黄土浅埋特大断面隧道峭壁出洞技术探讨

刘 振

（中铁十八局集团隧道工程有限公司 重庆北碚区 400700）

0 引言

黄土广泛分布在我国秦岭以北的华北、西北、东北等广大地域，呈东西走向带状分布的特征。随着西部大开发的实施以及“一带一路”建设的深入，黄土地质区域迎来了越来越多的基础建设项目， 越来越多的特大断面隧道穿越黄土将不可避免地出现［1］。2005 年郑西高铁开建前，国内建成的黄土隧道最大开挖断面面积为140 m2，在郑西高铁项目施工中，黄土隧道开挖面面积提高至164～171 m2，而某隧道进口大断面己超过200 m2。由于黄土岩体稳定性差，黄土浅埋大断面隧道工程施工存在较大的安全隐患。笔者试结合工程实践， 探讨黄土浅埋特大断面隧道峭壁出洞技术，以期为类似工程参考。

1 工程概况

1.1 隧道概况

某隧道全长1 418 m， 高度为18.75 m， 宽度为15.92 m，进口最浅埋深为5.91 m，为典型的黄土特大断面隧道。 该隧道里程DK281＋851.77～DK281＋869.37 段（共17.6 m）采用扩大断面的暗洞结构。 其中，DK281＋854.77～DK281＋869.37 段的横断面为对称结构，DK281＋854.77 往小里程方向的断面为非对称结构。 在平面上，结构外边缘线与线路斜交，外边缘线与线路左线中线相交于DK281＋851.77 处，与隧道结构右侧边缘线相交于DK281＋854.77 处。

1.2 水文地质

隧道洞顶为沙质新黄土，边墙及基底为沙岩。全风化沙岩呈松散结构， 强风化沙岩呈块碎状镶嵌结构，为不良地质。隧道进口处基岩陡峭，发育危岩，岩壁直立，距沟底高约35～40 m，节理裂隙发育，地势起伏较大， 地表植被发育， 山坡自然坡度为60°～90°。

隧址区地表水主要为隧道进口冲击沟流水，水面宽为3～5 m，水面高程为1 260 m，水位在隧道进口洞身以下，对隧道无影响。 通过钻孔勘测发现，该隧道洞身范围内无稳定地下水位， 地下水涌水量不大，主要受大气降水补给，以地下径流的方式排泄。

2 施工方案和流程

2.1 施工方案

用钢管贝雷梁搭建钢栈桥，作为施工通道。在里程DK281＋849.98～DK281＋860 段施作护拱，并施作洞口超前大管棚，配以小导管超前支护。 然后，采用交叉中隔壁法开挖暗洞。 开挖时，施作双层初支，并在边墙范围，增设自进式锚杆，施作隧道仰拱。最后，搭设满堂支架，进行二衬混凝土浇筑［2］。

2.2 施工流程

出洞施工流程为： 施作截水天沟→搭设施工通道→护拱、 大管棚施工→采用交叉中隔壁法开挖→仰拱施工→二次衬砌施工［3］。

3 施工技术

3.1 截水天沟

在洞顶开挖线外10 m 处， 设置C30 钢筋混凝土截水天沟。 截水天沟的坡度不小于3‰，沟底采用三七灰土铺底后，充分压实，并铺设防水板。在施工缝处，设置止水条防水，并灌注30～50 mm 厚的M10 水泥沙浆，对其进行封闭，其他部分填塞沥青麻絮等，以防止地表水渗入开挖面，影响洞口边、仰坡的稳定性［4］。

3.2 搭设施工通道和作业平台

先进行峭壁下护脚墙桩基和护脚墙的施工。 在施工过程中，预埋4 块钢板，钢板下设锚固钢筋，锚入挡墙内1 m，将管径800 mm、壁厚12 mm 的钢管焊接在预埋钢板上。 在3 号墩顶横桥方向埋放4 块钢板，再在钢板上焊接管径800 mm、壁厚12 mm 的钢管， 在钢管顶部横桥方向并列安放2 根I40 工字钢，工字钢上拼装贝雷梁，在贝雷梁上安放I20 工字钢作为分配梁，在分配梁上铺2 cm 厚钢板，在钢板上焊接直径为22 mm 的螺纹钢筋防滑，以此作为作业通道［5］。 施工通道及作业平台布置如图1 所示。

