黄土隧道洞口浅埋段开挖支护技术探讨

朱义嘉

（中铁隧道集团二处有限公司，河北 三河 065201）

0 引言

黄土作为一种特殊的岩土，在其中进行隧道开挖作业时，特别需要考虑黄土的湿陷性及垂直节理导致的沉降问题［1］［2］，尤其在浅埋地段，往往容易发生因沉降过大导致黄土中出现裂缝贯通至地表，引起整个黄土边坡的失稳。本文以宝兰客专兰山隧道为例，对隧道洞口段的总体施工方案进行介绍，并针对在施工过程中出现的沉降过大导致衬砌裂缝及地表裂缝的问题，分析其原因，通过反压墙控制边坡滑移，采用仰拱紧跟及三台阶临时仰拱法控制隧道拱部沉降等一系列措施，保证洞口段的正常施工，总结了针对黄土隧道洞口段的施工方案，为相似隧道施工提供参考。

1 工程概况

宝兰客运专线兰山隧道位于甘肃省兰州市南侧皋兰山腹地，陇西黄土高原梁峁区。隧道起止里程为DK1022+880～DK1028+332，全长5 452.8m，为双线隧道。隧道洞身最大埋深470m，进口段2 540m位于直线上，其余段落位于半径为8 000m的曲线上。隧道洞身全部为Ⅳ、Ⅴ级围岩，其中Ⅳ级围岩3 368.8m，Ⅴ级围岩2 084m。

隧道地处陇西黄土高原西北部，地形起伏较大，位于黄土高原梁峁、沟壑区，地面高程1 620～2 140m，相对高差100～570m，自然坡度为20°～45°。区内黄土梁峁起伏，沟壑纵横，多呈“V”型。黄土梁峁区顶部为第四系上更新统风积砂质黄土，洞身主要为冲积砂质黄土及第三系泥岩夹砂岩及砾岩，局部为碎石类土。隧道洞身地段没有大的构造地形，只是受新构造运动上升的影响，形成了沟壑、梁、峁相间的黄土山地地貌形态。特殊岩土主要为湿陷性黄土、松软土及膨胀土，湿陷土层厚度50～80m不等；砂（黏）质黄土属松软土，层厚10～15m。

2 洞口段总体施工方案

兰山隧道出口段地表成台阶形式，埋深为10～20m，开挖揭示地质特征为第四系上更新统砂质黄土。浅黄色、土质均匀，成分以粉粒为主，可见虫孔及针状空隙，砂感明显，多能形成陡立边坡土体自稳性较差，稍湿（含水率15%左右），中高压缩性，自重湿陷性Ⅳ级，地基承载力较低。掌子面中部、下部土体陷穴发育，洞径最大达2m。

兰山隧道出口原设计设置23m明洞，在明暗交界处DK 1 028+309打设φ108超前长管棚，L=30m，打设范围为拱部144°。暗洞采用三台阶临时仰拱法进行开挖，上台阶预留核心土。DK 1 028+279～DK 1 028+309洞口浅埋黄土段设计采用Ⅴe支护断面，具体支护参数为：Ⅰ25a型钢拱架支护、间距0.6m；超前支护为φ108大管棚+φ42超前小导管；φ8钢筋网、网格尺寸20×20cm；墙部设φ22系统砂浆锚杆、长L=4m、C25喷射混凝土厚度35cm。洞口段施工按照明挖段边仰坡开挖防护、管棚施做、明挖段落底，洞口段形成三台阶形态、明洞施做、暗洞开挖的总体步骤进行。

3 先期施工洞口段出现的问题

洞口导向墙及超前大管棚施工完成后，按照三台阶临时仰拱法进行开挖。正常情况下每天完成4个循环，每循环60cm，日进尺2.4m。为满足步距要求并避免互相干扰，仰拱初支每天施做一次，进尺2.4m，仰拱距掌子面距离约为35m。

暗洞开挖进洞后，监控量测显示拱顶出现较大沉降，沉降速率最快达47.3mm／d，累计最大值达220mm。典型拱顶沉降时间曲线如图1所示。

图1 前期拱顶沉降曲线图

隧道洞内初支出现环向裂缝（见图2），仰坡坡面出现裂缝，随着暗洞的掘进，裂缝变宽，并在掌子面对应地表前方发展新的裂缝。洞口上方土体出现裂缝（见图3），同时具有向洞口外移的趋势，造成导向墙拱腰断裂。

