黃土富水隧道安全管理淺談

唐雙鈺

（中交一公局西南工程有限公司，四川成都 610000）

0 引言

在一公局靈華高速小寨子隧道進(jìn)口施工過程中，分析安全、技術(shù)、質(zhì)量管理中存在的不足，通過比較黃土富水隧道與常規(guī)隧道特異點(diǎn)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為今后公司在同地質(zhì)條件下的隧道施工提供借鑒。

1 黃土隧道地質(zhì)巖性分析

1.1 黃土力學(xué)性能簡述及分類

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)是黃色，按照黃土形成的時(shí)間及力學(xué)特性分為馬蘭黃土、離石黃土。黃土顆粒成分以粉粒為主，層理不明顯，具柱狀節(jié)理、垂直節(jié)理發(fā)育，直立性強(qiáng)，有堆積間斷的剝蝕面，黃土多具有濕陷性，容易產(chǎn)生潛在的剝蝕而形成陷穴，濕陷性及陷穴是黃土最主要的兩個(gè)特征。

（1）馬蘭黃土特性：馬蘭黃土一般覆蓋在離石黃土之上，含水率較高，具有多孔性和垂直節(jié)理，有肉眼能看到的大孔隙，呈松散結(jié)構(gòu)狀態(tài)，密度較低，垂直節(jié)理面上因節(jié)理切割形成豎向的軟弱層，軟弱層之間黏聚力很小，多個(gè)軟弱面互相切割，形成與周邊圍巖黏聚力很小的面狀體，在下部隧道開挖過程中面狀體容易塌落形成臨空面，受開挖擾動(dòng)和支護(hù)缺陷的影響，在自身重力的作用下形成塌方。

（2）離石黃土特性：離石黃土由于其顆粒間的大孔隙多數(shù)經(jīng)過地質(zhì)的嚴(yán)密積壓，黃土埋深較大，土體承載力較高，與隧道位置原始地應(yīng)力相比強(qiáng)度較低，容易發(fā)生屈服，形成塑性區(qū)，即易發(fā)生塑性變形，可進(jìn)行柔性支護(hù)和適度釋放塑性變形，但是如果無支撐或者支護(hù)強(qiáng)度不足會(huì)導(dǎo)致土體蠕變過大而形成塌方。

1.2 黃土富水隧道的特點(diǎn)

（1）離石黃土的變形存在蠕變這個(gè)特性，且有一個(gè)較長的發(fā)展過程，所以即使隧道內(nèi)初期支護(hù)短期內(nèi)無收斂和變形，也應(yīng)該及時(shí)施工二次襯砌。不過對于離石黃土而言，土體含水量的大小對施工的影響很大，會(huì)直接影響圍巖的穩(wěn)定性、施工開挖和初期支護(hù)的安全性，水體含水量是影響初期變形量的一個(gè)重要指標(biāo)。

（2）馬蘭黃土地區(qū)的圍巖應(yīng)力釋放快、變形速度快，具有突然性，屬于脆性破壞，所以現(xiàn)場施工中變形監(jiān)測和控制尤為重要。

根據(jù)馬蘭黃土、離石黃土的特性，黃土隧道施工過程中最重要的就是嚴(yán)格把握“時(shí)空效應(yīng)”。簡而言之，開挖空間不能大，二襯時(shí)間不能長，工序銜接要緊。

2 黃土富水隧道洞口工程的安全管理重點(diǎn)分析

隧道洞口滑坡是隧道施工過程中常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，隧道洞口段邊仰坡的破壞是引起洞口坍塌、構(gòu)筑物開裂的主要原因，隧道洞口的安全性、穩(wěn)定性關(guān)系到隧道能否順利施工，是隧道施工工作的重中之重。因此，隧道洞口段邊仰坡的穩(wěn)定性是隧道施工時(shí)必須認(rèn)真對待的一項(xiàng)工作。根據(jù)黃土富水隧道表層黃土孔隙大、濕陷性強(qiáng)的特點(diǎn)，邊仰坡等洞口工程施工時(shí)需要做好以下幾點(diǎn)。

