黃土隧道初支大變形控制技術及效果分析

張 博

(中鐵西北科學研究院有限公司 甘肅蘭州 730100)

1 引言

黃土在工程建設中作為一種不良地質體，其具有典型的柱狀節理、大孔隙、膨脹性及濕陷性特征，在雨水的沖刷下會產生較大沉陷。對黃土隧道來說，施工過程中受地表水及地下水的影響初支易產生大變形、塌方等問題[1－3]。目前有關黃土隧道施工方面研究比較多，周鵬等[4]依托地坑院隧道對穿越陡坎狀偏壓地形黃土隧道初支變形特征進行研究，并制定了相應的技術控制措施；令永春等[5]依托董志塬區淺埋黃土隧道對地表裂縫特征及成因進行研究，并提出針對性技術控制措施；趙志剛等[6]依托某超大斷面黃土隧道，對圍巖變形破壞特征及原因進行分析，并結合地質及圍巖特性提出有效的變形技術控制措施；陶鼎等[7]依托銀西客專某淺埋黃土隧道對初支變形特征及變形機理進行研究，提出采用袖閥管注漿＋洞內超前中管棚的控制措施；陳建勛等[8]依托墩梁隧道，通過現場測試、理論分析及數值模擬方法對大跨度黃土隧道變形規律及支護參數進行分析，提出針對性的施工工法及支護結構形式。綜上所述，有關黃土隧道變形規律及原因分析方面的研究比較豐富，同時也取得一些有價值的應用成果，但有關黃土隧道大變形的控制技術措施還不全面，仍待進一步研究。基于此，本文依托某三車道大斷面黃土隧道工程，對隧道穿越淺埋沖溝段洞內變形及破壞特征進行分析，并提出相對應的技術控制措施，也取得了較好的效果。因此，本文所采取的技術措施可為類似隧道工程施工提供借鑒。

2 工程概況

某新建隧道為單向三車道城市主干道，長度630 m，為中長隧道。隧道橫穿一黃土梁峁，出口位于黃土沖溝山體一側，埋深約55 m。根據工程地質勘察資料，詳細工程地質特征由新到老描述如下:(1)馬蘭黃土。該類土層主要為淺黃色粉土，稍濕，質地疏松，垂直節理及大孔隙發育。(2)離石黃土。該類土主要為棕黃色、棕紅色粉土及粉質黏土，柱狀節理發育，較致密，質地較堅硬。(3)強～中風化泥質砂巖。該類土多為黃褐色～灰褐色，泥質膠結，具水平層理，層狀構造，局部夾薄層泥巖，遇水易軟化。隧道設計車速50 km/h，考慮路緣帶和安全寬度，建筑限界為15.5 m×5.0 m(寬×高)，隧道最大埋深145 m，開挖寬度達16.3 m，開挖高度達10.5 m，為大斷面黃土隧道，洞身段均為Ⅴ級圍巖。支護設計參數見表1。

表1 隧道設計支護參數

3 工程重難點與對策

隧道洞身圍巖為強～中風化砂、泥巖，圍巖級別為Ⅴ級，局部穩定性較差，開挖后不及時支護可能產生大的坍塌。隧道出口端穿越沖溝段(K22＋350～K22＋390)，自然坡角 40°～50°，邊坡上覆第四系馬蘭黃土、離石黃土，土質較疏松，垂直節理及大孔隙發育，地下水連通性好，與地表水發生一定水力聯系，通過地表水補給與排泄，賦水性較好，在雨季于隧址區隧道出口段的沖溝易出現季節性洪流，地下水變化受降水及季節性變化影響較大。

(1)初支侵限處治

特別在K22＋455～K22＋400圍巖段初支斷面不同程度侵占二襯斷面，最大侵限達52 cm，平均侵占二襯斷面尺寸達23 cm，見圖1。而隧道洞頂地表不同程度出現縱向裂縫，寬度約1～5 cm。為確保人身安全及減少對圍巖的擾動，立即停止掌子面開挖施工，對掌子面進行噴射混凝土封閉。已施作初支段采用φ100 mm的鋼管對開挖斷面進行臨時支撐，并加強監控量測頻率，待變形穩定后進行侵限段換拱處理。

圖1 初支侵限

侵限段進行換拱處理，按自下而上的順序進行，每次更換一個拱架單元。原設計 25a鋼拱架縱向間距由80 cm調整至60 cm，并在拱頂上導部位結合原系統錨桿間距增設部分長4.5 m的φ50 mm注漿管，間距1.5 m，梅花狀布置(見圖2)，將原設計預留變形量15 cm調整為25 cm。

