特大跨黃土隧道設(shè)計(jì)施工技術(shù)要點(diǎn)探討

陳海軍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 陜西 西安 710043)

0 引言

近年來，在國家大力發(fā)展高速鐵路的背景下，出現(xiàn)了很多大斷面黃土隧道工程，比如鄭西高鐵、西延高鐵、蘭新高鐵、大西高鐵和銀西高鐵等。雖然習(xí)慣上統(tǒng)稱為黃土隧道，但由于各工程所處地域地層、含水、埋深以及外部環(huán)境等因素的不同，其面臨的設(shè)計(jì)、施工側(cè)重點(diǎn)及技術(shù)要點(diǎn)也各不相同。在相關(guān)的文獻(xiàn)中，趙東平等[1]研究了大斷面黃土隧道變形規(guī)律及預(yù)留變形量的取值范圍； 李國良[2]提出可按不同含水量確定大斷面黃土隧道施工方法的技術(shù)體系； 周燁等[3]研究了濕陷性黃土隧道三臺階施工時(shí)間應(yīng)變規(guī)律； 石磊等[4]對大斷面黃土隧道施工工法進(jìn)行了對比分析，并提出了選擇原則； 楊建民[5]對雙側(cè)壁法、CRD法、臺階法等3種黃土隧道常用工法進(jìn)行了理論分析，并總結(jié)了各自的優(yōu)缺點(diǎn)； 馮敏等[6]論述了普通斷面黃土隧道下穿民居的施工方案； 李健等[7]對淺埋大跨黃土隧道施工方面的優(yōu)化進(jìn)行了研究。雖然以上研究均可以為大斷面黃土隧道設(shè)計(jì)施工提供參考，但由于黃土及黃土隧道自身的特殊性，大斷面和特大斷面黃土隧道的設(shè)計(jì)施工仍舊是廣大工程技術(shù)人員重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)問題，需要不斷地探索研究。

TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]根據(jù)開挖跨度，把隧道分為4類，分別為小跨度、中等跨度、大跨度和特大跨度，對應(yīng)的開挖跨度分別為5～8.5 m、8.5～12 m、12～14 m以及14 m以上。本文主要探討開挖跨度超過14 m即特大跨度黃土隧道設(shè)計(jì)施工過程中的技術(shù)要點(diǎn)及解決思路。

1 黃土特性及分布

我國的黃土是第四紀(jì)干旱、半干旱氣候條件下形成的一種特殊土，基本色調(diào)為黃色，顆粒成分以粉粒為主，一般無明顯層理，垂直節(jié)理發(fā)育，直立性強(qiáng)，表層多具濕陷性，易形成陷穴。主要分布在西北和華北等地，其特點(diǎn)為分布廣、厚度大、地層層序比較完整。

根據(jù)地質(zhì)年代，黃土大體上可分為老黃土和新黃土2個大組。 老黃土(Q1、Q2)結(jié)構(gòu)多經(jīng)壓密，一般不具有濕陷性，土的承載力較高，主要分布在陜甘黃土高原，覆蓋在第三紀(jì)紅土層或基巖上； 新黃土(Q3、Q4)廣泛覆蓋在老黃土之上，質(zhì)地均勻，具有多孔性，有肉眼能看到的大孔隙，呈松散結(jié)構(gòu)狀態(tài)，密度低，在北方各地分布很廣，一般都具有濕陷性[9]。幾種典型黃土的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 幾種典型黃土的物理力學(xué)參數(shù)

2 黃土隧道的特點(diǎn)

1)我國黃土隧道大多數(shù)分布于黃土臺塬地區(qū)，即隧道頂部較為平坦，通常為村莊或農(nóng)田，建(構(gòu))筑物多，且人畜活動頻繁。

2)由于黃土地區(qū)植被稀少，水土流失嚴(yán)重，隧道洞口大多溝深坡陡，滑坡、崩塌等不良地質(zhì)發(fā)育，洞口選擇困難，如圖1所示。

圖1 黃土隧道典型地貌照片

3)黃土隧道埋深較淺或穿越溝谷地段，通常地表陷穴發(fā)育，規(guī)模大的陷穴甚至和洞身上下貫通，并在橫、豎向呈不規(guī)律發(fā)展。

4)黃土隧道垂直節(jié)理發(fā)育，變形主要以拱頂下沉為主，正常情況拱頂下沉大于水平收斂，且含水量對沉降變形影響大，需盡量控制地表水的下滲。

5)濕陷性是黃土隧道的特點(diǎn)，特別是淺埋、洞身位于新黃土中的隧道。

6)施工進(jìn)度慢。與其他隧道相比，黃土隧道具有圍巖強(qiáng)度低、變形量大、自穩(wěn)能力差的特點(diǎn)。隨著隧道開挖跨度的加大，尤其是大跨、特大跨隧道，其施工難度急劇增加。