图2 初支环向裂缝示例图

图3 地表裂缝示例图

4 洞口浅埋段优化后支护技术

4.1 反压墙控制仰坡滑移

开挖支护后洞顶边坡出现多条环向裂缝，洞内沉降较大，导向墙在两侧拱部出现裂缝。经量测洞内洞顶及导向墙上部均出现纵向位移，判定仰坡下滑对初支产生向下压力及向前推力。考虑明洞施做周期较长，为防止裂缝进一步发展，因此在洞口两侧采用反压挡墙控制仰坡滑移（见图4）。反压墙采用C20混凝土，施做长度为16m，下部基础宽度为2m，基础标高为轨面标高下2.3m，墙体总高为8m，分层错台施工。反压墙施做后，洞内拱顶沉降得到控制，导向墙及仰坡裂缝未继续发展，整体结构趋于稳定。

图4 反压挡墙施做示例图

4.2 三台阶临时仰拱法尽早封闭成环

为达到仰拱初支尽快成环，控制洞口浅埋段开挖后沉降，在满足规范要求的前提下对施工工序进行改进调整：采用仰拱初支紧跟下台阶的办法。分四层开挖（主洞分上、中、下台阶加仰拱初支开挖）上台阶长度为3～5m，台阶高度为3.5m，每次开挖1榀，进尺为60cm／榀；中台阶长度为3～5m，台阶高度为3.5m，每次开挖1～2榀；中下台阶开挖时，先开挖右侧，每次进尺1～2榀，左侧开挖落后右侧2榀，每次开挖1～2榀；仰拱每天开挖一次，进尺2.4m，紧跟下台阶开挖，利用上中台阶喷浆的时间进行仰拱的拱架安装，然后跟进仰拱初支喷射，在下一循环利用开挖渣土回填仰拱。施工工序更为紧凑，仰拱封闭距离由原来的30m缩短为15m，封闭时间由15d缩短为7d，初支封闭距离的缩短显著减少了隧道内拱顶的沉降。其他施工技术主要为：开挖采用挖机开挖、人工配合的方式进行。每循环开挖前测量组提前测设开挖轮廓线，挖机根据轮廓线进行开挖。挖机开挖过程中有专人指挥，观察周围情况，并避免碰撞已施工初期支护、量测点等部位，应减少超挖。上台阶开挖完毕，挖机在向下台阶扒渣过程中，上台阶开始人工处理。三台阶施工工序如图5所示，主要施工步骤如下：

图5 三台阶临时仰拱法工序横断面示意图

（1）开挖1部台阶，每循环进尺一榀，同时施做超前支护。初喷4cm厚混凝土，立初期支护钢架及临时钢架，打锁脚锚杆（管），系统锚杆并复喷混凝土。

（2）上台阶施工3～5m后，分侧开挖2部台阶并立拱锚喷，2部台阶左右侧拱架错开两榀，每循环进尺一次。

（3）中台阶长度达到5m左右，分侧开挖3部台阶，并立拱锚喷，2部台阶左右侧拱架错开两榀，每循环进尺一次。同工序（2）。

（4）开挖仰拱，及时封闭初期支护，仰拱初期支护与底部填充层分开施做。

（5）利用衬砌模板台车一次性施做Ⅶ部二次衬砌。

4.3 初期支护

兰山隧道出口承载力150 kPa左右，承载力不足导致开挖支护后沉降比较大。兰山隧道出口段初期支护采用锚喷支护，I25型钢拱架，榀距60cm，连接筋φ22环向间距1m；两侧边墙设置φ22长3.5m系统锚杆，间距1m，呈梅花型布置；φ8单层钢筋网，网格间距20×20cm；喷35cm厚C20混凝土。为进一步控制沉降，采用了如下加强措施：

