宝兰铁路苏家川大断面黄土隧道三台阶施工变形控制技术

席 浩 ，李绪干，时 坚 ，侯 奇

(中国水利水电第四工程局有限公司，青海西宁 8 10007)

0 引言

近年来，由于西北部黄土地区高速铁路的大量建设，大断面黄土隧道的施工变形控制技术越来越受到重视。既有的工程实践及研究成果证明，施工工法的选择是黄土隧道变形控制的重点。在相关研究中，彭刚［1］通过不同工法施工过程的数值模拟分析，得出Ⅴ级围岩地段在无水地层条件下，大断面隧道可以采用台阶法施工，且CD法和CRD法更安全;扈世民等［2］通过大断面黄土隧道变形特征分析，得出围岩拱部竖向位移弱化较慢、边墙水平位移弱化较快、水平收敛普遍小于拱顶沉降的规律;张英才等［3］、石磊等［4］对大断面黄土隧道的不同开挖工法进行了详细的对比分析，并得出选择的基本原则;王新东［5］对浅埋大断面黄土隧道安全快速施工方案进行了探讨，提出了基于浅埋大断面黄土隧道的变形特性，并结合传统矿山法、新意法、预切槽法等施工方法的技术特点，提出了浅埋、大断面黄土隧道不同工况下安全、快速的施工方案。

围岩与初期支护的接触和作用效果，是变形控制的另一重要因素。就此，周烨等［6］对大断面黄土隧道初期支护合理施作时机进行了详细阐述;李健等［7］对大断面黄土隧道初期支护与围岩相互作用机制进行了系统地研究。此外，预留变形量和仰拱封闭距离的控制也是变形控制的主要内容之一。现行TB 10003—2005《铁路隧道设计规范》［8］规定，对于一般围岩条件下，采用工程类比法确定，当无类比资料时，可参照附表参数，此规范内容的适用范围却非常有限;赵东平等［9］统计分析了大断面黄土隧道初期支护变形量，研究了大断面黄土隧道变形规律及预留变形量合理取值范围。另外，李健等［10］对浅埋大跨黄土隧道优化施工进行了研究，李健等［11］对浅性大跨黄土隧道长大管棚的受力机制进行了研究。

虽然以上相关研究为大断面黄土隧道施工提供了一定技术支撑，但由于黄土自身的特殊性和复杂性，土质及形成时期不同的湿陷性黄土的力学性质相差较大，而且目前对于第三纪砂质黄土的具体研究较少。因此，有必要依托宝兰高速铁路苏家川隧道，针对第三纪砂质黄土地层条件的大断面黄土隧道施工变形控制技术作进一步的研究。

1 工程概况

苏家川隧道地处黄土高原西北部，东河左岸，黄土梁峁区，地面高程1 940～2 000 m，相对高差20～60 m，在水流切割侵蚀作用下冲沟发育，沟深坡陡。设计为浅埋新黄土隧道，隧洞洞身通过地层主要为第四系上更新统砂质黄土、砾砂、上第三系泥岩。隧道进、出口均为东河支沟，平时干涸无水，仅在暴雨季节沟中有季节性流水，水量一般不大。

苏家川隧道设计轨面以上净空横断面面积为100 m2。暗挖隧道均采用复合式衬砌，初步设计考虑洞口、浅埋、偏压、深埋等不同情况分别采用三台阶七步法、三台阶临时仰拱法及三台阶临时横撑法施工。

根据工程地质调查、钻探及物探资料，隧道进出口地段围岩主要由砂质黄土组成，围岩级别为Ⅴ级，工程性质差，施工开挖洞壁易垮塌。DK929+511～+561基地黄土具有湿陷性，黄土含砂量大，变形及塌方控制相当困难。

在隧道实施中，需要在全面、深入地掌握区域内黄土的特性及苏家川隧道工程的黄土特性的基础上，充分借鉴已取得的新技术及经验教训，通过认真研究地表、洞周及土体的变形特性，分析支护结构变形及力学行为随时间和空间的变化规律，探明不同开挖步序对沉降变形和稳定性的影响，总结不同初期支护封闭时机对沉降变形及稳定性的影响，进而采取适宜的施工技术措施，确保隧道施工安全顺利进行。