图1 施工通道及作业平台搭设图Fig.1 Layout of construction channel and work platform

3.3 导向墙、大管棚施工

黄土管棚钻孔施工采用风钻成孔， 禁止采用给水钻操作， 否则会出现黄土遇水塌陷下沉而导致管棚受压侵限的现象［6］。

大管棚施工前，在山体侧通道平台上搭设脚手架和操作平台。 在里程DK281＋849.98 处，设置厚1.0 m的C20 混凝土导向墙。 在导向墙内钢架拱部120°范围，采用直径108 mm、壁厚6 mm 的无缝钢管设置一大管棚。 管棚环向间距为3 根／m，长度为40 m。 导向钢管由直径140mm、 壁厚5 mm 的热轧无缝钢管制成。 大管棚横断面布置如图2 所示。

3.3.1 导向墙及拱架施工

（1） 靠近掌子面的第一榀钢架应与岩面紧贴，或者在掌子面开槽， 将钢架的一部分镶嵌在掌子面内，四周缝隙用沙浆填塞密实。 （2）洞口段1.0 m 范围内，护拱钢架安装间距为0.5 m。安装钢架时，钢梁横向和高程允许偏差为±5 cm，垂直度允许偏差为±2°。 （3）钢架中下部采用直径为22 mm 的连接筋连接， 间距为1.0 m。 （4）导向墙段铺设的钢筋网与仰坡的钢筋网连在一起。钢筋网的网格间距为25 cm×25 cm，钢筋直径为8 mm。（5）导向墙浇筑完毕且混凝土达到设计强度后，开始大管棚施工。

图2 隧道进口导向墙超前大管棚横断面布置图Fig.2 Layout of tunnel entrance guide wall large pipe shed cross-section

3.3.2 钻孔

（1）钻机架设平台用型钢搭设，钻孔位置提前用自喷漆布点， 用1 台钻机由高到低依次进行钻孔。（2）钻机平台要牢固、稳定，防止因钻机移动而影响钻孔质量。 （3） 钻机要与已设定好的孔口管方向平行，必须精确核定钻机位置。用经纬仪、挂线、钻杆导向相结合的方法，反复调整，确保钻机钻杆轴线与孔口管轴线相吻合。 （4）为了便于安装钢管，应采用与钢管直径相近的钻头。（5）钻机开钻时，应低速低压，待成孔8～10 m 后， 可根据地质情况逐渐调整钻速及风压。岩质较好的可以一次成孔。钻进时，产生坍孔、卡钻时，需补注浆后再钻进［7］。 （6）在钻进过程中，经常用测斜仪监控，操作手要根据钻进的情况，判断成孔质量，并及时处理钻进过程中出现的事故。（7）在钻进过程中，应确保动力器、扶正器、合金钻头按同心圆钻进。 （8）要做好钻进过程的原始记录，为以后进行洞身开挖时的地质条件判断提供参考资料，以帮助工程指挥人员指导洞身开挖。

3.3.3 清孔、验孔

（1）用地质岩芯钻杆配合钻头进行反复扫孔，清除浮渣，确保孔径、孔深符合要求，防止堵孔。 （2）用高压风自里向外进行钻渣清理， 并且检查孔深、倾角、外插角是否符合要求。

3.3.4 安装管棚钢管的施工要点

（1）钢管选用每节长4～6 m，壁厚6 mm 的Φ108无缝钢管。钢管两端车削150 mm 长的外丝（丝扣不宜太细，以免造成滑丝）。（2）注浆孔直径为10～16 mm，呈梅花形布置，孔距为15 cm，尾部预留110 cm 止浆段，不钻注浆孔。 （3）钢管采用现场对接。 在直径114 mm的钢管内车削30 cm 长内丝，作为外套钢管。 钢管对接时，顶进一根对接一根，管下到孔底后，用高压风再一次清孔。 （4）接长钢管应满足受力要求，相邻钢管的接头应前后错开。 同一横断面内的接头数不大于钢管总数的50%，相邻钢管接头至少错开1 m。 （5）在导向管中，增设钢筋笼，以提高导管的抗弯能力。 钢筋笼由4 根Φ22 主筋和固定环组成，固定环间距为50 cm，环向管距为3 根／m。

