大断面隧道下穿黄土浅埋沟施工技术

摘要：隧道地质复杂多样对施工安全造成威胁较大，黄土地质属于隧道施工的不良地质施工安全风险较大，再叠加浅埋、大断面因素等，使得施工安全风险大大加剧。本文以西延高速铁路新延安隧道为例，针对该隧道大断面下穿黄土浅埋沟谷段落的施工难度，以监控量测、超前地质预报为指导，选择合理的开挖工法和支护参数，通过严密的施工组织及有效的控制措施，控制了围岩变形量，降低了施工风险，对类似大断面黄土地质浅埋隧道施工具有重要的参考意义。

关键词： 大断面隧道、浅埋沟谷、三台阶预留核心法、围岩监控量测

1 工程概况

1.1 新延安隧道工程概况

新延安隧道位于甘泉至延安市宝塔区之间，起讫里程DK273+756～DK289+756，全长16.0km。隧道设计为单洞双线，最大埋深约250m，最小埋深约13m。隧道进口洞身主要穿越黄土沟壑梁峁区，地面高程1125m～1280m，黄土梁顶狭窄，地形被呈西北-东南走向的大型“U”型沟谷切割，支脉“V”型冲沟均强烈发育，多呈树枝状，沟谷下切剧烈，两侧岸坡陡峻，黄土滑坡、溜坍等不良地质发育。

洞身主要地层为第四系上更新统风积砂质黄土，属于弱富水区，隧道单位正常涌水量920 m3/d·km，正常涌水量为2501 m3/d。最大涌水量为7502 m3/d。部分冲沟内有常年流水，湫沿山以北地表水汇入延河，以南地表水汇入洛河。

1.2 浅埋沟谷段概况

新延安隧道进口工点施工区域洞身分别在DK274+150～+260段穿越地表浅埋沟谷，沟谷隧道顶部覆土为黄土，浅埋段隧道埋深分别为14m（DK274+223）及13m。根据现场调查，沟谷地表干燥、无低洼积水处，沟谷两侧山体为砂质黄土，直立性较好，见下图：

2 西延高铁新延隧道下穿浅埋沟谷段施工技术

2.1  设计支护参数

新延安隧道洞身穿过沟谷浅埋段时，对沟内水疏导，以防止地表水下渗，并加强量测。DK274+150～+260浅埋沟谷段超前支护采用9m长Φ89中管棚，外插角6-8°，环向间距0.6m，纵向搭接3m;配合Φ42小导管进行，长3.5m，外插角10-15°，环向间距0.6m，纵向搭接不小于1m，拱部140°范围设置;衬砌类型采用Ⅴ膨胀土：初期支护采用工25a型钢钢架，纵向间距0.6m/榀，设φ8双层钢筋网，全环设置，边墙范围设φ22砂浆锚杆长4m，间距1.2×1.0（环×纵）;C25喷射混凝土35cm。二次衬砌采用C40鋼筋混凝土，厚60cm。

2.2 施工方法及步骤

新延安隧道进口浅埋沟谷段开挖采用三台阶预留核心土法施工。

施工步骤：施工准备→地表处理→超前地质预报→监控量测→超前支护→开挖→初期支护→初期支护封闭成环→监控量测→下循环开挖、支护→施作钢筋混凝土仰拱、填充混凝土→施作复合衬砌。

①施工准备

1）穿越沟谷前， DK274+150～+260段浅埋下穿浅埋为防止地表水下渗，对沟内排水进行疏导。

2）加强地表沉降监测、洞内沉降及变形监测，发现异常及时采取加固措施。

②超前支护

拱部140°范围内采取9m长Φ89中管棚，环向间距0.6m，纵向搭接3m;配合长3.5mΦ42小导管进行，环向间距0.6m，纵向搭接不小于1m。

③开挖

开挖以人工配合机械开挖为主，脚墙、拱墙等隅角处应预留60～70cm厚土体，采用小型设备或人工开挖，且不应超挖。各台阶平行作业，平行施作初期支护，各台阶初期支护应衔接紧密，及时封闭成环。

利用上一循环架立的钢架施作隧道超前支护，环形开挖每循环进尺不得大于0.6m。开挖后及时施作锚喷支护、安装拱架支撑及锁脚锚管;扩大拱脚在拱部140°两侧拱脚处，进行扩大拱脚开挖，底部拱背扩挖50cm。

④初期支护

采用I25a拱架，拱部间距0.6m;拱脚位于设计标高位置;拱架连接板螺栓必须上齐且拧紧，拱架间采用φ22钢筋纵向连接成整体，在拱架的顶部按设计要求铺设钢筋网，钢筋网采用φ8，双层满铺，环纵向搭接长度不得小于1个网格。

边墙系统锚杆采用HRB400Φ22全螺纹砂浆锚杆，尾部设置垫板，单根长均为4.0m。砂浆锚杆环纵向间距1.2*1.0m，锚杆必须垂直岩面打设;上、中、下台阶拱脚处左右两侧各打设2根长4.0mφ42锁脚锚管，锚管与钢架连接处采用“L”筋焊接牢固。锁脚锚管内灌不小于M20水泥砂浆。

