黄土隧道特殊地质条件下换拱施工技术研究

张伟

摘要：结合绥延高速公路长岭山1号隧道进口换拱顺利完成所得施工经验及过程中的跟踪探索，重点阐述特殊地质条件下，黄土隧道初支换拱的施工工艺及具体操作流程和主要注意事项，较好的解决了施工中的诸多难题，诠释了隧道施工以人为本、安全第一的原则，为黄土隧道换拱施工安全提供依据。

Abstract： Combined with the construction experience obtained from the successful completion of the arch replacement in No. 1 tunnel of Changlingshan of Sui-Yan Expressway and the follow-up exploration in the process of the arch replacement， this paper focuses on the construction process and the specific operation flow and the main operation of the initial support arch replacement for the loess tunnel under special geological conditions. Many problems in the construction have been solved and the principles of people-oriented and safety first in tunnel construction are interpreted， which provided basis for the safety of the construction of the loess tunnel.

关键词：黄土隧道；超前支护；换拱；机械破碎；以人为本

Key words： loess tunnel；advanced support；arching；mechanical crushing；people-oriented

中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）20-0141-03

1 工程概况及地质情况

绥延高速公路长岭山1号隧道位于陕西省榆林市清涧县石嘴驿镇糜山河村，属于黄土梁峁沟壑地貌，轴线斜穿黄土梁脊，与梁脊斜交角度约60-80度，沿隧道轴向山梁地形呈长方形，两侧低，中部高；隧道进出口段地形相对较陡，坡面遍布薄层残坡结土，黄土梁两侧冲沟发育，沟谷呈树枝型展开。隧址区发育的特殊性岩土为上更新统马兰黄土具II级自重湿陷性，最大埋深为152m，均为Ⅴ级围岩。隧址区钻探深度发现地下水，结合地层岩性、地形地貌与地质构造条件分析判断，隧址区地下水相对富水，地下水对隧道有一定影响。经计算，隧道设计涌水量左为907m3/d、右线为961m3/d。

2 初支侵限情况描述

长岭山1号隧道右线进口YK38+824～YK38+833段设计围岩主要为中更新统离石黄土，呈硬塑状，土质均匀，结构致密；采用环形开挖预留核心土法进行施工，在拱部90度范围内采用长4m、壁厚4.5mm的Ф50小导管进行超前支护；纵向每3m施作一环；初期支护施作I22a全环型钢拱架，纵向间距0.6m，拱墙设置长3.5m的砂浆锚管，边墙环向设置长4m的砂浆锚杆；钢筋网为Ф8mm钢筋加工制作，网格间距为20cm*20cm，喷射混凝土厚度拱墙及仰拱的厚度皆为26cm，预留变形量为20～35cm。

该段于2017年8月19日完成上台阶的開挖及初期支护施工。在开挖过程中，实际揭露围岩与设计围岩有一定出入，隧道顶部主要为粉质沙土，围岩自稳能力很差，拱脚以下横断面表现都有渗水，开挖过程中左侧拱脚开始斜层掉块，很快由拱脚至拱顶位置大面垮塌，因掌子面钢拱架以上土层垮塌严重，致使高空土层垮塌冲击钢拱架等初支体系，造成YK38+790～YK38+827处出现4处不同程度环向裂缝，最大裂缝宽度为2.5cm。待稍稳定后，现场立即对开裂区域间隔5分钟、10分钟、30分钟随时围岩沉降收敛进行观测，一直到2小时候后，仍没有太大变化，确定开裂范围内稳定无变化，现场马上组织对边墙两侧进行反压回填，边墙反压完成后，监控量测数据仍无变化，再次组织从洞外运土对掌子面纵向10m，初支下约1.5m范围内进行反压回填，并对裂纹用泥土进行处理，观测裂纹变化情况。待掌子面反压完成后，围岩量测数据及裂纹都没有变化，现场确定掌子面无掉块和初支相对稳定后，现场对掌子面塌方情况进行了查看，用测量所用塔尺量测，塌方高度约5m，横向宽度约10m。后期对该段落进行断面测量，侵限最大为27cm，需对YK38+824～YK38+833段初期支护进行换拱处理。为确保施工安全质量等，首先对换拱部位的仰拱及C15片石砼填充进行施工，同时加快小里程二次衬砌施工至侵限最小范围，再预留换拱范围二次衬砌，对大里程二衬进行隔段施工。

