大跨徑黃土隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)與控制研究

姬東東

[摘要]大跨徑黃土隧道施工風(fēng)險(xiǎn)在于隧道若不能選用正確的施工措施，很容易發(fā)生沉降，甚至還有可能會坍塌，造成嚴(yán)重的社會影響和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。本文以王村隧道為例探討了黃土隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工技術(shù)的應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]大跨徑；黃土；塌方

一、工程概況

王村隧道起點(diǎn)位于陜西黃陵縣橋山鎮(zhèn)王家溝附近，穿越黃土殘塬溝壑區(qū)，隧道右洞起訖樁號為YK11+510～YK12+645，全長1135m，為長隧道，其中明挖36m，IV級圍巖464m，V級圍巖635m。隧道開挖寬度17.85米，兩洞中軸線最大間距約149m，隧道埋深從0到95m漸變。隧道設(shè)計(jì)為雙向六車道，開挖寬度17.85m，緊急停車帶開挖寬度20.25m。隧道主體結(jié)構(gòu)采用曲墻帶仰拱復(fù)合式襯砌，襯砌采用60cm厚C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。隧道初期支護(hù)由鋼拱架，鋼筋網(wǎng)、錨桿和噴射混凝土組成。隧道進(jìn)口采用削竹式洞門，設(shè)置有26m明洞，洞口段基礎(chǔ)采用φ12.5cm鉆孔樁加固地層，并設(shè)置鋼筋混凝土承臺。隧道出口采用斜切式洞門，設(shè)置有32m緩沖結(jié)構(gòu)。洞口邊仰坡采用拱形骨架護(hù)坡，拱形骨架的上緣設(shè)排水槽，在拱形骨架內(nèi)植草綠化。

隧址區(qū)屬于黃土殘塬溝壑地貌，塬邊緣溝壑林立，受水流沖刷侵蝕，形成“V”型葉脈狀溝谷。隧址區(qū)揭露地層由老至新依次有第四系下更新統(tǒng)午城組黃土、中更新統(tǒng)離石組黃土和上更新統(tǒng)馬蘭組黃土。

二、黃土隧道施工塌方機(jī)理

隧道塌方的原因多種多樣，但地質(zhì)因素是決定性的。從力學(xué)機(jī)理上，塌方是其圍巖的自承能力不足的結(jié)果，而對于黃土隧道，其圍巖的自承能力不足源于黃土的類型及其物理力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造以及

滲流場狀態(tài)的特殊性。黃土的強(qiáng)度特性是施工塌方的關(guān)鍵因素。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。黃土強(qiáng)度較低，在開挖后，當(dāng)圍巖應(yīng)力超過其強(qiáng)度后，產(chǎn)生徑向塑性位移，形成塑性松動區(qū)，應(yīng)力一部分釋放，另一部分向外傳遞，導(dǎo)致松動區(qū)周邊繼續(xù)產(chǎn)生塑性變形，松動區(qū)向外擴(kuò)大，黃土隧道周邊松動范圍擴(kuò)展較快，隨著這些變形的逐漸擴(kuò)展，圍巖的整體強(qiáng)度降低，在圍巖土體內(nèi)部出現(xiàn)空洞導(dǎo)致局部發(fā)生坍塌，淺埋時(shí)在地表出現(xiàn)下沉，塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，土壓力的劇增最終導(dǎo)致整體失穩(wěn)，大面積塌方。

黃土垂直節(jié)理發(fā)育，垂直方向滲透性強(qiáng)，地表水很快滲透至地下，使深部黃土處于飽水狀態(tài)，其原有結(jié)構(gòu)完全喪失，從而使強(qiáng)度和承

載力降低。當(dāng)隧道開挖至飽水黃土層時(shí)，圍巖隨即因失去支撐而塌方。

另外，黃土易崩解和濕陷，導(dǎo)致隧道周圍側(cè)壓力劇增，圍巖失去自穩(wěn)，沿兩個(gè)破裂面向隧道空間移動，導(dǎo)致支護(hù)拱腳收斂變形異常，一般情況下，黃土隧道塌方僅表現(xiàn)為洞頂?shù)魤K，或者坍塌至一定高度自行穩(wěn)定。但是當(dāng)隧道跨度較大，且遇到黃土飽和時(shí)，或者隧道埋藏較淺，也可坍塌到地表。

