特大跨黄土隧道设计施工技术要点探讨

陈海军

(中铁第一勘察设计院集团有限公司， 陕西 西安 710043)

0 引言

近年来，在国家大力发展高速铁路的背景下，出现了很多大断面黄土隧道工程，比如郑西高铁、西延高铁、兰新高铁、大西高铁和银西高铁等。虽然习惯上统称为黄土隧道，但由于各工程所处地域地层、含水、埋深以及外部环境等因素的不同，其面临的设计、施工侧重点及技术要点也各不相同。在相关的文献中，赵东平等[1]研究了大断面黄土隧道变形规律及预留变形量的取值范围； 李国良[2]提出可按不同含水量确定大断面黄土隧道施工方法的技术体系； 周烨等[3]研究了湿陷性黄土隧道三台阶施工时间应变规律； 石磊等[4]对大断面黄土隧道施工工法进行了对比分析，并提出了选择原则； 杨建民[5]对双侧壁法、CRD法、台阶法等3种黄土隧道常用工法进行了理论分析，并总结了各自的优缺点； 冯敏等[6]论述了普通断面黄土隧道下穿民居的施工方案； 李健等[7]对浅埋大跨黄土隧道施工方面的优化进行了研究。虽然以上研究均可以为大断面黄土隧道设计施工提供参考，但由于黄土及黄土隧道自身的特殊性，大断面和特大断面黄土隧道的设计施工仍旧是广大工程技术人员重点关注的技术问题，需要不断地探索研究。

TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》[8]根据开挖跨度，把隧道分为4类，分别为小跨度、中等跨度、大跨度和特大跨度，对应的开挖跨度分别为5～8.5 m、8.5～12 m、12～14 m以及14 m以上。本文主要探讨开挖跨度超过14 m即特大跨度黄土隧道设计施工过程中的技术要点及解决思路。

1 黄土特性及分布

我国的黄土是第四纪干旱、半干旱气候条件下形成的一种特殊土，基本色调为黄色，颗粒成分以粉粒为主，一般无明显层理，垂直节理发育，直立性强，表层多具湿陷性，易形成陷穴。主要分布在西北和华北等地，其特点为分布广、厚度大、地层层序比较完整。

根据地质年代，黄土大体上可分为老黄土和新黄土2个大组。 老黄土(Q1、Q2)结构多经压密，一般不具有湿陷性，土的承载力较高，主要分布在陕甘黄土高原，覆盖在第三纪红土层或基岩上； 新黄土(Q3、Q4)广泛覆盖在老黄土之上，质地均匀，具有多孔性，有肉眼能看到的大孔隙，呈松散结构状态，密度低，在北方各地分布很广，一般都具有湿陷性[9]。几种典型黄土的物理力学参数见表1。

表1 几种典型黄土的物理力学参数

2 黄土隧道的特点

1)我国黄土隧道大多数分布于黄土台塬地区，即隧道顶部较为平坦，通常为村庄或农田，建(构)筑物多，且人畜活动频繁。

2)由于黄土地区植被稀少，水土流失严重，隧道洞口大多沟深坡陡，滑坡、崩塌等不良地质发育，洞口选择困难，如图1所示。

图1 黄土隧道典型地貌照片

3)黄土隧道埋深较浅或穿越沟谷地段，通常地表陷穴发育，规模大的陷穴甚至和洞身上下贯通，并在横、竖向呈不规律发展。

4)黄土隧道垂直节理发育，变形主要以拱顶下沉为主，正常情况拱顶下沉大于水平收敛，且含水量对沉降变形影响大，需尽量控制地表水的下渗。

5)湿陷性是黄土隧道的特点，特别是浅埋、洞身位于新黄土中的隧道。

6)施工进度慢。与其他隧道相比，黄土隧道具有围岩强度低、变形量大、自稳能力差的特点。随着隧道开挖跨度的加大，尤其是大跨、特大跨隧道，其施工难度急剧增加。

3 设计施工技术要点

3.1 洞口高边坡防护

某铁路黄土隧道洞口位于台塬陡壁上，由于受线位控制，洞口与陡壁斜交，边坡高陡，偏压严重，最大高度近80 m，表层约15 m为Q3新黄土，其下为Q2老黄土。为使隧道顺利进洞并确保后期运营安全，设计初期主要考虑了2种方案。

