米拉湾黄土隧道浅埋段施工控制技术

王平堂

（中铁十八局集团第三工程有限公司 云南昆明 650200）

1 工程概况

浅埋、偏压黄土隧道的施工一直是黄土隧道建设中的难题。随着我国西部地区高速铁路的大规模建设，黄土隧道施工中出现的浅埋、偏压等问题逐渐突出。我国的科研学者们对黄土隧道的施工进行了广泛的基础研究，取得了丰硕的成果。王梦恕院士通过大量隧道施工变形监测及理论分析后得出结论：隧道围岩变形分为先行变形阶段、急剧变形阶段、变形稳定阶段和长期缓慢变形阶段。这一结论为隧道围岩支护设计及施工提供了理论依据。早在1988 年朱家桥学者采用洞顶围岩监测手段成功对将军山隧道塌方事故进行预警，有力的推动了我国隧道支护技术的发展。以谭忠盛教授为代表的北京交通大学隧道技术研究学者们对隧道初支作用机理及变形控制技术进行了系统的理论研究和现场应用技术分析后认为：隧道初期支护变形以整体沉降为主，拱脚处是围岩变形的主要危险点，此处产生过大变形量时容易导致隧道失稳。现阶段随着黄土隧道基础研究的广泛开展和多种围岩控制技术的理论分析和现场实践证明：围岩断面及时闭合，缩短仰拱封闭距离是控制隧道围岩变形的重要措施。本文以米拉湾隧道浅埋段施工为研究背景，通过现场实践技术和围岩监测分析的研究得出了米拉湾隧道浅埋段施工的变形控制技术。

米拉湾隧道设计为双线隧道，全长1450 m，位于黄土沟壑区，该区施工范围内全部为湿陷性黄土、河卵石夹沙、泥岩、板岩等破碎结构，大部分是Ⅴ级围岩，土质松软，承载力极低，遇水就要沉落，隧道施工的风险非常大，隧道最大埋深150m，下穿浅埋冲沟处最小埋深小于1m。

2 现场施工情况概述

米拉湾隧道正洞采用三台阶设临时仰拱法施工，施工初期测量人员监测到洞口附近地表变形发育较为明显，随着隧道往前开挖，地表裂缝长度也随着延伸，裂缝宽度也随着加宽。隧道内部初期支护施工完成后表面裂隙发育明显，支架拱脚处裂缝普遍较大，内鼓现象明显，个别钢拱架有偏斜错位现象。

根据该段围岩量测数据显示地表沉降累计达到5.7cm，地表向线路右侧横向位移12cm，洞内拱顶最大累计下沉为8cm，两边墙累计收敛量达19mm，向线路右侧偏压2.8cm。随着仰拱成环及二衬施工后，洞内及地表沉降虽有稳定的趋势，但是地表贯通的裂纹仍在延伸。

3 浅埋段施工变形原因分析

通过对米拉湾隧道浅埋段地质特性的理论分析和施工经验的实践总结，结合现阶段较成熟的隧道围岩支护理论技术，总结米拉湾隧道变形量过大的主要原因如下：

（1）米拉湾隧道进口段为浅埋大断面黄土隧道，因其埋藏较浅，垂直节理发育明显，因节理裂隙切割形成竖向弱面，弱面间粘聚力较小，受开挖扰动影响，隧道上方土体在重力作用下变形较为明显，表现为下沉变形量大、应力释放明显、结构破坏具有突然性等显著特点，是塌方事故的高发地区。

（2）米拉湾隧道进口段为典型的偏压隧道黄土隧道，进口段整体处在山体的滑坡坍塌体的山坡底端，山体坡度约为30°，进口浅埋隧道中心线与山体走向基本平行，处在山坡的底端，偏压现象较严重，地表横向偏移量较为明显。

（3）隧道施工较慢，工序衔接不紧凑，导致围岩裂缝充分发育。隧道进口段为Ve 围岩，采用三台阶设临时仰拱法施工，开工初期，新进场队伍磨合期较长，各工序之间衔接不紧凑，日平均进尺仅为1.2m，尤其是掌子面开挖后，初喷混凝土不及时，钢拱架设时间滞后开挖时间达4 h 以上，导致隧道围岩裂隙充分发育，初期支护完成后不久即可见喷射混凝土面有明显裂隙发育。