（1）台阶拱架落脚处采用预制混凝土垫块，扩大落脚处受力面积，拱脚清理后安放预制块。

（2）加强锁脚锚杆连接［3］，原锚管尾端用L型钢筋焊接于拱架，施工中每拱脚加强为6根锁脚。后期施工锁脚有所改进。拱架拱脚处焊接钢板，钢板割孔，锁脚穿过割孔打入岩层，此种方法既保证了打设角度又保证了焊接质量。

（3）拱部双层小导管，由于隧道洞口段埋深较浅，土质松散，开挖后容易产生竖向垮塌，因此在开挖前拱部打设双层小导管，角度分别为10°和40°。

（4）为增强拱架纵向连接，在隧道拱部增设为双层连接筋及网片。

（5）黄土隧道施工及时封闭成环尤为重要，因此施工中采取仰拱初支紧跟下台阶施工，施工完毕后回填渣土，后期施做仰拱混凝土时采用人工配合挖机开挖清理。

通过以上措施，开挖之后后沉降得到有效控制。

4.4 衬砌

为保证施工安全，黄土隧道施工步距要求极为严格。隧道开挖后初期支护及时施作封闭，封闭位置距离掌子面一般≤30m［4］，施工中采用仰拱初支紧跟掌子面来满足要求；二次衬砌距掌子面距离Ⅳ级围岩应≤90m、Ⅴ、Ⅵ级应≤70m［5］。衬砌采用复合式防水衬砌。隧道衬砌采用C45防渗混凝土，抗渗等级≥P10。为保证步距要求，仰拱混凝土端头后的40m范围内初支基面处理及防水板施作、衬砌钢筋施作、台车就位施工等工序各占据一个工作面。各工序需合理组织，才能做到互不干扰有序施工。

4.5 地质观察及监控量测

黄土隧道施工除超前地质预报外，现场要求每5m进行一次含水率测试及承载力检测，当含水率及承载力出现异常变化时及时采取措施。监控量测在黄土隧道施工中发挥着非常重要的作用，在兰山隧道洞口施工中体现得尤为明显。对照量测数据后发现，洞口开挖时导向墙出现纵向位移，施作反压墙后趋于稳定；后洞内出现几次量测预警，及时采取措施处理后隧道沉降及收敛数据趋于稳定。另量测数据指导着施工中开挖预留量的调整。洞口段沉降量较大时预留量达到40cm，后预留量逐步减小到10cm，既保证了衬砌厚度又减少了混凝土超耗量。

5 结语

黄土隧道洞口段面临浅埋、土质松散等特点，施工中由于黄土承载力不足，容易导致沉降过大，初期支护开裂，围岩内裂缝向地表发展，洞内围岩坍塌等问题，施工难度较大。兰山隧道洞口段采用反压墙控制边坡滑移，大管棚加超前小导管双层超前支护，三台阶临时仰拱法且尽早封闭进行开挖等技术方法，顺利通过浅埋段。通过对黄土隧道浅埋洞口段的施工技术总结，提出以下几点看法与体会：

（1）坚持隧道施工“勤量测”的施工原则，量测数据如有异常，及时进行原因分析，有必要时暂停掌子面施工。

（2）对初期支护进行快速封闭成环，仰拱初支紧跟下台阶初支施工，及早提高初期支护的整体抗压能力。

（3）对于洞口土体存在整体移动，沉降较大的浅埋段，暂停掌子面施工，及时施做二次衬砌，实行单工序作业，确保施工安全。

（4）洞口施做反压挡墙，能有效抑制仰坡土体位移，稳定效果较明显。

（5）通过加强初期支护，提高支护强度。增设锁脚锚杆，防止拱架下沉；拱部设双层钢筋网，提高初支的抗剪能力；加大下台阶拱架脚板及采用预制块进行支垫，提高拱架的整体支撑能力。

［1］梁建忠.浅埋黄土隧道洞口段施工技术探讨［J］.山西建筑，2012，38（9）：193-195.

［2］王新东.浅埋大断面黄土隧道安全快速施工方案探讨［J］.铁道建筑技术，2012.5：86-90.

［3］杨建民，喻 渝.浅埋大断面黄土隧道初期支护研究［J］.现代隧道技术，2008，45（6）：16-22.

［4］JTJ042-94，公路隧道施工技术规范［S］.

［5］JTGD-2004，公路隧道设计规范［S］.