鄭海樂

摘 要：該文以柳泉3#隧道施工為工程實例背景，對施工過程中存在的濕陷性黃土、淺埋、隧道富水、小凈距等技術難題所采取的一系列保證隧道安全施工的技術措施進行了總結，使讀者更清楚地了解在淺埋小凈距黃土隧道施工過程中的施工工藝及質量控制要點，為以后的濕陷性黃土隧道施工提供相應的借鑒。

關鍵詞：小凈距 淺埋 富水 一次模筑 控制措施

中圖分類號：U45 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）04（a）-0061-03

在國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略政策的驅動下，我國西部公路、鐵路、高鐵等交通基礎設施建設持續(xù)蓬勃發(fā)展。我國西部以山地、盆地為主的地形特點，決定了施工設計中較大的隧道比例，研究適用于西部黃土地區(qū)隧道的施工工法，特別是研究濕陷性黃土隧道施工方法顯得尤為重要。該文通過對濕陷性黃土地區(qū)隧道地質特點的分析研究，總結出了一套在小凈距濕陷性黃土隧道施工過程中的施工工藝及質量控制要點，有效地解決了因隧道淺埋而造成的地表開裂及地表沉降量過大等問題。

1 工程概況

1.1 設計概況

柳泉3#隧道右線起訖里程ZK46+790～ZK47+853，全長1 063 m，為分離式長隧道。全線采用雙向四車道高速公路技術標準，設計時速80 km/h，隧道設計凈空10.25 m×5 m，隧道圍巖全部為V級，坡度為下坡。出口為小凈距隧道，隧道埋深約50 m，全部為濕陷性黃土，土質不均勻，具有水平層理，圍巖穩(wěn)定性差，該土層隧道開挖后極不穩(wěn)定，容易發(fā)生坍塌、掉塊等問題，造成初期支護變形侵限，嚴重影響到工程質量、安全、工期及成本。

1.2 水文地質

隧址區(qū)屬于黃河高階地及黃土梁，場地內(nèi)地層在鉆孔深度內(nèi)自上而下分為三大層組：第四系沖洪積層、第四系風積層、白堊系砂巖夾泥巖。隧址區(qū)松散巖類孔隙水主要賦存與第四系中更新統(tǒng)沖洪積卵礫石中，隧址區(qū)卵礫石厚度大，透水性及富水性均較好。由于隧址區(qū)一側臨河，基巖裂隙水排泄條件較好，基巖中不易大量賦存，多富集于巖土界面，對隧道圍巖的穩(wěn)定影響較大。

2 工程施工難點

（1）隧址區(qū)圍巖均為V級圍巖，全部為濕陷性黃土，垂直節(jié)理發(fā)育、結構松散、含水量大，局部穿越砂層，圍巖軟弱，基底承載力差，施工難度在于如何提高基底承載力，防止隧道局部或整體沉降。

（2）隧道富水，隧道下臺階掘進至ZK47+530處，起拱線以下的邊墻開挖后滲水明顯，隨暴露時間愈長滲流逐漸加大，流水流泥現(xiàn)象愈加明顯。邊墻模筑砼施工完成后施工縫處有明顯滲水。仰拱基底也是濕陷性黃土，含水量在20%左右，下挖3 m左右土體含有少量的卵石，仰拱下5～6 m深有卵石持力層，出口在仰拱及下邊墻開挖后有明顯的流水現(xiàn)象，如何解決好隧道的防排水問題及保證施工質量安全是施工的主要課題。

（3）隧道出口段隧道埋深淺約50 m左右，結構扁平，受力條件差，應控制變形，防止一次模筑及地表構造沉降開裂。

（4）按公路隧道設計規(guī)范（JTG D70-2004）表4.3.2要求，V級圍巖對應分離式獨立雙洞間凈距小于3.5B（B為隧道開挖斷面的寬度）為小凈距隧道；按公路隧道設計細則（JTG/T D70-2010）表13.5.3要求，V級圍巖巖體為軟巖的分離式獨立雙洞間凈距小于45 m為小凈距。通過分析計算可以得出柳泉3#隧道小凈距起始段落為出口420 m，施工過程中應采用何種工藝保證小凈距隧道的施工安全。

