砂质黄土隧道穿越洞口段溜塌体处治施工技术

王兴旺,佘丽丽

（1.湖南省建设工程质量检测中心有限责任公司,湖南 长沙 410007; 2.湖南省交通工程学院,湖南 衡阳 421001）

0 引言

近些年，随着铁路行业的快速发展和先进技术的不断应用，在地质复杂的地区，长大隧道的应用越来越广泛。但受到各类因素的影响，塌方成为隧道施工中常遇问题之一[1]。

现阶段隧道预防及处治塌方的常见方式有：地表注浆、超前导管、管棚技术等。陕北分布着大量砂质黄土山体，对于塌方体的单一处理方式很难达到理想效果[2]，特别是在隧道穿越洞口段，对于溜塌体的处理，需要经过严格的论证和综合的治理，确保隧道施工安全平稳进行。

该文以砂质黄土山体隧道（郝家坪隧道）为例，通过各种工程措施综合处理隧道洞口溜塌体，论证所提方案的可行性，为后续的砂质黄土隧道施工提供借鉴与经验。

1 砂质黄土特性

该线铁路有多段隧道分布黄土段落，黄土类型包含黏质新黄土、黏质老黄土、砂质新黄土、砂质老黄土，结构性能差异较大[3]。覆盖在隧道洞口段顶部及局部洞顶处的为砂质新黄土，主要特点是：浅黄色，稍密～中密，土质均匀，砂感较强，孔隙率高[4]，具湿陷性，为Ⅳ级（严重）自重湿陷性场地。

砂质黄土的物理力学性质具体如下：

（1）孔隙率大、密度小、透水性好。黄土的渗透性比粒度成分类似的一般细粒土要强，渗透具有方向性，一般水平方向比垂直方向要弱得多，渗透系数相差几倍甚至几十倍[5]。

（2）含水率较高。含水率在10%～29%之间，饱和度85%～90%之间，呈现硬塑～流塑状态。

（3）抗水性差。以粉粒、砂类和亲水性弱的矿物为主要成分的黄土，具有大孔结构、天然含水率低的特性[5]。在干燥时可以承担一定载荷而变形不大，但遇水浸湿后，土粒黏结性能显著减弱，引起结构破坏产生湿陷变形，特别是干燥的黄土遇水极易崩解[6]。

（4）黄土湿陷性差异大。由于黄土成因、结构特征及粉粒含量不同，湿陷性差异较大，湿陷性系数在0.015～0.126，特性可以从不具湿陷性到具有强烈湿陷性。

（5）塑性较小。通过大量试验测得黄土的液限取值范围通常为23%～33%，塑限取值范围一般为15%～20%，塑性指数取值范围为8～13[7]。

（6）低抗剪强度。自然状态下的黄土，黏聚力通常为0.03～0.06 MPa，且随着黄土含水率的增加，抗剪强度相应显著降低。

2 砂质黄土洞口段处治原则

2.1 隧道进出洞

隧道进出洞按照“早进晚出”的设计理念，按照“一洞一策”的总体要求针对性地进行研究，以不刷坡或少刷坡，尽量保持原地貌为原则，摒弃以往洞口开挖平台的传统进洞方式，积极推行回填反压、护拱暗挖为主的“零开挖进洞方式”，确保隧道洞口段山坡稳定。

2.2 洞门形式

隧道洞门以削竹式和挡翼端墙并重转变为挡翼端墙为主的洞门结构形式，通过加强背后填土反压，稳定砂质黄土仰坡坡脚，确保山体稳定。

2.3 溜塌体处理

坡体为结构松散的砂质黄土，针对溜塌体一般采用在洞口两侧的坡脚设置一定数量的抗滑桩嵌入基岩一定深度，抗滑桩上施工挡土墙，背后填土反压。坡面一定范围设置框架锚索（锚杆）稳定坡体。

2.4 超前加固

考虑洞口段砂质黄土结构松散，一般沿拱墙180°范围施作长度30～40 m 的超前管棚或水平旋喷桩进行超前加固。推荐采用施作精度高、咬合度好的水平旋喷桩加固方式，确保拱顶以上形成连续的承载拱结构，防止地层因失压而出现坍塌。

2.5 开挖工法

洞口段开挖工法采用三台阶预留核心土法开挖，台阶的控制长度3～5 m，下台阶带仰拱一次开挖到位。开挖进尺1～2榀钢架间距，超前支护采用小50 mm超前小导管，各台阶处采用小42 mm 锁脚锚杆稳定钢架基脚。及时施作洞口“锁口圈”，隧道洞口段在开挖长度达1～1.5 倍洞径时，初期支护必须做到全断面封闭成环以形成锁口圈。

3 郝家坪隧道穿越出口段溜塌体治理

郝家坪隧道全长1 184.59 m，最大埋深116.64 m。隧道出口与乔坪村特大桥浩方台对接，毗邻省道子安公路，桥台距离公路路肩仅10 m。地形起伏较大，植被稀疏，出口黄土自然边坡为30°～60°，表层分布砂质新黄土，结构松软，具有湿陷性，为Ⅳ级自重湿陷性场地，遇水易崩解、坍塌。

3.1 溜塌体概况

隧道出口端70 m 范围内为浅层溜塌体，上部宽15 m、下部宽100 m，平均厚6 m。坡脚因公路局部刷坡清方，常年清理排水沟淤积土，加上雨季冲刷，地表形成多层错落体和裂缝，最大溜塌错台高差8 m，地面裂缝沿错层环向分布，宽度2～5 cm。经测溜塌面积＞ 4 500 m2，浅层溜塌方量＞ 24 000 m3，溜塌体如图1 所示。

