大断面超偏压黄土隧道出口段换拱施工技术

李明耿

(中铁十二局集团第三工程有限公司，山西太原 030024)

1 工程概况

临县隧道进口位于兴县康宁镇杨塔沟内，出口位于临县白文镇杨家庄村附近。本隧道起讫里程DK50+535—DK61+167，全长10 632 m，为单洞双线隧道。隧道进口至DK60+716.45段位于直线上，DK60+716.45至出口段位于R=800 m的曲线上。隧道坡度设计为单面坡。

本隧道出口段DK59+615—DK61+167中Ⅳ级围岩段长1 475 m，占95.039%;Ⅴ级围岩段长53 m，占3.415%;明洞长 24 m，占 1.546%(见表 1)。其中DK60+883—DK60+586段沿山脊边坡布线，沿线地表多处分布有冲沟陷穴，并且线路左侧有一大冲沟，常年有水，拱顶比沟底最大高9.26 m(DK60+820)。K60+830—K60+586段地表埋深为19.84～64.3 m，最小埋深19.84 m在DK60+760，该处隧道开挖边线到地表最小临空面距离为16.15 m。DK60+883—DK60+586段横断面线路左侧地面比线路右侧地面低，最大高差为83 m，最大横坡达76.6%(DK60+830)，存在严重偏压现象。

对于大断面黄土隧道的施工技术［1-2］和三台阶七步施工法［3］都有所报道，但这些技术对于本项目都不适合，结果导致了变形且侵限不收敛。

2 施工中出现的问题及解决方案

2.1 洞内变形情况

隧道正洞洞身采用三台阶七步开挖法。施工过程中隧道出现了严重变形。DK60+800—DK60+980段仰拱填充面产生纵向裂缝，并有错台产生，裂缝最大宽度达30 mm，错台最大达10 mm。DK60+805—DK60+753段初期支护后的变形表现为拱顶下沉为250～400 mm，水平收敛为223～285 mm，而初期支护的预留变形量原设计为200 mm，因此该段变形严重侵限，需要进行换拱处理。

表1 临县隧道出口段围岩分级、开挖及衬砌情况

由于DK60+805—DK60+753初期支护15 d的变形速率还处15～27 mm/d的高位，说明了初期支护的效果非常不佳。因此在换拱时必须同时加强支护。

2.2 处理措施

根据专家的分析意见，提出了侵限段的处理方案:先洞外后洞内，同时加强地表及洞内的观测。具体的处理措施为洞外减压和洞内加强支护。

2.2.1 洞外减压处理

DK60+753—DK60+851段山顶地表采取卸载以减小偏压对隧道的压力，卸载高度15 m，卸载宽度为裂缝往线路右侧外30 m，卸载的土体用于反压线路左侧深沟。卸载高度每10 m一个台阶，台阶宽度3 m，坡率按1∶1刷坡。由于线路左侧沟底有渗水现象，因而在沟底施作盲沟以避免沟底积水。盲沟从DK60+650开始往外施作，具体长度根据卸载段的长度确定，保证盲沟长度大于卸载长度10 m。对盲沟处深50 cm和宽5 m的地表土换填沙砾石，并进行碾压，保证碾压后的换填土表面低于周围地面线;换填碾压完成后施作盲沟，盲沟尺寸采用1.2 m(高)×0.4 m(宽)，盲沟底层及上表均覆盖土工布，防止土体进入盲沟影响其透水功能，盲沟采用粒径＞15 cm的粗圆砾石填筑，粗圆砾石必须保证具备良好的透水性。盲沟顶采取土体反压，每填筑1 m将其碾压密实。

2.2.2 洞内换拱及加强支护处理

为了有效控制换拱后的变形，换拱支护参数比原先有所加强，具体的换拱支护参数见表2。

表2 换拱支护参数

对侵限的初期支护严禁采用爆破拆除，采用人工配合风镐，换拱顺序从大里程往小里程进行。每次拆除拱架不得超过一榀，第一次拆除时须在拆除位置前后各1 m施工超前小导管，保证拆除过程施工安全，拆除拱架前必须施作长3 m的超前小导管，小导管搭接长度1 m以上。以拱架每一分节为一作业单元，在每一作业单元内遵循以下原则:破除原混凝土及背后侵限围岩→拆除原拱架单元→轮廓及位置测量(以确保拆换后新立的拱架预留沉降变形量30 cm)→更换新拱架单元→施作超前小导管、系统锚杆、挂钢筋网片→喷射混凝土封闭→下一工作单元施工。初期支护厚度为30 cm，同时在下台阶将拱脚加宽20 cm形成大拱脚，增加临时I20a工字钢仰拱。对已施工仰拱段换拱的工字钢与仰拱工字钢连接采用仰拱工字钢顶部焊接I25a工字钢托梁，换拱工字钢直接安放在托梁上，焊接牢固。