3 原因分析

①该段地下水较为丰富，尤其为拱脚及仰拱开挖后，有明水渗出；围岩整体破碎，节理裂隙发育，并与掌子面在同一垂直面；围岩含水量较大，开挖暴露后极易产生掉块及垮塌现象。②据对隧道原地表的测量得知，YK38+815～YK38+840位于山体冲沟地段，换拱位置正处于冲沟段凹陷处，且受冲沟内常年雨水浸泡及线路一旁落水洞的影响较大，落水洞洞口距离隧道开挖轮廓线为17.76m。③受冲沟段影响，垮塌段存在山体偏压现象。④隧道揭示围岩为沙性土，自稳能力差，遇水具有失陷性。⑤在掌子面开挖过程中，出现拱腰掉块现象，施工人员未及时有效采取相应措施，导致掉块现象越发严重，以至大面积垮塌。⑥未严格控制开挖循环进尺，按照上半断面每循环1榀拱架间距控制，尤其是渗水段，更应该严格控制循环时间及循环进尺。

4 换拱处理方案

4.1 换拱施工工艺流程图（图2）

4.2 径向注浆管打设及注浆

4.2.1 径向注浆管打设

在YK38+824～YK38+833段通过断面测量确定换拱位置，沿隧道纵向*环向=1.5m*1.2m布置，全面注浆加固松散土体。注浆管采用50*4mm无缝钢管，沿管壁20cm梅花形布置8mm注浆孔；注浆管长度为1.2～1.5m，对1.5m范围内土体进行加固，形成一个坚固的壳体，以保证换拱过程中土体的散落与垮塌。

4.2.2 双液浆注浆

注浆采用活塞式注浆机对水泥-水玻璃浆液进行灌注，既能尽快的固结松散土体还能很好的起到封水作用。浆液的水灰比为1：1，水泥-水玻璃掺和比为1：0.5，施工过程中首先根据土体松散情况，试验取得土体的扩散系数，以准确的控制注浆量，注浆过程中压力控制在0.5～0.8MPa。

①双液浆选择的必要性。黄土隧道松散的围岩普遍认为注浆，是越注浆越起反作用；理由是注浆后浆液凝结过程中首先由水对土体进行软化，使得原本松散的土体更加的危险，有可能发生二次沉降，是很危险的。如果将浆液换做水泥-水玻璃浆液，其快速的凝结速度，良好的隔水效果会使注浆的效果得到保障，同时最大限度的减少了注浆用水对围岩的危害。（见图3）

②注浆管管长分析。换拱期间，普遍认为所打设环向注浆管越长越好，1.2～1.5m不能起到整体加固的作用。结合现场实际，注浆管如过长，会穿过土体裂隙，这种情况下注浆的浆液会沿裂隙流出，不能实现加固土体的作用，如盲目的继续注浆则为浪费。

③注浆压力的控制。一般注浆时根据压力表控制，通过稳压来确定是否注浆到位；但对于岩体垮塌及松散围岩来说，尤其是这种整体下沉土体，很多情况下注浆管穿过围岩的裂隙，如果这种情况下以注浆压力为依据，则注浆量就过大，并且起不到挤压扩散加固土体作用。

4.3 初期支护破口凿除

初期支护破除前首先对已注浆完成的初期支护进行钻孔探查，若注浆效果不理想，需进行再钻孔补浆处理；初支的破除选用人工凿除、冲击锤、无声高效破石剂预裂进行；普遍认为换拱位置为松散围岩，冲击锤的选取是不科学的，因为冲击锤震动作用过大，会影响到初期支护上层土体，存较大安全隐患。但通过实践证明，严格控制环向注浆管的注浆质量。