4 浅埋段施工变形控制施工方法

4.1 现场准备

（1）地表预处理。黄土地区地表陷穴裂隙广泛发育，对洞穴应根据分布位置、形状、深度、大小和发展趋势，采取回填夯实等措施。陷穴及坑穴的处理方法：①隧道施工前，首先对隧道线路范围内的地表情况进行实地勘察，按施工图做好防排水措施，避免地表水流入。②排查隧道影响范围内的水井设施，采取回填措施，确保地表无积水环境，并对管线采取保护措施，防止施工影响。③检查坑洞内的环境，采取安全保护措施。对不稳定的坑洞应加强临时支撑。坑洞内有害气体和物质应予以排除，揭露其表盖层，清除洞内沉积物。

（2）山体预加固。米拉湾隧道线路通过滑坡、错落群，其中在两处沟心，隧道埋深最浅，小于1m，不良地质对隧道工程影响大。为确保施工安全，结合现场地形，对线路左侧和右侧采用2.5m*3m 围护桩对线路上游错落体进行预加固，桩长31m，间距5m。

4.2 洞口边仰坡及洞门施工

洞口边仰坡施工首先做好洞顶和边坡顶的截水天沟，以利截排水，同时宜避开雨季开挖。检查边、仰坡以上的山坡稳定情况，清除悬石、处理危石，施工期间不间断监测和防护，坡面防护及时施作。土方采用挖掘机开挖，挖掘机装碴、自卸式汽车运输。按先上后下的顺序逐层开挖、逐层支护。埋深较浅的隧道，优先考虑明洞及洞门施工，洞门采用整体一次性浇注。混凝土施作完成拆摸养护后，施作洞门附属工程。

4.3 洞身施工

（1）超前支护。依据现场开挖实际揭露地质围岩，超前支护为拱部选用φ108 管棚+φ42 小导管；φ89 管棚+φ42 小导管；φ159 管棚+φ42 小导管。

洞身开挖前首先施工超前支护措施，在洞门处采用大管棚配合小管棚支护方式，见图1。洞身段根据地质条件采用洞身中管棚配合小导管超前支护、双层小导管超前支护、单层小导管超前支护等超前支护方式，确保隧道开挖区域的围岩稳定，施工安全。

洞口浅埋地段拱部采用Φ108*6mm 热轧无缝钢管超前长管棚注浆预支护，长管棚长度30m，按一环布置，导向墙采用C20 混凝土，为保证长管棚施工精度，导向墙内设2 榀I18 工字钢架，钢架外缘设Φ140*5mm 导向钢管。

图1 三台阶设临时仰拱法开挖示意图

（2）洞身开挖。隧道浅埋段采用三台阶设临时仰拱法开挖，隧道浅埋段衬砌类型为Ve，设计预留变形量为15～20 cm。

隧道采用挖掘机开挖，装渣车运渣，上台阶单个作业面单次开挖进尺为0.6m，交替施工。开挖后立即施工初期支护，并尽早封闭成环，下一台阶的开挖在上一台阶喷射砼设计强度达到70%以上时施工，下部断面开挖时左右交错进行，封闭位置距离掌子面不超过35m，二衬距离掌子面不超过70m。

洞身开挖方式标段内根据地质资料，可根据需要采用挖掘机开挖，人工配合整修措施。严格控制超欠挖，保证开挖成型质量，减少对周边围岩的扰动。

（3）出渣。隧道出碴采用无轨运输组织出碴，采用装载机装碴，自卸车运至指定弃碴场，结合隧道实际情况每个工作面配置一台挖掘机、一台装载机，三台运输车，组成“挖装运”一体的作业线。

（4）弃渣。弃砟场提前采用防护措施，挡碴墙提前修建，先挡后弃，弃碴符合地方环保规定，施工过程中保护碴场四周的植被，工程竣工后对碴场进行填土恢复、平整、绿化、还耕，以保护生态环境，防止水土流失。

（5）初期支护。初期支护紧跟隧道开挖，全线隧道初期支护采用锚网喷配合钢拱架支护模式，隧道开挖后首先喷射5cm 厚C25 混凝土封闭围岩断面，然后施工边墙A22 全长粘结型砂浆锚杆、钢拱架和双层钢筋网。钢拱架采用I25a 型钢，各节钢架连接采用用I32a 型槽钢与I25a 型钢端部焊接后再用螺栓连接，钢架与锚杆头固定在一起。在拱部钢架基脚处设槽钢板以增加基底承载力。

