黃土隧道設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)分析

李 鵬

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

山西省地處黃土高原東翼，境內(nèi)黃土分布廣泛。近年來山西省的高速公路建設(shè)項(xiàng)目中，大多含有黃土隧道。黃土隧道與石質(zhì)隧道相比，具有事故易發(fā)，且一旦發(fā)生事故，事故規(guī)模往往較大的特點(diǎn)。這些都與黃土自身的特點(diǎn)有關(guān)。眾所周知，黃土具有“大孔性”、“垂直節(jié)理發(fā)育”、“層理不明顯”、“透水性強(qiáng)”的特點(diǎn)，部分黃土還具有“嚴(yán)重濕陷性”。在設(shè)計(jì)與施工中與石質(zhì)隧道有著明顯的區(qū)別，在設(shè)計(jì)與施工中必須區(qū)別對(duì)待。筆者就山西省近年發(fā)生的兩起較大的黃土隧道冒頂事故，分析事故原因，總結(jié)處治方案，提出一些在設(shè)計(jì)與施工過程中應(yīng)當(dāng)特別注意的要點(diǎn)。

1 隧道情況

水頭隧道，左洞全長(zhǎng)2 870 m，左洞開挖至ZK27+389掌子面時(shí)，拱頂冒頂（冒頂掌子面距離洞口1 087 m），造成ZK27+345—ZK27+389段塌方（該段上導(dǎo)坑初支完成），長(zhǎng)約44 m，塌方段埋深42.0～83.0 m，圍巖由第四系中更新統(tǒng)中密—密實(shí)粉土硬—可塑黃土組成，屬于松軟土，呈巨厚層狀結(jié)構(gòu)，稍濕—潮濕，土質(zhì)均勻，Q2黃土，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。

東福窯隧道，左洞全長(zhǎng)2 230 m，左洞開挖至DZK48+796掌子面時(shí)，拱頂冒頂（冒頂掌子面距離洞口256 m），造成DZK48+760—DZK48+796段塌方（該段上導(dǎo)坑初支完成），長(zhǎng)約36 m，塌方段埋深37.0～58.0 m，圍巖由第四系上更新統(tǒng)馬蘭組黃土，以褐黃色粉土為主，Q3黃土，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。

2 兩起冒頂事故的原因分析

總結(jié)兩起冒頂事故原因發(fā)現(xiàn)，它們的共同點(diǎn)在于：a）同為黃土隧道，開挖均采用的是長(zhǎng)臺(tái)階法；b）隧道冒頂時(shí)，水頭隧道仰拱距離掌子面90多米，東福窯隧道仰拱距離掌子面100多米；c）水頭隧道冒頂時(shí)正值夏季雨水較多時(shí)，東福窯隧道塌方時(shí)正值春季融雪時(shí)期，兩起事故發(fā)生前，掌子面含水量均有明顯的增大跡象。

3 兩起冒頂事故的處治方案

兩起塌方事故的處治方案歸納為：

及時(shí)反壓塌方體后，在塌方體上施打φ22藥卷錨桿，掛單層φ8鋼筋網(wǎng)，噴射15 cm厚C25早強(qiáng)混凝土以封閉掌子面。

待塌方體及圍巖穩(wěn)定后，對(duì)塌方體掌子面往洞口方向10～15 m范圍內(nèi)的洞體加固，實(shí)際施工中，應(yīng)結(jié)合監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)確定加固長(zhǎng)度的合理范圍。具體加固方法為：φ42小導(dǎo)管注水泥水玻璃雙液漿，環(huán)向間距1.2 m或者1.5 m,Ⅰ20a臨時(shí)鋼拱架（與原鋼拱架錯(cuò)開布置）及臨時(shí)仰拱，臨時(shí)鋼拱架采用φ42注漿小導(dǎo)管鎖腳，管內(nèi)填充水泥砂漿，每榀4根，局部可做豎向支撐，另外，對(duì)于侵界的鋼拱架必須拆除重新施工。

推進(jìn)仰拱及二襯施工進(jìn)度，使仰拱距離掌子面不超過15 m，二襯距離掌子面不超過25 m。滿足上述強(qiáng)制性要求后，方可進(jìn)行下一步開挖施工，并且要保證在整個(gè)塌方段落施工期間，始終滿足上述要求。