喷射混凝土采用C25混凝土，35cm。喷混凝土前必须用高压风将岩面的粉尘或杂物清理干净。及时埋设围岩监控量测测点。喷射混凝土必须平顺，饱满，密实。

2.3 施工控制要点

①超前支护

超前小导管打设方向尽量与线路方向一致，角度、间距及导管长度满足设计要求。超前小导管打设时尽量不外露。

②开挖

机械开挖时，派专人对开挖作业进行指挥，防止大型机械对已支护好钢架进行碰撞损坏。台阶与台阶距离控制在5m～8m距离，禁止同一断面开挖。仰拱初支一次开挖不大于3m。通过监控量测掌握围岩和支护的变形情况及时调整支护参数和预留变形量。

③初期支护

完善洞内临时排水系统，防止地下水浸泡拱墙脚。拱架连接板螺栓必须上齐且拧紧、连接板密贴。锁脚锚管内灌不小于M20标号水泥砂浆。喷射混凝土必须平顺，饱满，密实。局部坍塌超挖过大时，必须采用同标号混凝土回填密实。

2.4 施工注意事项及相关措施

①隧道施工应严格控制进尺，每次开挖尽快施作初期支护并封闭成环，坚持“管超前、短开挖、强支护、勤量测、早封闭”的原则。

②隧道施工应优先采用机械开挖，严禁放炮。脚墙、拱墙等瞬角处应预留60～70cm厚土体，采用小型设备或人工开挖，且不应超挖。

③施工中应建立完善的地表变化及洞内收敛变形监控量测系统，使变形量测果统化，并作为指导施工的依据。应将现场监控量测作为一道工序认真执行，使其作为确保施工安全、调整初期支护参数、信息化施工提供依据，根据反馈信息修正設计参数，改进施工方法，确保安全和质量。

④隧道锚喷施工支护的施工工序，应按开挖、初喷、布设锚杆、挂网或架立钢架、复喷的步骤进行。在第一次开挖完成后，隧道断面位移速度最大，应及时施做初期支护，约束围岩早期变形。

⑤采取有效措施进行加固，以防止拱顶钢架下沉。如强对钢架的径向固定措施、加强锚杆和钢架的焊接;加强对钢架的锁脚固定措施;必要时加设钢架基础连接纵梁，扩大开挖庭脚、防止钢架悬空，及时喷射混凝土进行覆盖;加强对钢架的应力和变形监测;防止施工过程中的碰撞和损环。

⑥隧道施工时应加强对浅埋地段地表沉降观测和巡查，对天然出现的地表裂缝及时采用灰土夯填、水泥灌浆等措施封闭处理。

⑦施工前及施工过程中应对地表裂缝的分布情况进行详细调查及监测，并对地表裂缝进行及时封闭，确保施工安全。

3 超前地质预报

利用地质调查法、电磁波反射法（地质雷达）、地标补充地质调查法（地表调查）及超前水平钻孔探明前方地质。对浅埋沟谷段围岩的地质雷达反射波信号较少，振幅能量较弱，介电常数无明显变化。根据预报和钻探确定浅埋段洞身为上黄土，与地表钻孔资料相符，设计参数能够确保施工安全不予以调整。

4 监控量测数据分析

本浅埋段布设监测断面21个，每个断面包含地表沉降、拱顶沉降和水平收敛测点。其中地表沉降单日变形量最大为2.2mm，累计值最大为6.6mm;拱顶沉降单日变形量最大为3.7mm，累计值最大为14.9mm;水平收敛单日变形量最大为4.4mm，累计值最大为19.0mm。

DK274+223断面地表沉降最大测点为DK274+223DB00和DK274+223DB01，累计值均为2.2mm，单次变形值最大为0.9mm，沉降值较小。

DK274+223GD00累计值为3.9mm，单日变形量变化范围为0.6-2.5mm。从变形趋势上看在该断面开挖后第7天达到最大累计值4.5mm，其后数据趋于稳定。

DK274+223断面的上台阶收敛值为0.2mm，中台阶累计值为2.9mm，下台阶累计值为9.4mm。相比较而言，下台阶变形明显大于中上台阶，下台阶开挖后第5天达到累计值8.9mm，占变形总量的94.7%，后续变形趋于稳定。

经上述对围岩监控量测数据分析，浅埋段监测数据变化较小，隧道开挖施工未对浅埋段洞内及地表产生较大变形，施工过程中方法得当未对围岩造成较大扰动，支护措施可靠。

5  结论

西延高铁新延安隧道在穿越浅埋沟谷段施工时，设计与施工紧密配合，充分利用地勘和超前预报确定浅埋沟谷段地质，科学确定开挖方法和支护参数。施工前完成地表排水疏导、监控量测桩的埋设及监测、洞内做超前地质预报和地质核对等准备工作，为隧道掘进提供有力的技术保障。施工过程中超前先行，严格控制开挖工艺，工序紧密衔接，及时施做超前支护、初期支护快速封闭成环，及时再洞内布设围岩监控量测测点，尽快获取初始数据，并对测量数据进行分析。以超前地质预报和监控量测为指导，快支护、及时封闭，高效、快速、安全的完成了黄土地质浅埋沟谷段的施工，施工过程中围岩变形量小，安全得到了保证。充分肯定了施工开挖方法和措施得当，支护措施可靠性、安全性。为新建西延高速铁路后续大断面浅埋黄土及泥岩隧道施工提供借鉴，为后续高铁大断面隧道穿越黄土高原提供施工参考。

作者简介：王双存（1985年7月出生），男，甘肃静宁人，研究生学历，现从事铁路工程施工管理、质量安全监督工作。

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