初期支护紧跟开挖面及时施作，以减少围岩暴露时间，抑制围岩变形，防止围岩在短期内松弛剥落。

（6）防水。坚持“防、排、堵、截结合，因地制宜，综合治理”为原则，隧道二次衬砌采用防水砼，施工中采取特殊的技术措施，确保不渗不漏。隧道拱墙设复合防水板，防水板采用无钉孔铺设，焊缝采用爬焊机焊接。

初期支护与二次衬砌之间敷设防水板加土工布，两侧边墙墙脚外侧设置纵向φ80 纵向排水盲管，每6m 一段，隧道环向设置φ50 纵向排水盲管，每6m 一段，接头处接直接接入隧道侧沟。

拱墙环向施工缝设置“中埋式橡胶止水带+外贴式塑料止水带”，仰拱环向位置设置中埋式橡胶止水带；纵向施工缝处设置中埋式钢边橡胶止水带；变形缝处设置中埋式钢边橡胶止水带+外贴塑料止水带。

（7）二次衬砌。洞身采用复合式衬砌。复合式衬砌由初期支护、防水隔离层与二次衬砌组成，采用曲墙加仰拱结构型式。

仰拱采用现浇70cm 厚度C35 钢筋混凝土，二次衬砌采用模注60cm 厚C35 钢筋混凝土。仰拱紧跟开挖工作面施作并与拱墙及早封闭成环，二衬根据围岩变形监测情况滞后仰拱约24m 施工。

二次衬砌采用模筑混凝土，其施工工序如下：施作防水层→衬砌台车定位→安装止水带及端头挡板→安装钢筋和预埋件→经检查合格后灌注混凝土→混凝土养护→拆模(混凝土达到规定强度)→台车移位→对模板进行清理和涂脱模剂→进行下一循环混凝土施工。

仰拱、填充紧随开挖进行，采取超前全幅分段施工方案，仰拱与填充分开施工，配备移动式液压仰拱栈桥确保洞内运输通畅。

二衬施工采用液压模板台车衬砌，墙身采用分流槽浇筑方式，拱顶采用泵送送入模，附属洞室采用组合模板施工。由下向上，对称分层，先墙后拱灌筑，入模倾落自由高度不超过2.0m，机械振捣。二衬混凝土浇筑完成后带模注浆，确保拱顶浆液密实。

（8）排水。洞内水沟采用双侧水沟方式，衬砌背后积水通过环向和纵向排水盲管引入侧沟，由水沟排出洞外。衬砌背后环向排水盲管6m 设一环，掌子面备足大功率污水泵，作为隧道发生涌水突发事件时的应急设备。

5 围岩监测

监控量测工作紧随开挖、支护作业，监控的重点是拱顶下层、拱脚下沉及位移、地表沉降、隧道净空收敛等内容。

地表点位布设断面与洞内量测断面在同一断面里程，采用全站仪进行洞内外沉降观测。隧道洞内进口段每3m 布设一个断面，洞内5m 布设一个断面，每个断面布设7 个观测点，每个测点独立进行变形分析。

监控数据表明：地表即隧内水平变形和沉降变形均随工作面的推移而变化，隧道初期支护封闭成环后，沉降变形速率降低，但地表水平变形仍处在高速发展区，待隧道仰拱施工后，地表水平变形速率开始变缓慢。

6 结论

本文通过浅埋大断面黄土隧道变形影响因素的理论分析及米拉湾隧道浅埋段的变形控制技术的应用得出如下主要结论：

（1）浅埋大断面黄土隧道初期支护变形以整体沉降为主，其拱顶、拱脚差异沉降量要明显大于深埋隧道差异沉降量，隧道拱脚处失稳的可能性较大。

（2）支护结构封闭成环是黄土隧道围岩变形控制的关键，隧道围岩变形量和支护结构封闭时间成正指数相关，现场施工过程中缩短仰拱封闭的时间和距离至关重要。

（3）米拉湾隧道进口段围岩变形控制的方法主要包括：采用三台阶设临时仰拱法施工，管棚超前支护系统，锚网喷配合钢拱架初期支护，钢筋混凝土二衬支护。现场监测的围岩变形数据与理论分析一致，可以满足施工要求。