軟弱黃土公路隧道超欠挖控制研究

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0 緒論

軟弱黃土公路隧道具有斷面大、地質復雜、地基承載力差、圍巖穩(wěn)定性差等特點。軟弱黃土隧道根據(jù)圍巖等級分為Ⅴ、Ⅵ級，其圍巖穩(wěn)定性差，施工安全風險較大[1]。軟弱黃土公路隧道施工技術要求高，須制定合理的施工組織設計，確保工程安全、質量、進度目標的實現(xiàn)[2]。

軟弱黃土隧道通常采用分部開挖方式，主要有臺階法、環(huán)形開挖預留核心土法、單側臂導坑法、雙側壁導坑法等[3]。通常采用人工配合機械開挖的方式，常用的開挖機械有挖掘機、破碎錘、裝載機等，先用機械開挖出隧道的輪廓線，再人工進行巖面修理。不同于鉆爆開挖，此種開挖方式的質量受地質條件、人、機械等多方面的影響較大，因此隧道開挖斷面的超欠挖較難控制。

隧道超欠挖控制是隧道施工中的一大難題，直接影響工程的質量和經(jīng)濟效益[4]。隧道超欠挖不僅造成人力、機械、財力的巨大浪費，還降低了圍巖穩(wěn)定性和工程質量，延誤工程進度。超挖部分回填大量混凝土，影響工程的經(jīng)濟和社會效益。因此，嚴格控制隧道超欠挖是隧道工程施工質量及成本控制的重點[5-6]。

超挖不僅增加出渣量、襯砌工程量和回填工程量，增加工程造價，同時局部的過度超挖會引起應力集中，影響圍巖穩(wěn)定性；而欠挖因侵占了結構空間，直接影響支護結構厚度，會帶來工程質量問題，產(chǎn)生安全隱患，處理起來費工、費時，影響工期，且處理時開挖輪廓不易控制，容易引起更大超挖。因此，必須保證開挖質量，為圍巖的穩(wěn)定和支護創(chuàng)造良好條件[7-8]。

在軟弱黃土隧道開挖過程中要堅持“嚴禁欠挖、盡量減少超挖、安全第一、質量有保障、進度合理、成本受控”的原則。本文主要從以下幾個方面探討造成軟弱黃土隧道超欠挖現(xiàn)象的原因。

1 設計上的不完善

1.1 地質勘測過于簡略

設計圖紙給出的圍巖特征描述過于簡略，實際施工中圍巖與設計描述有出入。某些地段實際圍巖狀況較好，但依舊采用等級更高的支護參數(shù)和較大的預留變形量，不僅造成人力、機械、原材料的大量消耗，而且加大了圍巖擾動的范圍，增加了超挖的概率。而在某些地質較差的地段，卻依舊采用較低等級的支護參數(shù)和較小的預留變形量，開挖過程中很容易出現(xiàn)局部掉塊，造成嚴重超挖，局部超挖容易造成鋼拱架應力集中，發(fā)生不均勻沉降，出現(xiàn)襯砌厚度不夠和不均勻現(xiàn)象。

1.2 錨桿設計方案不合理

在軟弱黃土隧道錨桿施工中，鉆孔作業(yè)不可避免地引起圍巖的二次擾動，引發(fā)圍巖局部嚴重掉塊，造成較大的超挖。其中，超前小導管和系統(tǒng)錨桿的施作會引起全斷面圍巖的二次擾動，出現(xiàn)大面積掉塊。對于超前小導管的設計，在圍巖自穩(wěn)性較好的段落，應減少其數(shù)量；對于圍巖穩(wěn)定性差的地段，應盡量減少數(shù)量，采用“短進尺、強支護”策略。在軟弱黃土隧道中設計系統(tǒng)錨桿須謹慎，在確保錨桿受拉的情形下才可考慮，對于松動范圍較大的隧道，不宜設計系統(tǒng)錨桿。在圍巖穩(wěn)定性較差的地段，應通過增加鎖腳錨管的數(shù)量、長度來取代系統(tǒng)錨桿的設計。

2 對超欠挖認識不足

隧道施工過程中，無論施工隊還是項目部對施工進度的重視程度遠高于施工成本控制，這與隧道工程本身的特征有關。在任何一個項目標段，隧道工程通常被作為一項控制性工程，因此在施工組織設計中對工期的安排比較緊湊。為了追求施工進度，長期形成了“寧超勿欠”的思想。開挖時，為了避免后續(xù)鋼拱架安裝進行人工二次清理巖面造成的時間損失，通常較設計輪廓線有較大的超挖范圍。

