淺埋小凈距濕陷性黃土隧道質(zhì)量控制措施

鄭海樂(lè)

摘 要：該文以柳泉3#隧道施工為工程實(shí)例背景，對(duì)施工過(guò)程中存在的濕陷性黃土、淺埋、隧道富水、小凈距等技術(shù)難題所采取的一系列保證隧道安全施工的技術(shù)措施進(jìn)行了總結(jié)，使讀者更清楚地了解在淺埋小凈距黃土隧道施工過(guò)程中的施工工藝及質(zhì)量控制要點(diǎn)，為以后的濕陷性黃土隧道施工提供相應(yīng)的借鑒。

關(guān)鍵詞：小凈距 淺埋 富水 一次模筑 控制措施

中圖分類(lèi)號(hào)：U45 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）04（a）-0061-03

在國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略政策的驅(qū)動(dòng)下，我國(guó)西部公路、鐵路、高鐵等交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)持續(xù)蓬勃發(fā)展。我國(guó)西部以山地、盆地為主的地形特點(diǎn)，決定了施工設(shè)計(jì)中較大的隧道比例，研究適用于西部黃土地區(qū)隧道的施工工法，特別是研究濕陷性黃土隧道施工方法顯得尤為重要。該文通過(guò)對(duì)濕陷性黃土地區(qū)隧道地質(zhì)特點(diǎn)的分析研究，總結(jié)出了一套在小凈距濕陷性黃土隧道施工過(guò)程中的施工工藝及質(zhì)量控制要點(diǎn)，有效地解決了因隧道淺埋而造成的地表開(kāi)裂及地表沉降量過(guò)大等問(wèn)題。

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)概況

柳泉3#隧道右線起訖里程ZK46+790～ZK47+853，全長(zhǎng)1 063 m，為分離式長(zhǎng)隧道。全線采用雙向四車(chē)道高速公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h，隧道設(shè)計(jì)凈空10.25 m×5 m，隧道圍巖全部為V級(jí)，坡度為下坡。出口為小凈距隧道，隧道埋深約50 m，全部為濕陷性黃土，土質(zhì)不均勻，具有水平層理，圍巖穩(wěn)定性差，該土層隧道開(kāi)挖后極不穩(wěn)定，容易發(fā)生坍塌、掉塊等問(wèn)題，造成初期支護(hù)變形侵限，嚴(yán)重影響到工程質(zhì)量、安全、工期及成本。

1.2 水文地質(zhì)

隧址區(qū)屬于黃河高階地及黃土梁，場(chǎng)地內(nèi)地層在鉆孔深度內(nèi)自上而下分為三大層組：第四系沖洪積層、第四系風(fēng)積層、白堊系砂巖夾泥巖。隧址區(qū)松散巖類(lèi)孔隙水主要賦存與第四系中更新統(tǒng)沖洪積卵礫石中，隧址區(qū)卵礫石厚度大，透水性及富水性均較好。由于隧址區(qū)一側(cè)臨河，基巖裂隙水排泄條件較好，基巖中不易大量賦存，多富集于巖土界面，對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定影響較大。

2 工程施工難點(diǎn)

（1）隧址區(qū)圍巖均為V級(jí)圍巖，全部為濕陷性黃土，垂直節(jié)理發(fā)育、結(jié)構(gòu)松散、含水量大，局部穿越砂層，圍巖軟弱，基底承載力差，施工難度在于如何提高基底承載力，防止隧道局部或整體沉降。

（2）隧道富水，隧道下臺(tái)階掘進(jìn)至ZK47+530處，起拱線以下的邊墻開(kāi)挖后滲水明顯，隨暴露時(shí)間愈長(zhǎng)滲流逐漸加大，流水流泥現(xiàn)象愈加明顯。邊墻模筑砼施工完成后施工縫處有明顯滲水。仰拱基底也是濕陷性黃土，含水量在20%左右，下挖3 m左右土體含有少量的卵石，仰拱下5～6 m深有卵石持力層，出口在仰拱及下邊墻開(kāi)挖后有明顯的流水現(xiàn)象，如何解決好隧道的防排水問(wèn)題及保證施工質(zhì)量安全是施工的主要課題。