（1）邊仰坡施工前調(diào)查好洞口四周水系的分布情況、黃土裂隙及陷穴的分布情況。隧道口周圍若有徑流或山坳對準(zhǔn)主線，需要及時(shí)設(shè)置截、引溝渠。觀測黃土裂隙分布情況，重點(diǎn)是對裂隙的深度、走向、含水量及對主線的影響等方面進(jìn)行評估，提前做好裂隙的處置工作。對于現(xiàn)場與設(shè)計(jì)圖紙不符的情況，相關(guān)人員要及時(shí)溝通、完善設(shè)計(jì)。

（2）在進(jìn)洞前必須完善邊仰坡的排水系統(tǒng)。洞頂截水溝、平臺水溝、吊溝、平臺壓頂及框格梁等附屬結(jié)構(gòu)必須在進(jìn)洞前完成施工。確保雨水不能滲進(jìn)土體，杜絕因土體滲水后增加容重而導(dǎo)致的邊仰坡坍塌風(fēng)險(xiǎn)。

（3）隧道明暗洞施工順序需要遵循“先明后暗”的原則。按照“先明后暗”的施工順序，一是增強(qiáng)了洞口的穩(wěn)定性，避免邊仰坡水平位移和下沉而導(dǎo)致的關(guān)門風(fēng)險(xiǎn)；二是能整體提升隧道施工安全標(biāo)準(zhǔn)化水平。

（4）隧道洞口工程應(yīng)避開雨季。在雨季到來之前，必須完成邊仰坡處置、明洞回填及洞門端墻施工。根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)倒排工期，合理安排洞口工程的施工節(jié)奏，有必要的情況下增加施工投入、增加準(zhǔn)點(diǎn)甚至提前完成洞口工程，真正起到保護(hù)洞口的作用。

（5）按照方案及圖紙工序嚴(yán)格施工。不得隨意更改施工順序，不得降低施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，做到工藝引領(lǐng)、質(zhì)量先行、安全可控。

（6）做好洞口邊坡的沉降觀測工作。洞口邊坡須設(shè)置沉降及位移觀測點(diǎn)，定期觀測，提前預(yù)警，起到預(yù)防安全事故的作用。

3 黃土富水隧道暗洞掘進(jìn)過程的安全管控重點(diǎn)

3.1 隧道開挖安全管控重點(diǎn)

（1）開挖工藝的選擇。根據(jù)黃土地層特性，黃土隧道都是選擇機(jī)械開挖，選用有效的開挖設(shè)備能大大提高開挖效率，同時(shí)機(jī)械開挖減小了對圍巖的擾動(dòng)，減少了對鋼拱架拱腳的損傷，也有利于隧道圍巖的超欠挖控制[1]。

（2）臺階法預(yù)留核心土的安全管控重點(diǎn)。對于臺階法預(yù)留核心土的開挖工藝，核心土的預(yù)留至關(guān)重要，核心土預(yù)留偏大或者偏小都不利于現(xiàn)場施工。核心土預(yù)留偏小，將會(huì)使掌子面圍巖暴露過多，易在面對掌子面時(shí)出現(xiàn)圍巖掉塊滑落的問題，對作業(yè)人員安全造成隱患；核心土預(yù)留偏大，將影響立架工人作業(yè)，不利于工人用力。因此，在核心土和掌子面交界處將核心土稍微留大一些，對掌子面坡腳形成反壓，同時(shí)掌子面開挖形成順坡，有利于掌子面的穩(wěn)定性。

3.2 超前支護(hù)安全管控重點(diǎn)

黃土隧道由于其特殊地質(zhì)條件的影響，在施作超前小導(dǎo)管時(shí)不適宜采用水鉆，在干鉆時(shí)易卡鉆，直接頂管時(shí)震動(dòng)大，對圍巖造成擾動(dòng)，而超前小導(dǎo)管在保證開挖后的拱頂圍巖穩(wěn)定、作業(yè)時(shí)的作業(yè)人員安全方面起到很大作用。超前小導(dǎo)管施作時(shí)為保證超前小導(dǎo)管的整體剛度，在施作時(shí)可提前對將使用的超前小導(dǎo)管進(jìn)行預(yù)注漿。做好超前支護(hù)，對控制拱部圍巖穩(wěn)定、保證立架作業(yè)安全、控制超欠挖有重要意義[2]。

