大断面湿陷性黄土隧道施工技术的应用研究

马兴辉

（云南路桥股份有限公司，云南昆明650200）

0 引言

在第四季的干旱和半干旱气候中形成的呈现为黄色的黄土，是我国黄河中游地区常出现的特殊地质情况。黄土主要特点有：存在空隙、直立性强、新黄土具有湿陷性。湿陷性黄土中进行施工的主要难点在于：第一，对大断面湿陷性黄土地基的处理；第二，对大断面湿陷性黄土隧道结构的处理。工程中要根据实际地质情况，选择可以在隧道洞内空间有限情况下完成作业，并达到工程要求的施工技术，以确保隧道拱顶沉降减小，保证隧道基础的稳定，且在此基础上达到施工进度要求。因此，分析和思考大断面湿陷性黄土隧道施工技术有其存在的必要性。

1 大断面湿陷性黄土隧道地基处理方法及应用

大断面湿陷性黄土隧道地基的处理主要分为地基基底的处理和地基的加固两部分进行，工程实际情况不同，选择的基底处理和加固方法也有所不同。

1.1 地基基底处理方法及应用

受限于大断面湿陷性黄土的性质，实际工程中必须对隧道基底进行一定的处理，才能对地基进行加固，确保隧道地基的稳定性。常用的地基基底处理方法主要有以下几种：

1.1.1 垫层法：挖掉地下水位上的部分或全部湿陷性黄土，用素土或者灰土夯实成垫层，不仅可以消除地基的湿陷量和提高地基承载力，还可以减少地基的压缩变形。一般分为局部垫层和整体垫层。素土垫层可以消除基底下1～3m的湿陷量，灰土垫层可以提高承载力、增强水稳定性[1]。

1.1.2 压实法：压实法一般分为夯实和碾压两种。夯实包括重锤表层夯实和强夯。当湿陷性黄土地基饱和度低于60%时，可以选用压实法消除湿陷量。夯实处理厚度约3～6m，碾压处理厚度约1～2m。

1.1.3 挤密桩法：挤密桩法由挤密法和桩基础法演变而来，对湿陷性黄土地基进行材料填入并分层夯实，主要适用于处理地下水位以上的地基。挤密法主要用于局部处理，处理厚度约5～15m；而挤密桩法处理厚度可达约30m。

1.1.4 加固法：主要采用化学材料灌浆进行处理，根据灌浆方式分为灌浆法和高压旋喷法，处理地下水位上基底，处理厚度约10m。

以上几种方法都有一定的实际工程应用经验，也在逐步改进成熟。各种方法在实际应用上也略有不同，比如：隧道的明挖段用垫层法和强夯压实法；隧道的暗挖段用垫层法和挤密桩法等。

1.2 地基加固方法及应用

大断面湿陷性黄土隧道地基加固处理受施工现场洞室和隧道掌子面开挖的影响，有着一定的加固处理局限性，目前常用的地基加固方式主要有水泥挤密桩加固法和树桩根加固法。

1.2.1 水泥挤密桩加固法：通过灌注水泥土，利用桩成孔和夯实水泥土时的侧向挤压作用，使桩间土挤密得到有承载能力的桩体，形成桩土共同作用的复合地基。地下水位以下，深5.0～15.0m的湿陷性黄土、素填土和杂填土地基和含水量12%～24%、饱和度应＜65%的地基适合于用此法进行地基加固。

1.2.2 树桩根加固法：利用钻机钻孔，放入钢筋笼、碎石和注浆管，再灌注水泥浆或水泥砂浆得到小型钻孔钢筋混凝土桩。可以根据实际情况选择垂直或者倾斜的布桩方式，所以被称为树桩根。相对狭小的隧道作业面内可以选用此方法。

2 地基处理方法注意要点

第一，重锤表层夯实法处理地基基底时，一般选用2.5～3.0t的重锤，落距控制在4.0～4.5m；第二，挤密桩法对地基基底进行处理时，不可选用粗骨料的砂、石或其他透水性材料；第三，对地基进行加固处理时，灌注填料要随拌随用，不得过夜使用，被雨水淋湿、浸泡过的填料不可使用；第四，地基加固处理时已形成的孔要及时进行后续处理，不可长时间放置空孔[2]。

