黄土富水隧道安全管理浅谈

唐双钰

（中交一公局西南工程有限公司，四川成都 610000）

0 引言

在一公局灵华高速小寨子隧道进口施工过程中，分析安全、技术、质量管理中存在的不足，通过比较黄土富水隧道与常规隧道特异点，总结经验，为今后公司在同地质条件下的隧道施工提供借鉴。

1 黄土隧道地质岩性分析

1.1 黄土力学性能简述及分类

黄土是第四纪干旱、半干旱气候条件下形成的一种特殊土，基本色调是黄色，按照黄土形成的时间及力学特性分为马兰黄土、离石黄土。黄土颗粒成分以粉粒为主，层理不明显，具柱状节理、垂直节理发育，直立性强，有堆积间断的剥蚀面，黄土多具有湿陷性，容易产生潜在的剥蚀而形成陷穴，湿陷性及陷穴是黄土最主要的两个特征。

（1）马兰黄土特性：马兰黄土一般覆盖在离石黄土之上，含水率较高，具有多孔性和垂直节理，有肉眼能看到的大孔隙，呈松散结构状态，密度较低，垂直节理面上因节理切割形成竖向的软弱层，软弱层之间黏聚力很小，多个软弱面互相切割，形成与周边围岩黏聚力很小的面状体，在下部隧道开挖过程中面状体容易塌落形成临空面，受开挖扰动和支护缺陷的影响，在自身重力的作用下形成塌方。

（2）离石黄土特性：离石黄土由于其颗粒间的大孔隙多数经过地质的严密积压，黄土埋深较大，土体承载力较高，与隧道位置原始地应力相比强度较低，容易发生屈服，形成塑性区，即易发生塑性变形，可进行柔性支护和适度释放塑性变形，但是如果无支撑或者支护强度不足会导致土体蠕变过大而形成塌方。

1.2 黄土富水隧道的特点

（1）离石黄土的变形存在蠕变这个特性，且有一个较长的发展过程，所以即使隧道内初期支护短期内无收敛和变形，也应该及时施工二次衬砌。不过对于离石黄土而言，土体含水量的大小对施工的影响很大，会直接影响围岩的稳定性、施工开挖和初期支护的安全性，水体含水量是影响初期变形量的一个重要指标。

（2）马兰黄土地区的围岩应力释放快、变形速度快，具有突然性，属于脆性破坏，所以现场施工中变形监测和控制尤为重要。

根据马兰黄土、离石黄土的特性，黄土隧道施工过程中最重要的就是严格把握“时空效应”。简而言之，开挖空间不能大，二衬时间不能长，工序衔接要紧。

2 黄土富水隧道洞口工程的安全管理重点分析

隧道洞口滑坡是隧道施工过程中常见的地质灾害之一，隧道洞口段边仰坡的破坏是引起洞口坍塌、构筑物开裂的主要原因，隧道洞口的安全性、稳定性关系到隧道能否顺利施工，是隧道施工工作的重中之重。因此，隧道洞口段边仰坡的稳定性是隧道施工时必须认真对待的一项工作。根据黄土富水隧道表层黄土孔隙大、湿陷性强的特点，边仰坡等洞口工程施工时需要做好以下几点。

（1）边仰坡施工前调查好洞口四周水系的分布情况、黄土裂隙及陷穴的分布情况。隧道口周围若有径流或山坳对准主线，需要及时设置截、引沟渠。观测黄土裂隙分布情况，重点是对裂隙的深度、走向、含水量及对主线的影响等方面进行评估，提前做好裂隙的处置工作。对于现场与设计图纸不符的情况，相关人员要及时沟通、完善设计。

（2）在进洞前必须完善边仰坡的排水系统。洞顶截水沟、平台水沟、吊沟、平台压顶及框格梁等附属结构必须在进洞前完成施工。确保雨水不能渗进土体，杜绝因土体渗水后增加容重而导致的边仰坡坍塌风险。

（3）隧道明暗洞施工顺序需要遵循“先明后暗”的原则。按照“先明后暗”的施工顺序，一是增强了洞口的稳定性，避免边仰坡水平位移和下沉而导致的关门风险；二是能整体提升隧道施工安全标准化水平。