2 大断面黄土隧道施工变形规律

根据以往的大断面黄土隧道的工程实例分析，通过现场量测采用三台阶法施工时隧道围岩变形，得出隧道变形的空间曲线与时态曲线。从时间上看，隧道开挖断面封闭后1周沉降及收敛已基本稳定，封闭后的变形量所占比例都不大，一般情况拱顶沉降占总沉降＜5%，拱脚水平收敛占总收敛＜5%。说明仰拱及时封闭对隧道沉降、变形的控制效果非常明显。

为进一步研究隧道变形空间曲线规律，划定合理的仰拱封闭步距，在有效控制隧道施工变形，保证安全的基础上，最大限度发挥现场组织工效。结合苏家川隧道的施工实例，运用midas数值模拟软件对隧道现场的具体情况进行三维数值建模分析。在三维模型计算过程中，模拟现场所采用的三台阶临时仰拱开挖工法，并拟定3种封闭距离，即30 m，35 m和45 m的3种不同工况进行对比分析。隧道模型网格图和隧道开挖步序图如图1和图2所示。

图1 隧道三维模型网格图Fig．1 3D model of tunnel

图2 隧道模型开挖步序图Fig．2 Excavation sequence of tunnel

3种不同工况的隧道模型中间断面拱顶沉降随施工步序进行的变化规律如图3所示。

3种不同仰拱封闭距离施工工况下，隧道最大拱顶沉降和净空收敛统计计算结果见表1。

图3 拱顶沉降与施工步序关系曲线Fig．3 Crown settlement Vs constrution step

表1 不同初期支护封闭距离计算结果比较Table 1 Displacement calculated under different distances between tunnel face and primary support closing position

根据计算结果可知:仰拱封闭距离由30 m增加到35 m时，沉降和拱脚水平收敛增加6%左右;而仰拱封闭距离由35 m增加到45 m时，沉降增加25%左右，拱脚水平收敛增加30%左右。因此，仰拱封闭距掌子面的距离越大，隧道沉降变形就越大，而且成指数增加。施工组织安排应围绕这一关键，尽可能缩短仰拱封闭距离。通过数值模拟的结果分析，并根据苏家川隧道的地质及现场试验情况，对于第三纪砂质黄土，仰拱封闭距离由30 m增加到35 m时，沉降和拱脚水平收敛，增幅较小;而仰拱封闭距离由35 m增加到45 m时，增幅较大。所以，出于提供足够的作业空间和有效控制隧道变形量的综合考虑，仰拱的最合理封闭距离为35 m左右。

3 大断面黄土隧道变形控制技术

3．1 施工工法

苏家川黄土隧道设计围岩Ⅴ级，以第三纪砂质黄土为主，施工工法采用较为安全的三台阶临时仰拱工法，人工配合挖掘机进行开挖，无轨运输出渣。通过合理控制各步开挖步距，并采用注浆小导管超前支护和锁脚锚杆加固等施工变形控制技术，以保证隧道开挖施工的安全。

在开挖过程中，尽量减少挖掘机对隧道边沿的开挖，应采用人工风镐对隧道周边进行修整，减少对围岩的扰动，避免侧壁或拱顶掉块。拱脚、墙角应预留30 cm人工开挖，严禁超挖，以保证拱脚自稳能力。

三台阶临时仰拱法工序平面如图4所示。三台阶临时仰拱法工序纵断面如图5所示。

1)开挖1部台阶。施作1部临时仰拱和洞身结构的初期支护，即初喷4 cm厚混凝土，架立钢架。钻设系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度。

2)上台阶施工至适当距离后，开挖2部台阶，接长钢架，施作洞身结构的初期支护。

3)开挖3部台阶，及时封闭初期支护，灌注该段的Ⅳ部仰拱。灌注该段的Ⅴ部隧底填充。

4)利用衬砌模板台车一次性灌注Ⅵ部二次衬砌(拱墙衬砌一次施作)。

图4 三台阶临时仰拱法工序平面图Fig．4 Cross-section of tunnel showing construction sequence of top heading and two-bench method with temporary invert

