大斷面超偏壓黃土隧道出口段換拱施工技術

李明耿

(中鐵十二局集團第三工程有限公司，山西太原 030024)

1 工程概況

臨縣隧道進口位于興縣康寧鎮楊塔溝內，出口位于臨縣白文鎮楊家莊村附近。本隧道起訖里程DK50+535—DK61+167，全長10 632 m，為單洞雙線隧道。隧道進口至DK60+716.45段位于直線上，DK60+716.45至出口段位于R=800 m的曲線上。隧道坡度設計為單面坡。

本隧道出口段DK59+615—DK61+167中Ⅳ級圍巖段長1 475 m，占95.039%;Ⅴ級圍巖段長53 m，占3.415%;明洞長 24 m，占 1.546%(見表 1)。其中DK60+883—DK60+586段沿山脊邊坡布線，沿線地表多處分布有沖溝陷穴，并且線路左側有一大沖溝，常年有水，拱頂比溝底最大高9.26 m(DK60+820)。K60+830—K60+586段地表埋深為19.84～64.3 m，最小埋深19.84 m在DK60+760，該處隧道開挖邊線到地表最小臨空面距離為16.15 m。DK60+883—DK60+586段橫斷面線路左側地面比線路右側地面低，最大高差為83 m，最大橫坡達76.6%(DK60+830)，存在嚴重偏壓現象。

對于大斷面黃土隧道的施工技術［1-2］和三臺階七步施工法［3］都有所報道，但這些技術對于本項目都不適合，結果導致了變形且侵限不收斂。

2 施工中出現的問題及解決方案

2.1 洞內變形情況

隧道正洞洞身采用三臺階七步開挖法。施工過程中隧道出現了嚴重變形。DK60+800—DK60+980段仰拱填充面產生縱向裂縫，并有錯臺產生，裂縫最大寬度達30 mm，錯臺最大達10 mm。DK60+805—DK60+753段初期支護后的變形表現為拱頂下沉為250～400 mm，水平收斂為223～285 mm，而初期支護的預留變形量原設計為200 mm，因此該段變形嚴重侵限，需要進行換拱處理。

表1 臨縣隧道出口段圍巖分級、開挖及襯砌情況

由于DK60+805—DK60+753初期支護15 d的變形速率還處15～27 mm/d的高位，說明了初期支護的效果非常不佳。因此在換拱時必須同時加強支護。

2.2 處理措施

根據專家的分析意見，提出了侵限段的處理方案:先洞外后洞內，同時加強地表及洞內的觀測。具體的處理措施為洞外減壓和洞內加強支護。

2.2.1 洞外減壓處理

DK60+753—DK60+851段山頂地表采取卸載以減小偏壓對隧道的壓力，卸載高度15 m，卸載寬度為裂縫往線路右側外30 m，卸載的土體用于反壓線路左側深溝。卸載高度每10 m一個臺階，臺階寬度3 m，坡率按1∶1刷坡。由于線路左側溝底有滲水現象，因而在溝底施作盲溝以避免溝底積水。盲溝從DK60+650開始往外施作，具體長度根據卸載段的長度確定，保證盲溝長度大于卸載長度10 m。對盲溝處深50 cm和寬5 m的地表土換填沙礫石，并進行碾壓，保證碾壓后的換填土表面低于周圍地面線;換填碾壓完成后施作盲溝，盲溝尺寸采用1.2 m(高)×0.4 m(寬)，盲溝底層及上表均覆蓋土工布，防止土體進入盲溝影響其透水功能，盲溝采用粒徑＞15 cm的粗圓礫石填筑，粗圓礫石必須保證具備良好的透水性。盲溝頂采取土體反壓，每填筑1 m將其碾壓密實。

2.2.2 洞內換拱及加強支護處理

為了有效控制換拱后的變形，換拱支護參數比原先有所加強，具體的換拱支護參數見表2。

表2 換拱支護參數

對侵限的初期支護嚴禁采用爆破拆除，采用人工配合風鎬，換拱順序從大里程往小里程進行。每次拆除拱架不得超過一榀，第一次拆除時須在拆除位置前后各1 m施工超前小導管，保證拆除過程施工安全，拆除拱架前必須施作長3 m的超前小導管，小導管搭接長度1 m以上。以拱架每一分節為一作業單元，在每一作業單元內遵循以下原則:破除原混凝土及背后侵限圍巖→拆除原拱架單元→輪廓及位置測量(以確保拆換后新立的拱架預留沉降變形量30 cm)→更換新拱架單元→施作超前小導管、系統錨桿、掛鋼筋網片→噴射混凝土封閉→下一工作單元施工。初期支護厚度為30 cm，同時在下臺階將拱腳加寬20 cm形成大拱腳，增加臨時I20a工字鋼仰拱。對已施工仰拱段換拱的工字鋼與仰拱工字鋼連接采用仰拱工字鋼頂部焊接I25a工字鋼托梁，換拱工字鋼直接安放在托梁上，焊接牢固。