3 施工工法選擇

根據(jù)隧道的地址條件和施工難點，采用3臺階法進行開挖，一次模筑初期支護襯砌工法進行施工。一次模筑初期支護襯砌工法是根據(jù)黃土地層的地質特點，總結過去黃土隧道錨噴初期支護襯砌設計與施工的經(jīng)驗教訓，針對黃土地層提出的一種有效解決方案。根據(jù)運營多年的實踐效果分析，一次模筑襯砌初期支護工法從施工安全、支護有效性、結構穩(wěn)定、防排水效果，綜合比較是針對黃土地層隧道修建特點的一種可靠工法。

4 應對措施

4.1 隧道滲水施工措施

柳泉3#隧道滲水主要有兩種方式：一種以濕陷性黃土隧道含水量大，土體開挖后隨暴露時間越長，土體含水量增大，局部有流水流泥的現(xiàn)象為主要的滲水現(xiàn)象；另一種為砂卵層中存在基巖裂隙水，卵石層中富水，在仰拱開挖后有大量的水流出。針對以上兩種不同現(xiàn)象的滲水問題，項目采用了不同的方式進行施工，有效地保證了現(xiàn)場的施工安全及實體質量。

對于濕陷性黃土含水量大而產(chǎn)生的滲水現(xiàn)象，通過3臺階法的施工工藝，加強鎖腳的剛度及長度，控制沉降量，有效地保證了隧道的施工安全。在土體開挖完成后采用透水土工布進行鋪設，防止因土體泛堿而導致防排水系統(tǒng)的堵塞，并及時進行施做8 cm噴射混凝土，有效地保證土體的穩(wěn)定性，同時在進行一次模筑混凝土澆筑過程中每1 m預留泄水孔，及時將滲水進行引排。在進行二次襯砌施工前，對滲水部位鋪設環(huán)向排水盲管，采用TMF7×3.5環(huán)向排水管加密布置，將滲水引排至縱向排水管中，同時加強防水板的安裝質量，項目安質部牽頭，對每版防水層的焊縫及搭接進行檢驗，合格后方可進行下道工序，有效地保證了隧道施工的質量與安全。

對于仰拱開挖后存在基巖裂隙水的現(xiàn)象，項目采用井點降水的方式進行施工，在洞口不影響施工的區(qū)域設置若干水井，水井的深度低于隧道仰拱的開挖深度，采用大功率水泵不間斷地進行抽水作業(yè)，在出水點降至仰拱開挖面以后在進行仰拱作業(yè)，在仰拱開挖完成后及時采用噴射混凝土對基底進行封閉，防止?jié)B水，同時鋪設防水板，保證仰拱不滲水，提高施工質量。

4.2 淺埋段施工措施

淺埋段濕陷性黃土施工采用3臺階預留核心土法進行施工，洞口采用超前大管棚、洞內(nèi)采用超前小導管輔助施工措施，有利于工作開挖面的穩(wěn)定，便于拱部支護和異常情況的處理。在施工過程中對鎖腳錨管進行加強，采用Φ60×5 mm無縫鋼管，上臺階每榀拱架4根，中臺階每榀拱架8根，下臺階每榀拱架4根，同時對超橋鋼管進行加強，有效地控制了隧道的沉降量，減小地表沉降，同時在施工過程中加強對地表及洞內(nèi)的觀測，通過觀測數(shù)據(jù)及時調整支護形式，通過預留鎖腳錨管孔的方式對沉降量大的段落進行鎖腳加強，通過上述方法有效地保證了淺埋段濕陷性黃土施工的安全，同時有效地控制了地表沉降，保證了隧道施工的安全與質量。

