大断面黄土隧道初期支护变形控制技术研究

高王锋

(中铁二十局集团第四工程有限公司 山东青岛 266100)

1 引言

近年来，随着我国建筑施工管理水平的不断提高，对安全质量、工期、建造成本、机械化程度、节能环保等方面提出了更高要求[1]。不断探索应用新技术、新材料、新工艺、新设备，成为建筑施工企业赖以生存的根本。

本文主要介绍蒙华铁路黄土隧道施工过程中，通过传统的三台阶大拱脚临时仰拱法和设置围岩应力释放装置两种方法的实践应用，从机械化程度、劳动作业强度、施工进度、工程成本、结构的安全质量等方面进行对比分析，结果表明使用围岩应力释放装置具有明显的优越性；同时对围岩应力较大段落的支护形式由刚性支撑向柔性支护的转变提供了一个新思路，具有很好的借鉴作用。

2 工程概况

蒙西至华中地区铁路运煤通道工程，线路全长1 837 km，采用国铁Ⅰ级(重载铁路)技术标准。中铁二十局蒙华铁路MHTJ-7标段全长35.7 km，其中隧道工程31.86 km，隧道占比高达89%。

麻科义隧道位于延安市宝塔区及延长县境内，起讫里程DK358＋192.4～DK366＋920.95，隧道全长8 728.55 m，为单洞双线隧道，开挖断面104 m2。该隧道属于陕北高原梁峁区，冲沟发育，零星分布小面积黄土塬，沟谷切割较深，地势总体自东向西倾斜，海拔在921～1 210 m之间，大部分地区覆盖厚层黄土。

麻科义隧道出口DK366＋411～DK365＋748段掌子面地质情况:黏质老黄土，棕黄色，硬塑～坚硬，土质均匀，含少量钙质结核，垂直节理较发育，节理面潮湿，隧道埋深53～87 m。开挖支护过程中有水渗出，部分段落两侧拱腰有掉块现象，围岩整体稳定性较差，综合判定围岩级别为Ⅴ级。

3 施工方案的对比选择

DK366＋411～DK366＋385段按照三台阶预留核心土法施工，初期支护采用H180格栅钢架，间距0.75 m，喷射混凝土厚度25 cm。在初期支护封闭成环后，陆续在上、中台阶结合部持续出现纵向开裂，部分段落格栅钢架变形扭曲严重，且监控量测数据呈现不收敛状态。

图1 初期支护喷射混凝土剥皮、开裂

通过现场地质调查，结合西南交通大学有关的初期支护内力监测及数值分析，判定该段落初期支护整体受压，围岩在左右两侧拱腰存在较大的相对剪切应变，压缩拱顶区域，结构压应力超出抗压强度导致压剪破坏，进而引起初期支护变形开裂掉块、钢架扭曲变形[2]，如图1所示。

3.1 三台阶大拱脚临时仰拱法

为防止初期支护施工完成后再次出现起皮开裂，经设计变更，在后续相同地质段落采用三台阶大拱脚临时仰拱法施工[3]。具体支护措施为:超前支护采用ϕ42超前小导管，长度3.5 m；初期支护采用Ⅴa土复合式衬砌，H180格栅钢架，间距0.75 m，钢架脚部设置大拱脚，上台阶拱脚部位设置临时仰拱；锁脚采用 ϕ42无缝钢管，壁厚5 mm，每节点2根，长度4 m，采用ϕ25L型连接钢筋与钢架焊接紧密；采用ϕ8 20×20钢筋网片，C20喷射混凝土，厚度25 cm，如图2所示。通过现场实践，初期支护变形破坏得到了有效控制。

图2 三台阶大拱脚临时仰拱法施工横断面

3.2 设置围岩应力释放装置

中铁二十局蒙华铁路MHTJ-7标段在施工过程中不断探索，结合集团公司、蒙华公司、西南交通大学有关专家的研究指导，在黄土隧道围岩应力较大段落设置围岩应力释放装置，即在原设计格栅钢架[4]图纸的基础上，在结构关键受力部位(两侧拱腰)[5]设置围岩应力释放装置；同时拱顶外扩10 cm，边墙外扩5 cm，开挖预留变形量根据监控量测数据动态调整。该部位在拱墙衬砌浇筑之前暂不喷射混凝土，可以适度释放围岩压力，减小结构内力，有效防止初期支护破坏问题。

设置围岩应力释放装置，钢架型号与原设计型号保持不变，拱顶40°范围半径不变，仅加大了拱部左右侧各20°～60°范围的半径，左右拱脚向外放大15 cm。围岩应力释放装置高度30 cm，纵向贯通，长度等于格栅钢架间距，宽度等于喷射混凝土厚度。竖向采用高度28 cm、厚度8 mm的竖向钢板与上下两侧10 mm厚的连接钢板焊接，连接钢板预留螺栓孔与钢架连接，如图3所示。

图3 围岩应力释放装置与钢架连接

3.3 施工方法优缺点分析

通过前期类似地质采用三台阶大拱脚临时仰拱法和采用围岩应力释放装置现场实验验证，两种方法均对控制初支混凝土起皮开裂、掉块和钢架扭曲变形具有很好地控制作用。

从机械化程度、工程成本、施工进度、监控量测结果四个方面对两种施工方法进行对比分析。

(1)机械化程度

三台阶大拱脚临时仰拱法需设置临时支撑，作业空间小，工序繁琐，不利于大型机械化施工；使用围岩应力释放装置，可简化施工工法，作业空间大，有利于大断面作业，适合大型机械施工[6]。

