浅埋大断面饱和土隧洞进洞技术研究

□颜志强 □李 峰 □刘康平

（1 中国水利水电第十一工程局有限公司；2 商丘市金龙水利工程有限公司）

1 概述

1.1 工程概况

南水北调中线一期穿黄工程位于郑州市以西约30km 处，于孤柏山湾横穿黄河，穿越黄河采用隧洞方案。穿黄隧洞主洞全长4250m，双洞平行布置，隧洞轴线间距为28m，采用盾构法开挖；穿黄隧洞进口段35m 采用矿山法开挖，作为盾构机接收洞。穿黄隧洞进口段位于邙山南麓，原始地表高程为161.00m，经开挖后形成150,140,130,120m 四级马道，设计综合坡比1:2.60，单级边坡坡度分为1：0.70 和1：1 两种；高程120m 马道设计宽度2.00m，其下洞脸边坡设计坡比1:0.50，坡高17.56m。穿黄隧洞进口段自高程120m 以下边坡进洞。隧洞断面为圆形，开挖直径由13.35m 渐变为11.75m，两洞净间距14.75m，进口底板开挖高程102.44m。

1.2 地质情况

1.2.1 工程地质地表至高程140.00m 地层为上更新统冲积层alQ3 黄土，浅层黄土具有弱湿陷性，随深度的增大，湿陷性降低，具中等压缩，抗剪强度较高，发育有垂直节理。

高程140.00～102.20m 地层为上更新统冲积层alQ3 黄土状粉质壤土,其中⑨-1、⑨-2 两层为饱和软黄土状粉质壤土，天然状态下呈软塑状，抗剪强度低。

高程102.20～98.00m 地层为古土壤，其下为中更新统冲、洪积层(al+plQ2)粉质壤土及古土壤互层结构。粉质壤土天然状态下呈可塑至软塑状；古土壤层厚一般在4.00～6.00m，呈硬塑状，强度相对较高，耐水性较好。

1.2.2 水文地质

工程区地下水按其赋存条件及性质为孔隙～裂隙水，地下水位142.00m，高出隧洞底板约40m。上更新统冲积层黄土状粉质壤土(alQ3)渗透系数为1.00 ×10-5cm/s～1.00 ×10-4cm/s，al+plQ2粉质壤土层渗透系数为1.00 ×10-6cm/s～1.00 ×10-5cm/s，al+plQ2古土壤层渗透系数分为1.00 ×10-7cm/s～1.00 ×10-6cm/s，具弱透水性。

2 隧洞进洞面临的问题及应对措施

穿黄隧洞进口段进洞施工有以下特点：

第一，设计洞脸边坡高而且陡；第二，地下水位高于隧洞底板约40.00m，对洞脸边坡及洞身稳定影响较大，且具有埋深大、地层渗透系数低的特点，降水难度大;第三，洞口段具有浅埋特征。穿黄隧洞进口埋深5.00～15.00m，洞口开挖施工对边坡及洞身变形控制要求高;第四，穿黄隧洞进口段尚具有小净距特点。穿黄隧洞开口断面140m2，且上下游隧洞净间距仅约13.75m，<1.50 倍洞径，属典型的小净距隧洞。综合上述特点，穿黄隧洞进口段进洞开挖须采取边坡稳定措施，保证边坡自身稳定；同时采取进洞工程措施，避免进洞开挖扰动边坡，确保边坡及洞身稳定。

3 边坡稳定措施

采用瑞典条分法对边坡稳定进行分析，考虑孔隙水压力ui影响，边坡稳定安全系数：

由式中看出，影响边坡稳定的因素有土层粘聚力c、内摩擦角φ，坡底脚α 及孔隙水压力u。因此洞脸边坡稳定首先考虑提高土层粘聚力c、内摩擦角，加大坡底脚α（即降坡）并消除孔隙水压力影响。