图5 三台阶临时仰拱法工序纵断面图Fig．5 Longitudinal profile of tunnel showing construction sequence of top heading and two-bench method with temporary invert

3．2 控制变形技术措施

3．2．1 合理选定开挖进尺

开挖进尺的大小对大断面黄土隧道施工变形的影响很大。随着开挖进尺的减小，减小土体一次暴露的长度，减少一次开挖量和出渣量，缩短开挖与支护的衔接时间，实现早支护，对控制变形是十分有效的。

苏家川隧道的三台阶临时仰拱法的开挖进尺确定为上台阶0．6 m，中台阶、下台阶1．2 m为一个进尺循环，3～4循环/d，以此来有效地控制因进尺过长而引起的土体变形。

3．2．2 控制掌子面的稳定

在软弱地层隧道施工中，掌子面的稳定性十分重要，特别是对大跨隧道，掌子面的稳定是最关键的。软弱地层隧道施工发生的坍塌现象大多数是由掌子面的失稳引起的。掌子面稳定性降低的原因，在多数情况下，可考虑以下几点:因黏聚力不足而崩塌、因地下水而崩塌、因强度不足产生大变形而崩塌。针对富水黄土隧道施工情况，稳定掌子面的措施主要有:预留核心土、尽早封闭开挖面及超前小导管。

为了充分利用掌子面的空间支护效应，预留核心土是稳定掌子面比较有效的方法，是弧形导坑开挖的关键。在郑西铁路隧道试验的基础上，考虑核心土的设置为:上台阶核心土长与上台阶长度相同，即3～5 m，高度为1．5～2．5 m，顶面宽度为上台阶开挖宽度的1/3～1/2，即3～5 m;中、下台阶核心土长与台阶长度同，即4～6 m，高度与台阶高度同，宽度为台阶宽度的1/3～1/2。

从开挖效率上看，直接落底能提供较大开挖空间，且开挖效率更高。从掌子面稳定性方面看，郑西铁路浅埋砂质新黄土的成功经验表明，上台阶预留3～5 m长核心土能满足掌子面稳定性的控制要求。因此，从开挖效率考虑，在地质条件较好的情况下可考虑不留中台阶核心土。

3．2．3 及时初喷封闭围岩

在富水黄土隧道中，开挖后立即初喷3～5 cm混凝土，覆盖开挖面，以减少围岩暴露时间，防止开挖面松弛，提高开挖面的自稳性。喷混凝土不是作为轴力构件发挥作用的，而是防止土体剥离，防止富水黄土的地下水渗出，防止地下水渗出后开挖面的泥化。此外，通过观察喷射表面是否有龟裂发生，还可以获得有无崩塌发生的信息。

从测试及施工情况看，黄土隧道开挖后1～2 h是关键观察点。因此，必须考虑喷混凝土工序前移的可行性，即移至出渣前进行，开挖后立即进行初喷，然后再架设钢架、出渣。目前一般在开挖后至少5～6 h后才能喷混凝土，这对第三纪砂质新黄土隧道初期位移的控制不利。

3．2．4 超前支护技术

为保证施工安全，正洞采用超前小导管进行超前支护。小导管采用外径42 mm、壁厚3．5 mm热轧无缝钢管制作，单根长3．5 m。采用YT-28风动凿岩机钻孔，安装超前小导管并与钢架焊接固定，小导管外插角符合设计，用注浆泵进行注浆作业，注入水灰质量比为 1∶1 的水泥浆，注浆压力为0．5 ～1．5 MPa。

3．2．5 控制拱脚变形技术

锁脚锚杆的承载效果与打入角度有很大关系，即与水平夹角越大越好，这与一般岩石隧道垂直于岩面打入锁脚锚杆有很大不同。而且从拱脚斜向下打入，即可稳定拱脚又可对下层开挖起到超前支护的作用。因此对于黄土隧道，拱脚处锁脚锚杆应尽量贴着拱部轮廓大角度斜向下打入。锁脚锚杆采用长而粗的钢管可增加锚杆与土体间的摩擦面，更有利于发挥承载作用。

苏家川隧道采用长度4 m、直径42 mm的锁脚锚管，在钢架拱脚以上30 cm处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°设置，并与钢架牢固焊接。