塌方段落施工參數(shù)為：預(yù)留變形量20～40 cm，具體數(shù)值根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整。開挖采用“三臺(tái)階環(huán)形開挖留核心土法”，上臺(tái)階開挖長(zhǎng)度1.0～1.5 m，中臺(tái)階及時(shí)跟進(jìn)，做到早落底成環(huán)。超前采用雙排φ42小導(dǎo)管注水泥水玻璃雙液漿，第1排小導(dǎo)管長(zhǎng)度為4.0～5.0 m,環(huán)向間距30 cm，外插角3°～5°；第2排小導(dǎo)管長(zhǎng)度為5.0～6.0 m，環(huán)向間距30 cm，外插角10°～15°，環(huán)向布置范圍為拱頂120°,系統(tǒng)錨桿采用φ42導(dǎo)管環(huán)向間距 1.0～1.2 m，掛φ8雙層鋼筋網(wǎng)，Ⅰ20b鋼拱架，鋼拱架下墊 [40a槽鋼以增強(qiáng)拱架穩(wěn)定性，鎖腳采用φ42導(dǎo)管，管內(nèi)填水泥砂漿，尾端與拱架焊接牢固，中臺(tái)階設(shè)Ⅰ20a臨時(shí)仰拱，初噴26 cm,二襯采用50 cm鋼筋防水混凝土。

地表冒頂區(qū)域回填密實(shí)，表層做50 cm厚6.0%灰土層防水，并依地形做漿砌片石排水溝截排地表水。

4 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)及設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)

黃土隧道區(qū)別于石質(zhì)隧道的一個(gè)明顯特點(diǎn)是黃土的遇水軟化現(xiàn)象。黃土隧道開挖掘進(jìn)后，如果沒有及時(shí)噴射混凝土封閉圍巖，受空氣中水蒸氣以及施工廢水的影響，圍巖含水量增大，特別是拱腳位置黃土含水量如若增大，會(huì)使拱腳處圍巖失穩(wěn)，從而引起整個(gè)初支失去承載能力。因此，在黃土隧道設(shè)計(jì)過程中應(yīng)制定詳細(xì)而有效的隧道洞內(nèi)洞外防排水措施方案。如：對(duì)地表沖溝、陷穴等應(yīng)回填夯實(shí),并將地表水通過順溝、排水溝等綜合措施排至隧道范圍以外。地層含水量較大時(shí)，上臺(tái)階掌子面附近宜開挖橫向排水溝，將水引至隧道中部縱向排水溝排出洞外，防止浸泡拱腳。可采用井點(diǎn)降水等措施將地下水位降低至隧道襯砌底部以下，以保證施工順利進(jìn)行。雨季施工應(yīng)采取可靠措施確保施工安全[1]。

黃土隧道區(qū)別于石質(zhì)隧道的另一個(gè)明顯特點(diǎn)是：石質(zhì)隧道在開挖之后，圍巖收斂變形，應(yīng)力重新分配，在襯砌支護(hù)的共同作用下，可以在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到新的應(yīng)力平衡，而黃土具有的塑性變形和開挖后含水量變化引起的結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致黃土隧道圍巖的變形穩(wěn)定延續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)，黃土隧道隨著開挖時(shí)間的積累，圍巖破壞的可能性不斷增加，必須選擇有效及時(shí)的控制圍巖變形的支護(hù)方式和施工方式。可以說，“強(qiáng)支護(hù)”、“及時(shí)支護(hù)”是黃土公路隧道施工指導(dǎo)思想。正是本著這一指導(dǎo)思想，黃土隧道的開挖、支護(hù)必須嚴(yán)格遵循以下幾大要點(diǎn)：

a）黃土隧道的開挖必須采用短臺(tái)階法。開挖循環(huán)進(jìn)尺須控制在0.5～1.5 m。而且保證核心土的尺寸，不得把核心土開挖的太小，起不到反壓掌子面的作用。開挖時(shí)應(yīng)先用挖掘機(jī)環(huán)形開挖保留核心土，墻腳、拱腳處預(yù)留出足夠土體空間，采用人工開挖以避免超挖欠挖。開挖中應(yīng)特別注意拱腳、墻角、墻中部的穩(wěn)定性。開挖下導(dǎo)時(shí)要做到單側(cè)落底或兩側(cè)交錯(cuò)落底，避免上半斷面兩側(cè)拱腳同時(shí)懸空；控制落底長(zhǎng)度，視圍巖情況控制在1.0～3.0 m范圍內(nèi)。上、下導(dǎo)坑施工當(dāng)中，鋼拱架拱腳宜設(shè)置剛性墊腳，如槽鋼、預(yù)制鋼筋混凝土墊塊等以增大拱腳受力面積，提高拱架穩(wěn)定性。