（3）隧道出口段隧道埋深淺約50 m左右，結(jié)構(gòu)扁平，受力條件差，應(yīng)控制變形，防止一次模筑及地表構(gòu)造沉降開(kāi)裂。

（4）按公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG D70-2004）表4.3.2要求，V級(jí)圍巖對(duì)應(yīng)分離式獨(dú)立雙洞間凈距小于3.5B（B為隧道開(kāi)挖斷面的寬度）為小凈距隧道；按公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則（JTG/T D70-2010）表13.5.3要求，V級(jí)圍巖巖體為軟巖的分離式獨(dú)立雙洞間凈距小于45 m為小凈距。通過(guò)分析計(jì)算可以得出柳泉3#隧道小凈距起始段落為出口420 m，施工過(guò)程中應(yīng)采用何種工藝保證小凈距隧道的施工安全。

3 施工工法選擇

根據(jù)隧道的地址條件和施工難點(diǎn)，采用3臺(tái)階法進(jìn)行開(kāi)挖，一次模筑初期支護(hù)襯砌工法進(jìn)行施工。一次模筑初期支護(hù)襯砌工法是根據(jù)黃土地層的地質(zhì)特點(diǎn)，總結(jié)過(guò)去黃土隧道錨噴初期支護(hù)襯砌設(shè)計(jì)與施工的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，針對(duì)黃土地層提出的一種有效解決方案。根據(jù)運(yùn)營(yíng)多年的實(shí)踐效果分析，一次模筑襯砌初期支護(hù)工法從施工安全、支護(hù)有效性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、防排水效果，綜合比較是針對(duì)黃土地層隧道修建特點(diǎn)的一種可靠工法。

4 應(yīng)對(duì)措施

4.1 隧道滲水施工措施

柳泉3#隧道滲水主要有兩種方式：一種以濕陷性黃土隧道含水量大，土體開(kāi)挖后隨暴露時(shí)間越長(zhǎng)，土體含水量增大，局部有流水流泥的現(xiàn)象為主要的滲水現(xiàn)象；另一種為砂卵層中存在基巖裂隙水，卵石層中富水，在仰拱開(kāi)挖后有大量的水流出。針對(duì)以上兩種不同現(xiàn)象的滲水問(wèn)題，項(xiàng)目采用了不同的方式進(jìn)行施工，有效地保證了現(xiàn)場(chǎng)的施工安全及實(shí)體質(zhì)量。

對(duì)于濕陷性黃土含水量大而產(chǎn)生的滲水現(xiàn)象，通過(guò)3臺(tái)階法的施工工藝，加強(qiáng)鎖腳的剛度及長(zhǎng)度，控制沉降量，有效地保證了隧道的施工安全。在土體開(kāi)挖完成后采用透水土工布進(jìn)行鋪設(shè)，防止因土體泛堿而導(dǎo)致防排水系統(tǒng)的堵塞，并及時(shí)進(jìn)行施做8 cm噴射混凝土，有效地保證土體的穩(wěn)定性，同時(shí)在進(jìn)行一次模筑混凝土澆筑過(guò)程中每1 m預(yù)留泄水孔，及時(shí)將滲水進(jìn)行引排。在進(jìn)行二次襯砌施工前，對(duì)滲水部位鋪設(shè)環(huán)向排水盲管，采用TMF7×3.5環(huán)向排水管加密布置，將滲水引排至縱向排水管中，同時(shí)加強(qiáng)防水板的安裝質(zhì)量，項(xiàng)目安質(zhì)部牽頭，對(duì)每版防水層的焊縫及搭接進(jìn)行檢驗(yàn)，合格后方可進(jìn)行下道工序，有效地保證了隧道施工的質(zhì)量與安全。