圖2 徑向注漿加固

對已開挖暗洞段進行落底封閉成環；下臺階兩側落底時錯開一定間距，每次施工縱向距離不大于2榀拱架間距。兩側落底完成后初期支護及時封閉成環，并及時澆筑仰拱及仰拱回填。

鎖腳導管由長3.5 m的φ50 mm導管調整為長4 m的φ76 mm鎖腳導管。φ76 mm鎖腳導管內采用C25混凝土填充密實，鎖腳導管與水平夾角呈45°斜向下打設，不得水平打設。鋼架連接處鋼板焊接嚴格按設計要求施工，焊縫要飽滿，螺栓連接要牢固，并在拱腳位置沿縱向墊上枕木，枕木落到實處，做好臨時仰拱橫向支撐。

(2)地表開裂處治

對地表裂縫灌注M10水泥砂漿，將裂縫灌注密實，見圖3。對隧道洞頂地表的陷穴、深坑加以回填，表面防滲處理層厚度不宜小于50 cm，并將流向陷穴附近地面水引離；在裂縫外側設置截水溝，防止雨季雨水灌入裂縫。截水溝尺寸同洞頂截水溝尺寸。沿地表裂縫在地面設50 cm厚黏土隔水層，寬度向裂縫兩側延伸50 cm；在隧道軸線 K22＋350～K22＋390上方沖溝處根據地形設置排水設施，排除溝內積水。

圖3 地表開裂處理

(3)穿越沖溝段處治技術

圖4為地質雷達測線的波形圖。由圖4可知，掌子面向前約30 m范圍，即從K22＋400(掌子面處)～K22＋370段，波形同相軸較為連續，波形較為均一，高頻低幅波為主，波形頻率變化較小；局部電磁波反射較強烈(6～30 m)，電磁波較為強烈，同相軸時斷時續，波形較雜亂，波形頻率變化較快，規律性差，以低頻高幅波為主。整體上來看電磁波波譜較均勻，說明該里程段圍巖介質與掌子面揭露圍巖性質基本類似(見圖5)。以此推定該里程段(K22＋400～K22＋370)范圍內圍巖主要為強風化砂巖，泥質結構、層狀構造，節理較發育，裂隙水較大，掌子面前方6～30 m范圍內裂隙水較大，圍巖較破碎，圍巖穩定性差，開挖時在拱部或側壁有滴水，對于圍巖的整體穩定影響較大。

圖4 K22+400～K22+370地質雷達波形圖

圖5 掌子面狀況

沿隧道縱向對K22＋350～K22＋390沖溝段地表進行雙液漿注漿加固，橫向在隧道洞頂及輪廓外5 m范圍內進行地表雙液注漿加固處理。深度兩側到洞底標高，中間到洞頂標高之上50 cm。鉆孔直徑89 mm，注漿管采用φ60 mm鋼花管，橫向間距1.5 m，縱向間距150 cm，梅花狀布設，邊界線加密布置，間距為75 cm，見圖6。

圖6 沖溝段地表注漿加固(單位：cm)

4 加固效果分析

(1)注漿效果

隧道開挖掌子面揭示大量注漿漿液擴散區和注漿漿脈主要沿圍巖層狀節理裂隙方向擴散且痕跡較為明顯，形成了填塞節理裂隙的膠結體，不僅有效地阻止了松散孔隙水及節理裂隙水的入滲，而且提高了圍巖的完整性，掌子面整體相對較干燥，注漿效果見圖7。因此，地表注漿預加固有效地改善了上覆巖體的物理力學特性[9－10]，起到了很好的加固圍巖、阻止地表水及地下水滲流效果，同時也說明地表注漿漿液擴散和凝結取得預期效果，達到了地表注漿預加固的目的。

圖7 地表注漿擴散漿脈

(2)現場監測

隧道穿越沖溝地表預注漿加固段典型斷面K22＋386變形時程曲線見圖8。從圖8中可以看出，該監測斷面拱頂沉降最大值為104.2 mm，周邊收斂最大值為66.9 mm，最大變形量均小于設計預留變形量150 mm，且變形速率受開挖影響呈現先增大后逐漸減小的變化趨勢，因此，沖溝段圍巖變形呈現典型的“增長 －緩慢增長 －趨于穩定”3個變形階段[11－12]，說明隧道穿越沖溝段地表預注漿起到很好的加固效果，對控制圍巖變形效果顯著。

圖8 沖溝段K22+386斷面變形監測曲線

5 結束語

針對隧道穿越沖溝段初支大變形及地表開裂等破壞現象，及時調整支護參數對大變形侵限段進行處治，確保了隧道換拱施工安全；黃土隧道具有垂直節理及大孔隙發育特點，受地表水影響顯著，采取合理的地表防排水及裂縫處治技術是控制地表水入滲的關鍵；隧道穿越沖溝段通過地表預注漿加固，掌子面沿層狀節理裂隙方向形成較致密的漿脈，對阻止地表及地下水入滲、提高圍巖完整性具有顯著效果；初支變形時程曲線呈現典型的“增長－緩慢增長－趨于穩定”3個變形階段，初支變形得到明顯控制，未出現大變形侵限現象。