黃土公路隧道修建技術(shù)分析

景國旭

甘肅省公路建設(shè)管理集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730000

1 黃土的特性

黃土是工程建設(shè)過程中經(jīng)常遇到的一種特殊巖土。根據(jù)黃土的形成年代，一般將黃土分為老黃土（Q1、Q2）和新黃土（Q3、Q4）兩種。新黃土具有浸水濕陷性，對工程極為不利。中更新統(tǒng)（Q2）黃土一般無濕陷性，但在高壓下仍具有一定濕陷性；下更新統(tǒng)（Q1）黃土質(zhì)地密實(shí)，強(qiáng)度較大，防滲功能相對較好，無濕陷性，對工程比較有利。黃土的工程特性相對于石質(zhì)圍巖一般表現(xiàn)為空隙大、質(zhì)地疏松、節(jié)理發(fā)育、自穩(wěn)能力差、變形大等特點(diǎn)，尤其濕陷性黃土受水浸濕后，黃土的結(jié)構(gòu)易受到破壞而發(fā)生顯著下沉。

2 黃土公路隧道勘察設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

目前黃土隧道工程的設(shè)計(jì)基本以新奧法原理為主導(dǎo)，采用超前大管棚或小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)，采用工字鋼拱架、鋼筋網(wǎng)及噴射混凝土進(jìn)行初期支護(hù)，采用模筑混凝土進(jìn)行二次襯砌，共同組成永久性承載結(jié)構(gòu)。

2.1 地質(zhì)勘察中的注意事項(xiàng)

（1）做好外業(yè)調(diào)查工作，尤其要詳細(xì)調(diào)查清楚隧道所處山體一定范圍內(nèi)地表裂縫發(fā)育情況及黃土陷穴分布情況。（2）做細(xì)地質(zhì)勘探工作，對于隧道洞身鉆孔，要將鉆孔至少鉆至黃土與基巖交界面以下，摸清黃土以下基巖巖性及界限分布情況。（3）預(yù)判地下水分布情況，建議對洞身鉆孔進(jìn)行長時(shí)間地下水監(jiān)測，同時(shí)根據(jù)鉆孔的季節(jié)等因素判斷隧道開挖后是否會(huì)因“負(fù)壓效應(yīng)”產(chǎn)生地下水匯集情況。（4）準(zhǔn)確判定隧道圍巖類型，建議對隧道圍巖級別及地基承載力情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)評估，可分為開挖前自然工況、施工開挖工況、運(yùn)營工況等各種情況。

2.2 隧道平、縱設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

（1）隧道洞身應(yīng)盡量避免下穿或靠近滑坡、崩塌體、陷穴等不良地質(zhì)體。（2）洞身應(yīng)選擇在埋深較大、頂面平整的塬、梁等地形凸起地帶，應(yīng)避免在山坡零亂，塬邊、塬頂有封閉洼地的地段通過。（3）若洞身位于黃土與基巖交界面附近，建議盡量降低設(shè)計(jì)標(biāo)高，將隧道洞身基礎(chǔ)坐落于基巖范圍，減少后期地下水可能帶來的地基承載力下降問題。（4）黃土、軟巖隧道縱坡盡量采用“人”字形布置，坡率不能太低，否則排水效率低，排水時(shí)間過長，會(huì)提高地下水下滲地基的可能性。

2.3 洞口及明洞工程的注意事項(xiàng)

（1）“早進(jìn)洞、晚出洞”，盡量采用“零開挖”方式進(jìn)洞，減少對原狀山體的破壞，保證隧道邊、仰坡山體的穩(wěn)定性。（2）洞門邊、仰坡周邊應(yīng)采取積極的防排水措施，排水溝、截水溝應(yīng)外置土工膜，減少因水溝開裂而發(fā)生的滲漏問題。對于縱坡較陡的水溝，應(yīng)在一定距離設(shè)置深槽基礎(chǔ)，增強(qiáng)水溝抗變形能力，防止雨季暴雨對排水系統(tǒng)的破壞。（3）對洞頂自然排水溝渠進(jìn)行硬化，引導(dǎo)水流順利排出隧道洞口范圍。

2.4 支護(hù)和襯砌結(jié)構(gòu)的注意事項(xiàng)