4.3 小凈距隧道施工措施

柳泉3#隧道出口段屬于小凈距隧道，最小凈距4.3 m，且埋深淺，圍巖含水量大，松散、軟弱，由于塑性區(qū)的影響造成中巖柱穩(wěn)定性差，受開挖干擾大，直接影響到隧道的整體穩(wěn)定，為保證隧道施工的安全及后期的運營安全，中巖柱通過以下兩種方式進行穩(wěn)固。

4.3.1 整體方案的控制

由于后行洞隧道開挖引起先行洞圍巖及中巖柱應力疊加，是造成圍巖失穩(wěn)的主要原因，施工時錯開先行洞與后行洞掌子面之間的距離，錯開距離始終保證后行洞的上臺階開挖掌子面里程樁號滯后于先行洞的二襯里程樁號，減少對中巖柱擾動的同時也確保了隧道的施工安全。

4.3.2 加強支護

小凈距隧道的傳統(tǒng)加固措施主要有超前注漿預加固、長錨桿以及對拉錨桿等，但由于受施工工法影響，操作空間小，同時由于特殊黃土地質，其錨固和漿液擴散效果差，通過方案的比選最終選擇水平旋噴樁及注漿小導管對中夾土柱進行加固，同時遵循“新奧法”設計理念，初期支護采用二層型鋼+噴射混凝土方案，二襯采用55 cm厚鋼筋混凝土，超前支護及鎖腳錨管均采用Φ60 cm×6 mm無縫鋼管，有效地保證了小凈距隧道的施工安全。

對中夾土柱進行加固，由于洞口為淺埋段，同時又為小凈距段，為了確保施工安全和結構安全，在隧道開挖前，拱部及中夾土柱采用超前水平旋噴樁進行加固，旋噴樁長度為20 m，直徑60 cm，樁中心間距50 cm咬合布置，外傾角為2%。在隧道拱部形成一個完整的水泥土護拱架構，以穩(wěn)定洞口淺埋段圍巖，控制開挖引起的沉降變形，降低暗挖作業(yè)施工風險，加固中夾土柱，提高中夾土柱圍巖的穩(wěn)定性。

提升襯砌的早期強度，增強襯砌的整體剛度，使支護體系形成約束中夾土柱的一個整體，將二襯混凝土的強度等級由原設計C25提升至C40，以便快速達到設計強度，確保中夾土柱的穩(wěn)定的同時使后行洞施工連續(xù)（如圖1、圖2所示）。

4.4 控制變形

濕陷性黃土隧道施工最為關鍵的一環(huán)就是控制沉降收斂，這關系到隧道的施工穩(wěn)定與地表結構物的安全與否，與其有直接關系的因素有：拱腳承載力薄弱、分部開挖，工序干擾、初期支護剛度不夠等3個方面主要因素，而控制變形與沉降主要采取以下4個措施。

4.4.1 提升拱腳承載力

提升拱腳承載力主要采用兩種措施：第一，是增加鎖腳錨管；第二，為擴大拱腳。在3臺階法施工過程中分別在拱腰及拱腳處設置，通過以上措施能夠有效地提高拱腳承載力，從而控制拱頂沉降和凈空收斂。

4.4.2 合理地控制施工安全步距

濕陷性黃土隧道沉降變形受空間效應的影響要比受時間效應的影響要大，所以，合理的施工步距對控制隧道的沉降變形有著至關重要的作用，施工步距主要體現(xiàn)在兩個方面：第一，為單次的施工步距；第二，為各工序間的施工步距，開挖循環(huán)進尺控制在0.5～0.75 m，初期支護及臨時支護緊跟開挖面；初期支護落底成環(huán)段距超前導坑開挖面距離30～40 m，仰拱及填充緊跟初期支護成環(huán)段使工作；二次襯砌距初期支護封閉成環(huán)段距離25～35 m，施工組織時因充分考慮各循環(huán)施工工序距離的控制。下臺階開挖時，邊墻側錯開開挖，錯開距離2～3 m，避免拱架同時懸空。

