浅埋小净距湿陷性黄土隧道质量控制措施

郑海乐

摘 要：该文以柳泉3#隧道施工为工程实例背景，对施工过程中存在的湿陷性黄土、浅埋、隧道富水、小净距等技术难题所采取的一系列保证隧道安全施工的技术措施进行了总结，使读者更清楚地了解在浅埋小净距黄土隧道施工过程中的施工工艺及质量控制要点，为以后的湿陷性黄土隧道施工提供相应的借鉴。

关键词：小净距 浅埋 富水 一次模筑 控制措施

中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）04（a）-0061-03

在国家西部大开发战略政策的驱动下，我国西部公路、铁路、高铁等交通基础设施建设持续蓬勃发展。我国西部以山地、盆地为主的地形特点，决定了施工设计中较大的隧道比例，研究适用于西部黄土地区隧道的施工工法，特别是研究湿陷性黄土隧道施工方法显得尤为重要。该文通过对湿陷性黄土地区隧道地质特点的分析研究，总结出了一套在小净距湿陷性黄土隧道施工过程中的施工工艺及质量控制要点，有效地解决了因隧道浅埋而造成的地表开裂及地表沉降量过大等问题。

1 工程概况

1.1 设计概况

柳泉3#隧道右线起讫里程ZK46+790～ZK47+853，全长1 063 m，为分离式长隧道。全线采用双向四车道高速公路技术标准，设计时速80 km/h，隧道设计净空10.25 m×5 m，隧道围岩全部为V级，坡度为下坡。出口为小净距隧道，隧道埋深约50 m，全部为湿陷性黄土，土质不均匀，具有水平层理，围岩稳定性差，该土层隧道开挖后极不稳定，容易发生坍塌、掉块等问题，造成初期支护变形侵限，严重影响到工程质量、安全、工期及成本。

1.2 水文地质

隧址区属于黄河高阶地及黄土梁，场地内地层在钻孔深度内自上而下分为三大层组：第四系冲洪积层、第四系风积层、白垩系砂岩夹泥岩。隧址区松散岩类孔隙水主要赋存与第四系中更新统冲洪积卵砾石中，隧址区卵砾石厚度大，透水性及富水性均较好。由于隧址区一侧临河，基岩裂隙水排泄条件较好，基岩中不易大量赋存，多富集于岩土界面，对隧道围岩的稳定影响较大。

2 工程施工难点

（1）隧址区围岩均为V级围岩，全部为湿陷性黄土，垂直节理发育、结构松散、含水量大，局部穿越砂层，围岩软弱，基底承载力差，施工难度在于如何提高基底承载力，防止隧道局部或整体沉降。

（2）隧道富水，隧道下台阶掘进至ZK47+530处，起拱线以下的边墙开挖后渗水明显，随暴露时间愈长渗流逐渐加大，流水流泥现象愈加明显。边墙模筑砼施工完成后施工缝处有明显渗水。仰拱基底也是湿陷性黄土，含水量在20%左右，下挖3 m左右土体含有少量的卵石，仰拱下5～6 m深有卵石持力层，出口在仰拱及下边墙开挖后有明显的流水现象，如何解决好隧道的防排水问题及保证施工质量安全是施工的主要课题。

（3）隧道出口段隧道埋深浅约50 m左右，结构扁平，受力条件差，应控制变形，防止一次模筑及地表构造沉降开裂。

（4）按公路隧道设计规范（JTG D70-2004）表4.3.2要求，V级围岩对应分离式独立双洞间净距小于3.5B（B为隧道开挖断面的宽度）为小净距隧道；按公路隧道设计细则（JTG/T D70-2010）表13.5.3要求，V级围岩岩体为软岩的分离式独立双洞间净距小于45 m为小净距。通过分析计算可以得出柳泉3#隧道小净距起始段落为出口420 m，施工过程中应采用何种工艺保证小净距隧道的施工安全。

3 施工工法选择

根据隧道的地址条件和施工难点，采用3台阶法进行开挖，一次模筑初期支护衬砌工法进行施工。一次模筑初期支护衬砌工法是根据黄土地层的地质特点，总结过去黄土隧道锚喷初期支护衬砌设计与施工的经验教训，针对黄土地层提出的一种有效解决方案。根据运营多年的实践效果分析，一次模筑衬砌初期支护工法从施工安全、支护有效性、结构稳定、防排水效果，综合比较是针对黄土地层隧道修建特点的一种可靠工法。

4 应对措施

4.1 隧道渗水施工措施

柳泉3#隧道渗水主要有两种方式：一种以湿陷性黄土隧道含水量大，土体开挖后随暴露时间越长，土體含水量增大，局部有流水流泥的现象为主要的渗水现象；另一种为砂卵层中存在基岩裂隙水，卵石层中富水，在仰拱开挖后有大量的水流出。针对以上两种不同现象的渗水问题，项目采用了不同的方式进行施工，有效地保证了现场的施工安全及实体质量。