3.3.5 注浆

（1） 对于黄土地层管棚， 导管施工不对地层注浆，但对钻孔范围内钢管的注浆，应充填密实。（2）采用有孔钢花管注浆，浆液由制浆机拌制，采用水灰比1∶1 水泥浆液。 （3）采用注浆机将水泥浆液注入管棚钢管内，初压0.5～1.0 MPa，终压2 MPa，持压15 min后停止注浆。 （4）注浆量应满足设计要求，若出现注浆量满足，但未达到压力值的状况，应调整注浆参数继续补注， 确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙充填饱满。 （5）注浆结束后，用M15 水泥沙浆充填钢管，以增强管棚强度。

3.4 开挖

采用交叉中隔壁法进行开挖施工。

3.4.1 施工步骤（1）利用在上一循环中搭建的钢架，施作隧道超前支护，进行左侧上部开挖。 （2）对左侧上部进行初期支护，左侧上部设置临时横、竖撑，开挖右侧上部。（3）对右侧上部进行初期支护，右侧上部设置临时横撑，开挖左侧中上部。 （4）对左侧中上部进行初期支护，左侧中上部设置临时横、竖撑，开挖右侧中上部。（5）对右侧中上部进行初期支护，右侧中上部设置临时横撑，开挖左侧中下部。 （6）对左侧中下部进行初期支护， 左侧中下部设置临时竖撑， 开挖右侧中下部。（7）对右侧中下部进行初期支护，开挖左侧下部。（8）对左侧下部进行初期支护，左侧下部设置临时竖撑，开挖右侧下部。（9）对右侧下部进行初期支护，拆除临时横撑和中隔墙。（10）施做桥梁桩基础及承台。（11）利用衬砌模板，一次性灌注拱墙，进行二次衬砌。

上、中台阶施工开挖完成后，在掌子面挂直径为8 mm、间距为25 cm×25 cm 的钢筋网片，再喷射10 cm 厚的混凝土。 上、下台阶错开5 m，交叉错开开挖，每次开挖1 榀，施作临时仰拱。开挖时，在钢架两侧脚部，应预留部分土体，确保型钢钢架坐落在稳定的地层上，上、中台阶拱脚采用混凝土垫块垫实，以防止两侧脚部悬空。

3.4.2 钢拱架施工

第一层钢拱架为Ⅰ25a 型钢钢架。 在每一榀型钢钢架上施作2 道临时横撑、1 道临时竖撑，临时横撑和竖撑采用Ⅰ22a 工字钢， 临时喷射混凝土厚度为28 cm。 第一层钢拱架的参数设置如下：（1）正常间距为0.6 m，渐变段左侧间距为0.6 m，渐变段右侧间距为0.3 m。（2）连接筋直径为22 mm，环向间距为1.0 m。 （3）在钢架两侧底角，设置纵向贯通的32a 槽钢。

第二层钢拱架为H180 型格栅钢架。 每一榀格栅钢架用Ⅰ22a 工字钢作一道临时竖撑， 临时喷射28 cm 厚的混凝土。 第二层钢拱架的参数设置如下：（1）正常间距为0.6 m，渐变段左侧间距0.6 m，渐变段右侧间距为0.3 m。（2）连接筋规格为Φ22，环向间距为1.0 m。（3）内外层初支上、中、下台阶拱脚、墙脚位置设锁脚锚管。 锚管为Φ42 的钢管，长为4 m，壁厚为5 mm，每点2 根。 在锁脚锚管斜向下45°钻设，严禁水平钻设， 锁脚锚管应通过L 型筋与钢架焊接，连成整体。 采用M30 水泥沙浆压注。 （4）在边墙沙岩范围内，增设自进式锚杆，锚杆长为6 m，间距为1.5 m×1.5 m，呈梅花型布置。

3.4.3 喷射混凝土

开挖后，须及时喷射混凝土，喷射工艺为湿喷。初喷4 cm 厚的混凝土，安装拱架支撑。 外层初支喷射35 cm 厚混凝土，内层初支喷射25 cm 厚混凝土，临时横、竖撑喷射混凝土厚度为28 cm。 拱架必须紧贴各台阶掌子面，各部工序之间紧密衔接。

