于黃土高原梁峁、溝壑區(qū)，地面高程1 620～2 140m，相對(duì)高差100～570m，自然坡度為20°～45°。區(qū)內(nèi)黃土梁峁起伏，溝壑縱橫，多呈“V”型。黃土梁峁區(qū)頂部為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土，洞身主要為沖積砂質(zhì)黃土及第三系泥巖夾砂巖及礫巖，局部為碎石類土。隧道洞身地段沒有大的構(gòu)造地形，只是受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)上升的影響，形成了溝壑、梁、峁相間的黃土山地地貌形態(tài)。特殊巖土主要為濕陷性黃土、松軟土及膨脹土，濕陷土層厚度50～80m不等；砂（黏）質(zhì)黃土屬松軟土，層厚10～15m。

2 洞口段總體施工方案

蘭山隧道出口段地表成臺(tái)階形式，埋深為10～20m，開挖揭示地質(zhì)特征為第四系上更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土。淺黃色、土質(zhì)均勻，成分以粉粒為主，可見蟲孔及針狀空隙，砂感明顯，多能形成陡立邊坡土體自穩(wěn)性較差，稍濕（含水率15%左右），中高壓縮性，自重濕陷性Ⅳ級(jí)，地基承載力較低。掌子面中部、下部土體陷穴發(fā)育，洞徑最大達(dá)2m。

蘭山隧道出口原設(shè)計(jì)設(shè)置23m明洞，在明暗交界處DK 1 028+309打設(shè)φ108超前長(zhǎng)管棚，L=30m，打設(shè)范圍為拱部144°。暗洞采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法進(jìn)行開挖，上臺(tái)階預(yù)留核心土。DK 1 028+279～DK 1 028+309洞口淺埋黃土段設(shè)計(jì)采用Ⅴe支護(hù)斷面，具體支護(hù)參數(shù)為：Ⅰ25a型鋼拱架支護(hù)、間距0.6m；超前支護(hù)為φ108大管棚+φ42超前小導(dǎo)管；φ8鋼筋網(wǎng)、網(wǎng)格尺寸20×20cm；墻部設(shè)φ22系統(tǒng)砂漿錨桿、長(zhǎng)L=4m、C25噴射混凝土厚度35cm。洞口段施工按照明挖段邊仰坡開挖防護(hù)、管棚施做、明挖段落底，洞口段形成三臺(tái)階形態(tài)、明洞施做、暗洞開挖的總體步驟進(jìn)行。

3 先期施工洞口段出現(xiàn)的問題

洞口導(dǎo)向墻及超前大管棚施工完成后，按照三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法進(jìn)行開挖。正常情況下每天完成4個(gè)循環(huán)，每循環(huán)60cm，日進(jìn)尺2.4m。為滿足步距要求并避免互相干擾，仰拱初支每天施做一次，進(jìn)尺2.4m，仰拱距掌子面距離約為35m。

暗洞開挖進(jìn)洞后，監(jiān)控量測(cè)顯示拱頂出現(xiàn)較大沉降，沉降速率最快達(dá)47.3mm／d，累計(jì)最大值達(dá)220mm。典型拱頂沉降時(shí)間曲線如圖1所示。

圖1 前期拱頂沉降曲線圖

隧道洞內(nèi)初支出現(xiàn)環(huán)向裂縫（見圖2），仰坡坡面出現(xiàn)裂縫，隨著暗洞的掘進(jìn)，裂縫變寬，并在掌子面對(duì)應(yīng)地表前方發(fā)展新的裂縫。洞口上方土體出現(xiàn)裂縫（見圖3），同時(shí)具有向洞口外移的趨勢(shì)，造成導(dǎo)向墻拱腰斷裂。

圖2 初支環(huán)向裂縫示例圖

圖3 地表裂縫示例圖

4 洞口淺埋段優(yōu)化后支護(hù)技術(shù)

4.1 反壓墻控制仰坡滑移

開挖支護(hù)后洞頂邊坡出現(xiàn)多條環(huán)向裂縫，洞內(nèi)沉降較大，導(dǎo)向墻在兩側(cè)拱部出現(xiàn)裂縫。經(jīng)量測(cè)洞內(nèi)洞頂及導(dǎo)向墻上部均出現(xiàn)縱向位移，判定仰坡下滑對(duì)初支產(chǎn)生向下壓力及向前推力?？紤]明洞施做周期較長(zhǎng)，為防止裂縫進(jìn)一步發(fā)展，因此在洞口兩側(cè)采用反壓擋墻控制仰坡滑移（見圖4）。反壓墻采用C20混凝土，施做長(zhǎng)度為16m，下部基礎(chǔ)寬度為2m，基礎(chǔ)標(biāo)高為軌面標(biāo)高下2.3m，墻體總高為8m，分層錯(cuò)臺(tái)施工。反壓墻施做后，洞內(nèi)拱頂沉降得到控制，導(dǎo)向墻及仰坡裂縫未繼續(xù)發(fā)展，整體結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。