針對黃土隧道富水、滲水大、裂隙水發(fā)育的特點(diǎn)，超前支護(hù)采用Φ42 超前小導(dǎo)管，環(huán)向間距30 ～35cm，縱向間距調(diào)整為每循環(huán)施作，長度即開挖進(jìn)尺+搭接長度，針對圍巖極差、開挖后掉塊多、易從超前小導(dǎo)管中間掉塊的情況可采用每榀施作超前和加長超前小導(dǎo)管長度，針對這種情況采取每循環(huán)施作超前小導(dǎo)管的控制措施，通過增加2 ～3 層小導(dǎo)管承擔(dān)來自拱部的壓力，使下層小導(dǎo)管受力減小。

3.3 初期支護(hù)安全管控重點(diǎn)

鎖腳施工：鎖腳錨管施作時(shí)應(yīng)控制好施工角度，錨管孔內(nèi)應(yīng)用砂漿填塞密實(shí)，錨管應(yīng)和初支拱架焊接牢固，錨管成孔杜絕采用水鉆成孔[3]。

（1）無水環(huán)境下：鎖腳采用Φ42 鎖腳錨管，長度4m/根，根據(jù)圍巖的細(xì)微變化可動(dòng)態(tài)調(diào)整單排或者雙排鎖腳。

（2）富水環(huán)境下：鎖腳采用雙排Φ42 或Φ89 鎖腳錨管，根據(jù)現(xiàn)場可操作性調(diào)整使用位置，鎖腳的加強(qiáng)能大幅控制圍巖的變形速率，減少初期支護(hù)的沉降量及增強(qiáng)初期支護(hù)變形穩(wěn)定性，此項(xiàng)措施能夠在確保緊跟二襯安全步距的情況下加快進(jìn)行二襯的施工，防止二襯施工之后二襯受力出現(xiàn)環(huán)向拉裂縫。

3.4 仰拱開挖支護(hù)

（1）仰拱開挖采用挖機(jī)進(jìn)行開挖，開挖進(jìn)尺不得大于規(guī)范設(shè)計(jì)值，開挖后立即進(jìn)行隧底虛土及積水清理，開挖完成后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行復(fù)測，不允許出現(xiàn)欠挖的情況，對超挖部分采用混凝土進(jìn)行回填[4]。

（2）仰拱隧底積水應(yīng)及時(shí)抽排，嚴(yán)禁積水浸泡仰拱基底。對富水黃土隧道可在隧底設(shè)置一層20cm 厚碎石墊層，隧底中心底部設(shè)置縱向滲溝。

3.5 貫通階段安全管控重點(diǎn)

黃土隧道即將貫通時(shí)，特別是雙向掘進(jìn)，需要做好安全協(xié)調(diào)管理。在剩余10m 時(shí)，采用單頭掘進(jìn)的形式。停止掘進(jìn)的一側(cè)需要預(yù)留足夠多的核心土、足夠強(qiáng)的超前支護(hù)強(qiáng)度，臨空面做好反壓措施，確保在貫通時(shí)拱頂?shù)姆€(wěn)定性。

4 黃土富水隧道特殊情況的安全緊急處置

4.1 拱頂?shù)魤K

黃土由于固有特性，遇水后土顆粒之間的摩擦力減小，富水后黃土離散性增加，導(dǎo)致開挖后拱頂土體不穩(wěn)定，易出現(xiàn)掉塊甚至塌方現(xiàn)象，給隧道施工帶來了很大的施工風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何處置黃土隧道拱頂?shù)魤K顯得格為重要，以下主要從4 個(gè)方面處理拱頂?shù)魤K。

（1）快封閉：當(dāng)開挖完成后有輕微掉塊，經(jīng)人工排險(xiǎn)后無明顯掉塊時(shí)，可以遵循“快封閉”的原則，待立架結(jié)束，馬上進(jìn)行噴漿作業(yè)。

（2）初噴開挖巖面：當(dāng)開挖完成后有掉塊，經(jīng)人工排險(xiǎn)后仍有明顯掉塊或工人施工存在風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，可以采用噴漿機(jī)械手進(jìn)行素噴巖面，待無明顯掉塊且噴漿料強(qiáng)度達(dá)到要求時(shí)，再進(jìn)行支護(hù)作業(yè)。