3.1.1 方案1： 明洞暗作，回填反压

“早进晚出，尽量降低刷坡高度”是隧道洞口设计的基本原则，该方案主要思路为： 1)为降低边坡刷坡高度，洞口尽量外拉，接长明洞。2)左侧洞顶漏空部分先采用水泥土回填反压，并铺设地表黏土隔水层。3)待回填水泥土达到强度后，按暗挖法，采用双侧壁导坑法施工进洞。

3.1.2 方案2： 明洞明作，高大刷坡

该方案的主要思路是采用“稳定坡高刷方+强挡护收脚+边坡绿化”的复合式措施，避免回填土暗作部分成拱的工程风险，具体措施如下： 1)在洞口右侧设置桩板墙工程，桩长34 m，桩身采用C30钢筋混凝土。2)桩顶以下15 m范围桩间设C30钢筋混凝土挡土板，板长2.4 m，厚0.3 m。3)桩顶设平台，以上边坡每10 m一级，共8级，坡率均为1∶1，每2级间设5 m平台，边、仰坡采用扇形过渡刷坡。4)明洞段边、仰坡采用混凝土拱形骨架护坡防护，骨架内种草兼植灌木。

3.1.3 方案比选

2种方案优缺点比较见表2。结合现场情况，该工程最终推荐采用“明洞明作，高大刷坡”方案，目前该线已经运营，效果良好，现场照片见图2。

表2 2方案优缺点比较

图2 隧道口高边坡防护照片

考虑黄土的特性，对偏压严重、坡度高陡的隧道洞口选择进洞方案时，可灵活掌握，当暗挖进洞困难、可能存在安全风险时，明挖方案也不失为一种解决办法。明挖方案更有利于接长明洞，对预防洞顶落物的能力更强，加上目前对黄土边坡防护技术[10-12]的研究较系统，防护方案也成熟，能够保证运营期洞口工程的安全。

3.2 三台阶七步法快速施工

黄土作为一种特殊的围岩，其最主要特点是直立性好、易成型。直立性好使得开挖后掌子面不易挤出；易成型的特点使得在进尺短的条件下，能提供一段围岩稳定的时间来施作初期支护，从而确保安全。所以，埋深较大的黄土隧道比较适合采用台阶法施工，针对特大跨黄土隧道，三台阶七步法应用广泛，特别是在含水量小于17%的Q2老黄土地层中，该工法已经成为主流的施工工法，并有相关的行业标准进行指导，现场三台阶七步法施工照片见图3。

三台阶七步法分部较多，平行作业，掌子面作业人员多，各道工序相互影响较大。要实现快速掘进，有2种方法，一种是加大每循环进尺，另一种是进尺不变，加快循环频率。一般认为，加大每循环的进尺，减少循环次数，可以提高施工进度。在人力及机械设备等资源配置相同的情况下，经过施工单位实际操作验证，正常情况下每循环开挖支护1榀及每循环开挖支护2榀循环时间见图4和图5，可见每循环开挖支护1榀钢架的施工综合效率反而更高，速度更快，同时短进尺更有利于施工安全。

图3 三台阶七步法施工照片

实践证明，在施工过程中通过不断优化工序间衔接，每循环开挖支护1榀钢架，缩短循环时间，每天可施工4～5个循环，能够实现月进尺突破100 m、综合成洞突破100 m的快速掘进，并长时间保持。

3.3 长段落下穿村庄沉降控制

某隧道下穿黄土台塬，最大埋深不足72 m，洞顶为既有村庄和大量农田，洞身有5处大段落(见表3)下穿村庄，穿越地层主要为Q2黏质黄土，对沉降控制要求高。

3.3.1 房屋沉降标准

房屋典型照片见图6。根据房屋现状并参照有关规范规定，洞顶房屋沉降控制值定为20 mm，房屋倾斜按不大于0.2%控制。

超前地质预报时间为摊销时间。

图4三台阶七步法每次施工1榀钢架循环时间示意图

Fig. 4 Cycling schedule of three-bench seven-step excavation method with one steel frame for every footage