3 大断面湿陷性黄土隧道施工方法及应用

大断面湿陷性黄土隧道的施工要遵循“化大为小、分布开挖支护、仰拱二衬紧跟”的施工原则，以控制围岩的变形情况及把控施工现场的质量和安全问题，如此才能做好大断面湿陷性黄土隧道的结构处理。目前常用的大断面湿陷性黄土隧道的施工方法主要有弧形导坑法、双侧壁导坑法、CRD法三种，其工艺原理和施工流程等均有所不同，具体如下。

3.1 弧形导坑法

3.1.1 工艺原理：将隧道断面划分为四个部分（上、中、下、仰拱），以前后六个不同的开挖面互相错开开挖、再分部支护，最后形成支护整体，逐步纵向推进作业的同时减少开挖循环时间的施工方法。

3.1.2 施工流程：测量放样—上弧导开挖支护—左侧中部和右侧下部开挖—右侧中部和左侧下部开挖—仰拱开挖—仰拱及混凝土。

3.2 双侧壁导坑法

3.2.1 工艺原理：主要采用“化整为零”的原理将隧道断面分割成九个部分，九个部分按照施工方案确定施工顺序进行分部施工，每个部分完成后要分别形成封闭支护体系。此施工方法的隧道断面分割主要是利用临时中隔壁和横撑进行。

3.2.2 施工流程：测量放样—各部分开挖支护—仰拱处理—混凝土浇筑及监测。

3.3 CRD法

3.3.1 工艺原理：以理论力学为施工基础，同时对施工过程进行监测，沿用“化整为零”的思路将整个隧道（或中隔壁）划分为五个部分，各部分开挖后及时做好初期支护，合理确定工序间的关系。

3.3.2 施工流程：测量放样—各部分开挖支护—混凝土浇筑及监测。

大断面湿陷性黄土隧道施工中要根据湿陷性黄土的自身性质差别和围岩可能出现的变形情况来选择不同的施工方法。一般来说，弧形导坑法适用于容易成型且可以保持一定稳定，不存在大变形掉块的埋深较深、直立性较好的老黄土围岩的施工；双侧壁导坑法适用于存在一定浅埋及偏压情况，需要对沉降度进行控制的Ⅴ级围岩的施工；CRD法适用于土体受到扰动后会产生应力重分布，进而破坏隧道拱顶稳定性，需要减少开挖面的稳定性较差的深埋软质围岩和浅埋段围岩的施工。

3.4 施工方法对比

三种大断面湿陷性黄土隧道施工方法在实际应用中也有着各自的优点和缺点，其优缺点也可作为施工方法选择时的一个参考。具体详见表1。

表1 施工方法对比

3.5 施工方法注意要点

第一，三种施工方法的预留沉降量均有所不同，在监控量测时要根据相关要求，进行合理的沉降量预留：弧形导坑法控制在10～15cm，双侧壁导坑法控制在20～25cm，CRD法控制在15～20cm[3]。第二，三种施工方法均对隧道断面进行了不同程度的切割划分，在施工过程中要做好各个部分工序的衔接，按顺序开挖后，要及时做好分部支护并浇灌混凝土，形成支护整体。第三，初期支护要遵循“不缺不弱”的原则，开挖后及时按照支护需求和支护参数进行初期支护施工，对边墙进行开挖时，要及时对边墙进行落地接长，促使其及时封闭成环。

4 监控量测

4.1 监控量测的目的

鉴于湿陷性黄土性质对大断面湿陷性黄土隧道施工的影响，在大断面湿陷性黄土隧道的施工过程中，监控量测是必不可少的一环。技术人员需要对监控量测的数据及时进行分析处理，得出结论，以此作为施工工序的调整依据和施工过程中不良情况的应对措施制定依据。只有在施工过程中做好监控量测技术的有效实施，才能最大程度地保证工程的顺利进行。

4.2 监控量测的项目和方法

大断面湿陷性隧道施工中监控量测的项目主要有：洞内外观察、水平净空收敛、拱顶下沉、地表沉降四个项目。

4.2.1 洞内外观察

（1）洞内外观察分为洞内观察和洞外观察两个部分。测点按照洞内外观察不同进行布置，其中洞内观察为掌子面观察和支护结构观察；洞外观察为地表整体情况观察（包括地表沉陷、地表水渗透等）和边坡、仰坡稳定观察。