第一榀工字钢确定，初支未侵限位置上一榀工字钢作为开槽第一榀工字钢，第一榀工字钢必须确定为安全可靠，方可人工凿除，以减少对围岩扰动；开挖第二榀拱架采用冲击锤凿除，结合公路分离式隧道断面选用150型挖掘机（可以转向破碎头，正向、反向均可）较为适宜（见图4），应由一侧向换拱方向逐步进行破除，使用冲击锤凿除过程中要做好实时观察，使用冲击锤凿除降低了安全风险，同时提高了功效。如果全部选用人工凿除或是无声高效破石剂预裂，均需要人工利用台架采用风镐、电镐进行凿除或钻孔，功效过低，在不稳定的地质条件下作业，施工人员安全不能得到保障。

4.4 超前小导管打设

超前小导管的打设是换拱整个环节中最为重要的一步，现场采用Φ50mm钢管制作加工，第一环的着力点落在未侵限的钢拱架背部，对换拱区域在环向注浆的基础上再加设一道防线。打设角度一般为35～45°，但需保证不妨碍下一榀拱架的安装。超前小导管长度不小于2m，保证与前后环向小导管搭接长度不小于1m，环向间距30cm（见图5、图6）。

4.5 拱架的更换及连接

根据断面测量结果凿除侵限部位喷射混凝土，为方便新更护钢拱架的连接，喷射混凝土凿除时钢架切割处需向两侧多凿除50～60cm，换拱前预先在每榀钢架切割位置下方50cm处，每处左右两侧各打设2根锁脚锚管，锁脚锚管采用？准42mm，单根长度为3.5m。（图7）

需要注意的是换拱时拱架连接位置的处理，连接钢板焊接必须要饱满；换拱连接板位置是整环拱架的薄弱环节，连接板位置不能在拱顶位置。（图8）

4.6 实施监控量测

在初支换拱期間，安排专职测量人员对拱顶沉降、周边收敛进行实时监测，对换拱完成的每榀拱架及时进行观测点埋设，并及时对采集初始数据；所采集数据上传至隧道监控量测信息系统，第一时间进行时态曲线回归分析处理，对围岩变形情况，及时告知施工现场负责人。

5 人员、机械配置情况（表1、表2）

6 施工总结

①施工前应对隧道沿线地表进行实地勘察，在隧道进洞前完成地表处理，包括落水洞及局部凹陷处处理，防止地表水对隧道掘进带来不良影响。②施工过程中对围岩的地质变化观察不可忽视，特别是围岩出现含水量变大或局部渗水时，极易出现坍塌，应及时完成支护和渗水引排措施。③黄土隧道必须严格落实“管超前、勤排水、短进尺、留核心、强支护、早封闭、勤量测、快成环、紧衬砌”的原则，以保安全。④黄土隧道开挖时，要注意控制开挖进尺和超欠挖，在上半断面施工支护完成进行下部开挖时，拱脚位置应预先采取加固措施，防止由于下部开挖拱脚失稳拱架下沉引起坍塌，下部支护完成后应及时进行土体回填并碾压密实，以确保支护结构稳定。⑤黄土隧道开挖后，要严格限制围岩暴漏时间，施工全过程进行监控量测，并对量测数据及时进行分析，反馈至施工现场。⑥当黄土隧道施工过程中隧道掌子面出现局部坍塌、剥落时要及时观察并快速采取有效措施，防止隧道出现大面积垮塌变形；当围岩出现收敛变形较大，自稳能力差时，应及时调整隧道开挖工法，并放大预留变形量。

绥延高速公路长岭山1号隧道换拱顺利完成的实践证明：科学的施工方案决定着整个隧道换拱的成败；换拱整个过程坚持着“严注浆、管超前、弱凿除、强支护、短成环、勤测量”的换拱原则，坚持以人为本的思想，采用双液浆灌注、超前小导管支护、选择合适的破除点进行冲击锤凿除等技术在黄土隧道特殊地质下换拱是安全可行的。严格控制好施工细节，做好过程监控，可以保证换拱过程中的施工安全，降低施工风险，为黄土隧道换拱提供参考依据。

参考文献：

[1]杨晓华.水泥—水玻璃双液注浆在黄土隧道施工中的应用[J].中国公路学报，2004.

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