陇东地区黄土公路隧道修建关键技术探讨

贾 潇

（中国公路工程咨询集团有限公司， 北京 100089）

伴随着我国生产力的提高和中西部地区公路的建设，黄土隧道建设里程和长度均大幅度增加，黄土隧道设计和施工水平也有了很大提高。考虑到不同黄土工程地质分区的气候、地形和地质条件的差异，如大气降水量、黄土层厚度、天然含水量、黏粒含量、湿陷性等，不同地区黄土的工程特性差异较大，隧道建设方面的经验不能直接套用。本文结合陇东地区在建项目的现场施工和设计变更情况，分析了黄土的各项工程特性，提出了常见隧道工程问题的处治措施，在实际工程中得到了应用，取得了很好的效果。

1 项目情况简介

彭阳至大桥村段高速公路是国家高速公路网规划中G85银川至昆明国家高速公路的重要路段。项目沿线地形地质条件十分复杂，桥隧工程比例较高，特别是潘城控制性工程段内，路线穿越山体陡峻，沿大路河沟道较为狭窄，施工作业面较小，实施难度大。潘城先期开工试验段长5.64公里，双向四车道，设计速度80公里/小时。试验段设隧道2093.5米/1座（以双洞计），即潘城隧道，位于平凉市崆峒区潘城村。隧址区属黄土塬沟壑区，洞口呈缓坡台阶状低阶地地貌，银川端洞顶段落遍布冲沟，洞身穿越黄土塬，地形起伏大，地表植被少。

2 关键技术问题

2.1 洞口稳定性及位置选择

隧道银川端洞口处于缓坡状的低阶地，桩号 K0+755～K0+860/ ZK0+751～ZK0+851段地面起伏较小，最大埋深约20米，勘察期未见地下水。洞口地表遍布冲沟，呈鸡爪状地形，设计时考虑适当回填冲沟，加大拱肩覆土厚度，提高浅埋暗洞段落围岩稳定性，以实现提前进洞。

施工期隧道开挖后，洞内土体含水量与勘察期成果差异较大，经实验室测定土体含水量为23%～25%，而勘察期含水量为9%～12%。经分析得出，勘察期属项目区域旱季，施工期属项目区域雨季，洞口段因埋深浅、孔隙较大、土体竖向节理发育，雨季降水下渗明显，导致土体含水量增大。洞口段存在较厚的湿陷性黄土，当土体含水量增大时，以粉粒含量为主的黄土，遇水崩解。施工过程中，隧道拱顶沉降偏大、地表出现裂缝、仰拱地基承载力偏低等不利现象同时出现，导致施工难度加大、效率降低、变更费用增加，可以推断该洞口段方案有值得总结和优化的地方。

结合设计阶段的理念运用和施工现场的变更设计，该洞口段方案有如下值得优化的地方。一是洞口桩号的确定：应灵活运用“早进晚出、零开挖”的原则，对于地形或地质条件不适宜或选择提前进洞会带来洞口段施工安全风险升高的情况，可选择适当加长洞口段挖方路堑长度、增长明洞并配合明洞回填覆土植草，能够明显缩短工期、降低工程造价。二是洞口段稳定性的提高：原洞口段采用中隔壁法开挖，考虑到工序的复杂性、土体承载力不足、支护闭合时间较长、土体渗水较严重等因素，可采用三台阶（超短台阶）法+临时仰拱开挖，依靠大体积核心土提高掌子面稳定性，依靠临时仰拱控制拱顶沉降，并为洞内软基处理提供施工作业平台，经现场施工验证，可有效提高作业效率、安全性和结构的稳定性。

2.2 洞内软基处理

隧道银川端洞口浅埋段，桩号K0+755～K0+860/ ZK0+751～ZK0+851范围，地质勘察报告中属第四系中更新统黄土，夹多层古土壤，地基承载力为250kPa。该段落开挖后，仰拱以下主要为第四系中更系统黄土，潮湿，可塑，含水量约26.5%，有明显的渗水现象，地基承载力约110kPa。经挖探查明：自拱脚开始向下1～2m为第四系中更新统黄土，黄褐色，可塑，饱和；2～5m为第四系中更新统黄土（古土壤）层，灰褐色，可塑，湿～饱和；5～7m为第四系中更新统黄土，黄褐色，可塑～硬塑，湿，含较多钙质结核。