b）由于系統(tǒng)錨桿在巖石隧道中的懸吊作用在黃土中不能充分發(fā)揮，導(dǎo)致黃土隧道拱部系統(tǒng)錨桿發(fā)揮的作用較小，而鎖腳錨桿卻能充分發(fā)揮其摩擦力和抗剪力，有效地減小拱腳位移。因此，黃土隧道支護(hù)應(yīng)弱化拱部系統(tǒng)錨桿的設(shè)計(jì)，加強(qiáng)鎖腳錨桿設(shè)計(jì)施工，鎖腳宜采用小導(dǎo)管，管內(nèi)壓注水泥砂漿，老黃土宜采用3.5 m長(zhǎng)，新黃土宜采用4.5 m長(zhǎng)。

c）仰拱緊跟，盡可能及時(shí)地施做仰拱，使初支盡早封閉成環(huán)，形成一個(gè)完整的受力結(jié)構(gòu)，限制支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形。其次也能盡早地封閉基底，起到抵御仰拱圍巖壓力的作用。并能避免地下水和施工廢水浸泡隧道基底和墻角使圍巖失穩(wěn)。仰拱必須一次性灌注成型，仰拱距離掌子面不得超過30 m。仰拱開挖不得超過3榀鋼拱架。特別是距離洞口較近時(shí)，更應(yīng)嚴(yán)格遵守這一規(guī)定。

d）仰拱施工后，可以使整個(gè)初支形成一個(gè)環(huán)形封閉的整體結(jié)構(gòu)。同時(shí)由于仰拱與邊墻是剛性連接，以使初支所承受的荷載可以通過仰拱傳遞至基底上，極大地改善了初支的受力結(jié)構(gòu)體系。隧道在開挖施工過程中，拱頂?shù)呢Q向位移和應(yīng)力最大，拱腳的水平位移和應(yīng)力最大。整個(gè)初支在上斷面開挖后，仰拱施做之前受力最為不利[2]。因此，及時(shí)施做仰拱是整個(gè)黃土隧道支護(hù)過程中最為重要的一環(huán)。但同時(shí)往往也是最容易被忽視的一環(huán)，一個(gè)施工隊(duì)伍施工水平的高低，直接地反應(yīng)在仰拱跟進(jìn)掌子面的進(jìn)度上。

e）初期支護(hù)應(yīng)該是剛性支護(hù)，而二次襯砌的施工時(shí)機(jī)的選擇也尤為重要。原則上應(yīng)該是在綜合考慮水平收斂和拱頂下沉速度、初期支護(hù)表面裂紋等因素后，決定施工二次襯砌的時(shí)機(jī)。切不可操之過急，以免施工后二襯受力過大，出現(xiàn)裂縫等危害。同時(shí)為了保證整個(gè)襯砌的穩(wěn)定性，二次襯砌距離掌子面洞口50 m范圍內(nèi)老黃土不得超過35 m，新黃土不得超過25 m，洞內(nèi)不得超過60 m。二襯拆模必須在混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%以上，且同時(shí)滿足養(yǎng)護(hù)3 d的要求。受到工藝及場(chǎng)地等影響，隧道二襯施工中，拱頂混凝土往往存在不密實(shí)和少量空洞現(xiàn)象。這就給上方土體提供了松動(dòng)變形的空間，極易引起二襯局部受力不均引發(fā)二襯開裂等病害，施工后應(yīng)仔細(xì)排查，發(fā)現(xiàn)二襯空洞后必須注漿處理。

本文提到的兩座隧道，在隧道冒頂前期，均發(fā)現(xiàn)掌子面含水量變大，圍巖穩(wěn)定性較之前變差的現(xiàn)象。可以說，黃土隧道含水量變大是隧道塌方的一個(gè)很大的誘因。而在隧道開挖方式上，兩座黃土隧道又都沒有嚴(yán)格地執(zhí)行山西省交通運(yùn)輸廳下發(fā)的《公路黃土隧道施工技術(shù)要點(diǎn)》中所提的要求。存在著仰拱距離掌子面距離超長(zhǎng)，甚至存在兩側(cè)同時(shí)落底現(xiàn)象，二襯距離掌子面距離嚴(yán)重超標(biāo)現(xiàn)象。可以說，這一點(diǎn)是導(dǎo)致隧道冒頂?shù)淖畲笤颉Ｊ┕し焦芾硭搅驾积R，黃土隧道這種開挖很方便容易，仰拱施工卻較石質(zhì)隧道難的情況時(shí)，仰拱與掌子面脫節(jié)、二襯與掌子面脫節(jié)的情況非常常見。這就需要我們?cè)O(shè)計(jì)人員與施工人員重新審視和認(rèn)識(shí)黃土隧道設(shè)計(jì)施工的特點(diǎn)，避免類似的工程事故的發(fā)生。