浅埋偏压湿陷性黄土隧道进洞方法浅析

浅埋偏压湿陷性黄土隧道进洞方法浅析
浅埋偏压湿陷性黄土隧道进洞方法浅析
摘要：通过宝鸡至兰州铁路客运专线甘肃段阳坡庄隧道出口进洞施工案例，简要阐述了黄土隧道施工的特点和难点，阐述了浅埋、偏压湿陷性黄土隧道进洞的施工方法，并对施工注意事项作了简要说明。

关键字：浅埋；偏压；湿陷性黄土；隧道；进洞方法中图分类号：U45文献标识码：A
引言
该工程施工中因隧道进洞段大多为黄土覆盖区，黄土的显著特征是具有压缩性偏高，强度较低等特点，遇水极具湿陷性，易膨胀产生坍塌，因此防坍塌是黄土隧道施工安全控制的要点。

黄土隧道施工应把握“一短、两快、三严、四及时”几个施工要点，即“严格工艺、严格标准、严格管理；及时支护、及时观测、及时反馈、及时二衬”，用步距和时间控制的双控法保证黄土隧道施工的安全和质量。

同时严格控制施工用水，洞内渗水采取必要措施及时排出，防止浸泡拱脚引起坍塌。

在湿陷黄土段进行隧道开挖时由于隧道本身自稳性差、收敛沉降大造成了隧道侵限和塌方的事故频率较高。

1.工程概况
阳坡庄隧道全长7645.5米，隧道所属区地震动峰值0.2g，动反应谱特征周期为0.45s，相当于地震基本烈度八度。

阳坡庄隧道出口地处黄土高原沟壑、梁峁区，位于牛谷河左岸，地面高程一般为2070m～2300m，区内黄土梁峁起伏，沟壑纵横，自然坡角约20°～45°之间，隧道区沟谷深切多呈“V”字型，山坡上多为风积黄土覆盖，沟心局部基岩裸露，梁顶植被覆盖较差，隧道最大埋深174m，最小埋深7m。

隧道出口位于小岔东侧，均有乡村便道相通，交通较为困难。

出口范围第四系上更新统砂质黄土，密实程度较差承载力低，工程性质差，属松软土，伏土厚度15～20m，为确保隧道进洞安全，DK898+632～DK898+662段，隧道拱部设一环30m长
φ108管棚，环向间距0.4m，外插角0°～1°。

隧道出口线路右侧有一冲沟，为防止地表水对洞门的冲刷，对该冲沟地段采用M10浆砌片石铺砌，浆砌片石30cm。

2.施工方案的确定
2.1黄土的特点
黄土颜色为黄红色，孔隙较多，颗粒松散，颗粒含量高，它的易溶盐含量大，尤其是碳酸盐。

由于它的结构比较特殊，在浸水状况下，具有一定的强度和抗压缩性，在失去支撑作用后，土体将快速崩解、湿陷。

根据这个特点，在湿陷性黄土上建造隧道时，第一要务就是做好排水工作，尽可能使黄土的含水量减少，以保证建筑物的安全。

2.2施工方案的确定
明确了湿陷性黄土的特点，就必须找一种既安全又快速的施工方法，才能保证工程安全顺利的进行，才能保证工程的质量。

一是洞口防护加固。

由于洞口最容易浸水而湿陷，所以必须加强洞口地段的防、排水工作。

出口段洞口明挖段长25m，其中斜切段长17m明洞段长8m，临时防护为喷锚防护，C25砼湿喷砼厚度10cm，洞口上部设排水沟。

锚杆梅花布置，间距1.5*1.5，钢筋网为φ8，网格间隔25*25cm。

二是洞身施工。

应事先进行地表预加固和超前支护，开挖后及时进行支护，尽快使围岩达到稳定。

2.3隧道基底处理
隧道洞口段多位于Q3新黄土地层中，具有Ⅳ级自重湿陷性，洞身附近承载力150kPa，需要对进出口段的隧道基底进行加固处理以消除湿陷性，提高地基承载力。

