富水湿陷性黄土隧道施工技术研究

张宏伟

摘要：隧道工程作为公路工程建设的重要组成部分，为交通运输业的发展起到重要作用，但由于一些特殊地质的影响，尤其是地质条件较差情况下的隧道开挖、支护更加困难。为达到公路隧道工程施工技术的具体要求，保证施工安全，确保工程质量，提高建设效率，结合国内外高速公路隧道建设和一些实际工作中的施工经验，论述了富水湿陷性黄土隧道的施工技术措施以及浅埋、小净距、渗水和塌方等特殊地段的处理措施，为类似隧道的施工提供参考解决方案。

关键词：富水;湿陷性黄土;施工技术;特殊地段

引言：在富水湿陷性黄土段隧道施工过程中，要考虑更多的影响因素，结合隧道所在地区的气候、水文等条件制定施工方案，确定施工技术。本文以天庄高速公路西坪隧道施工为工程实例背景，对施工过程中存在的施工技术难点所采取的一系列处理措施做简要总结分析，为施工施工提供保障，有效地解决了隧道富水湿陷导致的沉降过大等问题。

1工程概况

本隧道为左右行分离式的双洞长隧道，长2869m，最大埋深195m。隧道V级围岩占95.2%，出口为小净距隧道，最小埋深约20m。隧道下穿构造剥蚀低中山及侵蚀堆积黄土梁峁沟壑地貌，地势起伏较大。隧址区主要为第四系全新统滑坡堆积黄土状土，大孔隙及垂直节理发育，具有Ⅱ～Ⅳ自重湿陷性，土质松散，围岩稳定性差。隧道出口段左线开挖至ZK158+170处上台阶拱脚出水，随着暴露时间越长水量逐渐加大，含水率在25%左右，水流量15-30m3/h，下台阶及仰拱位置处有卵石持力层，透水、富水情况下对围岩影响很大。

2施工难点

（1）隧道出口斜交，地形条件较差，洞口最小埋深约20m，且为小净距，受力条件较差，需控制变形，以防止初期支护和地表结构沉降开裂。

（2）隧道富水，施工时极易出现涌水、突泥等现象，如何解决好隧道防排水问题，保证工程安全质量是施工的重点。

（3）隧道主要为V级围岩，含水量大，分层明显，局部穿越砂层，结构疏松，开挖后极易掉块、崩解，形成垮塌，施工难度大、风险高。

（4）隧道地基承载力很差，施工难度在于如何提高地基承载力，防止隧道沉降变形。

3施工技术

3.1早超前、勤量测

超前地质预报、监控量测等信息化技术手段为隧道施工提供技术支撑和安全保障。根据超前地质预报掌握掌子面前方的围岩情况，预防可能形成的灾害性事故，以便提前做好预防措施，避免造成损失;通过施工现场的监控量测了解围岩的稳定状态，掌握支护可靠程度。对于浅埋段、小净距、软弱围岩等特殊不良地质要增加监测频率，及时调整、优化支护结构参数，确保施工安全及结构的长期穩定性。

本隧道采用地质雷达探测法，利用电磁波反射原理探测浅层地层的划分、岩液、空洞、不均匀体的检测，短距离探测前方30m内的地质情况，同时利用地质雷达对隧道洞底和两侧的围岩发育及岩体破碎情况进行探测。由于湿陷性黄土隧道地形结构复杂，围岩破碎、分层明显，且含水率较大，为确保超前预报结论的真实可靠性，探测距离控制在15～20m，连续两次预报重叠长度在5m以上。

监控量测项目主要包括：洞内外观察、拱顶下沉量测、周边收敛量测、地表沉降观测和拱脚下沉量测。为了解隧道围岩及支护变形发展趋势，对围岩稳定性作出判断、预测隧道围岩最终稳定时间，对于湿陷性黄土隧道需增加监控量测频率。拱顶及边墙每隔5布设一组观测点，对于复杂围岩地段，拱顶下沉和周边收敛频率也由规范要求的1～2次/d调整为3～4次/d，地表下沉的监测也增加到1次/d。

3.2短进尺、快开挖

采用机械开挖方式。辅助以人工进行修整排险，严格控制好超欠挖。采用三台阶预留核心土法，核心土长度为5m，宽度为上台阶开挖跨度的1/2，坡度为1：0.5～1：0.75。严格控制开挖进尺，降低围岩失去承载能力而发生坍塌等安全风险，上台阶每循环开挖进尺控制在1榀拱架间距，中下台阶左、右侧错开开挖，防止上部结构两侧拱脚同时悬空，中下台阶开挖控制在2～3榀拱架间距，仰拱一次开挖3～5m，中台阶左、右侧开挖错开2～3m，下台阶左、右侧开挖错开3～5m。超短台阶开挖，中台阶距掌子面3～5m，下台阶距中台阶5～7m，仰拱距掌子面30m以内，必要时需紧跟掌子面，二衬距掌子面控制在60m以内，在满足规范要求和受力稳定的前提下尽可能缩短进尺，短台阶紧跟，工序紧密衔接。

