黄土地区软弱围岩隧道施工技术

王一新，姚小平，岳　华，张春生（.河南理工大学土木工程学院，河南焦作　454000；.中铁十六局集团第四工程有限公司，北京　0000）



黄土地区软弱围岩隧道施工技术

王一新1，姚小平1，岳华2，张春生1
（1.河南理工大学土木工程学院，河南焦作454000；2.中铁十六局集团第四工程有限公司，北京100010）

摘要黄土隧道围岩工程性质特殊，只有选择合适的开挖工艺、衬砌支护及监控量测方法才能保证隧道的安全施工。以甘泉隧道为例，利用有限元法对其开挖方法进行了模拟分析。结果表明:双侧壁导坑法对于隧道竖向位移的控制效果较好，CD法次之，上下台阶法较差，因此甘泉隧道Ⅳ级围岩段选用上下台阶法，Ⅴ级围岩段选用CD法，Ⅵ级围岩段选用双侧壁导坑法施工。从隧道的初期支护、二次衬砌、防排水工艺、监控量测、超前地质预报等施工的关键工序及工艺分析了保证黄土隧道施工安全的方法。经甘泉隧道施工验证，所采取的各项工艺合理。

关键词黄土隧道；软弱围岩；有限元法；隧道施工技术；监控量测

近年来随着国家加大中西部地区基础建设投资，陆续修建了一些黄土隧道。黄土由于其自身的物理力学特点，在黄土地区修建隧道明显区别于山岭隧道和南方土质隧道，具有明显的黄土工程特性［1］。当遇到软弱黄土，隧道各个部分在施工过程中将面临新的问题，因此研究黄土地区软弱围岩隧道的施工技术十分必要。梁庆国等在现有的公路和铁路隧道围岩分级的基础上从黄土的水敏感性、小应变破坏特性、各向异性和节理对黄土稳定性的影响等方面分析了黄土围岩的分级［2］；苗天德等基于微结构突变失稳假说给出了黄土湿陷变形的本构关系［3］；赵勇对隧道围岩动态变形规律及控制技术进行了研究，提出了围岩变形控制的技术要点和技术措施，并提出了相应的围岩变形控制建议［4］；朱彦鹏等研究得出管棚法能够明显抑制浅埋黄土隧道开挖后地层的变形和拱顶下沉，减小隧道初期支护结构的变形和受力［5］；陈建勋等对黄土隧道的变形进行了长期观测，并对监测结果进行了回归分析，得到黄土隧道变形函数，通过控制拱部的沉降来控制隧道的变形［6］。以上从黄土隧道的围岩分级、变形本构关系、支护特点、变形控制等多个方面研究了黄土隧道的工程特点，但对于黄土隧道的具体施工方法及工艺研究不多。本文选择宝鸡至天水高速公路甘泉黄土隧道为研究对象，分析其施工过程中的关键技术，从而为黄土地区隧道施工提供技术支持。

1隧道开挖工艺的选择

甘泉隧道围岩级别及其长度统计见表1。

表1　甘泉隧道围岩级别及其长度统计

甘泉隧道洞身围岩以Ⅳ级为主，为大块状压密结构的Q1和Q2黄土，兼有Ⅴ级围岩（Q3和Q4黄土）。Ⅳ级围岩拱部无支护时可产生较大坍塌，侧壁有时失稳，Ⅴ级围岩易坍塌，侧壁经常小坍塌，浅埋时易出现地表下沉。洞口处以Ⅵ级围岩为主，Ⅵ级围岩极易坍塌变形，有水时土砂常与水一起涌出，浅埋时易塌至地表。根据围岩等级的不同，在施工过程中需选择合适的施工方法。隧道施工中常用的方法有全断面法、上下台阶法、CD法、双侧壁导坑法等。对于Ⅳ～Ⅵ级的软弱围岩，一般采用上下台阶法、CD法和双侧壁导坑法等对变形和地表沉降控制较好的方法［7］。在此，采用有限元的方法分析隧道变形量来进行比较。

1. 1模型的建立与分析

模拟隧道开挖直径为6 m，洞身高为8 m。计算范围的底部距隧底取5倍洞室高度，左右取5倍洞身跨度，隧道埋深20 m，在此先不考虑二次衬砌的作用，只考虑在原始地层条件下开挖之后初期支护完成后的情况。初期支护采用C25混凝土，厚30 cm。隧道侧面边界为水平位移约束，底部边界为竖向位移约束，模型上部为自由边界。分析模型如图1。由于隧道变形量一般拱顶处最大，所以控制点定为拱顶处，且拱顶处几乎没有水平位移，只考虑竖向位移。黄土和初期支护混凝土的材料参数见表2。