超前地质预报时间为摊销时间。

图5 三台阶七步法每次施工2榀钢架循环时间示意图

图6 地表典型房屋照片

3.3.2 沉降控制措施

1)加强超前支护。洞内增设15 m长φ89 mm中管棚配合4 m长φ42 mm小导管超前预支护，两者间隔设置。

2)采用CRD工法(见图7)开挖，尽量减小对围岩的扰动，降低对地表的影响。

图7 CRD工法示意图

3)合理选定开挖进尺，及时封闭仰拱。开挖进尺的大小对隧道沉降影响很大，以1榀钢架为宜，且随挖随支； 仰拱的封闭距离应控制在35 m以内[13]。

4)重视钢架的锁脚工作。在仰拱封闭之前，锁脚锚杆是控制初期支护沉降的关键，黄土地层宜采用直径42 mm的钢管锁脚，长度不小于4 m，沿下倾角30°设置，并与钢架焊接牢固。

5)加强洞内监控量测工作，加大监测频率，及时对监测数据进行分析，并反馈给施工，以调整施工进尺及支护参数。

6)加强对地表建(构)筑物的监测，特别是有人居住的房屋，及时准确掌握相关数据，以便及时对隐患进行处理。隧道洞身建筑物影响范围内的地表沉降测点应在隧道开挖前布设，隧道中线两侧量测范围不小于H0+B(H0为隧道埋深，B为隧道开挖宽度),测点纵向间距为20～30 m，横向间距为2～5 m。

采取上述一系列措施后，沉降时程曲线如图8和图9所示。可知： 洞内最大沉降量为12 cm，没有超过设计预留变形量。地表房屋最大沉降量为17.6 mm，在控制值范围内，效果良好，说明采取分部开挖、加强超前支护、减小开挖进尺、及时封闭仰拱等措施控制黄土隧道的沉降是可行的。

图8 拱顶沉降曲线图(2013年)

图9 地表房屋沉降曲线图(2013年)

3.4 陷穴处理

黄土陷穴在黄土地区非常普遍，见图10。黄土特性、黄土厚度及其空间组合为黄土陷穴的物质基础，是形成黄土陷穴的内因。地形地貌以及水文地质和气候等因素是形成黄土陷穴必不可少的外部因素[14]。只要有水，就能形成各种规模的黄土陷穴，且形式众多。故需针对不同规模、不同形式的陷穴制定不同的处理措施，根据埋深结合破裂角，陷穴处理为隧道中线两侧各30 m为宜： 1)对直径小于2 m、洞身较直的陷穴，采用灌砂填筑，中间采用黄土分层回填，顶部50 cm采用三七灰土回填，并高出地面30 cm，理顺地面排水系统。2)位于线路上方、直径大于2 m、洞身曲折、起伏较大的陷穴，底部采用水、黏土和沙子配成泥浆后多次分层灌注，中间部位采用黄土分层填筑，顶部50 cm采用三七灰土回填。3)对于陷穴、暗穴相连的类似串珠状的陷穴群，应先找到陷穴的源头，由洞内向洞外逐步回填密实，也可以把贯通的暗穴挖开，然后一起分层夯实回填。

图10 陷穴近观照片

对于已经存在的黄土陷穴，目前主要的办法就是回填，只是回填材料和回填质量有所不同。对于施工完毕的隧道，如何避免洞顶形成新的陷穴或者老陷穴重现，是工程设计和施工人员需要重点关注的问题。

3.5 地表裂缝处理

地表裂缝是浅埋黄土隧道的通病，在郑西线、包西线、大西线黄土隧道的施工中均出现过。采用分部开挖法可降低其发生的概率和程度，但不易避免。其特点是裂缝随着开挖面的推进而推进，大致呈环、纵向，主要出现在浅埋段和偏压段。浅埋段的地表裂缝通常呈左右对称性，有时环纵向呈贯通状； 偏压段的地表裂缝常出现在高侧，低侧有时也会出现。裂缝照片见图11。地表裂缝控制应从2方面进行考虑，首先，需要从洞内施工工序、支护强度、工法应用等方面控制拱顶沉降，避免地表开裂。其次，对地表已经出现的裂缝应及时进行回填、处理，防止地表水下渗影响结构安全。