明挖段DK899+662～+687段基底采用水泥土挤密桩加固处理，桩径30cm，桩间距60×60cm，等边三角形布置，平均桩长6m，桩顶设置三七灰土褥垫层，仰拱底部厚度1m。

DK899+644～+662段基础采用三七灰土换填50cm。

3.施工总方案
阳坡庄隧道位于甘肃省定西市通渭县境内，隧道出口位于小岔东侧，出口里程DK899+687，采用帽檐斜切式洞门，洞口地质情况不良，均为Q3砂质黄土，土体松散，密实程度较差承载力低，设计承载力150Kpa，属松软土，黄土具有自重湿陷性，湿陷等级为Ⅳ级。

洞口段
仰坡处开挖及时按设计参数做好边坡锚网喷联合防护。

出口段洞口明挖段长25m，其中斜切段长17m明洞段长8m，临时防护为喷锚防护。

若施工方法和支护方式处理不当，很容易造成坍方甚至冒顶事故。

所以施工过程中，根据监控量测结果及时调整施工顺序，确保施工安全。

3.1地表沉降观测
为了保证刷坡期间施工安全，需要对坡体变形进行量测，量测点埋设位置选在刷坡轮廓线5～10m位置，量测点间距为5m，在测点位置，埋好测点预埋件，然后将所有测点与附近水准点联测，取得原始高程。

观测采用水准仪，在每天同一时间进行。

控制桩采用长为
40cmΦ22钢筋埋入砼(10×10×60cm)中，砼露出地面线10cm，钢筋头露出砼表面2cm。

并引入高程控制点，配置专职的人员及仪器，进行监测。

3.2截水天沟施作
在洞口顶刷坡线外10m设截水沟一道，预防山顶水源从天沟内下渗，并将洞顶水引至路基排水沟流入牛谷河中，洞顶截水沟断面尺寸采用0.6×0.4m梯形排水沟，沟壁厚0.3m，设计C25混凝土，沟底及沟壁采用0.1m厚的二八灰土夯填密实，在按照设计施工的同时，与地形自然顺接。

边仰坡开挖、支护。

洞顶截水沟的施作应在边坡、仰坡施工前完成，以确保坡面稳定。

距边仰坡开挖轮廓线10m。

沟槽采用机械开挖，人工修整，自地势低处向地势高处施工。

图1、洞顶截水沟断面图(单位:cm)
3.3洞门边、仰坡开挖及临时支护
阳坡庄隧道出口端洞口里程DK899+687，采用帽檐斜切式洞门，明暗分界里程DK899+662，洞口明挖段长度25m，其中斜切段长17m，明洞段长8m。

开挖时按边坡外轮廓线分平台放出边、仰坡位置，做好路堑顶截水沟和坡面危石处理。

地表为砂质黄土，结构松散覆盖层厚度15～20m，采用挖掘机开挖，人工配合修整边坡。

洞口边、仰坡必须按设计的坡度，从上到下、由外向里分层进行开挖。

DK899+644～DK899+687段边仰坡成型后，人工搭设操作平台，
施工边坡临时锚网喷防护，采用风动凿岩机钻眼，眼深不小于3m，安装Φ22砂浆锚杆、φ8钢筋网（网格间距25×25cm），钢筋网必须与锚杆连接牢固，以保证喷混凝土时网片牢固不晃动。

边坡永久防护采用骨架护坡，喷播植草和植灌木。

喷射混凝土应分片自下而上依次进行。

空压机适时供风，两台混凝土喷射机进行喷混凝土作业。

当管棚施作完成后，再进行边坡下一坡面的开挖与防护。

3.4预留变形量的设定
由于隧道支护与黄土地层相互作用关系的复杂性，以及与隧道初期支护变形相关因素的不确定性。

前期所有监控量测数据显示拱顶下沉均大于相应断面的水平收敛，因此拱顶下沉是大断面黄土隧道的主要变形特征。

当隧道埋深小于40m时，隧道拱顶下沉量离散性较大，隧道初期支护封闭后，隧道周边位移基本上不再发展。

因此，隧道初期支护封闭时间是控制大断面黄土隧道预留变形量的一个重要因素。

3.5超前支护
隧道设计在暗洞（DK898+662）进洞施工前，在拱部设一环φ108管棚，管棚长30m，环向间距0.4m，外插角0°～1°，以加强围岩稳定性，保证进洞安全。