圖4 反壓擋墻施做示例圖

4.2 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法盡早封閉成環(huán)

為達(dá)到仰拱初支盡快成環(huán)，控制洞口淺埋段開挖后沉降，在滿足規(guī)范要求的前提下對(duì)施工工序進(jìn)行改進(jìn)調(diào)整：采用仰拱初支緊跟下臺(tái)階的辦法。分四層開挖（主洞分上、中、下臺(tái)階加仰拱初支開挖）上臺(tái)階長(zhǎng)度為3～5m，臺(tái)階高度為3.5m，每次開挖1榀，進(jìn)尺為60cm／榀；中臺(tái)階長(zhǎng)度為3～5m，臺(tái)階高度為3.5m，每次開挖1～2榀；中下臺(tái)階開挖時(shí)，先開挖右側(cè)，每次進(jìn)尺1～2榀，左側(cè)開挖落后右側(cè)2榀，每次開挖1～2榀；仰拱每天開挖一次，進(jìn)尺2.4m，緊跟下臺(tái)階開挖，利用上中臺(tái)階噴漿的時(shí)間進(jìn)行仰拱的拱架安裝，然后跟進(jìn)仰拱初支噴射，在下一循環(huán)利用開挖渣土回填仰拱。施工工序更為緊湊，仰拱封閉距離由原來(lái)的30m縮短為15m，封閉時(shí)間由15d縮短為7d，初支封閉距離的縮短顯著減少了隧道內(nèi)拱頂?shù)某两怠Ｆ渌┕ぜ夹g(shù)主要為：開挖采用挖機(jī)開挖、人工配合的方式進(jìn)行。每循環(huán)開挖前測(cè)量組提前測(cè)設(shè)開挖輪廓線，挖機(jī)根據(jù)輪廓線進(jìn)行開挖。挖機(jī)開挖過(guò)程中有專人指揮，觀察周圍情況，并避免碰撞已施工初期支護(hù)、量測(cè)點(diǎn)等部位，應(yīng)減少超挖。上臺(tái)階開挖完畢，挖機(jī)在向下臺(tái)階扒渣過(guò)程中，上臺(tái)階開始人工處理。三臺(tái)階施工工序如圖5所示，主要施工步驟如下：

圖5 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法工序橫斷面示意圖

（1）開挖1部臺(tái)階，每循環(huán)進(jìn)尺一榀，同時(shí)施做超前支護(hù)。初噴4cm厚混凝土，立初期支護(hù)鋼架及臨時(shí)鋼架，打鎖腳錨桿（管），系統(tǒng)錨桿并復(fù)噴混凝土。

（2）上臺(tái)階施工3～5m后，分側(cè)開挖2部臺(tái)階并立拱錨噴，2部臺(tái)階左右側(cè)拱架錯(cuò)開兩榀，每循環(huán)進(jìn)尺一次。

（3）中臺(tái)階長(zhǎng)度達(dá)到5m左右，分側(cè)開挖3部臺(tái)階，并立拱錨噴，2部臺(tái)階左右側(cè)拱架錯(cuò)開兩榀，每循環(huán)進(jìn)尺一次。同工序（2）。

（4）開挖仰拱，及時(shí)封閉初期支護(hù)，仰拱初期支護(hù)與底部填充層分開施做。

（5）利用襯砌模板臺(tái)車一次性施做Ⅶ部二次襯砌。

4.3 初期支護(hù)

蘭山隧道出口承載力150 kPa左右，承載力不足導(dǎo)致開挖支護(hù)后沉降比較大。蘭山隧道出口段初期支護(hù)采用錨噴支護(hù)，I25型鋼拱架，榀距60cm，連接筋φ22環(huán)向間距1m；兩側(cè)邊墻設(shè)置φ22長(zhǎng)3.5m系統(tǒng)錨桿，間距1m，呈梅花型布置；φ8單層鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20×20cm；噴35cm厚C20混凝土。為進(jìn)一步控制沉降，采用了如下加強(qiáng)措施：

（1）臺(tái)階拱架落腳處采用預(yù)制混凝土墊塊，擴(kuò)大落腳處受力面積，拱腳清理后安放預(yù)制塊。

（2）加強(qiáng)鎖腳錨桿連接［3］，原錨管尾端用L型鋼筋焊接于拱架，施工中每拱腳加強(qiáng)為6根鎖腳。后期施工鎖腳有所改進(jìn)。拱架拱腳處焊接鋼板，鋼板割孔，鎖腳穿過(guò)割孔打入巖層，此種方法既保證了打設(shè)角度又保證了焊接質(zhì)量。

（3）拱部雙層小導(dǎo)管，由于隧道洞口段埋深較淺，土質(zhì)松散，開挖后容易產(chǎn)生豎向垮塌，因此在開挖前拱部打設(shè)雙層小導(dǎo)管，角度分別為10°和40°。

