黄土隧道台阶法施工分阶段变形控制

穆冬冬

（中铁十六局集团第一工程有限公司，北京 101300）

0 引言

在国内黄土、软弱围岩隧道修建过程中，台阶法因其安全性、经济性、灵活性而得到广泛使用。隧道穿越软弱围岩及黄土夹砂带台阶法施工期间，受围岩渗水、砂砾层分布不均、偏压、滑塌等不良地质影响，在施工过程中极易出现较大的围岩变形，对施工现场工作人员的生命安全和工程施工质量及进度造成极大影响。针对黄土隧道台阶法施工，目前均以总变形控制为主，缺少对隧道开挖各阶段分级围岩变形的精细控制研究。

凤凰山隧道位于甘肃省临夏回族自治州康乐县，隧道穿越黄土峁梁，山体走向大致呈南北走向，沟壑较发育，大致呈西北方向分布，隧道自东向西穿越山梁，土质含砂量高，大孔隙发育，具垂直节理，土质疏松，含水量高。在隧道施工过程中极易出现大变形、涌水塌方等工程问题，给隧道施工带来不同程度的安全威胁，施工过程中通过超前小导管注浆堵水[1]、初支背后埋设环向排水盲管排水及初支面加密布设环向排水管等措施对围岩渗涌水进行堵排。在凤凰山隧道穿越破碎、软岩大变形地段台阶法施工过程中，通过对各部位的拱顶下沉及周边收敛[2]进行数据统计分析，从而提出黄土隧道台阶法施工分阶段变形控制方案：即上台阶大锁脚加“联排”、中台阶大锁脚，下台阶“微型钢管桩”，该方案的实施有效控制了黄土隧道软岩大变形。

1 台阶法施工技术优势

（1）隧道初支变形控制效果好。通过对三台阶开挖各阶段拱顶下沉及周边收敛[3]进行数据统计分析，制定有针对性的、分阶段变形控制方案，确保各阶段沉降变形控制在规定范围之内，从而保证隧道整体初支变形的稳定性，变形控制效果好。

（2）隧道开挖支护施工安全性高。通过对三台阶施工进行分级控制，能够有效地降低隧道侵线及塌方的可能性，确保台阶法施工过程中生命财产安全。

（3）有利于提升整个工程的经济和社会效益。该施工方案可以解决凤凰山隧道穿越黄土断层破碎带及渗水软弱岩大变形地段台阶法施工中的初支侵限以及初支侵限引起的预制拱架无法安装以及二衬安全厚度不达标的问题，减少初支侵限换拱的成本与工期，具有良好经济效益；同时对处理隧道塌方、顺利通过浅埋、偏压等高风险地段起到安全、保质、高效的作用，能够为后续类似工程提供指导和借鉴，创造了良好的社会效益。

2 施工变形控制实践

2.1 原设计初支变形量数据统计

由表1对原初支变形量的数据统计可知：各台阶累计变形量大，出现严重侵线现象，原设计支护参数已不能满足安全质量标准，需采取加强支护方案，重新进行换拱处理，确保累计变形量控制在有效范围内。

表1 原初支变形量数据统计

2.2 各台阶初支控制方案的确定及实施

为保障隧道施工的安全稳定，防止初支变形侵线，结合监控量测[3]数据分析，项目部决定按照台阶法分阶段控制确保初支变形的稳定性。

2.2.1 上台阶弧形导坑开挖支护

采用直径42mm、长4m的小导管超前支护后进行拱部开挖（见图1所示）。超前小导管采用外径42mm[4]、壁厚4mm热轧无缝钢管，由钢构件加工厂统一加工制作，采用风镐按设计角度打入预先钻孔中，超前小导管布设在隧道拱顶120°范围内，环向间距40cm，外插角为5°～12°。根据本标段黄土隧道土质含砂量高、软弱破碎、渗涌水等地质特性，故选用（水泥-水玻璃双液浆）进行超前小导管注浆[1]，其主要作用为：浆液通过超前压注到岩体裂隙中经过物理化学作用，即能将破碎围岩或松散颗粒在短时间内胶结成整体，起到超前预支护作用，为隧道开挖安全施工提供保障和增强围岩的整体稳定性[1]。