對(duì)于仰拱開(kāi)挖后存在基巖裂隙水的現(xiàn)象，項(xiàng)目采用井點(diǎn)降水的方式進(jìn)行施工，在洞口不影響施工的區(qū)域設(shè)置若干水井，水井的深度低于隧道仰拱的開(kāi)挖深度，采用大功率水泵不間斷地進(jìn)行抽水作業(yè)，在出水點(diǎn)降至仰拱開(kāi)挖面以后在進(jìn)行仰拱作業(yè)，在仰拱開(kāi)挖完成后及時(shí)采用噴射混凝土對(duì)基底進(jìn)行封閉，防止?jié)B水，同時(shí)鋪設(shè)防水板，保證仰拱不滲水，提高施工質(zhì)量。

4.2 淺埋段施工措施

淺埋段濕陷性黃土施工采用3臺(tái)階預(yù)留核心土法進(jìn)行施工，洞口采用超前大管棚、洞內(nèi)采用超前小導(dǎo)管輔助施工措施，有利于工作開(kāi)挖面的穩(wěn)定，便于拱部支護(hù)和異常情況的處理。在施工過(guò)程中對(duì)鎖腳錨管進(jìn)行加強(qiáng)，采用Φ60×5 mm無(wú)縫鋼管，上臺(tái)階每榀拱架4根，中臺(tái)階每榀拱架8根，下臺(tái)階每榀拱架4根，同時(shí)對(duì)超橋鋼管進(jìn)行加強(qiáng)，有效地控制了隧道的沉降量，減小地表沉降，同時(shí)在施工過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)地表及洞內(nèi)的觀測(cè)，通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整支護(hù)形式，通過(guò)預(yù)留鎖腳錨管孔的方式對(duì)沉降量大的段落進(jìn)行鎖腳加強(qiáng)，通過(guò)上述方法有效地保證了淺埋段濕陷性黃土施工的安全，同時(shí)有效地控制了地表沉降，保證了隧道施工的安全與質(zhì)量。

4.3 小凈距隧道施工措施

柳泉3#隧道出口段屬于小凈距隧道，最小凈距4.3 m，且埋深淺，圍巖含水量大，松散、軟弱，由于塑性區(qū)的影響造成中巖柱穩(wěn)定性差，受開(kāi)挖干擾大，直接影響到隧道的整體穩(wěn)定，為保證隧道施工的安全及后期的運(yùn)營(yíng)安全，中巖柱通過(guò)以下兩種方式進(jìn)行穩(wěn)固。

4.3.1 整體方案的控制

由于后行洞隧道開(kāi)挖引起先行洞圍巖及中巖柱應(yīng)力疊加，是造成圍巖失穩(wěn)的主要原因，施工時(shí)錯(cuò)開(kāi)先行洞與后行洞掌子面之間的距離，錯(cuò)開(kāi)距離始終保證后行洞的上臺(tái)階開(kāi)挖掌子面里程樁號(hào)滯后于先行洞的二襯里程樁號(hào)，減少對(duì)中巖柱擾動(dòng)的同時(shí)也確保了隧道的施工安全。

4.3.2 加強(qiáng)支護(hù)

小凈距隧道的傳統(tǒng)加固措施主要有超前注漿預(yù)加固、長(zhǎng)錨桿以及對(duì)拉錨桿等，但由于受施工工法影響，操作空間小，同時(shí)由于特殊黃土地質(zhì)，其錨固和漿液擴(kuò)散效果差，通過(guò)方案的比選最終選擇水平旋噴樁及注漿小導(dǎo)管對(duì)中夾土柱進(jìn)行加固，同時(shí)遵循“新奧法”設(shè)計(jì)理念，初期支護(hù)采用二層型鋼+噴射混凝土方案，二襯采用55 cm厚鋼筋混凝土，超前支護(hù)及鎖腳錨管均采用Φ60 cm×6 mm無(wú)縫鋼管，有效地保證了小凈距隧道的施工安全。