（4）為增強(qiáng)拱架縱向連接，在隧道拱部增設(shè)為雙層連接筋及網(wǎng)片。

（5）黃土隧道施工及時(shí)封閉成環(huán)尤為重要，因此施工中采取仰拱初支緊跟下臺(tái)階施工，施工完畢后回填渣土，后期施做仰拱混凝土?xí)r采用人工配合挖機(jī)開挖清理。

通過(guò)以上措施，開挖之后后沉降得到有效控制。

4.4 襯砌

為保證施工安全，黃土隧道施工步距要求極為嚴(yán)格。隧道開挖后初期支護(hù)及時(shí)施作封閉，封閉位置距離掌子面一般≤30m［4］，施工中采用仰拱初支緊跟掌子面來(lái)滿足要求；二次襯砌距掌子面距離Ⅳ級(jí)圍巖應(yīng)≤90m、Ⅴ、Ⅵ級(jí)應(yīng)≤70m［5］。襯砌采用復(fù)合式防水襯砌。隧道襯砌采用C45防滲混凝土，抗?jié)B等級(jí)≥P10。為保證步距要求，仰拱混凝土端頭后的40m范圍內(nèi)初支基面處理及防水板施作、襯砌鋼筋施作、臺(tái)車就位施工等工序各占據(jù)一個(gè)工作面。各工序需合理組織，才能做到互不干擾有序施工。

4.5 地質(zhì)觀察及監(jiān)控量測(cè)

黃土隧道施工除超前地質(zhì)預(yù)報(bào)外，現(xiàn)場(chǎng)要求每5m進(jìn)行一次含水率測(cè)試及承載力檢測(cè)，當(dāng)含水率及承載力出現(xiàn)異常變化時(shí)及時(shí)采取措施。監(jiān)控量測(cè)在黃土隧道施工中發(fā)揮著非常重要的作用，在蘭山隧道洞口施工中體現(xiàn)得尤為明顯。對(duì)照量測(cè)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，洞口開挖時(shí)導(dǎo)向墻出現(xiàn)縱向位移，施作反壓墻后趨于穩(wěn)定；后洞內(nèi)出現(xiàn)幾次量測(cè)預(yù)警，及時(shí)采取措施處理后隧道沉降及收斂數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。另量測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)著施工中開挖預(yù)留量的調(diào)整。洞口段沉降量較大時(shí)預(yù)留量達(dá)到40cm，后預(yù)留量逐步減小到10cm，既保證了襯砌厚度又減少了混凝土超耗量。

5 結(jié)語(yǔ)

黃土隧道洞口段面臨淺埋、土質(zhì)松散等特點(diǎn)，施工中由于黃土承載力不足，容易導(dǎo)致沉降過(guò)大，初期支護(hù)開裂，圍巖內(nèi)裂縫向地表發(fā)展，洞內(nèi)圍巖坍塌等問題，施工難度較大。蘭山隧道洞口段采用反壓墻控制邊坡滑移，大管棚加超前小導(dǎo)管雙層超前支護(hù)，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法且盡早封閉進(jìn)行開挖等技術(shù)方法，順利通過(guò)淺埋段。通過(guò)對(duì)黃土隧道淺埋洞口段的施工技術(shù)總結(jié)，提出以下幾點(diǎn)看法與體會(huì)：

（1）堅(jiān)持隧道施工“勤量測(cè)”的施工原則，量測(cè)數(shù)據(jù)如有異常，及時(shí)進(jìn)行原因分析，有必要時(shí)暫停掌子面施工。

（2）對(duì)初期支護(hù)進(jìn)行快速封閉成環(huán)，仰拱初支緊跟下臺(tái)階初支施工，及早提高初期支護(hù)的整體抗壓能力。

（3）對(duì)于洞口土體存在整體移動(dòng)，沉降較大的淺埋段，暫停掌子面施工，及時(shí)施做二次襯砌，實(shí)行單工序作業(yè)，確保施工安全。

（4）洞口施做反壓擋墻，能有效抑制仰坡土體位移，穩(wěn)定效果較明顯。

（5）通過(guò)加強(qiáng)初期支護(hù)，提高支護(hù)強(qiáng)度。增設(shè)鎖腳錨桿，防止拱架下沉；拱部設(shè)雙層鋼筋網(wǎng)，提高初支的抗剪能力；加大下臺(tái)階拱架腳板及采用預(yù)制塊進(jìn)行支墊，提高拱架的整體支撐能力。

［1］梁建忠.淺埋黃土隧道洞口段施工技術(shù)探討［J］.山西建筑，2012，38（9）：193-195.

［2］王新東.淺埋大斷面黃土隧道安全快速施工方案探討［J］.鐵道建筑技術(shù)，2012.5：86-90.

［3］楊建民，喻 渝.淺埋大斷面黃土隧道初期支護(hù)研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2008，45（6）：16-22.

［4］JTJ042-94，公路隧道施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［5］JTGD-2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.