黄土浅埋隧道变形控制施工技术

黄土浅埋隧道变形控制施工技术

谢成文

谢成文

中铁十七局集团第三工程有限公司河北省石家庄市050200

摘要：新建宝鸡至兰州客运专线为我国“一带一路”战略钢铁丝绸之路最后一段，在我国西北丝路沿线出现了大量黄土浅埋隧道，针对其工程特点，本文分析了造成隧道变形的主要因素，介绍了有效控制变形的具体措施，并为同类工程施工提供了些许借鉴经验，使相关工程质量问题得以更好的预控。

关键词：浅埋；变形；控制；技术措施

1.工程概况

宝兰客专杨家庄隧道位于甘肃省秦安县境内，渭河支流葫芦河左岸，隧道全长8091m，V级黄土围岩1020m，洞口段埋深10～20m，第四系全新黏质黄土。隧道位于黄土粱峁沟壑区，地表切割强烈，沟谷发育，易发生滑坡灾害。黄土地区修建隧道面对新黄土大孔隙、湿陷性、节理发育等特点，增加了变形控制难度和施工风险。

2.变形主要原因

（1）地质条件差

洞口地层为新黏质黄土、细圆砾土和老黄土夹卵砾石砂层，具有虫孔和大孔隙，垂直节理发育，土质松散，岩体稳定性差。

（2）埋深浅

拱部黄土层最小埋深厚度仅为10m，属于真正意义浅埋隧道。

（3）开挖断面大

隧道开挖宽度14.5m，开挖高度13m，断面约160m2。依据相关研究，黄土浅埋隧道埋深H≤20m，开挖宽度B≤8m时，拱部上方土体方能保持自稳性。本隧道开挖宽度过大，形成大临空面。

（4）步距超标

因黄土浅埋隧道岩体结构差，自稳能力弱，易发生坍塌，衬砌未能及时跟进（距掌子面红线要求：仰拱L≤35m；二衬L≤70m），形成大临空面，支护不能及时成环，造成沉降变形量急剧增大。

（5）施工质量影响

施工质量会产生较大影响：锁脚长度不足、角度随意、焊接质量差；连接板缝隙大、螺栓紧固不足；初支脱空不密实；初喷砼强度不足等，都会直接影响整体支护结构刚度，产生较大沉降变形。

3.预防变形技术措施

为确保隧道施工安全进洞，开挖前先施做大管棚超前支护，以稳定拱部围岩减小沉降。开挖时再以超前小导管加强支护，采用三台阶七步开挖法，并加强钢架、锁脚、锚喷砼并拱脚支垫槽钢，设置临时支撑增强初支刚度，使整体结构受力匀称、变形减小，同时衬砌快速封闭成环，预防变形。

3.1超前管棚加强支护

开挖进洞大管棚采用直径Φ108，厚度6mm，长30m无缝钢管，在拱部140°范围均匀布设，外插角3°，共50根，注浆饱满。管棚间增设Φ42超前导管，提高整体支护能力。严控管棚外插角，既不能侵入开挖线，亦不能角度过大，充分发挥支护体系作用，避免初支结构变形过大失稳坍塌。

3.2三台阶七步法开挖

三台阶七步开挖法特点是缩小了开挖断面，遵循“短进尺、快掘进、早封闭”的原则，快速成环，最大限度减少临空时间，在台阶法基础上预留核心土分七步施做。当围岩变形较大或突变时，在保证安全和满足净空前提下，可灵活调整初支闭合时间，成环周期短，利于控制早期沉降变形。核心土对掌子面起到支撑作用，消除了掌子面应力松弛现象，长度≥3m。上导控制在5m，采用人工+机械辅助开挖，每循环≤1榀。拱脚不得超挖，预留30cm人工开挖，避免扰动原状土。中下导开挖紧跟上导，左右侧错开，严禁对称开挖，长度控制5m左右，每循环≤2榀，可用小型挖机作业，尽量避免扰动核心土和上台阶以及机械对成品初支的碰撞，以减小变形。

黄土浅埋隧道仰拱开挖是初支极易发生沉降变形的时期，即初支拱脚脱空、临空面增大、横向侧压力急剧增加及其它扰动因素影响。故开挖必须“短尺分段”施作。每次开挖≤3m，湿陷性黄土宜控制在1.5m。根据围岩节理发育、分层夹砂及土石混合的特点，开挖时须在仰拱附近、拱部和掌子面观测，防止初支及围岩突变造成险性事故。

