黃土地區軟弱圍巖隧道施工技術

王一新，姚小平，岳　華，張春生（.河南理工大學土木工程學院，河南焦作　454000；.中鐵十六局集團第四工程有限公司，北京　0000）

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黃土地區軟弱圍巖隧道施工技術

王一新1，姚小平1，岳華2，張春生1
（1.河南理工大學土木工程學院，河南焦作454000；2.中鐵十六局集團第四工程有限公司，北京100010）

摘要黃土隧道圍巖工程性質特殊，只有選擇合適的開挖工藝、襯砌支護及監控量測方法才能保證隧道的安全施工。以甘泉隧道為例，利用有限元法對其開挖方法進行了模擬分析。結果表明:雙側壁導坑法對于隧道豎向位移的控制效果較好，CD法次之，上下臺階法較差，因此甘泉隧道Ⅳ級圍巖段選用上下臺階法，Ⅴ級圍巖段選用CD法，Ⅵ級圍巖段選用雙側壁導坑法施工。從隧道的初期支護、二次襯砌、防排水工藝、監控量測、超前地質預報等施工的關鍵工序及工藝分析了保證黃土隧道施工安全的方法。經甘泉隧道施工驗證，所采取的各項工藝合理。

關鍵詞黃土隧道；軟弱圍巖；有限元法；隧道施工技術；監控量測

近年來隨著國家加大中西部地區基礎建設投資，陸續修建了一些黃土隧道。黃土由于其自身的物理力學特點，在黃土地區修建隧道明顯區別于山嶺隧道和南方土質隧道，具有明顯的黃土工程特性［1］。當遇到軟弱黃土，隧道各個部分在施工過程中將面臨新的問題，因此研究黃土地區軟弱圍巖隧道的施工技術十分必要。梁慶國等在現有的公路和鐵路隧道圍巖分級的基礎上從黃土的水敏感性、小應變破壞特性、各向異性和節理對黃土穩定性的影響等方面分析了黃土圍巖的分級［2］；苗天德等基于微結構突變失穩假說給出了黃土濕陷變形的本構關系［3］；趙勇對隧道圍巖動態變形規律及控制技術進行了研究，提出了圍巖變形控制的技術要點和技術措施，并提出了相應的圍巖變形控制建議［4］；朱彥鵬等研究得出管棚法能夠明顯抑制淺埋黃土隧道開挖后地層的變形和拱頂下沉，減小隧道初期支護結構的變形和受力［5］；陳建勛等對黃土隧道的變形進行了長期觀測，并對監測結果進行了回歸分析，得到黃土隧道變形函數，通過控制拱部的沉降來控制隧道的變形［6］。以上從黃土隧道的圍巖分級、變形本構關系、支護特點、變形控制等多個方面研究了黃土隧道的工程特點，但對于黃土隧道的具體施工方法及工藝研究不多。本文選擇寶雞至天水高速公路甘泉黃土隧道為研究對象，分析其施工過程中的關鍵技術，從而為黃土地區隧道施工提供技術支持。

1隧道開挖工藝的選擇

甘泉隧道圍巖級別及其長度統計見表1。

表1　甘泉隧道圍巖級別及其長度統計

甘泉隧道洞身圍巖以Ⅳ級為主，為大塊狀壓密結構的Q1和Q2黃土，兼有Ⅴ級圍巖（Q3和Q4黃土）。Ⅳ級圍巖拱部無支護時可產生較大坍塌，側壁有時失穩，Ⅴ級圍巖易坍塌，側壁經常小坍塌，淺埋時易出現地表下沉。洞口處以Ⅵ級圍巖為主，Ⅵ級圍巖極易坍塌變形，有水時土砂常與水一起涌出，淺埋時易塌至地表。根據圍巖等級的不同，在施工過程中需選擇合適的施工方法。隧道施工中常用的方法有全斷面法、上下臺階法、CD法、雙側壁導坑法等。對于Ⅳ～Ⅵ級的軟弱圍巖，一般采用上下臺階法、CD法和雙側壁導坑法等對變形和地表沉降控制較好的方法［7］。在此，采用有限元的方法分析隧道變形量來進行比較。

1. 1模型的建立與分析

模擬隧道開挖直徑為6 m，洞身高為8 m。計算范圍的底部距隧底取5倍洞室高度，左右取5倍洞身跨度，隧道埋深20 m，在此先不考慮二次襯砌的作用，只考慮在原始地層條件下開挖之后初期支護完成后的情況。初期支護采用C25混凝土，厚30 cm。隧道側面邊界為水平位移約束，底部邊界為豎向位移約束，模型上部為自由邊界。分析模型如圖1。由于隧道變形量一般拱頂處最大，所以控制點定為拱頂處，且拱頂處幾乎沒有水平位移，只考慮豎向位移。黃土和初期支護混凝土的材料參數見表2。