换拱范围为DK60+805—DK60+753，为了消除偏压的影响，其中DK60+778—DK60+771段增设了管棚，即从DK60+771处开始施工管棚，管棚洞室高度和宽度均比换拱后断面加大80 cm，以方便管棚施工。

换拱第一阶段:上台阶换拱至DK60+793，开始中台阶换拱。中台阶先换线路右侧的钢架，把线路右侧侵限部分的土体用运输车拉出洞外，左侧土体不动。当中台阶换完4 m后，再对线路右侧下台阶进行换拱。右侧中台阶换拱至DK60+795，下台阶换拱至DK60+797时，对线路左侧的中台阶开始换拱，换拱顺序与右侧一致，并对线路右侧已换好的中下台阶进行回填，回填土体采用线路左侧的土体。当中下台阶换至与线路右侧里程一致时，开始施作仰拱，仰拱每次开挖不得超过2 m，仰拱施工完成后及时施作DK60+805—DK60+797段二次衬砌。

换拱第二阶段:上台阶换拱至DK60+781，中台阶换拱至DK60+783，下台阶换拱至DK60+785，中下台阶换拱方法与第一阶段换拱时一致，换拱完成及时施作DK60+797—DK60+785段仰拱与二次衬砌。

换拱第三阶段:上台阶换拱至DK60+771，中下台阶不换，当上台阶换拱完成后开始施工管棚，DK60+778—DK60+785段做成坡度以方便施工机械作业。

换拱第四阶段:管棚施工完成后，进行中下台阶换拱，中台阶换拱至DK60+751，下台阶换拱至DK60+753，中下台阶换拱方法与第一阶段换拱时一致，换拱完成及时施工DK60+785—DK60+753段仰拱与二次衬砌。

2.2.3 监控量测

1)隧道围岩监控量测方法

换拱施工过程中加强隧道监控观测［3-7］，定人、定时、定点进行观测，按每3 m测一个断面，量测频率见表3，监控量测方法及要求见表4。

表3 量测频率

2)监控量测管理

观察及量测发现异常时，及时修改支护参数。一般正常状态须同时满足以下条件:①净空变化速度＜0.2 mm/d时，喷射混凝土表面无裂缝或仅有少量微裂缝，围岩基本稳定;②位移速度除在最初1～2 d允许有增加外，应逐渐减少。当净空变化速度持续＞1.0 mm/d时，加强初期支护。变形管理等级依照表5执行。

表4 监控量测方法及要求

表5 变形管理等级

3)监控量测结果分析

在隧道换拱施工过程中，山顶地表经过卸载，地表裂缝得到了有效控制;洞内通过换拱和加强支护，在换拱后10 d内变形速率快速减小，洞内变形也呈现出明显的收敛趋势。

换拱后20 d隧道内拱顶下沉值及水平收敛值最大发生在监测断面DK60+780，其拱顶下沉最大值为162 mm，断面收敛最大值为63 mm。

根据文献［7］提供的回归函数对监测数据进行回归分析，选用回归分析中相关系数较大的回归函数的极限值作为最终变形量的预测值。对换拱后的监测数据进行回归分析，得到最大变形预测值为183 mm，明显小于变形预留量30 cm。

通过分析监控量测数据发现:随着换拱施工的不断进行，拱顶下沉、断面收敛和仰拱裂缝均得到控制。

3 结论

1)通过洞外地表卸载减压，洞内分阶段换拱施工，很好地解决了施工中出现的拱顶下沉、仰拱裂缝、错台等问题，保证了隧道施工的正常进行。

2)在偏压黄土隧道的施工中，始终要坚持“先预报、管超前、弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则，发现问题及时解决。通过合理选择工法、预支护类型以及提高初期支护整体刚度等措施可减少甚至避免此类问题的发生。同时要适当加大开挖预留变形量，确保黄土隧道支护稳定后不侵限。

［1］ 史赵鹏．偏压超浅埋大断面黄土隧道施工技术［J］．铁道建筑，2010(5):59-61．

［2］ 李可宁．大断面黄土隧道施工控制［J］．铁道建筑，2011(8):53-54．

［3］ 刘伟．大断面黄土隧道三台阶七步开挖法施工技术［J］．中国铁路，2010(5):66-69．

［4］ 高建国．大断面浅埋黄土隧道设计与施工［J］．交通标准化，2011(1):141-144．

［5］ 宋冶，王新东，王刚，等．客运专线大断面黄土隧道施工监控技术［J］．铁道工程学报，2010(1):52-58．

［6］ 初厚永．大断面黄土隧道斜井进入正洞挑顶施工技术［J］．铁道建筑技术，2010(12):44-49．

［7］ 周亦涛，薛晓辉，王胜涛，等．双线隧道现场监控量测数据分析［J］．国防交通工程与技术，2007，5(3):26-28．