三、黃土隧道施工塌方風(fēng)險(xiǎn)

在大跨徑黃土隧道施工中，經(jīng)常會出現(xiàn)塌方問題。隧道的塌方，不僅影響工程進(jìn)度和施工期間及使用期間的安全，更直接影響到隧道的投資費(fèi)用，如何減少隧道塌方，是施工的難點(diǎn)。要想實(shí)現(xiàn)塌方的控制，首先須明白塌方出現(xiàn)的原因。

本隧道掌子面處全部為粉狀黃土，含砂量較大，含水量小，土

體自穩(wěn)性極差；隧道淺埋段開挖過程中擾動較大，容易出現(xiàn)坍塌；地下水的軟化、浸泡、沖蝕、溶解等作用，加劇巖體的失穩(wěn)和塌萬。

地質(zhì)勘察不準(zhǔn)，而施工人員經(jīng)驗(yàn)又不豐富，在不良地段沒有做好鉆探工作，施工不認(rèn)真容易引起塌方。施工方法選擇不當(dāng)或工序間安排不合理，各工序拉得較長，圍巖暴露時(shí)間過久，引起圍巖松動、風(fēng)化容易引發(fā)塌方。支護(hù)措施采取不當(dāng)或支護(hù)工程施工質(zhì)量控制不到位，達(dá)不到支護(hù)效果也會造成塌方。現(xiàn)場信息反饋滯后同樣是引起塌方的關(guān)鍵。

總之，隧道施工原則上不應(yīng)出現(xiàn)塌方，應(yīng)從施工技術(shù)、工藝，監(jiān)控量測、地質(zhì)超前預(yù)報(bào)等手段加以控制。

四、大跨徑黃土隧道塌方控制

本段施工采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工V級軟巖，為了保證施工安全性以及連續(xù)性，工段開挖需要遵照先開挖大面，再開挖小面，開挖時(shí)應(yīng)該注意邊開挖邊支護(hù)。本段軟弱斷層位置屬于較為松散的巖體，為了保證施工質(zhì)量和進(jìn)度，項(xiàng)目安排了多臺小型挖掘機(jī)開始配合人工修邊的非爆破施工方法，這樣不僅可以保證巖體穩(wěn)定性，還能夠避免出現(xiàn)斷層欠挖現(xiàn)象出現(xiàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求，本區(qū)段開挖進(jìn)尺為1.1m，也為了考慮到安全因素，施工單位在施工時(shí)把進(jìn)尺調(diào)整到了半米。具體施工步驟如下：

（一）先開挖拱頂環(huán)形Ⅰ部

用洋鎬沿開挖輪廓線由上向下開挖，配合鐵耙將松土扒離掌子面，每次掘進(jìn)2.4m。拱頂中心處掌子面要向前多掘進(jìn)0.5m，以備混凝土一次支護(hù)封頂。如果開挖時(shí)發(fā)現(xiàn)頂部土體有裂紋或疏松現(xiàn)象，應(yīng)邊開挖邊支撐，支撐用楊木背板加φ40鋼管，鋼管底部撐在核心土上。

（二）管棚超前支護(hù)

黃土隧道土質(zhì)比較松散，且層厚一般為20-60cm，開挖后易形成分層坍塌，故需較強(qiáng)的初期支護(hù)，采用管棚方案較適宜。

（三）開挖Ⅱ部

首先用挖掘機(jī)將一側(cè)Ⅱ部的土體由上至下開挖1.0m，并將土扒出核心土范圍以外，便于裝載機(jī)裝碴。開挖時(shí)側(cè)面開挖輪廓線處預(yù)留厚50cm土體，原因是挖掘機(jī)開挖時(shí)對土體的振動比較大，如果直接按輪廓線開挖易造成土體坍方，形成超挖。然后人工用洋鎬將預(yù)留的50cm土體沿輪廓線開挖，邊開挖邊支撐，同時(shí)出碴，而此時(shí)，挖掘機(jī)則換至另一側(cè)Ⅱ部進(jìn)行開挖，如此左右側(cè)交替。注意開挖時(shí)，拱腳處至少留深20cm土用人工開挖，嚴(yán)禁拱腳超挖，防止因拱腳原狀土被破壞造成混凝土襯砌時(shí)拱架下沉。黃土隧道拱腰處土體最易發(fā)生坍方，所以在進(jìn)行Ⅱ部開挖時(shí)，應(yīng)邊開挖邊加固，加固方法為簡易支撐，即用楊木板緊貼開挖輪廓表面，用φ40鋼管支撐在核心上。支撐間距1.0m，交錯(cuò)布置。