(2)工程成本

三台阶大拱脚临时仰拱法增加了临时仰拱钢架及大拱脚部位钢垫板、开挖及喷射混凝土数量；使用围岩应力释放装置，在上中台阶两侧结合部位增加了一段钢构件、6根PVC管及增大预留变形量而增加的开挖数量，具体见表1。可见，设置围岩应力释放装置与三台阶大拱脚临时仰拱法相比较，可大大节约工程材料，降低工程成本。

表1 工程成本对比分析

(3)施工进度

三台阶大拱脚临时仰拱法需要设置临时支撑，无法采用大型机械，作业效率低。现场统计，Ⅴa土段落平均每循环用时11 h，进度40～50 m/月；使用围岩应力释放装置，Ⅴa土段落平均每循环用时8 h，进度55～65 m/月。

(4)监控量测结果

三台阶大拱脚临时仰拱法主要利用大拱脚及临时仰拱较大的支撑力抑制围岩塑性变形；而围岩应力释放装置原理为充分发挥围岩的自承能力，允许围岩产生一定塑性变形，以适度释放围岩应力。因此设置围岩应力释放装置时监控量测数据较大，见图4～图5。

图4 DK366＋368断面拱顶下沉及水平收敛时程曲线(未设围岩应力释放装置)

图5 DK366＋342断面拱顶下沉及水平收敛时程曲线(设置围岩应力释放装置)

综上所述，设置围岩应力释放装置时围岩监控量测数据较大，但具有机械化程度高、工程成本低、施工进度快等优点，因此设置围岩应力释放装置更加经济合理。现场使用效果见图6。

图6 设置围岩应力释放装置段落

4 施工工艺及控制要点

4.1 施工工艺流程

设置围岩应力释放装置施工工艺流程见图7。

图7 设置围岩应力释放装置施工工艺流程

图8 拱顶下沉测点和水平收敛测线布置示意

4.2 施工控制要点

(1)加强监控量测工作，及时进行数据分析

采用围岩应力释放装置后，围岩变形较大，现场应成立专业监控量测小组重点监测。黄土隧道Ⅴ级围岩段落每5 m布置一个量测断面，每个断面布置7个测点，测点布置见图8，观测频率2次/d。如出现围岩变形速率超过预警值(初期支护成环前变形速率连续≥20 mm/d或成环1周后数据仍不收敛，特别是水平收敛速率仍≥2 mm/d)、渗水严重、局部溜塌等情况，应增加测点及观测频率，并立即向上级汇报，以便及时采取加固措施[7]。

(2)选择合理的支护参数及预留变形量

设置围岩应力释放装置段落钢架型号与间距、钢筋网片、喷射混凝土等措施维持原设计不变。

对监控量测数据及时进行整理分析，并绘制隧道变形量随时间变化关系曲线图，依据累计变形量结合专家现场指导，设置合理的预留变形量。

具体支护参数和预留变形量设计参考值见表2。

表2 支护参数和预留变形量参考值

(3)简化施工方法，快挖快支，减少围岩暴露时间

应充分发挥大型机械化施工优势，选择三台阶和三台阶预留核心土法施工。采用人工配合带松土器的挖掘机开挖各台阶；按照流水作业法及时安装钢架、围岩应力释放装置、钢筋网片、锁脚锚管；采用HPS3016S型湿喷机械手快速喷射混凝土[8]。

(4)落实两紧跟，初支仰拱及时封闭成环

下台阶及初支仰拱同步开挖，及时封闭成环[9]，严格实行两紧跟，即上台阶钢架紧跟掌子面、初支仰拱紧跟下台阶[10]。掌子面到成环距离控制在1～1.5倍隧道洞径，确保掌子面施工安全。

(5)加强锁脚锚管施工质量

锁脚锚管采用ϕ42、壁厚5 mm无缝钢管，长度4 m，每节点2根，角度斜向下30°～45°，与钢架采用ϕ25L型钢筋焊接牢固。当渗水较大、围岩软弱、监控量测数据异常时应增加锁脚锚管数量，每节点处设置两排，共4根，环向排距80 cm[11]。

(6)加强拱脚支垫措施，严禁积水浸泡拱脚，保证洞内排水通畅

上、中台阶钢架底部设置轻质泡沫铝垫板，尺寸50 cm×30 cm×3.5 cm，其上铺设10 cm厚砂垫层，以便下部开挖时与喷射混凝土脱离。

完善洞内排水系统，保证洞内排水通畅，掌子面设置集水坑和移动集水箱，专人负责及时抽排，严禁积水浸泡拱脚。

(7)喷射混凝土时应加强围岩应力释放装置的保护

围岩应力释放装置部位在施工拱墙衬砌之前暂不喷射混凝土。为防止喷射混凝土或其他杂物填充围岩应力释放装置，应在外侧覆盖防水板，内侧填充河沙进行保护。

5 结束语

在大断面黄土隧道施工过程中，因较大的围岩应力引起初期支护钢架扭曲变形、喷射混凝土开裂掉块，甚至坍塌等灾害，存在巨大安全隐患[12]。如何实现安全、经济、高效、节能环保施工，越来越受到国内隧道设计与施工专业人员的重视。

在中铁二十局蒙华铁路隧道施工过程中，通过在易发生结构破坏部位设置围岩应力释放装置，有效防止了黄土隧道初期支护变形开裂，简化施工工法，全面施行机械化，实现初期支护快速封闭成环，在质量、安全、进度、成本、效益等方面均取得了良好效果，具有广阔的应用前景。