3 設(shè)計(jì)施工技術(shù)要點(diǎn)

3.1 洞口高邊坡防護(hù)

某鐵路黃土隧道洞口位于臺塬陡壁上，由于受線位控制，洞口與陡壁斜交，邊坡高陡，偏壓嚴(yán)重，最大高度近80 m，表層約15 m為Q3新黃土，其下為Q2老黃土。為使隧道順利進(jìn)洞并確保后期運(yùn)營安全，設(shè)計(jì)初期主要考慮了2種方案。

3.1.1 方案1： 明洞暗作，回填反壓

“早進(jìn)晚出，盡量降低刷坡高度”是隧道洞口設(shè)計(jì)的基本原則，該方案主要思路為： 1)為降低邊坡刷坡高度，洞口盡量外拉，接長明洞。2)左側(cè)洞頂漏空部分先采用水泥土回填反壓，并鋪設(shè)地表黏土隔水層。3)待回填水泥土達(dá)到強(qiáng)度后，按暗挖法，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工進(jìn)洞。

3.1.2 方案2： 明洞明作，高大刷坡

該方案的主要思路是采用“穩(wěn)定坡高刷方+強(qiáng)擋護(hù)收腳+邊坡綠化”的復(fù)合式措施，避免回填土暗作部分成拱的工程風(fēng)險(xiǎn)，具體措施如下： 1)在洞口右側(cè)設(shè)置樁板墻工程，樁長34 m，樁身采用C30鋼筋混凝土。2)樁頂以下15 m范圍樁間設(shè)C30鋼筋混凝土擋土板，板長2.4 m，厚0.3 m。3)樁頂設(shè)平臺，以上邊坡每10 m一級，共8級，坡率均為1∶1，每2級間設(shè)5 m平臺，邊、仰坡采用扇形過渡刷坡。4)明洞段邊、仰坡采用混凝土拱形骨架護(hù)坡防護(hù)，骨架內(nèi)種草兼植灌木。

3.1.3 方案比選

2種方案優(yōu)缺點(diǎn)比較見表2。結(jié)合現(xiàn)場情況，該工程最終推薦采用“明洞明作，高大刷坡”方案，目前該線已經(jīng)運(yùn)營，效果良好，現(xiàn)場照片見圖2。

表2 2方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

圖2 隧道口高邊坡防護(hù)照片

考慮黃土的特性，對偏壓嚴(yán)重、坡度高陡的隧道洞口選擇進(jìn)洞方案時(shí)，可靈活掌握，當(dāng)暗挖進(jìn)洞困難、可能存在安全風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，明挖方案也不失為一種解決辦法。明挖方案更有利于接長明洞，對預(yù)防洞頂落物的能力更強(qiáng)，加上目前對黃土邊坡防護(hù)技術(shù)[10-12]的研究較系統(tǒng)，防護(hù)方案也成熟，能夠保證運(yùn)營期洞口工程的安全。

3.2 三臺階七步法快速施工

黃土作為一種特殊的圍巖，其最主要特點(diǎn)是直立性好、易成型。直立性好使得開挖后掌子面不易擠出；易成型的特點(diǎn)使得在進(jìn)尺短的條件下，能提供一段圍巖穩(wěn)定的時(shí)間來施作初期支護(hù)，從而確保安全。所以，埋深較大的黃土隧道比較適合采用臺階法施工，針對特大跨黃土隧道，三臺階七步法應(yīng)用廣泛，特別是在含水量小于17%的Q2老黃土地層中，該工法已經(jīng)成為主流的施工工法，并有相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行指導(dǎo)，現(xiàn)場三臺階七步法施工照片見圖3。