图1　分析模型（单位：m）

表2　黄土和初期支护混凝土的参数

利用Ansys进行分析，结果见表3。可知，双侧壁导坑法对于隧道位移的控制效果最好，CD法次之，上下台阶法最差。

表3　有限元模拟结果

1. 2洞身段施工方法的选择

甘泉隧道为软弱围岩，洞身以Ⅳ级围岩为主，兼有Ⅴ级围岩。对于Ⅳ级围岩地段采用上下台阶法开挖施工，利用超前小导管进行注浆支护。同时，系统锚杆、网喷混凝土、钢支撑等紧跟开挖面。人工开挖与机械开挖相结合，对于状态较好的围岩可以采用非电毫秒光面爆破，爆破作业采用减弱爆破方法，分次、间隔进行，以确保隧道开挖周边围岩的完整和稳定。Ⅳ级围岩钻爆作业光面爆破参数依照《公路隧道施工技术规范》（JTG F60—2009）及施工经验选取（见表4），并在实施过程中根据光面爆破效果及时修正。对于Ⅴ级围岩地段，采用超前小导管注浆，配合CD法施工。

表4　Ⅳ级围岩光面爆破参数

1. 3洞口段施工方法的选择

甘泉隧道洞口段黄土堆积，围岩破碎，渗水量大，洞口处围岩以Ⅵ级围岩为主。甘肃省冬季气温较低，明洞混凝土的施工质量不易保证。因此，可采取先做暗洞超前支护进洞，待气温回升，达到混凝土施工要求时，再组织隧道明洞施工。施工方法为：在修好洞门排水系统后，分2次修刷洞门边坡和仰坡，第1次修刷到施工大管棚位置，施工完大管棚后进行第2次修刷，至设计要求。大管棚施工作为超前强支护，同时刚支撑紧跟并配合系统锚杆。由于洞口处的围岩破碎、松散，为了确保进洞安全，进洞开挖采用对位移控制较好的双侧壁导坑法。

2　隧道初期支护工艺

甘泉隧道进洞采用钢架混凝土套拱与大管棚相结合的方法进行开挖，洞口开挖后立即完成初期支护，同时安装套拱钢筋架浇注导向墙混凝土。在混凝土强度达到80％后，用钻头直径为100 mm的钻机按测量放样的尺寸进行钻孔，钻孔仰角以2°～3°为宜，钻孔过程中要用测斜仪测定孔的偏斜度，发现偏斜及时纠正，直至钻入设计深度，完成钻孔后，用高压风清孔后人工和机械配合将加工好的钢管插入孔中，用水灰比1∶1的砂浆（添加质量为5％水泥用量的水玻璃）对钢管进行注浆，注浆压力初压为0. 5～1. 0 MPa，终压为2. 0 MPa，注浆完成后及时清除管内浆液，以M30水泥砂浆填充。完成所有长管棚后，采用双侧壁导坑法人工风镐开挖进洞，采用钢支撑、钢筋网和喷射混凝土施作初期支护。隧道初期支护经过一定时间变形逐渐稳定后，再铺设防水层，浇筑二次衬砌混凝土。注意要同时达到以下5个条件后才能开始二次衬砌浇筑作业：①隧道周边位移速度明显下降；②水平收敛（拱脚边墙中部）速率＜0. 2 mm/d；③拱顶与底板垂直位移速率＜0. 15 mm/d；④收敛量已达到总收敛量的80％以上；⑤初期支护表面裂缝不再继续发展［8］。具体采用的支护措施和衬砌参数见表5。

3　防排水工艺

黄土遇水软化十分明显，隧道开挖时如果遇到地下径流，因为开挖后水力坡度改变，地下水往开挖面渗透，地下水的流动及溶蚀会带走细小颗粒及可溶解性矿物质从而使土体强度降低，并且在开挖面附近对黄土产生崩解破坏作用，临空面失去平衡而变形甚至坍塌，特别是开挖的拱脚或侧墙脚的位置，稍有积水，表层土就会迅速软化从而丧失承载能力，表现为初期支护沉降变形加大甚至于坍塌，所以黄土隧道的防排水工程对于隧道在施工及运营阶段有着非常重要的作用。

甘泉隧道设直径80 cm中央排水沟和直径116 mmHDPE单壁波纹管及Ω型弹簧排水管排隧道周边渗漏水。结构防水采用全断面铺设EVA/ECB共挤防窜流复合防水板和喷射混凝土阻水层，防水板采用铺挂台车铺设，二次衬砌变形缝、纵向施工缝均用中埋式橡胶止水带止水，环向施工缝用带注浆管橡胶膨胀止水条止水。

表5　甘泉隧道洞身支护和衬砌参数

4监控量测与超前地质预报

4. 1监控量测

如果围岩出现变形失稳，在发生塌方之前，围岩的地质特征及其岩石力学性质方面会有一些事前征兆。因此，应根据事前征兆加强对围岩稳定性的监测预警，及时对隧道地质情况作出超前预报［9］。同时，加强对围岩的量测，做好初期支护，可防止隧道塌方，保证施工安全。甘泉隧道围岩监控量测情况见表6。