（4）隧道洞口工程应避开雨季。在雨季到来之前，必须完成边仰坡处置、明洞回填及洞门端墙施工。根据当地气候特点倒排工期，合理安排洞口工程的施工节奏，有必要的情况下增加施工投入、增加准点甚至提前完成洞口工程，真正起到保护洞口的作用。

（5）按照方案及图纸工序严格施工。不得随意更改施工顺序，不得降低施工质量标准，做到工艺引领、质量先行、安全可控。

（6）做好洞口边坡的沉降观测工作。洞口边坡须设置沉降及位移观测点，定期观测，提前预警，起到预防安全事故的作用。

3 黄土富水隧道暗洞掘进过程的安全管控重点

3.1 隧道开挖安全管控重点

（1）开挖工艺的选择。根据黄土地层特性，黄土隧道都是选择机械开挖，选用有效的开挖设备能大大提高开挖效率，同时机械开挖减小了对围岩的扰动，减少了对钢拱架拱脚的损伤，也有利于隧道围岩的超欠挖控制[1]。

（2）台阶法预留核心土的安全管控重点。对于台阶法预留核心土的开挖工艺，核心土的预留至关重要，核心土预留偏大或者偏小都不利于现场施工。核心土预留偏小，将会使掌子面围岩暴露过多，易在面对掌子面时出现围岩掉块滑落的问题，对作业人员安全造成隐患；核心土预留偏大，将影响立架工人作业，不利于工人用力。因此，在核心土和掌子面交界处将核心土稍微留大一些，对掌子面坡脚形成反压，同时掌子面开挖形成顺坡，有利于掌子面的稳定性。

3.2 超前支护安全管控重点

黄土隧道由于其特殊地质条件的影响，在施作超前小导管时不适宜采用水钻，在干钻时易卡钻，直接顶管时震动大，对围岩造成扰动，而超前小导管在保证开挖后的拱顶围岩稳定、作业时的作业人员安全方面起到很大作用。超前小导管施作时为保证超前小导管的整体刚度，在施作时可提前对将使用的超前小导管进行预注浆。做好超前支护，对控制拱部围岩稳定、保证立架作业安全、控制超欠挖有重要意义[2]。

针对黄土隧道富水、渗水大、裂隙水发育的特点，超前支护采用Φ42 超前小导管，环向间距30 ～35cm，纵向间距调整为每循环施作，长度即开挖进尺+搭接长度，针对围岩极差、开挖后掉块多、易从超前小导管中间掉块的情况可采用每榀施作超前和加长超前小导管长度，针对这种情况采取每循环施作超前小导管的控制措施，通过增加2 ～3 层小导管承担来自拱部的压力，使下层小导管受力减小。

3.3 初期支护安全管控重点

锁脚施工：锁脚锚管施作时应控制好施工角度，锚管孔内应用砂浆填塞密实，锚管应和初支拱架焊接牢固，锚管成孔杜绝采用水钻成孔[3]。

（1）无水环境下：锁脚采用Φ42 锁脚锚管，长度4m/根，根据围岩的细微变化可动态调整单排或者双排锁脚。

（2）富水环境下：锁脚采用双排Φ42 或Φ89 锁脚锚管，根据现场可操作性调整使用位置，锁脚的加强能大幅控制围岩的变形速率，减少初期支护的沉降量及增强初期支护变形稳定性，此项措施能够在确保紧跟二衬安全步距的情况下加快进行二衬的施工，防止二衬施工之后二衬受力出现环向拉裂缝。

3.4 仰拱开挖支护

（1）仰拱开挖采用挖机进行开挖，开挖进尺不得大于规范设计值，开挖后立即进行隧底虚土及积水清理，开挖完成后应及时进行复测，不允许出现欠挖的情况，对超挖部分采用混凝土进行回填[4]。

（2）仰拱隧底积水应及时抽排，严禁积水浸泡仰拱基底。对富水黄土隧道可在隧底设置一层20cm 厚碎石垫层，隧底中心底部设置纵向渗沟。

3.5 贯通阶段安全管控重点

黄土隧道即将贯通时，特别是双向掘进，需要做好安全协调管理。在剩余10m 时，采用单头掘进的形式。停止掘进的一侧需要预留足够多的核心土、足够强的超前支护强度，临空面做好反压措施，确保在贯通时拱顶的稳定性。

