浅埋湿陷性黄土隧道施工技术研究

王满谷

（中铁五局集团第一工程有限责任公司，湖南 长沙 410117）

地质条件会显著影响隧道施工质量、进度等，隧道施工时应依据现场条件确定施工技术方案。隧道在湿陷性黄土区域施工时，受到湿陷性黄土承载能力及稳定性较弱因素影响，隧道施工时面临围岩变形量大、掘进迎头垮落风险高等问题，如何实现湿陷性黄土隧道高效施工是需要重点解决的问题。众多隧道施工经验表明，隧道施工期间降低开挖给围岩扰动，可在一定程度降低围岩控制难度。众多学者对湿陷性黄土隧道施工及支护技术展开研究，并针对性提出开挖、围岩支护技术方案，现场应用取得较好成果。文章就在前人研究成果基础上，以潘城隧道施工为例，对隧道在湿陷性黄土区域采取的施工技术方案进行分析，以期为其他隧道类似条件下施工工作开展提供经验参考。

1 工程概况

彭大高速公路潘城隧道长2 103 m，最大埋深130 m，洞身浅埋处约16.5 m。隧址区内地层简单，上部为第四系上更新统风积黄土（Q3），下部为第四系中更新统风积黄土（Q2）。风积黄土主要分布于洞口地段，中更新统（Q2）风积黄土分布于洞身段，围岩级别全部为Ⅴ级。但实际开挖揭示，隧道进口端进洞开始就一直有明水，成股状流出。隧址区特殊性岩土为湿陷性黄土，厚度12~16 m，湿陷性黄土具备多孔性、垂直节理发育、沉陷性、透水性较强等特征，湿陷性黄土对隧道施工有显著影响。

2 隧道施工及支护技术

2.1 隧道掘进

隧道开挖方式能对项目的安全、质量、成本造成显著的影响。选择开挖工法，直接关系到整个施工过程的成败。开挖工法值得在安全、质量、成本、进度上，进行论证比较和对比，需选择合适优质高效的工法。黄土隧道一般有CD法、CRD法、双侧壁导坑法和台阶开挖法等。潘城隧道进口端浅埋段采用的CD法施工，其他段落通过采用的三台阶法施工。

2.1.1 孔口开挖施工

潘城隧道孔口开挖采用中隔壁法，具体断面施工图见图1所示。

图1 中隔壁（CD）法施工工序横断面图

隧道开挖时应遵循下述要求：

（1）上部导坑循环进尺控制为1榀钢架间距，下部导坑进尺依据现场情况确定可适当放大。

（2）初期支护后方可进行开挖，现场地质较差时，每个台阶底部均应设置临时型钢或临时仰拱；左右两侧导坑开挖工作面的纵向间距不宜小于15 m；当开挖形成全断面时，及时全段面初期支护。

（3）导坑下部导坑边墙侧和中隔壁侧须错开开挖，错开距离3~4 m，仰拱部分初期支护与下部导坑一次成型。

（4）施工中为了保证施工运输通畅，每侧导坑设置一组简易仰拱栈桥辅助施工。

2.1.2 其他段开挖

潘城隧道其他段采用三台阶法开挖，具体三台阶法开挖示意图见图2所示。

图2 三台阶法施工平面示意图

隧道开挖时应遵循下述要求：

①施工主要步骤：开挖上台阶核心土弧形→弧形部一次衬砌→开挖上台阶核心土→中台阶左、右侧异常开挖→开挖中台阶核心土→中台阶一次衬砌→开挖下台阶核心土→开挖左、右侧壁交错3~4 m→一次衬砌→仰拱衬砌、填充→二次衬砌。

②开挖时上台阶、中台阶及下台阶长度分别为5~6 m、3~4 m、6~8 m，一次衬砌紧跟开挖面。拱顶弧形导坑及中下台阶左右导坑开挖进尺控制在2榀钢架，下台阶开挖进尺控制在3 m。

③上台阶掌子面超前15~25 m后，开挖3~4榀钢架仰拱，仰拱封闭成环段距离掌子面在35 m以内。

④二次衬砌距离仰拱距离在30~40 m。

⑤中台阶预留台尺寸为上部为2 m，下部为3 m，不得出现其他情况。

2.1.3 机械开挖

隧道采用机械开挖，辅以人工凿除修边。上、中台阶用挖掘机扒渣至下台阶，下台阶可由挖掘机开挖，渣土由装载机装卸至自卸车上，外运。其中上、中台阶存在支护遮挡，挖掘机不能完全开挖到位。挖掘机配置快速转换接头，使挖掘机正反铲都能施工。为控制超欠挖，挖掘机开挖必须人工指挥，杜绝因机械操作不当，造成超挖。拱顶拱腰预留3~5 cm，各台阶拱脚位置预留20~30 cm暂不开挖，由人工进行削边刨脚，保证不超挖，拱架拱脚能放置于硬底上。人工修边这里特意提出一点，拱脚部分必须采用人工处理，严禁挖机开挖，主要目的是为了保证初支钢架及内模钢架置于稳定基础上，防止拱架下沉。

2.1.4 仰拱开挖

仰拱滞后下台阶6~8 m并及时跟进，仰拱一次开挖长度3~4 m。仰拱开挖以机械为主，机械开挖预留20 cm人工开挖，保证仰拱基底密实。

2.1.5 超欠挖控制

超欠挖控制既能有效降低施工安全风险，又能减少施工成本，防止初期支护背后出现孔洞、初支厚度不足等现象的有效手段。作为黄土隧道须严格控制开挖进尺，当地质情况较差的时候，缩短开挖进尺，减少开挖临空面，可以有效防止拱顶坍塌，也可以减少拱顶超挖。特别是变形较大的隧道，需结合监控量测数据，合理预留隧道变形量，第一是减少不必要的开挖量，降低施工成本；第二是保证隧道二次衬砌厚度，确保施工质量；第三是不因预留过大出现隧道二衬混凝土超耗严重，为项目部增效减亏。超欠挖控制的好与坏，最能体现项目部的管控水平和技术能力。