图11 黄土隧道地表裂缝照片

3.5.1 与地表裂缝有关的因素

1)洞内拱顶沉降。洞内拱顶下沉严重的地段，地表开裂也严重，两者相互对应。

2)含水率。地层含水较大时地表沉降或开裂较为突出，含水率高，地层自稳性差，沉降就大，裂缝发展严重。

3)地表降水。根据现场施工经验，雨水对隧道地表沉降有直接关系，会造成地表覆土自重加大，加速沉降开裂。

3.5.2 地表裂缝对结构的影响

1)地表裂缝在发展期通常与隧道结构呈隐形贯通，导致洞顶围岩自成拱效应变差，增加了结构顶的竖向荷载。

2)地表裂缝可加速地表水的下渗，引起表层新黄土湿陷的同时，加大了土体自重，对结构受力不利。

3.5.3 对裂缝产生的控制

结合裂缝产生的有关因素，制定针对性的控制措施。具体措施与“3.3.2沉降控制措施”基本相似，不再一一论述。

3.5.4 对裂缝产生后的处理

待二次衬砌施工完成并达到强度后，对地表已经出现的裂缝进行处理，具体如下。

1)一般纵向裂缝(宽度小于10 cm)。首先采用三七灰土由人工对裂缝进行填塞，同时进行捣实； 填塞至距地表40 cm时，中骑裂缝人工或小型机械挖槽，开挖断面呈倒梯形状，上底宽60 cm，下底宽40 cm，高50 cm，然后采用三七灰土回填，碾压密实，并略高于原地表，如图12所示。

图12 一般裂缝回填示意图(单位： cm)

2)已冲刷扩大的裂缝(宽度大于10 cm)。对于该类裂缝，先用水、黏土和沙子配制而成的泥浆进行分层灌注，中间部位采用三七灰土隔层回填，层厚可根据现场施工情况确定。施工至距原地面60 cm时，采用人工或小型机械挖槽，挖槽宽度应完全包括坑洞，并四周外扩20 cm，然后采用三七灰土回填，碾压密实，并略高于地表，如图13所示。

图13 裂缝冲刷后回填示意图(单位： cm)

3)局部地表下沉(沉降槽)。如果地表出现沉降槽，应结合地表附着物情况，避开雨季，集中处理。首先采用人工或小型机械把地表熟土收集堆放； 然后采用黄土回填下沉部分并碾压； 最后再把堆放熟土原样平摊，恢复原地形，并略高于原地面，横向坡度可按 1∶100控制。

根据王明年等[15]的研究成果，大断面黄土隧道深浅埋分界深度为40～60 m，其中新黄土隧道分界深度可取上限55～60 m，老黄土分界深度可取下限40～50 m，对于洞口段或浅埋沟谷段埋深小于11 m的隧道定为超浅埋。由于黄土隧道普遍埋深不大，地表开裂的情况时有发生，故重视对裂缝防范的同时，也要重视对裂缝的处理。

4 结论与建议

1)鉴于黄土边坡的防护技术比较成熟，对于黄土隧道的进洞方案，可根据实际情况灵活掌握，当“零刷方进洞”存在风险时，也可选择高刷方进洞，而且更有利于接长明洞预防洞顶落物，保证运营安全。

2)特大跨黄土隧道三台阶七步法快速掘进，不宜一味追求循环进尺，通过现场试验、优化施工组织，加强工序衔接，实现短进尺、快循环才是关键。对其他地质复杂的特大断面软岩隧道施工同样也具有参考价值。

3)通过采取分部开挖、加强超前支护、减小开挖进尺、及时封闭仰拱等措施控制特大跨黄土黄土隧道的沉降是可行的。今后类似地层穿越建(构)筑物修建隧道时，建议借鉴。

4)对于洞身范围已经形成的黄土陷穴，要及时回填，且要保证回填质量。如何避免既有隧道洞顶形成新的陷穴或者老陷穴的重现，是下一步需要重点研究解决的问题。

5)浅埋特大跨黄土隧道地表出现裂缝虽然不易避免，但可以通过洞内措施来控制。对于已经出现的裂缝，需要及时回填处理，避免地表水下渗。

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