大跨径黄土隧道塌方风险与控制研究

姬东东

[摘要]大跨径黄土隧道施工风险在于隧道若不能选用正确的施工措施，很容易发生沉降，甚至还有可能会坍塌，造成严重的社会影响和巨大的经济损失。本文以王村隧道为例探讨了黄土隧道双侧壁导坑法施工技术的应用。

[关键词]大跨径；黄土；塌方

一、工程概况

王村隧道起点位于陕西黄陵县桥山镇王家沟附近，穿越黄土残塬沟壑区，隧道右洞起讫桩号为YK11+510～YK12+645，全长1135m，为长隧道，其中明挖36m，IV级围岩464m，V级围岩635m。隧道开挖宽度17.85米，两洞中轴线最大间距约149m，隧道埋深从0到95m渐变。隧道设计为双向六车道，开挖宽度17.85m，紧急停车带开挖宽度20.25m。隧道主体结构采用曲墙带仰拱复合式衬砌，衬砌采用60cm厚C30钢筋混凝土结构。隧道初期支护由钢拱架，钢筋网、锚杆和喷射混凝土组成。隧道进口采用削竹式洞门，设置有26m明洞，洞口段基础采用φ12.5cm钻孔桩加固地层，并设置钢筋混凝土承台。隧道出口采用斜切式洞门，设置有32m缓冲结构。洞口边仰坡采用拱形骨架护坡，拱形骨架的上缘设排水槽，在拱形骨架内植草绿化。

隧址区属于黄土残塬沟壑地貌，塬边缘沟壑林立，受水流冲刷侵蚀，形成“V”型叶脉状沟谷。隧址区揭露地层由老至新依次有第四系下更新统午城组黄土、中更新统离石组黄土和上更新统马兰组黄土。

二、黄土隧道施工塌方机理

隧道塌方的原因多种多样，但地质因素是决定性的。从力学机理上，塌方是其围岩的自承能力不足的结果，而对于黄土隧道，其围岩的自承能力不足源于黄土的类型及其物理力学性质、结构、构造以及

渗流场状态的特殊性。黄土的强度特性是施工塌方的关键因素。隧道开挖的过程也是地层内应力重新分布的过程，在隧道开挖前，土体处于天然的应力平衡状态；隧道开挖后，土体原有的天然应力状态被破坏，围岩应力在洞周一定范围内产生了重新分布。黄土强度较低，在开挖后，当围岩应力超过其强度后，产生径向塑性位移，形成塑性松动区，应力一部分释放，另一部分向外传递，导致松动区周边继续产生塑性变形，松动区向外扩大，黄土隧道周边松动范围扩展较快，随着这些变形的逐渐扩展，围岩的整体强度降低，在围岩土体内部出现空洞导致局部发生坍塌，浅埋时在地表出现下沉，塑性区进一步扩大，土压力的剧增最终导致整体失稳，大面积塌方。

黄土垂直节理发育，垂直方向渗透性强，地表水很快渗透至地下，使深部黄土处于饱水状态，其原有结构完全丧失，从而使强度和承

载力降低。当隧道开挖至饱水黄土层时，围岩随即因失去支撑而塌方。

另外，黄土易崩解和湿陷，导致隧道周围侧压力剧增，围岩失去自稳，沿两个破裂面向隧道空间移动，导致支护拱脚收敛变形异常，一般情况下，黄土隧道塌方仅表现为洞顶掉块，或者坍塌至一定高度自行稳定。但是当隧道跨度较大，且遇到黄土饱和时，或者隧道埋藏较浅，也可坍塌到地表。

三、黄土隧道施工塌方风险

在大跨径黄土隧道施工中，经常会出现塌方问题。隧道的塌方，不仅影响工程进度和施工期间及使用期间的安全，更直接影响到隧道的投资费用，如何减少隧道塌方，是施工的难点。要想实现塌方的控制，首先须明白塌方出现的原因。

本隧道掌子面处全部为粉状黄土，含砂量较大，含水量小，土

体自稳性极差；隧道浅埋段开挖过程中扰动较大，容易出现坍塌；地下水的软化、浸泡、冲蚀、溶解等作用，加剧岩体的失稳和塌万。

地质勘察不准，而施工人员经驗又不丰富，在不良地段没有做好钻探工作，施工不认真容易引起塌方。施工方法选择不当或工序间安排不合理，各工序拉得较长，围岩暴露时间过久，引起围岩松动、风化容易引发塌方。支护措施采取不当或支护工程施工质量控制不到位，达不到支护效果也会造成塌方。现场信息反馈滞后同样是引起塌方的关键。