2.1.6 开挖进尺控制

单次循环工作面越多和开挖进尺越长，对隧道的沉降变形是有很大影响的。由于对隧道扰动得越厉害，围岩的应力释放速度就会越快，应力释放传递到初支上，直观表现就是沉降速率迅速增大。同时新奥法本来就有短进尺，早封闭的理念，所以遇到软弱围岩，单次循环开挖面和开挖进尺需严格控制。每次开挖为三个面即上台阶、中下台阶各一侧。开挖进尺视前一天监控量测数据，若沉降在1~2 cm/d，上台阶开挖1榀，中下台阶各2榀；若小于1 cm，上台阶开挖2榀，中下台阶各2榀，仰拱开挖一般利用喷浆时间进行。每天开挖循环为2.2~2.3个，上台阶循环进尺一般按照1榀、2榀交替进行，每天开挖进尺在2~2.4 m/d。特殊情况开挖仰拱需暂停用掌子面掘进，单独开挖。

2.2 隧道围岩控制要点

2.2.1 设托梁加锁脚

黄土遇水，承载力下降明显，要抵抗沉降，需加强初支整体性。故在拱脚设置纵向托梁，加强初支的整体性，进而有效控制拱顶沉降变形量，具体托梁结构见图3所示。加设与不加设，在隧道沉降量上有很大差别，若当天沉降量大于1 cm时，增设托梁沉降量能减少至5 mm/d。也可以采用扩大拱脚的方法，因本隧道土体含水率量大，拱脚扩大施工时易出现溜塌，不适宜采用。

图3 托梁连接示意图

上台阶拱脚处、中台阶拱脚处均设置通长纵托梁，钢架与托梁连接板连接，托梁分段制作纵向间连接板连接保证形成整体，增强初支的纵向连接刚度。隧道设计上未设计锚杆，为控制沉降，只有加强锁脚。在拱脚处打设2根φ42×4 mm长度6 m的锁脚，加强锁脚能力抑制变形，在纵托梁上增设2根φ42×4 mm长度6 m的锁脚。

2.2.2 增设临时仰拱

由于围岩受水软化，在施工过程中，特别是下台阶落底和仰拱开挖时，初期支护因沉降影响有时会出现环向裂缝。每当出现初支环向裂缝时，及时在中台阶设置临时仰拱，这能有效控制初支变形。

2.2.3 隧道初期支护（一次衬砌）

一次衬砌模筑混凝土为现浇C25混凝土，喷锚支护混凝土为喷射C25混凝土，故二者在混凝土施工上存在较大差异。超前支护、洞身开挖、立架工序基本都一样，但一次模筑钢架施工完紧接模板支设，然后是混凝土泵送施工，等待混凝土初凝以后再进入下循环施工。喷锚支护立架过程中有钢筋网片，局部设计有锚杆的还要打设锚杆，湿喷后进入下一循环施工。因一次衬砌下循环施工需要等待混凝土强度，为缩短时间，在混凝土搅拌中掺入早强剂。为加快工序循环，衬砌模板支撑采用HW175型钢支撑。混凝土施工完成后，先拆除临时支撑，然后进行核心土开挖，待混凝土初凝后，拆除堵头模板，进行掌子面的开挖。夏季气温高，混凝土在加入早强剂后2~3小时达到初凝，冬季气温低，混凝土初凝时间4~5小时。混凝土拆模一般在24小时后，为保证循环施工，上台阶一衬模板采用三套模板进行循环使用。

2.2.4 超前支护

超前支护作为开挖辅助施工措施，隧道洞口段用超前大管棚，其余位置均用超前注浆小导管。超前支护施作的好与坏关系到隧道开挖的质量，若是超前支护施作不好，易出现小坍塌，严重时发生大的坍塌。施工过程中需严格控制注浆工艺，但现场实际因工序时间卡控和黄土注浆效果不明显，故实际都未注浆。根据经验可采用插入Φ22钢筋和填塞锚固剂的形式代替注浆，以提高超前小导管的抗压抗剪强度，达到超前施工效果。注浆浆液选用水泥砂浆，注浆压力0.4~0.6 MPa。具体注浆工艺见图4所示。

图4 注浆工艺流程

3 总结

①黄土隧道采用短台阶和一次衬砌三台阶的快速施工实践，为今后黄土隧道施工提供了较好经验。根据监控量测数据反馈信息，及时增设临时仰拱、托梁、锁脚抵抗隧道的沉降变形，通过调节台阶的长短快速封闭成环，整体受力，有较快的施工进度，安全也有较好的保证，能确保目标工期。潘城隧道施工期间月进尺能可达60 m，实现了隧道安全高效施工。②三台阶往往是围岩破碎，稳定性差，需要以小的开挖面尽快支护达到围岩稳定目的，但是空间相对较小、机械不易施展开展。提高三台阶开挖效率主要措施包括有提高出渣效率、循环开挖效率以施工进度。三台阶分部开挖较多，上、中、下钢架的连接上易出现问题。开挖过程中机械易碰到拱脚，锁脚施工不到位拱脚处应力最大易发生变形，隧道围岩以收敛变形为主的，要着重注意钢架的连接和锁脚的施工质量。结合部施工不好，容易出现鼓包，侵入二衬净空，给防水板铺设造成极大麻烦；同时施工时分部较多对围岩的扰动也较多，中、下台阶和仰拱的开挖都会影响掌子面应力的分布，围岩不好的地段会加大初期支护的变形。