圖1　分析模型（單位：m）

表2　黃土和初期支護混凝土的參數

利用Ansys進行分析，結果見表3。可知，雙側壁導坑法對于隧道位移的控制效果最好，CD法次之，上下臺階法最差。

表3　有限元模擬結果

1. 2洞身段施工方法的選擇

甘泉隧道為軟弱圍巖，洞身以Ⅳ級圍巖為主，兼有Ⅴ級圍巖。對于Ⅳ級圍巖地段采用上下臺階法開挖施工，利用超前小導管進行注漿支護。同時，系統錨桿、網噴混凝土、鋼支撐等緊跟開挖面。人工開挖與機械開挖相結合，對于狀態較好的圍巖可以采用非電毫秒光面爆破，爆破作業采用減弱爆破方法，分次、間隔進行，以確保隧道開挖周邊圍巖的完整和穩定。Ⅳ級圍巖鉆爆作業光面爆破參數依照《公路隧道施工技術規范》（JTG F60—2009）及施工經驗選取（見表4），并在實施過程中根據光面爆破效果及時修正。對于Ⅴ級圍巖地段，采用超前小導管注漿，配合CD法施工。

表4　Ⅳ級圍巖光面爆破參數

1. 3洞口段施工方法的選擇

甘泉隧道洞口段黃土堆積，圍巖破碎，滲水量大，洞口處圍巖以Ⅵ級圍巖為主。甘肅省冬季氣溫較低，明洞混凝土的施工質量不易保證。因此，可采取先做暗洞超前支護進洞，待氣溫回升，達到混凝土施工要求時，再組織隧道明洞施工。施工方法為：在修好洞門排水系統后，分2次修刷洞門邊坡和仰坡，第1次修刷到施工大管棚位置，施工完大管棚后進行第2次修刷，至設計要求。大管棚施工作為超前強支護，同時剛支撐緊跟并配合系統錨桿。由于洞口處的圍巖破碎、松散，為了確保進洞安全，進洞開挖采用對位移控制較好的雙側壁導坑法。

2　隧道初期支護工藝

甘泉隧道進洞采用鋼架混凝土套拱與大管棚相結合的方法進行開挖，洞口開挖后立即完成初期支護，同時安裝套拱鋼筋架澆注導向墻混凝土。在混凝土強度達到80％后，用鉆頭直徑為100 mm的鉆機按測量放樣的尺寸進行鉆孔，鉆孔仰角以2°～3°為宜，鉆孔過程中要用測斜儀測定孔的偏斜度，發現偏斜及時糾正，直至鉆入設計深度，完成鉆孔后，用高壓風清孔后人工和機械配合將加工好的鋼管插入孔中，用水灰比1∶1的砂漿（添加質量為5％水泥用量的水玻璃）對鋼管進行注漿，注漿壓力初壓為0. 5～1. 0 MPa，終壓為2. 0 MPa，注漿完成后及時清除管內漿液，以M30水泥砂漿填充。完成所有長管棚后，采用雙側壁導坑法人工風鎬開挖進洞，采用鋼支撐、鋼筋網和噴射混凝土施作初期支護。隧道初期支護經過一定時間變形逐漸穩定后，再鋪設防水層，澆筑二次襯砌混凝土。注意要同時達到以下5個條件后才能開始二次襯砌澆筑作業：①隧道周邊位移速度明顯下降；②水平收斂（拱腳邊墻中部）速率＜0. 2 mm/d；③拱頂與底板垂直位移速率＜0. 15 mm/d；④收斂量已達到總收斂量的80％以上；⑤初期支護表面裂縫不再繼續發展［8］。具體采用的支護措施和襯砌參數見表5。

3　防排水工藝

黃土遇水軟化十分明顯，隧道開挖時如果遇到地下徑流，因為開挖后水力坡度改變，地下水往開挖面滲透，地下水的流動及溶蝕會帶走細小顆粒及可溶解性礦物質從而使土體強度降低，并且在開挖面附近對黃土產生崩解破壞作用，臨空面失去平衡而變形甚至坍塌，特別是開挖的拱腳或側墻腳的位置，稍有積水，表層土就會迅速軟化從而喪失承載能力，表現為初期支護沉降變形加大甚至于坍塌，所以黃土隧道的防排水工程對于隧道在施工及運營階段有著非常重要的作用。

甘泉隧道設直徑80 cm中央排水溝和直徑116 mmHDPE單壁波紋管及Ω型彈簧排水管排隧道周邊滲漏水。結構防水采用全斷面鋪設EVA/ECB共擠防竄流復合防水板和噴射混凝土阻水層，防水板采用鋪掛臺車鋪設，二次襯砌變形縫、縱向施工縫均用中埋式橡膠止水帶止水，環向施工縫用帶注漿管橡膠膨脹止水條止水。

表5　甘泉隧道洞身支護和襯砌參數

4監控量測與超前地質預報

4. 1監控量測

如果圍巖出現變形失穩，在發生塌方之前，圍巖的地質特征及其巖石力學性質方面會有一些事前征兆。因此，應根據事前征兆加強對圍巖穩定性的監測預警，及時對隧道地質情況作出超前預報［9］。同時，加強對圍巖的量測，做好初期支護，可防止隧道塌方，保證施工安全。甘泉隧道圍巖監控量測情況見表6。