（四）鋼架支撐

黃土隧道土體松散，超前管棚打入前方土體中時(shí)，需在管棚尾部加設(shè)鋼架支撐，加強(qiáng)初期支護(hù)。鋼架采用I20型鋼鋼架，分3段組裝，通過鋼墊板用φ20螺栓將3段連成整體。

（五）開挖Ⅲ部，核心土整形

格柵支撐安設(shè)完畢后，用挖掘機(jī)將Ⅲ部土挖除，核心土頂面修成平臺，平臺沿隧道縱向?qū)挾?.6m，并在核心土的中間高度處再修一縱向?qū)挾燃s為1.2m的二級平臺。這樣核心土縱向長度約4.8m，可對前方掌子面土體起支撐作用。

（六）立鋼拱架和模板

拱部開挖完畢后，進(jìn)行襯砌寬度和拱腳高程放樣，然后立模工班按放樣點(diǎn)位將鋼拱架立好。鋼拱架用工字鋼制作。模板用120cm×30cm鋼模。

（七）初期支護(hù)

黃土隧道初期支護(hù)一般由超前支護(hù)、鋼支撐、錨桿、鋼筋網(wǎng)及噴射混凝土組成。施工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照“初噴、施作鋼拱架、超前支護(hù)、安裝錨桿、鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)、復(fù)噴”的工序進(jìn)行。黃土隧道錨桿孔鉆孔較困難，經(jīng)過多次選型，采用洛陽風(fēng)動工具廠生產(chǎn)的KHYD75A型礦用電動巖石鉆，由電動機(jī)、減速箱和跑道等組成，螺旋葉片鉆桿、干式排粉，主機(jī)重75Kg，額定輸出功率3KW，鉆孔速度320mm/min，鉆桿推進(jìn)力10KN。鉆一個(gè)孔約需10～15分鐘，效率提高一倍以上，解決了鉆孔難的問題。

（八）仰拱及填充施工

仰拱應(yīng)及時(shí)施作，盡早封閉成環(huán)。仰拱開挖采用挖掘機(jī)開挖，預(yù)留30厘米人工清底的方法。初期采用過車梁全斷面開挖，因速度太慢，干擾大，后期改為半幅（3/5、2/5為界）開挖，加速施工進(jìn)度。填充施工縫應(yīng)與仰拱施工縫錯(cuò)開50cm以上，防止地下水上滲。

（九）開挖下導(dǎo)坑

下導(dǎo)坑邊墻施工與上導(dǎo)坑之間的距離保持60～80m為宜，下導(dǎo)坑邊墻施工采用四部跳躍法，左、右邊墻錯(cuò)開，每個(gè)馬口開挖長度為2.4m。先用挖掘機(jī)挖中槽，中槽寬4.0m，長20m，不宜過寬、過長。

五、結(jié)束語

黃土隧道施工前應(yīng)查明地表情況，必要時(shí)可提前采用注漿加固、回填夯實(shí)等方式進(jìn)行處理。如果隧道跨徑較大，而覆蓋層又較薄或偏壓很大，就輕易發(fā)生較大的坍塌或滑坡現(xiàn)象，就更需要提前采取措施處理。大斷面黃土隧道施工，宜根據(jù)隧道斷面大小、埋深，考慮圍巖的自穩(wěn)能力，適宜采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法或弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法施工。大斷面黃土隧道施工應(yīng)遵循“先預(yù)加固、嚴(yán)治水、短開挖、少擾動、強(qiáng)支護(hù)、早成環(huán)、快封閉、勤量測”的原則進(jìn)行。