4.4.3 強剛度支護

隧道穿越巖層含水量大，圍巖強度低，圍巖容易發(fā)生屈服形成塑性區(qū)，強剛度支護能快速地形成支護體系，抵抗圍巖的塑性變形，避免因變形量過大造成松弛巖體沿節(jié)理面脫落成塌方，提高支護剛度主要采取以下3個措施：首先，通過施做超前小導管等超前支護措施來提高掌子面的穩(wěn)定性，超前支護能夠與拱架一起形成整體棚架架構，控制圍巖的早期變形；其次，加勁措施采用高強度的型鋼同時增強縱向鏈接，快速形成強剛度支護體系，抵抗圍巖的塑性變形；最后，通過嚴格按照施工步距及早施作二次襯砌，二次襯砌能提供足夠的剛度來抵御圍巖塑性變形，是控制隧道變形坍塌最有效的措施。

4.4.4 監(jiān)控量測

由于巖體工程的復雜性和特殊性，在隧道施工過程中一般需要根據(jù)施工過程中洞內(nèi)外地質調查、洞內(nèi)觀察、現(xiàn)場監(jiān)控量測等施工反饋信息，確定和修改隧道施工方法和支護方式。特別是對于小凈距隧道而言，要求在施工過程中必須進行現(xiàn)場監(jiān)控量測，及時掌握圍巖在開挖過程中的動態(tài)和支護結構的穩(wěn)定狀態(tài)，并據(jù)此制定相應的施工措施，以確保洞室周邊巖體的穩(wěn)定及支護結構的安全。根據(jù)該隧道的具體情況，在施工過程中必須進行的監(jiān)控量測有以下幾個方面。

（1）地表下沉觀測。

地表下沉量測的縱向間距S=5 m；開挖面距量測斷面前后<2B時，每天1～2次；開挖面距量測斷面前后<5B時，每2～3天一次；開挖面距量測斷面前后>5B時，每3～7天一次；根據(jù)監(jiān)控資料繪制每一斷面沉降量隨時間的變化關系圖、最大沉降量隨時間的變化關系圖、最大沉降量與開挖面距離關系圖，據(jù)此進行必要的回歸分析，對圍巖穩(wěn)定性進行評價預測。

（2）隧道圍巖及支護結構監(jiān)控量測。

必測項目：地質及支護狀態(tài)觀察、水平收斂、拱腰收斂及拱頂下沉量測。

（3）圍巖穩(wěn)定性和支護分析。

通過對現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)，對圍巖穩(wěn)定性和支護形式進行評價，來預測和確定隧道圍巖最終穩(wěn)定時間、指導施工順序和施作二次襯砌、優(yōu)化支護結構設計參數(shù)。

5 結語

（1）濕陷性黃土隧道施工必須遵循“短進尺”，隧道開挖后必須馬上進行支護，盡量縮短圍巖裸露時間，減少圍巖的沉降變形，防止過度收斂，造成圍巖松弛變形引起隧道坍塌。施工過程中合理的施工步距能充分利用圍巖的土應力來平衡各向的壓力，同時能盡早地形成封閉環(huán)，有效提升整體承載力。

（2）對于小凈距隧道施工應加強對中夾土柱的加固，加強中夾巖柱兩側支護，同時錯開開挖掌子面，避免應力疊加，能有效控制中夾巖柱的穩(wěn)定。

（3）小凈距濕陷性黃土隧道的初期支護應采用“強剛度支護”。隧道開挖后甚至在開挖過程就出現(xiàn)了沉降變形，早期的強剛度支護能有效控制圍巖的變形，在各個工序轉換點設置大拱腳以及采取鎖腳錨管加強斜向錨固，能有效地控制拱部下沉，穩(wěn)定開挖面，確保隧道施工安全。

（4）監(jiān)控量測過程中測量的空間性和時效性對黃土隧道安全施工相當重要，監(jiān)測點位的合理布置以及量測時間的把握能最清晰地反應圍巖的變化情況，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析及時調整支護參數(shù)。

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