對(duì)中夾土柱進(jìn)行加固，由于洞口為淺埋段，同時(shí)又為小凈距段，為了確保施工安全和結(jié)構(gòu)安全，在隧道開(kāi)挖前，拱部及中夾土柱采用超前水平旋噴樁進(jìn)行加固，旋噴樁長(zhǎng)度為20 m，直徑60 cm，樁中心間距50 cm咬合布置，外傾角為2%。在隧道拱部形成一個(gè)完整的水泥土護(hù)拱架構(gòu)，以穩(wěn)定洞口淺埋段圍巖，控制開(kāi)挖引起的沉降變形，降低暗挖作業(yè)施工風(fēng)險(xiǎn)，加固中夾土柱，提高中夾土柱圍巖的穩(wěn)定性。

提升襯砌的早期強(qiáng)度，增強(qiáng)襯砌的整體剛度，使支護(hù)體系形成約束中夾土柱的一個(gè)整體，將二襯混凝土的強(qiáng)度等級(jí)由原設(shè)計(jì)C25提升至C40，以便快速達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，確保中夾土柱的穩(wěn)定的同時(shí)使后行洞施工連續(xù)（如圖1、圖2所示）。

4.4 控制變形

濕陷性黃土隧道施工最為關(guān)鍵的一環(huán)就是控制沉降收斂，這關(guān)系到隧道的施工穩(wěn)定與地表結(jié)構(gòu)物的安全與否，與其有直接關(guān)系的因素有：拱腳承載力薄弱、分部開(kāi)挖，工序干擾、初期支護(hù)剛度不夠等3個(gè)方面主要因素，而控制變形與沉降主要采取以下4個(gè)措施。

4.4.1 提升拱腳承載力

提升拱腳承載力主要采用兩種措施：第一，是增加鎖腳錨管；第二，為擴(kuò)大拱腳。在3臺(tái)階法施工過(guò)程中分別在拱腰及拱腳處設(shè)置，通過(guò)以上措施能夠有效地提高拱腳承載力，從而控制拱頂沉降和凈空收斂。

4.4.2 合理地控制施工安全步距

濕陷性黃土隧道沉降變形受空間效應(yīng)的影響要比受時(shí)間效應(yīng)的影響要大，所以，合理的施工步距對(duì)控制隧道的沉降變形有著至關(guān)重要的作用，施工步距主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：第一，為單次的施工步距；第二，為各工序間的施工步距，開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺控制在0.5～0.75 m，初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)緊跟開(kāi)挖面；初期支護(hù)落底成環(huán)段距超前導(dǎo)坑開(kāi)挖面距離30～40 m，仰拱及填充緊跟初期支護(hù)成環(huán)段使工作；二次襯砌距初期支護(hù)封閉成環(huán)段距離25～35 m，施工組織時(shí)因充分考慮各循環(huán)施工工序距離的控制。下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，邊墻側(cè)錯(cuò)開(kāi)開(kāi)挖，錯(cuò)開(kāi)距離2～3 m，避免拱架同時(shí)懸空。

4.4.3 強(qiáng)剛度支護(hù)

隧道穿越巖層含水量大，圍巖強(qiáng)度低，圍巖容易發(fā)生屈服形成塑性區(qū)，強(qiáng)剛度支護(hù)能快速地形成支護(hù)體系，抵抗圍巖的塑性變形，避免因變形量過(guò)大造成松弛巖體沿節(jié)理面脫落成塌方，提高支護(hù)剛度主要采取以下3個(gè)措施：首先，通過(guò)施做超前小導(dǎo)管等超前支護(hù)措施來(lái)提高掌子面的穩(wěn)定性，超前支護(hù)能夠與拱架一起形成整體棚架架構(gòu)，控制圍巖的早期變形；其次，加勁措施采用高強(qiáng)度的型鋼同時(shí)增強(qiáng)縱向鏈接，快速形成強(qiáng)剛度支護(hù)體系，抵抗圍巖的塑性變形；最后，通過(guò)嚴(yán)格按照施工步距及早施作二次襯砌，二次襯砌能提供足夠的剛度來(lái)抵御圍巖塑性變形，是控制隧道變形坍塌最有效的措施。

4.4.4 監(jiān)控量測(cè)