3．2．6 快速封闭仰拱

根据苏家川隧道现场施工中的70个断面的实测监测结果分析，苏家川隧道现场施工拱顶的最大沉降值与封闭距离，统计如图6所示。

图6 拱顶沉降与仰拱封闭距离关系图Fig．6 Crown settlement Vs distance between tunnel face and invert closing position

从图6可以看出，苏家川隧道现场施工量测结果中，有95%的断面仰拱封闭距离都为25～32 m，有70%的断面仰拱封闭距离为25～30 m。

3．3 实施效果

通过采用合理的变形控制技术，从图6可以看出，拱顶最大沉降值随着埋深的不同有所变化，但都成功地控制在30～160 mm，达到了大断面黄土隧道施工变形控制的技术要求。

4 大断面黄土隧道预留变形量

在大断面湿陷性黄土的隧道中，隧道的初期支护的预留变形量也是一个至关重要的施工技术指标。施作初期支护和二次衬砌过程中的预留变形量，将影响二次衬砌结构的最终结构的受力连续性和结构的使用耐久性问题。

由于隧道支护与黄土地层相互作用关系的复杂性以及与隧道初期支护变形相关因素的不确定性，现场实测数据或多或少会有一定程度的离散性。为考虑这些综合因素的影响，确定最终的合理预留变形量，以保证率大于80%为研究的基准。

在宝兰铁路黄土隧道中，以第三纪砂质新黄土为主的Ⅴ级围岩区段内，共收集到了包括苏家川隧道、西坡隧道等，共计210个断面的隧道拱顶最大沉降和水平收敛的实测数据。

由于苏家川隧道采用三台阶临时仰拱工法开挖，中台阶开挖时采用左右交错2～3 m开挖，所以监测点布在中台阶的外侧的周边收敛监测点，测量值普遍偏小，不具有参考价值。考虑到所有量测数据中拱顶下沉均大于相应断面的水平收敛，且Ⅴ级围岩条件下的水平收敛的量测值，由于受开挖工法的影响较大，未能反映水平位移情况，所以这里不再作单独研究。综合以上分析，最终的预留变形量的合理值直接由隧道断面的拱顶沉降最大值来确定，当给定的预留变形量对应保证率大于80%时，则认为该预留变形是适合的。

宝兰铁路隧道现场的210个实测断面的拱顶最大沉降值及拱顶沉降实测值与断面埋深之间的关系如图7和图8所示。

图7 拱顶沉降与断面埋深关系图Fig．7 Crown settlement Vs tunnel depth

图8 拱顶沉降与监测断面序号图Fig．8 Crown settlement VS monitoring cross-section number

由图7可知，拱顶沉降总体来看和隧道的埋深的相关性不是十分明显。由图8可知，当设计预留变形量分别取100 mm，120 mm和140 mm时，其保证率分别为59．65%，85．37%和98．6%。考虑现场量测数据的离散性，同时兼顾较高的保证率，第三纪砂质新黄土区段隧道Ⅴ级围岩设计预留变形量取值范围可取120～160 mm。

5 结论与讨论

1)通过数值软件对仰拱封闭距离30 m，35 m和45 m模拟和与宝兰铁路苏家川隧道施工中实测数据的对比分析，在第三纪砂质新黄土的地质条件下，综合考虑隧道变形量的控制和足够的作业空间等因素，得出仰拱的最佳封闭步距为35m以内。

2)采用三台阶临时仰拱工法，开挖步距上台阶0．6 m，中台阶、下台阶1．2 m，并辅以注浆小导管超前支护和锁脚锚杆加固等施工变形控制技术，达到了很好的变形控制效果，最大沉降控制在50～160 mm。

3)在第三纪砂质新黄土的地质条件下，考虑现场量测数据的离散性，并兼顾较高保证率，建议在大断面隧道V级围岩范围内，隧道开挖预留变形量可取用120～160 mm。

4)隧道的埋深变化对大断面黄土隧道施工变形控制是不容忽视的因素之一。由于不同地质条件及施工工法选择变化，必然产生黄土质隧道围岩自身不同的作用机制，其受埋深影响程度亦会出现明显变化，需在后续类似隧道设计、施工中更加关注。

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