3.3初期支护加强

（1）大钢架及临时支护

黄土浅埋段围岩初支采用I25或H175型钢加强支护，拱脚处增设槽钢，以防整体下沉。仰拱初支与边墙钢架连接牢固，形成闭环，缝隙处及时焊接牢固，预防变形增大。围岩极差地段，应安装临时横竖撑，预防沉降收敛过快。即在上、中导处采用I20型钢横向支撑，减小水平压力；竖向采用Φ150钢管支撑，减小垂直压力，后续及时跟进衬砌确保整体安全，临时支撑在衬砌跟进后方可逐步拆除。通过此应急措施可有效抑制隧道沉降变形。

（2）加强锁脚

锁脚对预防隧道沉降有至关重要作用。常规采用直径Φ42，厚度3.5mm，长4m无缝钢管，每处打设2根，角度下倾30°，端头采用“L”型钢筋与钢架焊接牢固，形成整体。对围岩极差地段，可增设2根或多根加强并注浆，形成反力，减少沉降抑制变形。

（3）喷锚加强

拱墙增设Φ22系统锚杆、铺挂双层Φ8网片，采用C25钢纤维砼喷锚支护后与钢架岩体形成受力体。通过加大钢架、增设超前、补强锚杆、多层网片、加强锁脚、临时支撑和钢纤维砼有机结合，形成完整刚性支护体系，能有效抑制沉降变形，为后续施工提高了安全保障。

3.4衬砌快速成环

黄土浅埋隧道衬砌施工按仰拱先行原则，及时封闭成环利于支护稳定，采用C40钢筋砼，宜每次浇筑3m。仰拱紧跟初支与掌子面步距控制在25m，二衬控制在50m，根据当前实际尽早发挥衬砌承载效用，对有效抑制沉降变形起到举足轻重作用。

4.监控量测

监控量测为判断围岩和支护稳定性、验证支护结构效果、确定支护参数和工法准确性及二衬合理施作时间提供了依据，也是沉降信息主要来源。因此监控量测要紧跟开挖支护，及时反馈信息，分析数据，指导现场施工。现场及时安装量测点，采用全站仪观测并信息化反馈。

4.1测点布设原则

因黄土浅埋隧道施工会使沉降快速反射到地表，故地表观测点应在开挖前布设，且与洞内测点同一断面，以准确反映沉降变化情况。洞内测点间距5m，地表测点横向2～5m布设。

4.2结果判定标准

以最大变形值为量测结果判定标准：当变形值＞5mm/d时或累计沉降100mm时，为急剧变化状态，应采取加强措施或暂停掘进；当变形值处于0.5～1mm/d时，沉降基本稳定；当变形值＜0.5mm/d时，沉降达到稳定状态。各项指标应持续到变形基本稳定2周后结束，若变形不能达到稳定，应延长观测时间，分析原因，及时采取措施做出相应调整。

4.3数据分析反馈

数据分析一般采用散点图法进行处理。信息反馈以位移为主，主要根据时态曲线走势对围岩稳定性、支护结构工作状态、对周围环境影响程度进行判定，验证及优化设计参数，并及时对当期数据进行分析，找出变化规律，预测发展趋势，指导后续施工。

（1）绘制拱部下沉和水平收敛位移—时间关系曲线图，由曲线形态来判断沉降变化。

（2）当沉降—时间关系曲线趋于平缓时，表明变形稳定支护可靠，并进行数据处理，预测可能出现的最大值和变化速率；当曲线出现反弯点时，表示支护已不能满足承载要求，应及时采取措施加强支护，必要时暂停掘进保证安全。

5.结束语

在西部黄土地区进行大断面隧道施工，采用三台阶七步开挖法、超前管棚支护、加强初支和监控量测等施工技术，严格按照“管超前、短进尺、强支护、早封闭、勤测量”原则，能有效控制隧道变形。通过一系列预控技术，可避免很多险性事故发生，对人身安全和工程质量得以更大保障，并取得良好的社会、经济效益。故对黄土浅埋隧道施工得出几点认识：1.新黄土具有易变形、大孔隙和湿陷性特点，不宜采用注浆加固地层；2.临时支撑和初支尽早封闭成环，能有效抑制初期沉降变形；3.衬砌最大限度跟进对减小变形和隧道安全至关重要；4.监控量测动态指导对黄土隧道施工具有举足轻重作用；5.沉降变形随着开挖掘进、初支封闭和衬砌成环，具有明显变化特点；6.黄土浅埋隧道施工应遵循“管超前、短进尺、强锁脚、大支撑、勤监测、早封闭、紧衬砌”的原则。

黄土浅埋隧道变形控制施工技术总结仅供参考，请各位同事给予不同意见建议。

参考文献

[1]高速铁路隧道工程施工技术指南，铁建设[2010]241号

[2]大断面黄土隧道初支作用机理及变形控制技术研究，李健，北京交通大学，2012年