3 施工過程中缺乏有效的管理

3.1 開挖作業(yè)管理不當

隧道開挖過程中無指揮者或者雖有指揮者但責任心差，任由挖機司機自由開挖，造成嚴重超挖的現(xiàn)象十分普遍。隧道開挖作業(yè)指揮者和挖機司機的技術水平和責任心直接決定著隧道開挖質量的好壞。在隧道開挖過程中，往往掌子面附近光線較暗，挖機司機受機械影響，存在一定的視覺盲區(qū)，需要開挖指揮者時刻用燈光來引導。因此，開挖過程中指揮者要集中注意力，引導挖機開挖，盡量減少超挖，確保開挖質量。對于挖機無法開挖的區(qū)域，進行人工修理。洞身開挖作業(yè)必須選用施工經(jīng)驗豐富的司機，以免新手造成較大的超挖損失。

3.2 開挖進尺不合理

隧道開挖掘進過程中，在未充分掌握圍巖變化的情況下，盲目追求進度，單循環(huán)掘進榀數(shù)超設計的情形時有發(fā)生。如果遇到斷層、夾層、新舊黃土交替處以及含水率突變區(qū)等，單循環(huán)進尺超設計，很容易造成大面積超挖。在黃土隧道開挖過程中，單循環(huán)進尺長度對超欠挖控制質量有一定的影響。下表是對甘肅省莊浪縣南湖隧道（Ⅴ級黃土隧道）開挖榀數(shù)與噴射混凝土超量、作業(yè)時間統(tǒng)計。

表1 開挖進尺與噴射混凝土超率統(tǒng)計表

從表1可見，隨著單循環(huán)掘進榀數(shù)的增加，初期支護的時間增加，且增幅變大，這主要是由于開挖進尺越大，超挖的風險越大，噴射混凝土作業(yè)時間大大增加；三榀開挖掘進噴射混凝土的超率最小。在一榀開挖作業(yè)時，由于縱向開挖距離較短，挖機很難準確地沿設計輪廓線開挖，容易造成局部的超挖與欠挖，欠挖可以在鋼拱架安裝前巖面二次修理時彌補，超挖只能用噴射混凝土填補。三榀開挖作業(yè)，對于軟弱黃土隧道，圍巖自穩(wěn)性較差，且開挖持續(xù)時間較長，圍巖暴露時間過長，易出現(xiàn)風化掉落現(xiàn)象，因此會造成較大超挖。

3.3 初期支護各道工序缺乏組織協(xié)調

初期支護作業(yè)包括隧道開挖，初噴混凝土，鋼拱架安裝，連接筋和網(wǎng)片焊接，鎖腳錨管、系統(tǒng)錨桿、超前小導管打設，錨桿注漿，噴射混凝土。隧道施工常常是各道工序相互銜接，無間歇作業(yè)，各工序之間的銜接緊湊程度不僅影響工程的進度，還可能造成超挖。隧道開挖斷面具有溫度高、濕度高、風塵濃度大的特征，圍巖暴露在空氣中的時間越長，越容易受開挖斷面環(huán)境的影響，加速圍巖風化的速度，進而發(fā)生失穩(wěn)，導致大面積的垮塌。因此，隧道開挖完成后要立即進行初噴混凝土，防止圍巖進一步風化。初噴混凝土雖然能夠暫時緩解圍巖的惡化趨勢，但是為了防止圍巖發(fā)生較大的變形，必須提高初期支護各工序之間的銜接程度。鼓勵相鄰工序之間搭接作業(yè)，杜絕相鄰工序間出現(xiàn)間歇現(xiàn)象，力爭實現(xiàn)人工在空間和時間上的協(xié)調分配，為工程按期完工提高保準率，為安全施工提供保障。

3.4 缺乏有效的激勵措施

成功的工程是項目部和施工隊全體人員相互合作的結晶。為了更好地凝聚所有項目參建者，項目部應制定相應的激勵措施。對于施工隊，確定允許噴射混凝土超量，若超過限值，由施工隊和項目部按比例承擔，若低于限值，則按一定比例獎勵施工隊。項目部應建立全員參與的考核機制，定期表彰獎勵對隧道超欠挖控制做出貢獻的技術管理人員。

4 結語

公路軟弱黃土隧道超欠挖直接影響工程的進度和經(jīng)濟效益，因此，如何控制超欠挖是一項重要課題。要控制隧道的超欠挖，首先要提高地質勘測的精確程度，優(yōu)化設計方案，其次需提高對隧道超欠挖的認識，最后要通過施工現(xiàn)場有效的管理手段，提高超欠挖控制效果。

在施工過程中，可以使用先進的與隧道開挖輪廓形狀相似的圓形切屑黃土設施，可以很大程度上避免開挖超量，也可以使用自行式液壓鋼拱架安裝臺車進行鋼拱架安裝，此臺車可以在開挖面后方安全區(qū)域完成鋼拱架的拼裝，拼裝可與巖面二次清理和初噴混凝土作業(yè)同時進行，大大縮短圍巖暴露的時間，降低圍巖失穩(wěn)的概率，進而提高超欠挖控制質量。