对于湿陷性黄土含水量大而产生的渗水现象，通过3台阶法的施工工艺，加强锁脚的刚度及长度，控制沉降量，有效地保证了隧道的施工安全。在土体开挖完成后采用透水土工布进行铺设，防止因土体泛碱而导致防排水系统的堵塞，并及时进行施做8 cm喷射混凝土，有效地保证土体的稳定性，同时在进行一次模筑混凝土浇筑过程中每1 m预留泄水孔，及时将渗水进行引排。在进行二次衬砌施工前，对渗水部位铺设环向排水盲管，采用TMF7×3.5环向排水管加密布置，将渗水引排至纵向排水管中，同时加强防水板的安装质量，项目安质部牵头，对每版防水层的焊缝及搭接进行检验，合格后方可进行下道工序，有效地保证了隧道施工的质量与安全。

对于仰拱开挖后存在基岩裂隙水的现象，项目采用井点降水的方式进行施工，在洞口不影响施工的区域设置若干水井，水井的深度低于隧道仰拱的开挖深度，采用大功率水泵不间断地进行抽水作业，在出水点降至仰拱开挖面以后在进行仰拱作业，在仰拱开挖完成后及时采用喷射混凝土对基底进行封闭，防止渗水，同时铺设防水板，保证仰拱不渗水，提高施工质量。

4.2 浅埋段施工措施

浅埋段湿陷性黄土施工采用3台阶预留核心土法进行施工，洞口采用超前大管棚、洞内采用超前小导管辅助施工措施，有利于工作开挖面的稳定，便于拱部支护和异常情况的处理。在施工过程中对锁脚锚管进行加强，采用Φ60×5 mm无缝钢管，上台阶每榀拱架4根，中台阶每榀拱架8根，下台阶每榀拱架4根，同时对超桥钢管进行加强，有效地控制了隧道的沉降量，减小地表沉降，同时在施工过程中加强对地表及洞内的观测，通过观测数据及时调整支护形式，通过预留锁脚锚管孔的方式对沉降量大的段落进行锁脚加强，通过上述方法有效地保证了浅埋段湿陷性黄土施工的安全，同时有效地控制了地表沉降，保证了隧道施工的安全与质量。

4.3 小净距隧道施工措施

柳泉3#隧道出口段属于小净距隧道，最小净距4.3 m，且埋深浅，围岩含水量大，松散、软弱，由于塑性区的影响造成中岩柱稳定性差，受开挖干扰大，直接影响到隧道的整体稳定，为保证隧道施工的安全及后期的运营安全，中岩柱通过以下两种方式进行稳固。

4.3.1 整体方案的控制

由于后行洞隧道开挖引起先行洞围岩及中岩柱应力叠加，是造成围岩失稳的主要原因，施工时错开先行洞与后行洞掌子面之间的距离，错开距离始终保证后行洞的上台阶开挖掌子面里程桩号滞后于先行洞的二衬里程桩号，减少对中岩柱扰动的同时也确保了隧道的施工安全。

4.3.2 加强支护

小净距隧道的传统加固措施主要有超前注浆预加固、长锚杆以及对拉锚杆等，但由于受施工工法影响，操作空间小，同时由于特殊黄土地质，其锚固和浆液扩散效果差，通过方案的比选最终选择水平旋喷桩及注浆小导管对中夹土柱进行加固，同时遵循“新奥法”设计理念，初期支护采用二层型钢+喷射混凝土方案，二衬采用55 cm厚钢筋混凝土，超前支护及锁脚锚管均采用Φ60 cm×6 mm无缝钢管，有效地保证了小净距隧道的施工安全。

对中夹土柱进行加固，由于洞口为浅埋段，同时又为小净距段，为了确保施工安全和结构安全，在隧道开挖前，拱部及中夹土柱采用超前水平旋喷桩进行加固，旋喷桩长度为20 m，直径60 cm，桩中心间距50 cm咬合布置，外倾角为2%。在隧道拱部形成一个完整的水泥土护拱架构，以稳定洞口浅埋段围岩，控制开挖引起的沉降变形，降低暗挖作业施工风险，加固中夹土柱，提高中夹土柱围岩的稳定性。

提升衬砌的早期强度，增强衬砌的整体刚度，使支护体系形成约束中夹土柱的一个整体，将二衬混凝土的强度等级由原设计C25提升至C40，以便快速达到设计强度，确保中夹土柱的稳定的同时使后行洞施工连续（如图1、图2所示）。