（1）建議對黃土、軟巖段落隧道襯砌斷面進(jìn)行優(yōu)化，仰拱應(yīng)采用矢跨比更大的圓弧（半徑更?。?，同時(shí)增大仰拱與邊墻過渡段圓弧（半徑更大），優(yōu)化后斷面空間利用率略低，但受力性能更好，可有效減少后期因地基不均勻沉降等因素造成的襯砌開裂及仰拱隆起等病害。（2）黃土公路隧道初期支護(hù)應(yīng)采用掛網(wǎng)噴射混凝土、鎖腳支撐與鋼拱架聯(lián)合支護(hù)的柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)，新黃土地層不建議設(shè)置系統(tǒng)錨桿，需加強(qiáng)鎖腳支撐、鋼支撐縱向連接（縱向局部可采用小型型鋼進(jìn)行連接）。對于老黃土地層錨桿能夠切實(shí)發(fā)揮作用的段落，在拱腰至邊墻部位可適當(dāng)設(shè)置系統(tǒng)錨桿。（3）初支及二襯拱腳處都應(yīng)采用圓弧連接，可將拱墻荷載有效傳遞至仰拱部位，最大程度上發(fā)揮仰拱的作用。

2.5 防排水的注意事項(xiàng)

（1）對于老黃土（Q1）圍巖，建議將中央排水溝布置于仰拱以下最低位置，溝內(nèi)設(shè)置防滲漏措施，如鋪設(shè)防滲膜等。（2）對于老黃土（Q2）及新黃土（Q3、Q4）圍巖，建議設(shè)置兩套排水系統(tǒng)，即中心排水溝加基底滲水盲溝，結(jié)構(gòu)形式均可采用圓形，中心排水溝可設(shè)置于填充層內(nèi)，滲水盲溝設(shè)置于仰拱基底，即可有效排出隧道洞身范圍內(nèi)滲水及基底滲水，確保隧道洞身上下排水通暢。

2.6 地基處理的注意事項(xiàng)

老黃土（Q2）地基如無法判斷有無地下水，也應(yīng)對地基適當(dāng)進(jìn)行預(yù)加固處理；新黃土（Q3、Q4）地基基本都具有濕陷性，應(yīng)對隧道全長范圍內(nèi)地基采取預(yù)加固措施，建議采用高壓旋噴樁、鋼管樁等措施。

2.7 車行橫洞設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

目前大部分黃土隧道車行橫洞普遍采用加寬段斜向轉(zhuǎn)彎方式，且不設(shè)置仰拱初支，斜向轉(zhuǎn)彎通道受力比較復(fù)雜，喇叭口區(qū)段由于集中受力過大易發(fā)生變形開裂。建議黃土隧道車行橫洞采用直角轉(zhuǎn)彎形式，避免受力不均發(fā)生病害，同時(shí)設(shè)置仰拱初支與側(cè)墻拱架封閉成環(huán)。

3 黃土公路隧道施工中的常見問題及處治措施

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，部分黃土隧道地勘均顯示無地下水，但在實(shí)際施工中有部分隧道均遇到了地下滲水，滲水分別從初支拱腳、拱腰、拱頂、仰拱基底位置出現(xiàn)。從黃土工程力學(xué)特性上來看，如何做好施工時(shí)臨時(shí)排水及發(fā)揮設(shè)計(jì)防排水工程應(yīng)有的作用是保證黃土隧道地基穩(wěn)定性和不發(fā)生不均勻沉降的關(guān)鍵所在，若解決不好水的問題，極易使黃土隧道發(fā)生不均勻沉降，進(jìn)而產(chǎn)生裂縫，貫穿整個(gè)隧道。

建議在隧道施工初期即從設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化，主要有以下四點(diǎn)：（1）為增強(qiáng)鋼拱架整體受力，提高初期支護(hù)穩(wěn)定性，隧道襯砌結(jié)構(gòu)由直墻斷面調(diào)整為曲墻斷面，仰拱與側(cè)墻鋼拱架連接由大拱腳調(diào)整為小圓弧連接，如圖1所示。（2）為保證仰拱基底的穩(wěn)定性，對設(shè)計(jì)上仰拱基底加固措施如旋噴樁、鋼管樁等進(jìn)行試樁，根據(jù)試樁結(jié)果調(diào)整仰拱基底加固措施。（3）充分考慮地下滲水對隧道仰拱基底地基承載力的影響，優(yōu)化排水設(shè)計(jì)，對中心排水溝結(jié)果形式進(jìn)行優(yōu)化，將矩形水溝調(diào)整為圓形水溝，并在仰拱底部新增排水盲溝，用于排除仰拱底部滲水。（4）將伸縮縫、施工縫、沉降縫設(shè)置為三縫合一，均采用中埋式橡膠止水帶+背貼式止水帶。