图1 溜塌体现状

3.2 溜塌体防护

3.2.1 设计情况

考虑浩方台距离公路路肩仅10 m，桥台及洞口施工无作业平台，填筑平台需占用公路范围较大，溜塌体边坡采用刷坡、卸载、清方，可能造成二次溜塌。各方经过现场勘验、专家论证、仔细研讨，确定在溜塌体坡脚设置21 根2.2 m 抗滑桩，桩长12 m，桩间距控制为4 m。改加固桩布置横断面图如图2 所示。

图2 溜塌体坡脚抗滑桩布置横断面图

抗滑桩桩顶设冠梁纵向连接，冠梁尺寸设为2.2 m×2 m （宽×高），冠梁上部采用高度5.5 m 的钢筋混凝土挡墙挡护，挡墙后夯填土石确保溜塌体坡脚及整体稳固，坡面采用1 ∶1.25 的骨架护坡。

3.2.2 现场施工情况

为最大限度地减小对溜塌体坡脚影响，抗滑桩施工前沿作业区填筑1.5～2 m 厚黄土，增加成孔虚桩量，避免削坡；桩基采用旋挖钻成孔，减少成孔暴露时间；合理划分抗滑桩、冠梁、挡墙施工段，每段长度控制在16 m。

3.3 便道修筑

隧道出口地表起伏较大，洞口与公路面高差达24 m，洞口施工无作业平台，需修筑便道至洞口。为减少便道修筑对砂质黄土坡脚影响，按照“不刷坡、少扰动、先挡护”的施工原则，沿原有地形顺挡墙背回填土石进行反压护坡，形成运输便道。

4 郝家坪隧道穿越出口段施工

为最大限度地减小隧道进洞对溜塌体的扰动，坡面采用锚网喷防护后，洞口超前预加固采用30 m 长水平旋喷桩，进洞采用护拱暗挖法施工。

4.1 坡面防护

采用喷锚支护对隧道洞口临时边仰坡及明暗分界直立面进行加固，打设小22 mm 砂浆锚杆，采用梅花形布置，长度为4.0 m，间距为1.5 m×1.5 m；铺设小8 mm 钢筋网片，网孔尺寸为25 cm×25 cm；喷射C25 混凝土厚度15 cm。

4.2 水平旋喷桩超前加固

采用水平旋喷桩在拱墙180°范围内进行超前加固，旋喷桩长度30 m，桩径为0.5 m，桩间距0.4 m，咬0.1 m；所有旋喷桩内插等长度的小42 mm×5 mm 钢管，增强旋喷桩抗剪强度。拱墙旋喷桩超前支护设计图如图3 所示。

图3 拱墙旋喷桩超前支护设计图（单位：cm）

4.3 护拱暗挖

考虑暗洞开挖上部土层受扰动易滑塌，存在安全风险，采用护拱暗挖。先行沿着明暗分界处施作导向墙，沿导向墙反向接长明洞段初期支护，接着施作100 cm 厚的C35钢筋混凝土护拱，浇筑混凝土与围岩密贴形成上部拱结构。护拱施作完成后采用三台阶预留核心土法开挖。

4.4 洞口段开挖

4.4.1 开挖工法

郝家坪隧道洞口段开挖尺寸为跨度11.42 m，高度为11.3 m，采用微三台阶预留核心土法开挖，如图4 所示。上台阶高度3.6 m，长度5 m，预留核心土距顶面高度约1.7 m，核心土长约3 m；中台阶高度3.6 m，长度5 m，下台阶带仰拱一次开挖成型，循环进尺为1～2榀钢架间距。在隧道洞口段，当开挖长度达到1～1.5 倍洞径时，初期支护必须做到全断面封闭成环以形成锁口圈。

图4 三台阶预留核心土法（单位：m）

4.4.2 支护参数

超前支护采用小42 mm×3.5 mm 钢管，长度为3.5 m，环向间距为40 cm/根，在拱部120°范围施工作业，外插角范围宜取5°～10°，纵向每隔两榀钢架施作一环；掌子面自稳能力较差时，适当增设长度6 m 的小60 mm×5 mm 长导管。全环采用H230 格栅钢架，钢架基脚设置两根小42 mm×3.5 mm 钢管，长度为4 m，每环设置根数为12 根；全环设置双层小8 mm 钢筋网片，网格尺寸为20 cm×20 cm；全环喷射厚度为30 cm 的C25 混凝土。

4.4.3 施工效果

郝家坪隧道出口段通过快挖快支快封闭成环，隧道支护结构变形收敛得到有效控制（相关监测断面数据见表1），最大地表沉降值24.1 mm，最大拱顶沉降值53.6 mm，最大水平收敛值30.9 mm，均远小于变形管理控制总量值要求（地表沉降正常限90 mm、拱顶沉降正常限值75 mm、水平收敛正常限值35 mm），施工安全质量可控。

表1 出口段结构体监控量测数据表

5 结语

（1）砂质黄土隧道洞口段溜塌体施工应遵循“不刷坡、少扰动、先挡护”的原则，坡脚严禁挖方卸载；通过溜塌体坡脚设置抗滑桩，夯实回填土石反压坡脚，最大限度地减小对溜塌体的扰动。

（2）砂质黄土溜塌体段采用施作精度高、咬合度好的水平旋喷桩超前加固方式，确保拱顶以上形成连续的承载拱结构；通过接长明洞段初期支护，施作护拱后暗挖。上述措施有效防止了砂质黄土因开挖失压而出现溜塌现象。

（3）采用微三台阶预留核心土法开挖，通过快挖快支快封闭成环施工技术，及早形成洞口锁口圈，做到有效控制初期支护变形收敛，确保了砂质黄土隧道洞口段的施工安全。