（3）超前加密：當(dāng)開挖圍巖面出現(xiàn)較多掉塊，且大多掉塊從上循環(huán)超前小導(dǎo)管間隙發(fā)生時(shí)，可采用加密超前小導(dǎo)管間距的措施；打設(shè)超前時(shí)，嚴(yán)禁使用水鉆，應(yīng)當(dāng)先用干鉆鉆頭成孔，再送導(dǎo)管，避免因水力作用及震動(dòng)影響加劇掉塊風(fēng)險(xiǎn)。

（4）每循環(huán)施作超前：按上述方法施工仍無法解決掉塊問題時(shí)，可采取每循環(huán)施作超前的做法，即每榀拱架施作超前，使開挖后的臨空面處有2 ～3 層小導(dǎo)管，如超前小導(dǎo)管剛度不足可采取預(yù)灌漿的做法進(jìn)行施工[5]。

4.2 水患處理

一般情況下，黃土地層的力學(xué)強(qiáng)度較高，圍巖穩(wěn)定性好，但在富水情況下（含水率一般在20%以上），黃土的力學(xué)強(qiáng)度變化較大，出現(xiàn)驟減現(xiàn)象，容易使整個(gè)初支體系產(chǎn)生不均勻沉降、拱腳失穩(wěn)、仰拱沉降及二次結(jié)構(gòu)整體下沉等一系列問題。因此，黃土隧道施工過程中的水患處理是施工過程中的一大要點(diǎn)。主要從以下5 個(gè)方面處理水患問題[6-7]。

（1）開挖后及時(shí)進(jìn)行圍巖面初噴，初噴可有效控制圍巖泌水；開挖后對掌子面前方滲水較多的點(diǎn)進(jìn)行鉆孔泄壓排水，掌子面滲漏水在核心土后面沿隧道兩側(cè)設(shè)置一道排水溝，中臺階設(shè)置集水坑，將滲水通過水泵抽排至洞外，該種措施可有效減少滲水對圍巖隧道的浸泡和影響，同時(shí)避免積水浸泡仰拱底，使仰拱底地基承載力降低。

（2）富水隧道鎖腳施工對初支安全穩(wěn)定性影響較大，在富水隧道施工研究中發(fā)現(xiàn)，對鎖腳進(jìn)行“加直徑、加長度、加數(shù)量”的操作能有效控制圍巖的下沉及收斂，鎖腳可采用提前預(yù)注漿進(jìn)行填塞，增大鎖腳剛度，減小漿液含水對黃土地層影響，降低鎖腳受力性能。

（3）富水黃土隧道施工，在上臺階、中臺階拱腳增加混凝土墊塊或者槽鋼，增加拱腳基礎(chǔ)的受力面積，在中臺階位置增加縱向的槽鋼連接，有利于提高初支拱架的整體穩(wěn)定性。

（4）富水黃土隧道應(yīng)重點(diǎn)控制安全步距，安全步距不僅影響圍巖的監(jiān)控量測變形速率，也直接影響到施工安全。根據(jù)長時(shí)間的觀測統(tǒng)計(jì)，黃土富水隧道掌子面至仰拱的安全步距可控制在20 ～25m。如果超過后掌子面前方，圍巖速率會(huì)明顯加快。

（5）淺埋富水黃土隧道施工應(yīng)加強(qiáng)對監(jiān)控量測的觀測，適當(dāng)增加變形觀測頻率，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)有利于了解圍巖的變形情況，利用變形數(shù)據(jù)做出下一步的施工計(jì)劃及加強(qiáng)措施，有助于保證現(xiàn)場的施工安全。

5 結(jié)語

橋隧工程是我國交通基礎(chǔ)設(shè)施工程。隧道工程在項(xiàng)目施工中占比也不小且施工環(huán)境相較惡劣，工程集中度較高，伴隨著一定的風(fēng)險(xiǎn)。因此，隧道的施工過程中存在諸多安全技術(shù)難點(diǎn)，對施工人員的技術(shù)要求也相對較高。作為特殊地質(zhì)隧道項(xiàng)目，要求有關(guān)工作人員認(rèn)真分析工程設(shè)計(jì)圖紙，根據(jù)地層變化選擇合理的施工技術(shù)，解決施工過程中的難點(diǎn)問題，通過控制隧道工程質(zhì)量，確保隧道安全平穩(wěn)掘進(jìn)，為交通運(yùn)輸行業(yè)的安全發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。