3.3强支护、早成环

严格按照“少扰动、快加固、强支护、勤量测、早成环”的原则进行，开挖完成后立即进行初期支护。先对围岩进行初喷混凝土，防止裸时间过长造成掉块、垮塌;钢拱架之间通过连接钢板采用高强螺栓、加劲钢板和焊接，连接时要保证钢垫板的连接质量，并确保焊缝质量满足相关规范要求;采用双层钢筋网片施工，钢筋网布置在钢拱架的内外两侧，保护层厚度大于2cm;超前小导管施工时，根据实际围岩情况，每隔2～3榀拱架施作一次，每次施作37～43根。外插角控制在5～12°，尾端支撑于钢拱架上，纵向至少保证1m的搭接。锁脚锚管施作在开挖台阶的拱脚处，与竖向夹脚为30～45°斜向下打入围岩，用来控制拱脚位移。下台阶锁脚锚管与Φ89*6mm微型钢管桩隔榀施作，用于地基承载力加固。严禁超前小导管和锁脚锚管只打管不注浆，避免造成侵限坍塌等不良事故发生，注浆应保证注浆机满足要求，有效填充围岩裂隙、逐渐饱满，确保超前支护效果;仰拱及回填整幅施工，尽早施作仰拱，形成封闭环;二次衬砌采用模板台车和泵送混凝土的机械化配套施工措施，一次浇筑完成，施作完成后检查与初期支护之间的空隙，一经发现，及时注浆回填。

4特殊地段处理措施

4.1洞口边仰坡施工措施

隧道洞口段岸坡不良地质主要为滑塌堆积体，受沟岸滑塌影响，沟岸上部土质岸坡坡度陡。针对该隧道洞口实际情况，采用传统边仰坡处理对坡体扰动大，开挖高度及工程规模较大，成本高，对隧道洞口环境破坏较大，工程美观效果差。为了有效降低隧道边仰坡开挖高度，有效保护环境，节约投资成本，采用了微型钢管桩结构，先开挖边仰坡第一级台阶以上土方，同时施工边仰坡防护，然后施作洞顶第一级台阶微型钢管桩，选用Φ127*10mm无缝钢管，单根长18.25m，钢管纵向连接需焊接，钢管内Φ32钢筋每隔100cm采用Φ14定位钢筋焊接在一起，Φ32钢筋露头弯钩长度30cm，与框架梁内钢筋焊接成整体，钢管桩露头0.25m，与框架梁钢筋焊接并浇筑在一起，孔底30cm为水泥浆垫层。该结构可首先快速的对隧道边仰坡进行预加固，在预加固锁口的前提下，有效提高边仰坡的稳定性，减少隧道洞口开挖对坡体的影响，防止施工中边仰坡的坍塌，给隧道安全快速进洞提供充足的操作空间，而且微型钢管桩整体工序快速便捷，成本较低，大大提高了施工安全、成本和进度。

4.2浅埋段施工措施

隧道洞口为浅埋偏压段，湿陷性黄土，围岩稳定性差，采用强度高、刚度大的I22a型钢拱架，间距50cm，二衬厚50cm。设置超前大管棚加固，确保安全进洞，采用Φ108*6mm无缝钢管，环向间距40cm，总长40m，每节长3m、6m，相邻钢管接头数至少错开1m，接头采用长15cm的丝扣直接对口连接，管内放置钢筋笼并完成注浆。为确保钻孔方向，在明洞外施作60cm厚C30砼套拱作导向墙，纵向长2m。套拱施工前，结合套拱段对应暗洞衬砌结构预留变形量及实际开挖揭示地质情况结合现场监控量测数据，将套拱轮廓及拱架半径做合理调整，防止套拱侵限。对锁脚锚管支护加强，采用Φ60×5 mm无缝钢管，上台阶每榀4根，中台阶每榀8根，下台阶与Φ108*6mm微型钢管桩隔榀施作，每榀6根。施工时加强对地表和洞内的观测，通过数据及时调整支护形式，有效地保证了浅埋段隧道施工的安全，控制了地表沉降，确保了隧道的质量。

4.3小净距隧道施工措施

西坪隧道出口段属于小净距偏压隧道，施工时两洞掌子面保持不小于2B（B为隧道的开挖宽度）的距离，施工顺序按照先开挖山外侧洞（右洞），再开挖山内测洞（左洞）进行。小净距隧道施工的技术要点在于减少对岩柱的破环、加强中夹岩柱，通过超前注浆加固的措施，确保中夹岩的稳定。