三臺階七步法分部較多，平行作業(yè)，掌子面作業(yè)人員多，各道工序相互影響較大。要實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)，有2種方法，一種是加大每循環(huán)進(jìn)尺，另一種是進(jìn)尺不變，加快循環(huán)頻率。一般認(rèn)為，加大每循環(huán)的進(jìn)尺，減少循環(huán)次數(shù)，可以提高施工進(jìn)度。在人力及機(jī)械設(shè)備等資源配置相同的情況下，經(jīng)過施工單位實(shí)際操作驗(yàn)證，正常情況下每循環(huán)開挖支護(hù)1榀及每循環(huán)開挖支護(hù)2榀循環(huán)時(shí)間見圖4和圖5，可見每循環(huán)開挖支護(hù)1榀鋼架的施工綜合效率反而更高，速度更快，同時(shí)短進(jìn)尺更有利于施工安全。

圖3 三臺階七步法施工照片

實(shí)踐證明，在施工過程中通過不斷優(yōu)化工序間銜接，每循環(huán)開挖支護(hù)1榀鋼架，縮短循環(huán)時(shí)間，每天可施工4～5個循環(huán)，能夠?qū)崿F(xiàn)月進(jìn)尺突破100 m、綜合成洞突破100 m的快速掘進(jìn)，并長時(shí)間保持。

3.3 長段落下穿村莊沉降控制

某隧道下穿黃土臺塬，最大埋深不足72 m，洞頂為既有村莊和大量農(nóng)田，洞身有5處大段落(見表3)下穿村莊，穿越地層主要為Q2黏質(zhì)黃土，對沉降控制要求高。

3.3.1 房屋沉降標(biāo)準(zhǔn)

房屋典型照片見圖6。根據(jù)房屋現(xiàn)狀并參照有關(guān)規(guī)范規(guī)定，洞頂房屋沉降控制值定為20 mm，房屋傾斜按不大于0.2%控制。

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)間為攤銷時(shí)間。

圖4三臺階七步法每次施工1榀鋼架循環(huán)時(shí)間示意圖

Fig. 4 Cycling schedule of three-bench seven-step excavation method with one steel frame for every footage

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)間為攤銷時(shí)間。

圖5 三臺階七步法每次施工2榀鋼架循環(huán)時(shí)間示意圖

圖6 地表典型房屋照片

3.3.2 沉降控制措施

1)加強(qiáng)超前支護(hù)。洞內(nèi)增設(shè)15 m長φ89 mm中管棚配合4 m長φ42 mm小導(dǎo)管超前預(yù)支護(hù)，兩者間隔設(shè)置。

2)采用CRD工法(見圖7)開挖，盡量減小對圍巖的擾動，降低對地表的影響。

圖7 CRD工法示意圖

3)合理選定開挖進(jìn)尺，及時(shí)封閉仰拱。開挖進(jìn)尺的大小對隧道沉降影響很大，以1榀鋼架為宜，且隨挖隨支； 仰拱的封閉距離應(yīng)控制在35 m以內(nèi)[13]。

4)重視鋼架的鎖腳工作。在仰拱封閉之前，鎖腳錨桿是控制初期支護(hù)沉降的關(guān)鍵，黃土地層宜采用直徑42 mm的鋼管鎖腳，長度不小于4 m，沿下傾角30°設(shè)置，并與鋼架焊接牢固。

5)加強(qiáng)洞內(nèi)監(jiān)控量測工作，加大監(jiān)測頻率，及時(shí)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并反饋給施工，以調(diào)整施工進(jìn)尺及支護(hù)參數(shù)。

6)加強(qiáng)對地表建(構(gòu))筑物的監(jiān)測，特別是有人居住的房屋，及時(shí)準(zhǔn)確掌握相關(guān)數(shù)據(jù)，以便及時(shí)對隱患進(jìn)行處理。隧道洞身建筑物影響范圍內(nèi)的地表沉降測點(diǎn)應(yīng)在隧道開挖前布設(shè)，隧道中線兩側(cè)量測范圍不小于H0+B(H0為隧道埋深，B為隧道開挖寬度),測點(diǎn)縱向間距為20～30 m，橫向間距為2～5 m。

采取上述一系列措施后，沉降時(shí)程曲線如圖8和圖9所示。可知： 洞內(nèi)最大沉降量為12 cm，沒有超過設(shè)計(jì)預(yù)留變形量。地表房屋最大沉降量為17.6 mm，在控制值范圍內(nèi)，效果良好，說明采取分部開挖、加強(qiáng)超前支護(hù)、減小開挖進(jìn)尺、及時(shí)封閉仰拱等措施控制黃土隧道的沉降是可行的。