（2）采用观察方法为目测法。围岩和支护还应该在一次喷射混凝土前进行地质观察以确定围岩级别和支护稳定性判断，除了每一次开挖后要绘制地质素描图（整个隧道施工过程均需完成地质素描图）外，整个施工过程中还应该对喷射混凝土外观和锚杆情况进行检查，主要查看混凝土外观是否裂损及裂损程度和锚杆是否松动，做好检查记录并存档[4]。

4.2.2 水平净空收敛

（1）测点以隧道跨处距离为准进行布置，一般在隧道最大跨处及以上3m的左右两侧对称进行量测桩的布置，每个量测断面内设置4个收敛桩。围岩类别的不同，量测断面间距也有所区别，通常Ⅴ级围岩段的量测断面间距为5～10m；Ⅳ级围岩段的量测断面间距为10～30m。

（2）采用全站仪进行量测，开挖后迅速安装好编号的反射膜片，在开挖12h内进行初读数（初读数时间最迟不得超过24h），并应在下一循环开挖前完成初读数读取。量测点的布置要做到：坚实牢固且保护恰当；与其他标识有所区分，方便识别。

4.2.3 拱顶下沉

（1）在隧道正洞拱顶处设置一个下沉桩，其余量测断面间距要求和水平净空收敛量测断面间距要求一致。

（2）采用全站仪进行量测，喷射混凝土应迅速在测点设置反射膜片，在洞外设置水准点用以洞内拱顶下沉量测使用，其他与水平净空收敛量测要求一致。

4.2.4 地表沉降

（1）主要量测浅埋隧道地表下沉，一个量测断面内含量测点为7～11个，且断面布置、隧道洞内水平净空变化、拱顶下沉应在同一横断面内。

（2）在隧道埋置深度+隧道高度（开挖面前方）处开始进行地表沉降量测，一直延续到下沉基本停止时结束地表沉降量测。必要时还可以在浅埋段进行布点量测，以防止隧道出现塌方冒顶现象。

4.3 监控量测注意要点

第一，监控量测后及时根据量测的数据进行分析总结，尤其是涉及时间性、工序相关性和质量关键点影响性的一定要进行合理分析，量测数据及分析结论要做好保存。

第二，涉及施工质量的质量关键点数据要一起进行分析总结，以便在施工过程中进行严格的施工质量的控制。

5 大断面湿陷性黄土隧道施工技术的应用建议

第一，施工前应对土质进行全面细致的检测，得到完整的土质报告，在满足设计图和相关要求的前提下，根据实际土质和工程情况选择适用的地基处理技术和隧道施工方法。第二，选定地基处理技术和隧道施工方法后，要编制合理适用的施工方案，在有条件的情况下应结合四新技术，进一步改进传统施工方案，以达到技术的创新及造价的控制，整个工程施工过程中应严格遵照施工方案进行工程推进。第三，根据施工方案选用的施工工艺合理地对施工过程涉及的各个方面进行安排，包括工序衔接布置、作业人员调配、施工机械排布等方面，确保工序有序推进，工期顺利完成，并得以保障人员及财产安全。第四，可以结合实际工程情况加强二衬结构设计和因地制宜改变地基加固方案，以达到工程质量的更高标准。第五，施工全过程要做好监控量测，监控量测测点和量测频率应符合相关要求，要及时进行量测数据的分析处理及总结，以更好把控施工过程的不确定性，及时解决过程问题，确保工程质量。第六，工程施工过程中要全面做好防水措施，如可以对地面进行全封闭处理，可以在地面两侧挖建排水沟渠，对出现的裂缝要及时进行处理等，以防止发生雨水渗入地表、洞顶渗漏等不利于湿陷性黄土沉降稳定的情况。

6 结语

北方地区普遍存在的黄土有其特殊性，而对湿陷性黄土的处理决定着工程质量。在实际工程中，一定要结合工程所在土质情况及工程整体情况选择适宜的地基基底处理方法、地基加固方法和隧道施工方法，并且要根据选用的方法编制恰当适宜的施工方案，做出合理的施工工序、人员、机械安排。在此基础上还应做好施工全过程的监控量测，进一步把控施工质量，确保施工安全，多管齐下，保证大断面湿陷性黄土隧道的整体工程质量。