3.1 提高土层粘聚力c、内摩擦角措施

通过对隧洞范围内边坡土室内试验，得出土体粘聚力和内摩擦角随含水率变化规律。随着含水量的增加，粘聚力及内摩擦角逐渐减小，当土体含水率>25%时，粘聚力为0。各指标关系曲线见图1、图2。

降低土体含水率可以提高土层粘聚力c、内摩擦角，并可消除孔隙水压力。由于地下水降深达40m，地层渗透系数低，多种地层互层，单一深井降水难以达到降低土体含水率效果，实践中采取四种方式进行复合降水。

图1 粘聚力与含水量的关系图

图2 内摩擦角与含水量的关系图

3.1.1 普通深井

边坡开挖前，沿基坑周边布置群井降水，降水井布置间距20m，井深80m，低于隧洞底板20m 左右。降水随洞口基坑开挖持续进行，保证了深基坑开挖的干地作业，但边坡内地下水位在隧洞腰线附近处于停滞状态，腰线以下土体含水率在25%以上，扰动后可达30%左右，处于流塑状态，不满足穿黄隧洞进口段进洞条件。

3.1.2 水平井

沿穿黄隧洞下半洞开挖线外侧布置水平降水井，水平井深50m，成孔孔径114mm，孔内安装软式透水管及钢花管，孔口密封后使用真空抽水。在左侧隧洞布置18 孔，右侧隧洞布置12 孔。

3.1.3 深井真空复合降水

采取以上两种降水方案后，穿黄隧洞进口地下水位在隧洞腰线稍下，降水速率较慢。分析认为一方面与洞底板为古土壤隔水层有关，另外隧洞正面及左侧的地下水补给来源未切断也是重要原因。为此，在隧洞进口正面及左侧增设8 口真空降水井，降水井间距10～14m，井底设计高程为77m，低于洞底板25m。降水井开孔直径600mm，井内径273mm，井底为5m 沉淀管，沉淀管至地下水位线之间无砂混凝土滤管，其上为混凝土实管，井口6m 段为钢管，管口焊接法兰，下潜水泵，并接SK-18 型真空泵，抽真空辅助降水。

3.1.4 轻型井点

由于工期较紧，穿黄隧洞进口段开挖前，底板以上5.00～6.00m 高度土体含水率仍在24%～26%左右，呈软塑状。结合隧洞分层开挖在洞口及洞内采用轻型井点辅助降水。

轻型井点降水在上导洞开挖成型后实施，根据开挖进尺向前推进。左右导洞外侧各布置一排井点，距边墙30cm，纵向间距1.00～1.20m。井管采用Φ48mm 钢管，深度5～6m，外倾15 °，底部3m 钻花管，花管孔径8mm，开孔率不低于15%，外包100 目滤网，滤网外侧填中粗砂滤料。轻型井点采用SK-18型真空泵抽水。

轻型井点一般在抽水历时3d 后，土体含水率可控制在20%左右，土体呈硬塑状态，较为稳定，可进行下一层开挖。穿黄隧洞进口随分层开挖实施了两级轻型井点降水，有效地控制了土体含水率，保证了边坡及洞身稳定。

3.2 加大坡底脚α（降坡）措施

在洞外降水效果达不到边坡稳定情况下，采取降坡措施，保证边坡稳定。高程120m 以上边坡为永久边坡，隧洞开挖前已实施边坡防护；高程120m 以下边坡为临时边坡，采取三种稳定措施：将洞顶以上高程120m 马道预留宽度由设计的2.00m 调整为5.00m 将高程120m 以下洞脸边坡由设计坡度1:0.50 调整为1:1；高程120m 以下洞脸边坡洞口部位抽槽开挖，两侧预留土体暂不开挖，用以稳定坡脚，预留土体顶部平台宽度8.00m，正面边坡坡度1:1，洞口两侧边坡坡度1：0.60。