圖8 拱頂沉降曲線圖(2013年)

圖9 地表房屋沉降曲線圖(2013年)

3.4 陷穴處理

黃土陷穴在黃土地區(qū)非常普遍，見圖10。黃土特性、黃土厚度及其空間組合為黃土陷穴的物質(zhì)基礎(chǔ)，是形成黃土陷穴的內(nèi)因。地形地貌以及水文地質(zhì)和氣候等因素是形成黃土陷穴必不可少的外部因素[14]。只要有水，就能形成各種規(guī)模的黃土陷穴，且形式眾多。故需針對不同規(guī)模、不同形式的陷穴制定不同的處理措施，根據(jù)埋深結(jié)合破裂角，陷穴處理為隧道中線兩側(cè)各30 m為宜： 1)對直徑小于2 m、洞身較直的陷穴，采用灌砂填筑，中間采用黃土分層回填，頂部50 cm采用三七灰土回填，并高出地面30 cm，理順地面排水系統(tǒng)。2)位于線路上方、直徑大于2 m、洞身曲折、起伏較大的陷穴，底部采用水、黏土和沙子配成泥漿后多次分層灌注，中間部位采用黃土分層填筑，頂部50 cm采用三七灰土回填。3)對于陷穴、暗穴相連的類似串珠狀的陷穴群，應(yīng)先找到陷穴的源頭，由洞內(nèi)向洞外逐步回填密實(shí)，也可以把貫通的暗穴挖開，然后一起分層夯實(shí)回填。

圖10 陷穴近觀照片

對于已經(jīng)存在的黃土陷穴，目前主要的辦法就是回填，只是回填材料和回填質(zhì)量有所不同。對于施工完畢的隧道，如何避免洞頂形成新的陷穴或者老陷穴重現(xiàn)，是工程設(shè)計(jì)和施工人員需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

3.5 地表裂縫處理

地表裂縫是淺埋黃土隧道的通病，在鄭西線、包西線、大西線黃土隧道的施工中均出現(xiàn)過。采用分部開挖法可降低其發(fā)生的概率和程度，但不易避免。其特點(diǎn)是裂縫隨著開挖面的推進(jìn)而推進(jìn)，大致呈環(huán)、縱向，主要出現(xiàn)在淺埋段和偏壓段。淺埋段的地表裂縫通常呈左右對稱性，有時(shí)環(huán)縱向呈貫通狀； 偏壓段的地表裂縫常出現(xiàn)在高側(cè)，低側(cè)有時(shí)也會出現(xiàn)。裂縫照片見圖11。地表裂縫控制應(yīng)從2方面進(jìn)行考慮，首先，需要從洞內(nèi)施工工序、支護(hù)強(qiáng)度、工法應(yīng)用等方面控制拱頂沉降，避免地表開裂。其次，對地表已經(jīng)出現(xiàn)的裂縫應(yīng)及時(shí)進(jìn)行回填、處理，防止地表水下滲影響結(jié)構(gòu)安全。

圖11 黃土隧道地表裂縫照片

3.5.1 與地表裂縫有關(guān)的因素

1)洞內(nèi)拱頂沉降。洞內(nèi)拱頂下沉嚴(yán)重的地段，地表開裂也嚴(yán)重，兩者相互對應(yīng)。

2)含水率。地層含水較大時(shí)地表沉降或開裂較為突出，含水率高，地層自穩(wěn)性差，沉降就大，裂縫發(fā)展嚴(yán)重。

3)地表降水。根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)，雨水對隧道地表沉降有直接關(guān)系，會造成地表覆土自重加大，加速沉降開裂。

3.5.2 地表裂縫對結(jié)構(gòu)的影響

1)地表裂縫在發(fā)展期通常與隧道結(jié)構(gòu)呈隱形貫通，導(dǎo)致洞頂圍巖自成拱效應(yīng)變差，增加了結(jié)構(gòu)頂?shù)呢Q向荷載。

