富水黄土隧道原因分析及施工预防措施

孙珂垚 徐智军 孙立功

摘 要： 结合工程实际， 分析了富水黄土隧道易坍塌的原因，并从隧道施工角度提出预防措施，总结出富水黄土隧道施工必须坚持“先治水、管超前、短进尺、少扰动、强支护、早封闭、勤量测”的施工原则，为类似工程积累了施工经验。

关键词：富水，黄土隧道，坍塌，施工措施

1.工程背景

郑西铁路是第一条贯穿我国黄土地区的客运专线，隧道较多，约占全线的16.7%，尤其是全线最长的富水大断面黄土隧道——张茅隧道，成为制约全线工期、安全的控制性工程。张茅隧道全长8483米，是新建郑西铁路客运专线最长的一座隧道。其中出口段为富水黄土3190m。洞身最大开挖面积163.87m2，洞身主要为第四系中更新统（Q2）老黄土，以黏质黄土为主，洞身位于地下水位线以下，黄土中含有丰富的空隙潜水，渗透系数0.009～0.014m/d，隧道最大涌水量18990m3/d。富水大断面黄土隧道施工采用“三台阶七步开挖法”，与传统的大断面隧道CRD、CD法相比，施工进度提升至70m～75m/月，施工进度快，工期保障性强；与CRD法相比平均每延米节约7000多元的临时支护成本。

2.黄土隧道易坍塌的原因

2.1地下水的渗流

黄土的遇水软化问题在黄土围岩中表现尤为突出，洞身开挖时，如暴稍长，因开挖后水力坡度改变，地下水往开挖面渗透，地下水的流动及溶蚀带走细颗粒及可溶性矿物使其强度降低，并在开挖面附近对黄土产生崩解破坏作用，临空面失去平衡而变形甚至塌陷，特别是開挖的拱脚或墙脚位置，稍有积水，表层就迅速软化，丧失承载能力，表现为初期支护沉降变形加大直至失稳坍塌。

2.2土体强度低

隧道区黄土由于含水量高而呈软塑状，开挖后，因其抗剪强度低，初期变形大、变形速度快，围岩自稳时间较短，甚至不能自稳，开挖后蠕动较快并发生滑塌。

2.3应力重分布

隧道开挖的过程也是地层内应力重新分布的过程，在隧道开挖前，土体处于天然的应力平衡状态；隧道开挖后，土体原有的天然应力状态被破坏，围岩应力在洞周一定范围内产生了重新分布。黄土属于塑性围岩，当围岩应力超过其抗压强度后，产生径向塑性位移，形成塑性区，释放一部分应力，另一部分向外传递，导致塑性区周边继续产生塑性变形，塑性区向外扩大。随着塑性变形发展到一定程度，围岩不断松动破碎，其粘结力和内摩擦角不断下降，围岩将出现松动失稳破坏现象。

2.4施工扰动

3.施工预防措施

3.1 黄土隧道的施工，首先要搞好的是治水

在隧道进洞前就做好洞口边仰坡截水沟，维护边仰坡稳定，防止地表水流入洞内；对洞内地下水采取排、堵相结合的措施：用喷射混凝土迅速封闭开挖面（含掌子面），有效阻止地下水的渗出；对渗出的地下水及时排走，防止浸泡拱脚、墙脚及隧底引起承载力降低，如在上导坑开挖时，在两侧拱脚留有略带斜面的平台，保证了拱脚不积水；对施工用水，要加强管理，合理布设水管，防止渗漏水，保持洞内排水畅通，施工废水及时排出，严防人为造成塌方。

3.2 用小导管注浆超前支护

小导管注浆在隧道开挖前就改变了围岩的初始应力状态，直接影响开挖后的二次应力状态的分布结果。通过小导管自身起到的棚架和锚杆作用，注浆起到的改善岩体力学参数作用，而达到固结止水、预防坍塌的目的。

3.3 采用环形开挖留核心土法，短进尺，少扰动开挖及下导坑左右错进

软弱围岩隧道核心土有其不可替代的作用，它能减少开挖的临空面，支撑掌子面土体稳定，又为初期支护提供一个自然的作业平台。短进尺开挖施工充分利用掌子面约束周边土体变形的空间效应，利于围岩稳定，也利于实现软弱围岩快支护的施工理念。新奥法的原理就是充分利用围岩的自承能力，先用挖掘机环形开挖，周边采用风镐开挖修整，局部欠挖采用洋镐或铁锹处理，尽量减小对围岩的扰动，少破坏周边土体的自然结构，发挥围岩的自承能力；下导坑左右错进，利用土柱及已施工支护的承载能力，避免上导坑初期支护双侧悬空。一般环形开挖进尺为0.8-1m，不宜过长，每台阶长度为3～5 m。

3.4 用湿喷法喷射砼封闭开挖面

喷射砼在灰骨比一定的情况下，水灰比是影响混凝土强度的主要因素。干（潮）喷在喷咀处加水量的多少，是喷射手凭自己的经验启闭阀门的大小而实现的，这就形成当水量大时会冲走灰骨料，并降低强度；水量少时，物料粘不住，回弹量和粉尘都会增大。由此可见干（潮）喷混凝土的水灰比带有较大的随意性其强度离散性较大，封闭质量不稳定。湿喷法的混凝土按标准工艺生产后运至湿喷机进行喷射，其配比完全处于受控状态，从而保证了喷射混凝土的质量。

3.5 加强初期支护

通过钢拱架支撑、挂网、打锚杆等加强土体强度、限制围岩变形及对围岩应力重新分布起到调整作用。

3.6 快速、分步进行初期支护。

当黄土含水量达到20%以上时，在上部导坑实施开挖的过程中，侧壁就会伴随着小量的坍塌掉块现象，其实在这时候围岩总体是稳定的，因黄土的强度较低，垂直裂隙发育，随含水量增大，粘结力降低，仅产生表面剥落现象，洞室开挖成型后，迅速初喷混凝土5cm厚是必不可少的一道工序，首先它起到封闭围岩，延缓围岩风化，有效阻止地下水外渗的作用，在局部超挖处，用喷射混凝土将其补平，可减少因超挖造成的应力集中而引起进一步的掉块、坍塌现象，在短时间内能起到加固围岩的作用，为初期支护作业提供一个安全的操作空间。

3.7 仰拱紧跟，早封闭

仰拱及填充超前于衬砌，紧跟掘进平行作业，首先，能使全断面初期支护尽早封闭成环，形成一个完整的受力结构，限制支护结构的侧向变形；其次，能尽早地封闭隧底基岩面，避免地下水及施工废水浸泡隧底及墙脚而降低土体承载力；另外，还可减少机械、车辆行走对隧底的扰动，尽早提供硬化的行走道路，提高施工效率。

3.8 通过现场监控量测信息指导施工，修订初期支护参数

隧道监控量测是现代化施工管理的重要组成部分，隧道的施工是一个动态设计、动态施工的过程，提前预知围岩和支护的变形发展趋势，预报险情，确保安全；又可合理评价既有支护及施工技术参数，指导施工中优化支护及施工方案，亦为今后施工积累经验和依据。

4.结论

黄土隧道施工必须坚持“先治水、管超前、短进尺、少扰动、强支护、早封闭、勤量测”的原则，严格管理，精心组织，快速施工，可有效的避免坍塌事故的发生。富水大断面黄土隧道施工采用“三台阶七步开挖法”，达到了安全、快速、优质施工的目的，无需投入特殊设备，施工质量满足验标要求，操作便捷，节约施工成本，推广性强。

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