表6　甘泉隧道圍巖監控量測情況

4. 2超前地質預報

針對甘泉隧道軟弱圍巖的特點，將地質超前預報體系列入施工工序。施工過程中可以將多種預報方法相互結合，即以工程地質法（圖析法及地質素描法）進行超前宏觀預報；以TSP203超前地質預報系統進行距離≥100 m的預報。同時利用地質雷達結合地質素描對預報的結果進行修正。利用多種手段加強對地質情況的綜合監測和分析，盡量降低發生地質災害的可能性。

圍巖變形的監控測量和地質災害的超前預報應該同時進行，將監控測量和預報結果及時反饋給設計和施工單位。隧道設計和施工單位可采用動態設計法，合理調整設計和施工方案，以保證隧道施工的安全進行［10］。

5　結語

1）黃土隧道需要根據圍巖級別及施工條件選擇不同的施工方法，從施工過程中對地表沉降的控制情況來看，雙側壁導坑法優于CD法，CD法優于上下臺階法。

2）軟弱圍巖黃土隧道的支護襯砌方式和施作時機要合理確定。對于Ⅳ～Ⅵ級軟弱黃土圍巖，需進行大管棚或超前小導管注漿超前支護，然后配合錨噴支護或模筑混凝土進行初期支護，必須同時滿足以下條件才能施作二次襯砌：隧道周邊位移速度明顯下降；水平收斂（拱腳邊墻中部）速率＜0. 2 mm/d；拱頂與底板垂直位移速率＜0. 15 mm/d；收斂量已達到總收斂量的80％以上；初期支護表面裂縫不再繼續發展。

3）做好隧道防排水工程，防止洞內滲水或大氣降水浸泡隧道洞底。

4）黃土隧道在施工過程中應認真作好圍巖監控量測和隧道地質超前預報工作，把隧道超前地質預報納入工序組織施工，做到“早預報、早封閉、勤量測”，及時了解施工前方圍巖狀態和初期支護受力狀態，提前調整施工方法及支護參數，確保施工安全。

參考文獻

［1］劉曉東.西北黃土隧道圍巖物理力學特性試驗分析［J］.公路交通科技（應用技術版），2012（6）：353-356.

［2］梁慶國，李潔，李德武，等.黃土隧道圍巖分級研究的若干問題［J］.巖土工程學報，2011，33（增1）：170-176.

［3］苗天德，劉忠玉，任九生.濕陷性黃土的變形機理與本構關系［J］.巖土工程學報，1999，21（4）：383-387.

［4］趙勇.隧道圍巖動態變形規律及控制技術研究［J］.北京交通大學學報，2010，34（4）：1-5.

［5］朱彥鵬，何江飛，李軍.黃土公路隧道淺埋段管棚注漿支護機理及監測分析［J］.建筑科學與工程學報，2011，28（1）：11-15.

［6］陳建勛，王夢恕，軒俊杰，等.兩車道公路黃土隧道變形規律［J］.交通運輸工程學報，2012，12（3）：9-18.

［7］楊海峰.大跨度黃土隧道施工方法的對比分析與數值模擬［J］.筑路機械與施工機械化，2013（8）：89-92.

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（責任審編葛全紅）

Construction Technology of Soft Rock Tunnel in Loess Area

WANG Yixin1，YAO Xiaoping1，YUE Hua2，ZHANG Chunsheng1
（1. School of Civil Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo Henan 454000，China；2. The Fourth Engineering Co.，Ltd. of China Railway Sixteen Bureau Group，Beijing 100010，China）

AbstractT he engineering characteristics of loess tunnel surrounding rock are special，and choosing the proper excavation technology，lining support and monitoring measurement method could ensure the safety of the tunnel construction. T aking Ganquan tunnel as an example，the excavation method was simulated and analyzed by using finite element method. T he results showed that double side drift method has a good effect on control of tunnel vertical displacement，CD method has a normal control effect and the control effect of benching tunneling method is poor. T he benching tunneling method was used forⅣclass surrounding rock section of Ganquan tunnel，CD method was used forⅤclass surrounding rock section and the double side drift method was used forⅥclass surrounding rock section. Safety construction method for loess tunnel was discussed from the key construction process and technology including tunnel initial support，secondary lining，waterproof and drainage，monitoring measurement and advanced geological prediction，which was proved to be reasonable by the construction of Ganquan tunnel.

Key wordsLoess tunnel；Soft rock；Finite element method；T unnel construction technology；M onitoring measurement

中圖分類號U455. 4

文獻標識碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 21

文章編號：1003-1995（2016）06-0076-04

收稿日期：2015-06-10；修回日期：2016-04-10

基金項目：國家自然科學基金（41402216）

作者簡介：王一新（1980—），男，副教授，博士研究生。