表6　甘泉隧道围岩监控量测情况

4. 2超前地质预报

针对甘泉隧道软弱围岩的特点，将地质超前预报体系列入施工工序。施工过程中可以将多种预报方法相互结合，即以工程地质法（图析法及地质素描法）进行超前宏观预报；以TSP203超前地质预报系统进行距离≥100 m的预报。同时利用地质雷达结合地质素描对预报的结果进行修正。利用多种手段加强对地质情况的综合监测和分析，尽量降低发生地质灾害的可能性。

围岩变形的监控测量和地质灾害的超前预报应该同时进行，将监控测量和预报结果及时反馈给设计和施工单位。隧道设计和施工单位可采用动态设计法，合理调整设计和施工方案，以保证隧道施工的安全进行［10］。

5　结语

1）黄土隧道需要根据围岩级别及施工条件选择不同的施工方法，从施工过程中对地表沉降的控制情况来看，双侧壁导坑法优于CD法，CD法优于上下台阶法。

2）软弱围岩黄土隧道的支护衬砌方式和施作时机要合理确定。对于Ⅳ～Ⅵ级软弱黄土围岩，需进行大管棚或超前小导管注浆超前支护，然后配合锚喷支护或模筑混凝土进行初期支护，必须同时满足以下条件才能施作二次衬砌：隧道周边位移速度明显下降；水平收敛（拱脚边墙中部）速率＜0. 2 mm/d；拱顶与底板垂直位移速率＜0. 15 mm/d；收敛量已达到总收敛量的80％以上；初期支护表面裂缝不再继续发展。

3）做好隧道防排水工程，防止洞内渗水或大气降水浸泡隧道洞底。

4）黄土隧道在施工过程中应认真作好围岩监控量测和隧道地质超前预报工作，把隧道超前地质预报纳入工序组织施工，做到“早预报、早封闭、勤量测”，及时了解施工前方围岩状态和初期支护受力状态，提前调整施工方法及支护参数，确保施工安全。

参考文献

［1］刘晓东.西北黄土隧道围岩物理力学特性试验分析［J］.公路交通科技（应用技术版），2012（6）：353-356.

［2］梁庆国，李洁，李德武，等.黄土隧道围岩分级研究的若干问题［J］.岩土工程学报，2011，33（增1）：170-176.

［3］苗天德，刘忠玉，任九生.湿陷性黄土的变形机理与本构关系［J］.岩土工程学报，1999，21（4）：383-387.

［4］赵勇.隧道围岩动态变形规律及控制技术研究［J］.北京交通大学学报，2010，34（4）：1-5.

［5］朱彦鹏，何江飞，李军.黄土公路隧道浅埋段管棚注浆支护机理及监测分析［J］.建筑科学与工程学报，2011，28（1）：11-15.

［6］陈建勋，王梦恕，轩俊杰，等.两车道公路黄土隧道变形规律［J］.交通运输工程学报，2012，12（3）：9-18.

［7］杨海峰.大跨度黄土隧道施工方法的对比分析与数值模拟［J］.筑路机械与施工机械化，2013（8）：89-92.

［8］米慧杰.黄土隧道初支与二衬荷载分担比例的现场试验分析［J］.公路交通科技（应用技术版），2013（8）：158-160.

［9］马健俊.隧道施工监控量测分析与应用［J］.河南理工大学学报（自然科学版），2006，25（5）：390-394.

［10］韩菲沽，雷天.湿陷性黄土隧道动态设计［J］.公路工程，2013，38（3）：158-161.

（责任审编葛全红）

Construction Technology of Soft Rock Tunnel in Loess Area

WANG Yixin1，YAO Xiaoping1，YUE Hua2，ZHANG Chunsheng1
（1. School of Civil Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo Henan 454000，China；2. The Fourth Engineering Co.，Ltd. of China Railway Sixteen Bureau Group，Beijing 100010，China）

AbstractT he engineering characteristics of loess tunnel surrounding rock are special，and choosing the proper excavation technology，lining support and monitoring measurement method could ensure the safety of the tunnel construction. T aking Ganquan tunnel as an example，the excavation method was simulated and analyzed by using finite element method. T he results showed that double side drift method has a good effect on control of tunnel vertical displacement，CD method has a normal control effect and the control effect of benching tunneling method is poor. T he benching tunneling method was used forⅣclass surrounding rock section of Ganquan tunnel，CD method was used forⅤclass surrounding rock section and the double side drift method was used forⅥclass surrounding rock section. Safety construction method for loess tunnel was discussed from the key construction process and technology including tunnel initial support，secondary lining，waterproof and drainage，monitoring measurement and advanced geological prediction，which was proved to be reasonable by the construction of Ganquan tunnel.

Key wordsLoess tunnel；Soft rock；Finite element method；T unnel construction technology；M onitoring measurement

中图分类号U455. 4

文献标识码A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 21

文章编号：1003-1995（2016）06-0076-04

收稿日期：2015-06-10；修回日期：2016-04-10

基金项目：国家自然科学基金（41402216）

作者简介：王一新（1980—），男，副教授，博士研究生。