总之，隧道施工原则上不应出现塌方，应从施工技术、工艺，监控量测、地质超前预报等手段加以控制。

四、大跨径黄土隧道塌方控制

本段施工采用双侧壁导坑法施工V级软岩，为了保证施工安全性以及连续性，工段开挖需要遵照先开挖大面，再开挖小面，开挖时应该注意边开挖边支护。本段软弱断层位置属于较为松散的岩体，为了保证施工质量和进度，项目安排了多台小型挖掘机开始配合人工修边的非爆破施工方法，这样不仅可以保证岩体稳定性，还能够避免出现断层欠挖现象出现。根据设计文件要求，本区段开挖进尺为1.1m，也为了考虑到安全因素，施工单位在施工时把进尺调整到了半米。具体施工步骤如下：

（一）先开挖拱顶环形Ⅰ部

用洋镐沿开挖轮廓线由上向下开挖，配合铁耙将松土扒离掌子面，每次掘进2.4m。拱顶中心处掌子面要向前多掘进0.5m，以备混凝土一次支护封顶。如果开挖时发现顶部土体有裂纹或疏松现象，应边开挖边支撑，支撑用杨木背板加φ40钢管，钢管底部撑在核心土上。

（二）管棚超前支护

黄土隧道土质比较松散，且层厚一般为20-60cm，开挖后易形成分层坍塌，故需较强的初期支护，采用管棚方案较适宜。

（三）开挖Ⅱ部

首先用挖掘机将一侧Ⅱ部的土体由上至下开挖1.0m，并将土扒出核心土范围以外，便于装载机装碴。开挖时侧面开挖轮廓线处预留厚50cm土体，原因是挖掘机开挖时对土体的振动比较大，如果直接按轮廓线开挖易造成土体坍方，形成超挖。然后人工用洋镐将预留的50cm土体沿轮廓线开挖，边开挖边支撑，同时出碴，而此时，挖掘机则换至另一侧Ⅱ部进行开挖，如此左右侧交替。注意开挖时，拱脚处至少留深20cm土用人工开挖，严禁拱脚超挖，防止因拱脚原状土被破坏造成混凝土衬砌时拱架下沉。黄土隧道拱腰处土体最易发生坍方，所以在进行Ⅱ部开挖时，应边开挖边加固，加固方法为简易支撑，即用杨木板紧贴开挖轮廓表面，用φ40钢管支撑在核心上。支撑间距1.0m，交错布置。

（四）钢架支撑

黄土隧道土体松散，超前管棚打入前方土体中时，需在管棚尾部加设钢架支撑，加强初期支护。钢架采用I20型钢钢架，分3段组装，通过钢垫板用φ20螺栓将3段连成整体。

（五）开挖Ⅲ部，核心土整形

格栅支撑安设完毕后，用挖掘机将Ⅲ部土挖除，核心土顶面修成平台，平台沿隧道纵向宽度3.6m，并在核心土的中间高度处再修一纵向宽度约为1.2m的二级平台。这样核心土纵向长度约4.8m，可对前方掌子面土体起支撑作用。

（六）立钢拱架和模板

拱部开挖完毕后，进行衬砌宽度和拱脚高程放样，然后立模工班按放样点位将钢拱架立好。钢拱架用工字钢制作。模板用120cm×30cm钢模。

（七）初期支护

黄土隧道初期支护一般由超前支护、钢支撑、锚杆、钢筋网及喷射混凝土组成。施工时，应严格按照“初喷、施作钢拱架、超前支护、安装锚杆、铺设钢筋网、复喷”的工序进行。黄土隧道锚杆孔钻孔较困难，经过多次选型，采用洛阳风动工具厂生产的KHYD75A型矿用电动岩石钻，由电动机、减速箱和跑道等组成，螺旋叶片钻杆、干式排粉，主机重75Kg，额定输出功率3KW，钻孔速度320mm/min，钻杆推进力10KN。钻一个孔约需10～15分钟，效率提高一倍以上，解决了钻孔难的问题。

（八）仰拱及填充施工

仰拱应及时施作，尽早封闭成环。仰拱开挖采用挖掘机开挖，预留30厘米人工清底的方法。初期采用過车梁全断面开挖，因速度太慢，干扰大，后期改为半幅（3/5、2/5为界）开挖，加速施工进度。填充施工缝应与仰拱施工缝错开50cm以上，防止地下水上渗。

（九）开挖下导坑

下导坑边墙施工与上导坑之间的距离保持60～80m为宜，下导坑边墙施工采用四部跳跃法，左、右边墙错开，每个马口开挖长度为2.4m。先用挖掘机挖中槽，中槽宽4.0m，长20m，不宜过宽、过长。

五、结束语

黄土隧道施工前应查明地表情况，必要时可提前采用注浆加固、回填夯实等方式进行处理。如果隧道跨径较大，而覆盖层又较薄或偏压很大，就轻易发生较大的坍塌或滑坡现象，就更需要提前采取措施处理。大断面黄土隧道施工，宜根据隧道断面大小、埋深，考虑围岩的自稳能力，适宜采用双侧壁导坑法或弧形导坑预留核心土法施工。大断面黄土隧道施工应遵循“先预加固、严治水、短开挖、少扰动、强支护、早成环、快封闭、勤量测”的原则进行。