圖1 仰拱小圓弧鋼架施工

4 黃土公路隧道施工建議

（1）進(jìn)行隧道洞口施工時(shí)要注意以下內(nèi)容：①在隧道洞口施工前應(yīng)首先施作截、排水溝及洞口改溝，確保排水暢通，防止大量地表水流至洞門處對洞門施工造成影響。②洞口邊及仰坡應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)施工，嚴(yán)禁大量刷坡，破壞原地表環(huán)境，對洞口、洞門段及明洞段臨時(shí)邊仰坡可先進(jìn)行臨時(shí)防護(hù)。③仰坡施工應(yīng)從上到下分級開挖、支護(hù)，明洞及明洞回填應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)施作。邊、仰坡較高的情況下，在施作完超前管棚注漿后，必須完成明洞、明洞回填及洞門結(jié)構(gòu)后方可進(jìn)行暗挖進(jìn)洞作業(yè)。

（2）進(jìn)行黃土隧道洞身施工時(shí)要注意以下內(nèi)容：①隧道淺埋段施工中應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)先探測、管超前、短進(jìn)尺、嚴(yán)控水、快支護(hù)，鋼筋砼二次襯砌要及時(shí)跟進(jìn)，對淺埋段應(yīng)加強(qiáng)仰拱基底加固，控制圍巖變形。②隧道開挖后，根據(jù)圍巖與支護(hù)間作用力及變形監(jiān)測情況，及時(shí)施作初期支護(hù)，適時(shí)施作二次襯砌，Ⅴ級圍巖二次襯砌與開挖掌子面安全步距不宜大于70m。③開挖時(shí)，鋼架腳不得懸空，且要保證基底穩(wěn)定可靠，鋼架左、右兩側(cè)不得同時(shí)落底，一次落底長度應(yīng)控制在2～3榀鋼架，圍巖條件較差時(shí)，應(yīng)控制在1榀左右。④施工中應(yīng)加強(qiáng)臨時(shí)排水，尤其是反坡施工，若開挖后涌水量較大可設(shè)置臨時(shí)集水井，將水集中抽排出洞外，防止仰拱基底黃土因長期受水浸泡而降低強(qiáng)度。⑤應(yīng)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)測、預(yù)報(bào)措施，尤其是對特殊地質(zhì)區(qū)段更應(yīng)加強(qiáng)探測，以確定合理的施工方法及支護(hù)參數(shù)。⑥施工中應(yīng)及時(shí)對地基承載力進(jìn)行檢測，但檢測數(shù)據(jù)不能作為評判地基加固的唯一標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)同時(shí)預(yù)判其他后期可能影響地基承載力降低的因素。⑦施工中應(yīng)加強(qiáng)初期支護(hù)和二次襯砌背后空洞檢測，做好空洞壓漿回填。

筆者在黃土隧道施工管理中也發(fā)現(xiàn)了不少問題，希望引起行業(yè)相關(guān)人員注意：一是超前小導(dǎo)管不注漿，僅對端部進(jìn)行封堵，或僅將小導(dǎo)管頂入，導(dǎo)致超前支護(hù)不到位，存在安全隱患，同時(shí)不注漿的小導(dǎo)管成為集中滲水通道；二是噴射混凝土厚度不足，表面平整度差，噴射不及時(shí)，尤其省掉了初噴工序，導(dǎo)致拱架與圍巖不夠密貼，容易形成空洞；三是鋼拱架連接不規(guī)范，上、下鋼板不能緊密連接，隨意加焊鋼筋，導(dǎo)致螺栓連接基本失效。

5 結(jié)束語

總之，黃土隧道施工的關(guān)鍵難點(diǎn)在于水的處理。首先，應(yīng)從設(shè)計(jì)階段出發(fā)，提供詳實(shí)準(zhǔn)確的地勘資料，優(yōu)化防排水方案，充分考慮滲水對黃土隧道地基穩(wěn)定性的影響，加強(qiáng)仰拱基底加固。其次，在施工時(shí)要注意臨時(shí)排水工作，尤其要避免施工用水浸泡仰拱基底，對反坡開挖的隧道應(yīng)設(shè)置必要的臨時(shí)集水井，收集地下滲水，并及時(shí)抽排。