经分析，土体渗水来源是古土壤上层滞水，为地表水下渗遇古土壤层（隔水层）后滞留所致，总体水量不大。施工期属项目地雨季，地表水引排不及时而下渗后滞留，导致掌子面出现明显的渗水现象。加之洞内渗水散排、浸泡拱脚及下台阶土体，加大了该部分土体含水量，降低其承载力，不满求隧道结构的承载力要求。

为确保隧道结构和现场作业安全，综合考虑该段落地基土含水量、洞内施工便利性、施工作业面、施工效率、洞内初期支护结构的动力敏感性、洞内软基厚度等因素，排除了强夯法、换填垫层法、灰土挤密桩法，采用洞内高压旋喷桩复合地基处治。

高压旋喷桩复合地基的承载力特征值，可采用增强体静载荷试验结果和其周边土的承载力特征值结合经验确定。设计时可先按照有粘结强度增强体复合地基的公式进行估算，依据面积置换率、单桩承载力发挥系数、桩间土承载力发挥系数、桩端端阻力发挥系数等参数，得出桩体直径、桩间距、桩长等初步设计值。然后进行现场试验段施工，结合现场静载荷试验的结果，即复合地基承载力特征值和单桩竖向承载力特征值，调整初步设计参数，最终确定现场施工参数和工艺。另外，结合隧道有限元计算结论，两侧矮边墙与仰拱衔接处相比仰拱正下方，对承载力的大小更为敏感，在设计桩间距和桩长时，应做加密考虑。经现场施工验证，采取洞内高压旋喷桩的方案，有效的提高了洞内软基的承载能力，取得了很好的效果。

2.3 浅埋暗挖穿越冲沟

隧道桩号K0+933～K1+005范围，穿越地表冲沟，埋深为30～50米。该处冲沟内地表植被较丰富，冲沟横断面呈V型，冲沟侧壁陡立并伴有多处小规模坍塌现象，导致冲沟内时有堵塞，排水不畅。

项目施工期恰逢雨季，大量降水汇集于冲沟内部无法快速引排，通过竖向裂隙大量渗入隧道周边土体，导致土体含水量增大，掌子面自稳性降低，引发隧道施工中出现掌子面失稳、初期支护变形偏大等现象。为保证穿越冲沟段施工和运营期的结构安全，需采取相应的工程措施进行处治。

结合土体含水量、承载力及洞顶冲沟的现状，综合考虑安全性、经济性、施工便利性等因素，采用“内外兼治”的方案，即洞内调整支护参数+洞外地表冲沟处治二者结合的方案。洞内措施：采用φ108多循环管棚，提前加固掌子面前方土体；调整支护参数，改用加强型V级衬砌；加密环向排水管，仰拱下方敷设砂砾滤水垫层；选择三台阶七步开挖法。洞外措施：地表陷穴和裂缝封闭，冲沟疏浚、黏土封水回填、埋置梯形预制排水沟；加强沉降观测，及时调整工法和支护方案。经现场施工验证，采取洞内和洞外配合的处治措施，后续施工未发生掌子面坍塌、初期支护侵限的现象，施工效率得到了提高，安全性得到保证，处治效果显著。

3 结论

本文结合在建隧道出现的技术问题，如隧道洞口选择、洞内软基处理和浅埋穿越地表冲沟等，提出了灵活运用设计理念，基于洞内地基承载力、含水量和作业空间等不同采取加固措施，及地表冲沟“内外兼治”的处治思路及方案，取得了一定效果，积累了部分经验，可供邻近地区隧道建设参考。当然，地形、地质、含水量、承载力、工法和埋深条件，均对黄土隧道的设计和施工有决定性影响。项目经验的沿用还应与实际情况紧密结合，做到具体问题具体分析，探明原因，对症施策。