由于巖體工程的復(fù)雜性和特殊性，在隧道施工過(guò)程中一般需要根據(jù)施工過(guò)程中洞內(nèi)外地質(zhì)調(diào)查、洞內(nèi)觀察、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)等施工反饋信息，確定和修改隧道施工方法和支護(hù)方式。特別是對(duì)于小凈距隧道而言，要求在施工過(guò)程中必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)掌握圍巖在開(kāi)挖過(guò)程中的動(dòng)態(tài)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)，并據(jù)此制定相應(yīng)的施工措施，以確保洞室周邊巖體的穩(wěn)定及支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。根據(jù)該隧道的具體情況，在施工過(guò)程中必須進(jìn)行的監(jiān)控量測(cè)有以下幾個(gè)方面。

（1）地表下沉觀測(cè)。

地表下沉量測(cè)的縱向間距S=5 m；開(kāi)挖面距量測(cè)斷面前后<2B時(shí)，每天1～2次；開(kāi)挖面距量測(cè)斷面前后<5B時(shí)，每2～3天一次；開(kāi)挖面距量測(cè)斷面前后>5B時(shí)，每3～7天一次；根據(jù)監(jiān)控資料繪制每一斷面沉降量隨時(shí)間的變化關(guān)系圖、最大沉降量隨時(shí)間的變化關(guān)系圖、最大沉降量與開(kāi)挖面距離關(guān)系圖，據(jù)此進(jìn)行必要的回歸分析，對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)。

（2）隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)控量測(cè)。

必測(cè)項(xiàng)目：地質(zhì)及支護(hù)狀態(tài)觀察、水平收斂、拱腰收斂及拱頂下沉量測(cè)。

（3）圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)分析。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，對(duì)圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)形式進(jìn)行評(píng)價(jià)，來(lái)預(yù)測(cè)和確定隧道圍巖最終穩(wěn)定時(shí)間、指導(dǎo)施工順序和施作二次襯砌、優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）濕陷性黃土隧道施工必須遵循“短進(jìn)尺”，隧道開(kāi)挖后必須馬上進(jìn)行支護(hù)，盡量縮短圍巖裸露時(shí)間，減少圍巖的沉降變形，防止過(guò)度收斂，造成圍巖松弛變形引起隧道坍塌。施工過(guò)程中合理的施工步距能充分利用圍巖的土應(yīng)力來(lái)平衡各向的壓力，同時(shí)能盡早地形成封閉環(huán)，有效提升整體承載力。

（2）對(duì)于小凈距隧道施工應(yīng)加強(qiáng)對(duì)中夾土柱的加固，加強(qiáng)中夾巖柱兩側(cè)支護(hù)，同時(shí)錯(cuò)開(kāi)開(kāi)挖掌子面，避免應(yīng)力疊加，能有效控制中夾巖柱的穩(wěn)定。

（3）小凈距濕陷性黃土隧道的初期支護(hù)應(yīng)采用“強(qiáng)剛度支護(hù)”。隧道開(kāi)挖后甚至在開(kāi)挖過(guò)程就出現(xiàn)了沉降變形，早期的強(qiáng)剛度支護(hù)能有效控制圍巖的變形，在各個(gè)工序轉(zhuǎn)換點(diǎn)設(shè)置大拱腳以及采取鎖腳錨管加強(qiáng)斜向錨固，能有效地控制拱部下沉，穩(wěn)定開(kāi)挖面，確保隧道施工安全。

（4）監(jiān)控量測(cè)過(guò)程中測(cè)量的空間性和時(shí)效性對(duì)黃土隧道安全施工相當(dāng)重要，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的合理布置以及量測(cè)時(shí)間的把握能最清晰地反應(yīng)圍巖的變化情況，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 關(guān)寶樹(shù).隧道工程施工要點(diǎn)集[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2] 康軍.黃土公路隧道工程[M].北極：人民交通出版社，2011.

[3] 王永剛.濕陷性黃土地層隧道施工控制技術(shù)[Z].蘭州：甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，2014.

[4] 丁維利，趙永明，初厚永，等.淺埋大斷面濕陷性黃土隧道地表變形規(guī)律分析[J].鐵道建筑技術(shù)，2007（5）：19-22.