4.4 控制变形

湿陷性黄土隧道施工最为关键的一环就是控制沉降收敛，这关系到隧道的施工稳定与地表结构物的安全与否，与其有直接关系的因素有：拱脚承载力薄弱、分部开挖，工序干扰、初期支护刚度不够等3个方面主要因素，而控制变形与沉降主要采取以下4个措施。

4.4.1 提升拱脚承载力

提升拱脚承载力主要采用两种措施：第一，是增加锁脚锚管；第二，为扩大拱脚。在3台阶法施工过程中分别在拱腰及拱脚处设置，通过以上措施能够有效地提高拱脚承载力，从而控制拱顶沉降和净空收敛。

4.4.2 合理地控制施工安全步距

湿陷性黄土隧道沉降变形受空间效应的影响要比受时间效应的影响要大，所以，合理的施工步距对控制隧道的沉降变形有着至关重要的作用，施工步距主要体现在两个方面：第一，为单次的施工步距；第二，为各工序间的施工步距，开挖循环进尺控制在0.5～0.75 m，初期支护及临时支护紧跟开挖面；初期支护落底成环段距超前导坑开挖面距离30～40 m，仰拱及填充紧跟初期支护成环段使工作；二次衬砌距初期支护封闭成环段距离25～35 m，施工组织时因充分考虑各循环施工工序距离的控制。下台阶开挖时，边墙侧错开开挖，错开距离2～3 m，避免拱架同时悬空。

4.4.3 强刚度支护

隧道穿越岩层含水量大，围岩强度低，围岩容易发生屈服形成塑性区，强刚度支护能快速地形成支护体系，抵抗围岩的塑性变形，避免因变形量过大造成松弛岩体沿节理面脱落成塌方，提高支护刚度主要采取以下3个措施：首先，通过施做超前小导管等超前支护措施来提高掌子面的稳定性，超前支护能够与拱架一起形成整体棚架架构，控制围岩的早期变形；其次，加劲措施采用高强度的型钢同时增强纵向链接，快速形成强刚度支护体系，抵抗围岩的塑性变形；最后，通过严格按照施工步距及早施作二次衬砌，二次衬砌能提供足够的刚度来抵御围岩塑性变形，是控制隧道变形坍塌最有效的措施。

4.4.4 监控量测

由于岩体工程的复杂性和特殊性，在隧道施工过程中一般需要根据施工过程中洞内外地质调查、洞内观察、现场监控量测等施工反馈信息，确定和修改隧道施工方法和支护方式。特别是对于小净距隧道而言，要求在施工过程中必须进行现场监控量测，及时掌握围岩在开挖过程中的动态和支护结构的稳定状态，并据此制定相应的施工措施，以确保洞室周边岩体的稳定及支护结构的安全。根据该隧道的具体情况，在施工过程中必须进行的监控量测有以下几个方面。

（1）地表下沉观测。

地表下沉量测的纵向间距S=5 m；开挖面距量测断面前后<2B时，每天1～2次；开挖面距量测断面前后<5B时，每2～3天一次；开挖面距量测断面前后>5B时，每3～7天一次；根据监控资料绘制每一断面沉降量随时间的变化关系图、最大沉降量随时间的变化关系图、最大沉降量与开挖面距离关系图，据此进行必要的回归分析，对围岩稳定性进行评价预测。

（2）隧道围岩及支护结构监控量测。

必测项目：地质及支护状态观察、水平收敛、拱腰收敛及拱顶下沉量测。

（3）围岩稳定性和支护分析。

通过对现场监测的数据，对围岩稳定性和支护形式进行评价，来预测和确定隧道围岩最终稳定时间、指导施工顺序和施作二次衬砌、优化支护结构设计参数。

5 结语

（1）湿陷性黄土隧道施工必须遵循“短进尺”，隧道开挖后必须马上进行支护，尽量缩短围岩裸露时间，减少围岩的沉降变形，防止过度收敛，造成围岩松弛变形引起隧道坍塌。施工过程中合理的施工步距能充分利用围岩的土应力来平衡各向的压力，同时能尽早地形成封闭环，有效提升整体承载力。

（2）对于小净距隧道施工应加强对中夹土柱的加固，加强中夹岩柱两侧支护，同时错开开挖掌子面，避免应力叠加，能有效控制中夹岩柱的稳定。

（3）小净距湿陷性黄土隧道的初期支护应采用“强刚度支护”。隧道开挖后甚至在开挖过程就出现了沉降变形，早期的强刚度支护能有效控制围岩的变形，在各个工序转换点设置大拱脚以及采取锁脚锚管加强斜向锚固，能有效地控制拱部下沉，稳定开挖面，确保隧道施工安全。

（4）监控量测过程中测量的空间性和时效性对黄土隧道安全施工相当重要，监测点位的合理布置以及量测时间的把握能最清晰地反应围岩的变化情况，通过监测数据的分析及时调整支护参数。

參考文献

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