4 黄土富水隧道特殊情况的安全紧急处置

4.1 拱顶掉块

黄土由于固有特性，遇水后土颗粒之间的摩擦力减小，富水后黄土离散性增加，导致开挖后拱顶土体不稳定，易出现掉块甚至塌方现象，给隧道施工带来了很大的施工风险。因此，如何处置黄土隧道拱顶掉块显得格为重要，以下主要从4 个方面处理拱顶掉块。

（1）快封闭：当开挖完成后有轻微掉块，经人工排险后无明显掉块时，可以遵循“快封闭”的原则，待立架结束，马上进行喷浆作业。

（2）初喷开挖岩面：当开挖完成后有掉块，经人工排险后仍有明显掉块或工人施工存在风险时，可以采用喷浆机械手进行素喷岩面，待无明显掉块且喷浆料强度达到要求时，再进行支护作业。

（3）超前加密：当开挖围岩面出现较多掉块，且大多掉块从上循环超前小导管间隙发生时，可采用加密超前小导管间距的措施；打设超前时，严禁使用水钻，应当先用干钻钻头成孔，再送导管，避免因水力作用及震动影响加剧掉块风险。

（4）每循环施作超前：按上述方法施工仍无法解决掉块问题时，可采取每循环施作超前的做法，即每榀拱架施作超前，使开挖后的临空面处有2 ～3 层小导管，如超前小导管刚度不足可采取预灌浆的做法进行施工[5]。

4.2 水患处理

一般情况下，黄土地层的力学强度较高，围岩稳定性好，但在富水情况下（含水率一般在20%以上），黄土的力学强度变化较大，出现骤减现象，容易使整个初支体系产生不均匀沉降、拱脚失稳、仰拱沉降及二次结构整体下沉等一系列问题。因此，黄土隧道施工过程中的水患处理是施工过程中的一大要点。主要从以下5 个方面处理水患问题[6-7]。

（1）开挖后及时进行围岩面初喷，初喷可有效控制围岩泌水；开挖后对掌子面前方渗水较多的点进行钻孔泄压排水，掌子面渗漏水在核心土后面沿隧道两侧设置一道排水沟，中台阶设置集水坑，将渗水通过水泵抽排至洞外，该种措施可有效减少渗水对围岩隧道的浸泡和影响，同时避免积水浸泡仰拱底，使仰拱底地基承载力降低。

（2）富水隧道锁脚施工对初支安全稳定性影响较大，在富水隧道施工研究中发现，对锁脚进行“加直径、加长度、加数量”的操作能有效控制围岩的下沉及收敛，锁脚可采用提前预注浆进行填塞，增大锁脚刚度，减小浆液含水对黄土地层影响，降低锁脚受力性能。

（3）富水黄土隧道施工，在上台阶、中台阶拱脚增加混凝土垫块或者槽钢，增加拱脚基础的受力面积，在中台阶位置增加纵向的槽钢连接，有利于提高初支拱架的整体稳定性。

（4）富水黄土隧道应重点控制安全步距，安全步距不仅影响围岩的监控量测变形速率，也直接影响到施工安全。根据长时间的观测统计，黄土富水隧道掌子面至仰拱的安全步距可控制在20 ～25m。如果超过后掌子面前方，围岩速率会明显加快。

（5）浅埋富水黄土隧道施工应加强对监控量测的观测，适当增加变形观测频率，监控量测数据有利于了解围岩的变形情况，利用变形数据做出下一步的施工计划及加强措施，有助于保证现场的施工安全。

5 结语

桥隧工程是我国交通基础设施工程。隧道工程在项目施工中占比也不小且施工环境相较恶劣，工程集中度较高，伴随着一定的风险。因此，隧道的施工过程中存在诸多安全技术难点，对施工人员的技术要求也相对较高。作为特殊地质隧道项目，要求有关工作人员认真分析工程设计图纸，根据地层变化选择合理的施工技术，解决施工过程中的难点问题，通过控制隧道工程质量，确保隧道安全平稳掘进，为交通运输行业的安全发展贡献一份力量。