換拱范圍為DK60+805—DK60+753，為了消除偏壓的影響，其中DK60+778—DK60+771段增設了管棚，即從DK60+771處開始施工管棚，管棚洞室高度和寬度均比換拱后斷面加大80 cm，以方便管棚施工。

換拱第一階段:上臺階換拱至DK60+793，開始中臺階換拱。中臺階先換線路右側的鋼架，把線路右側侵限部分的土體用運輸車拉出洞外，左側土體不動。當中臺階換完4 m后，再對線路右側下臺階進行換拱。右側中臺階換拱至DK60+795，下臺階換拱至DK60+797時，對線路左側的中臺階開始換拱，換拱順序與右側一致，并對線路右側已換好的中下臺階進行回填，回填土體采用線路左側的土體。當中下臺階換至與線路右側里程一致時，開始施作仰拱，仰拱每次開挖不得超過2 m，仰拱施工完成后及時施作DK60+805—DK60+797段二次襯砌。

換拱第二階段:上臺階換拱至DK60+781，中臺階換拱至DK60+783，下臺階換拱至DK60+785，中下臺階換拱方法與第一階段換拱時一致，換拱完成及時施作DK60+797—DK60+785段仰拱與二次襯砌。

換拱第三階段:上臺階換拱至DK60+771，中下臺階不換，當上臺階換拱完成后開始施工管棚，DK60+778—DK60+785段做成坡度以方便施工機械作業。

換拱第四階段:管棚施工完成后，進行中下臺階換拱，中臺階換拱至DK60+751，下臺階換拱至DK60+753，中下臺階換拱方法與第一階段換拱時一致，換拱完成及時施工DK60+785—DK60+753段仰拱與二次襯砌。

2.2.3 監控量測

1)隧道圍巖監控量測方法

換拱施工過程中加強隧道監控觀測［3-7］，定人、定時、定點進行觀測，按每3 m測一個斷面，量測頻率見表3，監控量測方法及要求見表4。

表3 量測頻率

2)監控量測管理

觀察及量測發現異常時，及時修改支護參數。一般正常狀態須同時滿足以下條件:①凈空變化速度＜0.2 mm/d時，噴射混凝土表面無裂縫或僅有少量微裂縫，圍巖基本穩定;②位移速度除在最初1～2 d允許有增加外，應逐漸減少。當凈空變化速度持續＞1.0 mm/d時，加強初期支護。變形管理等級依照表5執行。

表4 監控量測方法及要求

表5 變形管理等級

3)監控量測結果分析

在隧道換拱施工過程中，山頂地表經過卸載，地表裂縫得到了有效控制;洞內通過換拱和加強支護，在換拱后10 d內變形速率快速減小，洞內變形也呈現出明顯的收斂趨勢。

換拱后20 d隧道內拱頂下沉值及水平收斂值最大發生在監測斷面DK60+780，其拱頂下沉最大值為162 mm，斷面收斂最大值為63 mm。

根據文獻［7］提供的回歸函數對監測數據進行回歸分析，選用回歸分析中相關系數較大的回歸函數的極限值作為最終變形量的預測值。對換拱后的監測數據進行回歸分析，得到最大變形預測值為183 mm，明顯小于變形預留量30 cm。

通過分析監控量測數據發現:隨著換拱施工的不斷進行，拱頂下沉、斷面收斂和仰拱裂縫均得到控制。

3 結論

1)通過洞外地表卸載減壓，洞內分階段換拱施工，很好地解決了施工中出現的拱頂下沉、仰拱裂縫、錯臺等問題，保證了隧道施工的正常進行。

2)在偏壓黃土隧道的施工中，始終要堅持“先預報、管超前、弱爆破、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”的原則，發現問題及時解決。通過合理選擇工法、預支護類型以及提高初期支護整體剛度等措施可減少甚至避免此類問題的發生。同時要適當加大開挖預留變形量，確保黃土隧道支護穩定后不侵限。

［1］ 史趙鵬．偏壓超淺埋大斷面黃土隧道施工技術［J］．鐵道建筑，2010(5):59-61．

［2］ 李可寧．大斷面黃土隧道施工控制［J］．鐵道建筑，2011(8):53-54．

［3］ 劉偉．大斷面黃土隧道三臺階七步開挖法施工技術［J］．中國鐵路，2010(5):66-69．

［4］ 高建國．大斷面淺埋黃土隧道設計與施工［J］．交通標準化，2011(1):141-144．

［5］ 宋冶，王新東，王剛，等．客運專線大斷面黃土隧道施工監控技術［J］．鐵道工程學報，2010(1):52-58．

［6］ 初厚永．大斷面黃土隧道斜井進入正洞挑頂施工技術［J］．鐵道建筑技術，2010(12):44-49．

［7］ 周亦濤，薛曉輝，王勝濤，等．雙線隧道現場監控量測數據分析［J］．國防交通工程與技術，2007，5(3):26-28．