素喷混凝土施工要点为：（1）选用普通硅酸盐水泥，细度模数大于2.5 的硬质洁净沙，粒径5～12 mm连续级配碎石，化验合格的拌和用水。 （2）喷射混凝土严格按设计配合比进行拌和， 搅拌均匀性检查每班不少于两次。（3）喷射前，认真检查隧道断面，对欠挖部分及所有开裂、破碎、崩解的破损处进行清理和处理，清除墙角虚渣。 （4）喷头距岩面0.6～1.2 m，垂直于受喷面。 喷射初期支护钢架、钢筋网时，将喷头稍加偏斜。（5）喷射路线应先边墙后拱部，分区、分段“S”形运动，喷头作连续不断的圆周运动，后一圈压前一圈1／3，呈螺旋状喷射。 （6）喷射混凝土作业采取分段、分块，先墙后拱、自下而上的顺序进行。喷嘴做反复缓慢的螺旋形运动， 螺旋直径约为20～30 cm，以保证混凝土喷射密实。 同时掌握风压及喷射距离，减少回弹量。 （7）隧道喷射混凝土厚度大于5 cm 时，分两层作业。初次喷射先找平岩面，第二次喷射混凝土应在第一层混凝土终凝1 h 后进行。 （8）喷射混凝土终凝2 h 后，进行喷水养护，养护时间不少于14 d。 （9）喷射混凝土开挖时，下次爆破距喷射混凝土完成时间的间隔不得小于4 h。

3.4.4 注意事项

在进行扩大暗洞施工时，应先逐榀开挖（严禁超挖），施作初支和临时支撑，然后进行内衬施工，循序渐进。施工中，应加强地表沉降监测，加强洞内沉降、收敛监测，并加强临时竖撑监测。

3.4.5 养护

混凝土浇筑完毕，并达到初凝条件后，就要开始对混凝土进行14 d 的养护。 在混凝土养护期间，混凝土内部温度与表面温度之差、 表面温度与环境温度之差不得大于20℃，养护用水温度与混凝土表面温度之差不得大于15℃。 气温低于5℃时，应进行保温处理。

3.4.6 施工注意事项

（1）开挖前，应做好边仰坡、洞口排水、截水措施，及时清理洞口危石，并加强洞口边仰坡监测及防护。（2）地表为黄土地层时，截水天沟应引排至沟底，严禁随坡漫流。 （3）隧道边仰坡开挖后，应及时施作边仰坡防护、施工便道引入和施工场地布置，以减少对原地貌破坏和对洞口土层稳定的影响。 在进行洞口开挖时，应防止洞口段整体滑动。 （4）对需要回填的部分，可根据实际情况，采取对环境无侵蚀作用的土石或改良土等进行回填。回填土不得含有石块、碎块、灰渣及有机杂物，也不得有冻土。 回填施工采用小型机械从低处开始均匀、对称分层填筑，压实，每层厚度不大于20 cm。 （5）截水天沟位于湿陷性黄土上，施工前，应采用小型夯土机械夯实沟底基础， 防止基底不均匀沉降造成截水天沟混凝土开裂。 （6）因沙质新黄土易滑塌，施工时，应及时支护，并注意排水。 （7）在溜塌体坡脚处，设置挡墙防护，挡墙深入地面不小于1.5 m。 （8）对进洞段拱顶进行下沉和水平收敛， 并对地表沉降的变形情况进行观测。 量测管理等级分为正常、预警二级（黄色）、预警一级，具体如表1 和表2 所示。

管理等级为预警二级时，加强监测，密切关注其发展变化情况， 分析原因，调整施工方式，使隧道变形趋稳，并制订应急方案和对策；管理等级为预警一级时，应暂停施工，加强监测，启动应急预案，采取相应工程措施。

表1 黄土地段Ⅴ级围岩变形总量管理等级Tab.1 Management level ofⅤlevel surrounding rock deformation amount of the loess area

表2 黄土地段Ⅴ级围岩变形速率管理等级Tab.2 Management level ofⅤlevel surrounding rock deformation rate of the loess area

4 结语

在进行浅埋段超大断面黄土隧道开挖时， 做好超前支护相当关键；对洞口做好防排水措施，对地表裂纹及时处理很有必要； 锁脚锚杆对提高拱脚附近围岩的承载力和控制拱脚下沉具有重要意义。 由于浅埋新黄土具有拱部整体迅速下沉的特性， 通过施工中量测数据也可表明， 型钢钢架对控制急剧发生的变形作用显著。另外，做好黄土大断面隧道监控量测是风险预控的前提和保障。