4.4基底处理措施

隧道洞口及湿陷性黄土段，地基承载力较低，为减少基底不均匀沉降，确保施工安全，采用高压旋喷桩进行地基处理。施工之前选取洞口地质情况相近区域进行试桩试验，通过5根试验桩的施工和质量检验，结合施工所用的时间、最终的注浆量、以及不同压力下成桩情况等综合分析，最终确定洞内旋喷桩施工参数为喷射压力26-28MPa;注浆管直径42mm;钻头旋转速度22r/min;钻头提升速度25cm/min;水灰比1：1。

洞门墙基础及明洞基底旋喷桩间距为1.2m，桩长7m，暗洞基底间距为1.5m，桩长5m，均呈梅花型分布。洞内旋喷桩施工前，在仰拱初支底部预埋Φ200mmPVC管，第一排布置6根，第二排布置4根，交替排列，管顶部密封，防止仰拱浇筑过程中将混凝土流入管内，影响旋喷桩施工。正式施工时，所用参数根据试验桩所得参数进行施工，首先将钻机就位，然后使用潜孔钻机钻孔，而后进行喷射作业，钻头的提升速度严格控制在25cm/min，不能过快，当喷射注浆到设计标高时，拔出喷射管，并清洗整个注浆系统，最后将钻机移动到下一桩位，完成下一根桩的施工。高压旋喷桩的施工要点在于水灰比的控制。使用一个直径1.18m，高1m的圆柱型浆液搅拌桶，每次将水加入45cm高（水质量为492Kg），然后加入10袋42.5水泥（水泥质量500Kg）搅拌，搅拌时长控制在4-5min之间。

4.5渗水处理措施

隧道施工至ZK158+170处上台阶出水，出水点集中，但水流量大，洞内施作临时排水沟将水引入仰拱中心水沟排出。施工过程中及时加强支护参数，施工至ZK158+120处水量减小，但掌子面多处开始渗水，围岩稳定差，核心土滑塌，为保证隧道安全施工，确保工程质量，对掌子面进行全断面注浆之水，采用水泥——水玻璃双液浆，水玻璃浓度控制在35波美度左右，水灰比为1：1，注浆初压为0.5～1MPa，终压为2MPa，注浆导管的位置和长度根据现场止水效果进行调整。

4.6塌方处理措施

隧道施工至YK158+260处围岩变形大，土体含水量高，自稳能力差，开挖后引起坍塌，上台阶初支面12m全部塌方。围岩稳定后立即组织人员机械对掌子面进行回填反压石渣，施作管棚，进行换拱处理。

掌子面回填时预埋泵管，对空洞位置泵送轻质混凝土，防止造成二次塌方。而后施作套拱，采用I22a工字钢，间距60cm，立三榀拱架，锁脚采用Φ60*5mm无缝钢管，每榀施作8根，与钢拱架采用Φ22U型钢筋从拱架腹板打孔穿过并焊接牢固，安装钢筋网片，喷射混凝土。套拱内固定导向管，采用Φ140*6mm无缝钢管，1.5m长，环向布设40根，导向管仰角角度控制在1.5-2°。管棚采用Φ108*6mm跟管，总长35m，采取丝扣连接，丝扣长15cm，编号奇数孔位第一节管长1.5m，偶数孔位第一节管长3m，以后每节均为1.5m，管壁每隔20cm梅花型钻眼，直径10mm。钻孔前对操作平台进行夯实，确保在钻进时钻机不发生倾斜滑动，钻机底坐调平，钻臂仰角符合设计要求。将管靴套在第一节跟管上并拧紧，钻头伸入跟管内并与管靴卡紧，将跟管和钻杆同时冲击回转，钻到设计孔深。钻孔结束后将钻杆拔出，跟管留在孔内护孔。将事先用三根Φ22钢筋加工好的钢筋笼插入管内，节节之间焊接，钢管终端密封。为保证注浆质量，钢筋笼安装完成后，用锚固剂封堵钢管与孔壁之间的空隙，管棚端头焊接密封并连接注浆阀，用高压泵将水泥浆注入钢管内，固结附近的岩土层。安排专业技术人员进行管棚施工，提高施工效率。管棚施工完成后逐榀换拱，确保施工安全。

5结语

湿陷性黄土隧道施工必须遵循“短进尺、强支护、早成环”的原则，隧道开挖后需立即进行支护，尽量缩短围岩暴露时间，减少围岩沉降变形。做好超前地质预报和监控量测，为隧道施工提供安全保障。做好隧道防排水措施，合理控制施工步距，尽早地形成封闭环，有效提升整体承载能力，确保隧道的施工安全。

参考文献：

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