经采取以上措施，降缓了洞脸高程130m 以下边坡坡度，并通过洞口明洞、分层开挖措施，保证了边坡稳定。

3.3 地表防水措施

黄土边坡在降雨等地表水影响下，主要有两种破坏形式。形式一：地表水长期浸泡下，土的抗剪强度大幅降低，在自重作用下产生滑动造成滑坡，尽管该类滑坡自身规模不大，但本工程洞脸黄土边坡高陡特点，局部滑坡可能造成整体边坡失稳；形式二：局部集中水流冲刷造成土体冲切破坏，影响边坡稳定。

针对地表水，防护措施如下：永久边坡按设计型式进行防护；临时边坡采取挂网喷锚进行防护。钢筋网采用Φ8@150×150mm 网片；固定锚杆采用Φ25 钢筋，L=3.00m，外露20cm，间距200cm×200cm；喷混凝土厚度10cm，强度等级C20；洞顶马道内侧修筑排水沟，马道及排水沟表面浇筑10cm 厚混凝土硬化处理。

4 洞身稳定措施

4.1 洞口明洞+管棚超前支护措施

穿黄隧洞进口段及退水洞进口洞口采用明洞+管棚超前支护结构。

明洞长度3.00m，明洞拱架采用Ⅰ20a 工字钢，间距0.50m，横向支撑采用Ⅰ16 工字钢管，间距1.00～1.05m，横向支撑间焊接斜支撑以增加稳定性。拱架间喷射混凝土封闭，混凝土强度等级为C20，厚度30cm，明洞内外侧各挂一层钢筋网，钢筋网规格Φ8@150×150mm。明洞结合洞身开挖台阶，分层向下施工，直至形成封闭结构。明洞在隧洞衬砌完成、洞外结构施工前随边坡二次开挖拆除。

锁口管棚采用Φ76 钢管。主要布置在洞顶：穿黄隧洞管棚布置在拱顶圆心角135°范围内，长度15.00m；退水洞进口段顶部为平顶，则管棚布置在洞顶，两侧各超出开挖边线1.00m，长度10.00m。管棚外露1.00m，焊接在明洞拱架上部。管棚间距15～20cm。钢管表面梅花形钻孔，打入后使用1:1 水泥浆注浆，注浆压力0.30MPa。

4.2 洞身强支护措施

穿黄隧洞进口进洞段开挖采用双侧壁导坑法和台阶法混合工法（洞身采用CRD 法）：

先进行两侧导坑上台阶开挖，施做仰拱形成两侧封闭洞室，在上台阶布置垂直轻型井点辅助进行下台阶降水；开挖中洞上台阶，进行拱部及仰拱支护，形成上半洞。根据下半洞降水情况进行左右导坑开挖及中洞下台阶开挖（再次布置轻型井点降水），最后进行仰拱开挖封闭。详见图3

图3 穿黄隧洞进口段进洞开挖支护示意图

进口第一段开挖完成后，及时进行混凝土衬砌（锁口混凝土），再进行洞身段开挖施工

4.3 双洞间隔施工

针对穿黄隧洞进口段双洞小净距特点，两洞开挖施工保持一定的时间间隔。先行开挖左侧隧洞，待左洞第一段内衬混凝土施工完成后，再开始右侧隧洞开挖。间隔施工避免了因隧道间距小引起的洞间土体变形对双洞的影响，对边坡及洞室稳定较为有利。

5 结语

通过采取降水措施提高土层粘聚力c、内摩擦角φ，消除孔隙水影响，提高边坡稳定性；在底部洞外降水效果较差情况下，采取工程措施，放缓边坡，保证边坡稳定。采取强支护等综合工程措施进洞，保证了洞身稳定，降低对边坡稳定影响。经观测隧洞支护结构最大沉降量30mm，洞口边坡变形量12mm，进洞措施安全可靠，造价较低。

[1]王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京：人民交通出版社，2010.

[2]马贵生，张延仓.南水北调中线一期穿黄工程地质勘察[J].人民长江,2011(4).