2)地表裂縫可加速地表水的下滲，引起表層新黃土濕陷的同時(shí)，加大了土體自重，對結(jié)構(gòu)受力不利。

3.5.3 對裂縫產(chǎn)生的控制

結(jié)合裂縫產(chǎn)生的有關(guān)因素，制定針對性的控制措施。具體措施與“3.3.2沉降控制措施”基本相似，不再一一論述。

3.5.4 對裂縫產(chǎn)生后的處理

待二次襯砌施工完成并達(dá)到強(qiáng)度后，對地表已經(jīng)出現(xiàn)的裂縫進(jìn)行處理，具體如下。

1)一般縱向裂縫(寬度小于10 cm)。首先采用三七灰土由人工對裂縫進(jìn)行填塞，同時(shí)進(jìn)行搗實(shí)； 填塞至距地表40 cm時(shí)，中騎裂縫人工或小型機(jī)械挖槽，開挖斷面呈倒梯形狀，上底寬60 cm，下底寬40 cm，高50 cm，然后采用三七灰土回填，碾壓密實(shí)，并略高于原地表，如圖12所示。

圖12 一般裂縫回填示意圖(單位： cm)

2)已沖刷擴(kuò)大的裂縫(寬度大于10 cm)。對于該類裂縫，先用水、黏土和沙子配制而成的泥漿進(jìn)行分層灌注，中間部位采用三七灰土隔層回填，層厚可根據(jù)現(xiàn)場施工情況確定。施工至距原地面60 cm時(shí)，采用人工或小型機(jī)械挖槽，挖槽寬度應(yīng)完全包括坑洞，并四周外擴(kuò)20 cm，然后采用三七灰土回填，碾壓密實(shí)，并略高于地表，如圖13所示。

圖13 裂縫沖刷后回填示意圖(單位： cm)

3)局部地表下沉(沉降槽)。如果地表出現(xiàn)沉降槽，應(yīng)結(jié)合地表附著物情況，避開雨季，集中處理。首先采用人工或小型機(jī)械把地表熟土收集堆放； 然后采用黃土回填下沉部分并碾壓； 最后再把堆放熟土原樣平攤，恢復(fù)原地形，并略高于原地面，橫向坡度可按 1∶100控制。

根據(jù)王明年等[15]的研究成果，大斷面黃土隧道深淺埋分界深度為40～60 m，其中新黃土隧道分界深度可取上限55～60 m，老黃土分界深度可取下限40～50 m，對于洞口段或淺埋溝谷段埋深小于11 m的隧道定為超淺埋。由于黃土隧道普遍埋深不大，地表開裂的情況時(shí)有發(fā)生，故重視對裂縫防范的同時(shí)，也要重視對裂縫的處理。

4 結(jié)論與建議

1)鑒于黃土邊坡的防護(hù)技術(shù)比較成熟，對于黃土隧道的進(jìn)洞方案，可根據(jù)實(shí)際情況靈活掌握，當(dāng)“零刷方進(jìn)洞”存在風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，也可選擇高刷方進(jìn)洞，而且更有利于接長明洞預(yù)防洞頂落物，保證運(yùn)營安全。

2)特大跨黃土隧道三臺階七步法快速掘進(jìn)，不宜一味追求循環(huán)進(jìn)尺，通過現(xiàn)場試驗(yàn)、優(yōu)化施工組織，加強(qiáng)工序銜接，實(shí)現(xiàn)短進(jìn)尺、快循環(huán)才是關(guān)鍵。對其他地質(zhì)復(fù)雜的特大斷面軟巖隧道施工同樣也具有參考價(jià)值。

3)通過采取分部開挖、加強(qiáng)超前支護(hù)、減小開挖進(jìn)尺、及時(shí)封閉仰拱等措施控制特大跨黃土黃土隧道的沉降是可行的。今后類似地層穿越建(構(gòu))筑物修建隧道時(shí)，建議借鑒。

4)對于洞身范圍已經(jīng)形成的黃土陷穴，要及時(shí)回填，且要保證回填質(zhì)量。如何避免既有隧道洞頂形成新的陷穴或者老陷穴的重現(xiàn)，是下一步需要重點(diǎn)研究解決的問題。

5)淺埋特大跨黃土隧道地表出現(xiàn)裂縫雖然不易避免，但可以通過洞內(nèi)措施來控制。對于已經(jīng)出現(xiàn)的裂縫，需要及時(shí)回填處理，避免地表水下滲。

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