图1 上台阶拱施工现场

超前支护完成后环向开挖上部弧形导坑[2]，预留核心土的长度为3.0～5.0m[2]，面积不得小于上半断面的50%。开挖后在初支背后的岩土面上埋设环向排水盲管，埋设完成后立即初喷4cm混凝土[4]。及时按设计间距架设钢拱架、挂设双层钢筋网片，将原设计拱脚位置直径60mm、长4m的锁脚锚杆更换为直径89mm、长6m的大锁脚，大锁脚在每榀拱架拱脚两侧采用上下交叉式斜向下30°打入岩面并注入M20水泥砂浆填塞密实，并采用30槽钢将拱架两侧大锁脚与钢架焊接锁定成整体，最后复喷混凝土至设计厚度。为保障支护过程中所用钢构件的安装质量，特采用一种钢筋弯曲机（属专利产品，专利号为：ZL 2022 2 3426497.2）对钢筋进行加工（该工程各台阶初支阶段的加工均采用该弯曲机加工）。

2.2.2 中台阶左右侧开挖支护

左右侧台阶开挖错开2～3m[4]，开挖后在初支背后的岩面上接上台阶埋设环向排水盲管，埋设完成后立即初喷4cm混凝土[4]，及时接长钢架并进行喷、锚、网系统支护，在拱脚位置安装双筒式支架紧贴钢拱架两侧斜向下30°或45°由原设计打设两根直径60mm、长4m的锁脚锚杆，变更为各打设两根直径89mm、长6m的锁脚锚杆并注浆M20水泥砂浆，两根锁脚锚杆通过直径22mm圆钢穿过钢拱架腹板预留孔将其包裹并焊接为一体，最后复喷混凝土至设计厚度。

2.2.3 下台阶左右侧开挖支护

左右侧台阶开挖错开2～3m，开挖后在初支背后的岩面上接中台阶埋设环向排水盲管，埋设完成后立即初喷4cm混凝土[4]，及时接长钢架并进行喷、锚、网系统支护。受软弱围岩的影响，为保证仰拱开挖过程中下台阶初支变形的稳定性，在下台阶拱架安装时拱脚位置设置三角形大拱脚[5]（见图2所示），并多方位打设3根直径89mm、长6m的微型钢管桩并注M20水泥砂浆。钢管桩通过直径22mm圆钢穿过钢拱架腹板预留孔将其包裹并焊接为一体，最后复喷混凝土至设计厚度。

图2 大拱脚微型钢管桩施工现场

2.3 新方案换拱后初支变形数据统计

测量队对新方案换拱后施工段落进行监控量测[3]统计，结果列入见表2。从表2可知，新方案通过对上台阶、中台阶、下台阶分阶段进行变形控制，有效克服了黄土隧道软弱、破碎、渗涌水引起的整体大变形问题，保证了隧道初期支护安全可控，为后续仰拱、二衬施工提供了有利保障。

表2 新方案换拱后初支变形量数据统计

3 结束语

凤凰山黄土隧道在穿越断层破碎带台阶法施工时，针对围岩条件较差造成的初支侵限问题，项目部从施工角度出发，研究提出了黄土隧道台阶法施工分阶段变形控制方案。采用数据统计分析的方法对原设计已施工段落分部进行变形分析，针对不同部位变形量大小及围岩状态制定不同的控制方案，从而将台阶法施工过程中的各阶段开挖初支变形控制在预留变形量范围之内；解决了软弱岩大变形隧道台阶法施工中的初支侵限以及初支侵限引起的预制拱架无法安装以及二衬安全厚度不达标的问题，满足了施工对开挖初支总变形控制的要求，取得了良好的经济和社会效益。