在拱部超前大管棚注浆预固结围岩的保护下，进行主洞掘进施工。

施工工艺流程如图2
图2、施工工艺流程图
3.5.1管棚施工及其参数
管棚施工主要工序有开挖施作导向墙，钻孔，清孔，验孔，安装管棚钢管，注浆。

钢管布设在圆心角为144°00′00″范围内。

采用φ108mm壁厚6mm的热扎无缝钢管，单节长4～6m，用5或6个丝扣连接成单根长30m的管棚(丝扣采用φ114mm壁厚6mm的热扎无缝钢管，丝扣长度0.3m)，同一断面内接头数量不得超过总钢管数的50%；导向管采用φ140mm壁厚5mm的热轧无缝钢管，节长1.0m；钢花管钢筋笼由4根φ18钢筋和固定环（φ42小导管，t=3.5mm）焊接而成，固定环
宽5cm，间距150cm，30m管棚单根20个固定环。

3.5.2钻孔
（1）为了便于安装钢管，开孔钻头直径采用Φ120mm，为了便于插管，钻孔深度应大于设计的0.5m。

（2）岩质较好的可以一次成孔；钻进时产生坍孔、卡钻，需补注浆后再钻进。

（3）钻机开钻时，可低速低压，待成孔10m后可根据地质情况逐渐调整钻速及风压。

（4）钻孔顺序由高位孔向低位孔进行。

（5）钻进过程中用测斜仪测定其位置，并根据钻机钻进的现象及时判断成孔质量，并及时处理钻进过程中出现的事故。

（6）钻进过程中确保动力器，扶正器、合金钻头按同心圆钻进。

（7）第一节钻杆钻入岩层，尾部剩余20～30cm时停止钻进，人工用两把管钳卡紧钻杆（注意不得卡丝扣），钻机低速反转，脱开钻杆。

钻机沿导轨退回原位，人工装入第二根钻杆，并在钻杆前端安装好联接套，钻机低速送至第一根钻杆尾部，方向对准后联接成一体。

每次接长钻杆，均可按上述方法进行。

（8）换钻杆时，要注意检查钻杆是否弯曲，有无损伤，中心水孔是否畅通等，不符合要求的应更换，以确保正常作业。

（9）钻孔达到要求深度后，按同样的方法拆卸钻杆，钻机退回原位。

（10）将所有管棚进行编号，先钻设双号孔，待装管及注浆完成后，方可钻设单号孔，以避免塌孔或漏浆。

（11）认真作好钻进过程的原始记录，及时对孔口岩屑进行地质判断、描述，作为开挖洞身的地质预探预报和指导洞身开挖的依据。

3.5.3安装管棚
安装管棚前要验孔，确保孔径、孔深符合要求，并用高压气清理钻渣。

钢管应在专用的管床上加工好丝扣，棚管四周梅花型钻出Φ10注浆孔（尾部留不钻孔的止浆段1.5m），环向孔间距为113mm，纵向孔间距150mm，呈梅花形布置；管头焊成圆锥形，便于入孔。

首先每隔一孔钻一孔，先打编号为双号的钢花管，每钻完一孔便清孔验孔后
顶进有孔钢花管，进行注浆。

接长钢管应满足受力要求，相邻钢管的接头应前后错开。

同一横断面内的接头数不大于50%，相邻钢管接头至少错1m。

安装前应在地面预先排好再依次安装，保证接头分布符合要求。

3.6工序衔接
为有效控制拱顶下沉及周边收敛，避免结构侵线。

初期支护宜尽早封闭成环，及时跟进二衬混凝土施作。

由于洞口隧址处于浅埋、偏压段落，开挖后，黄土自稳能力减弱，形成松动圈，很难形成自然拱，初期支护荷载增加，应力会重新分布，后期压力增加，如果支护强度不足，势必对初期支护造成破坏，初期支护变形破坏后，再施工二衬，二衬承担围岩压力变大。

因此，初期支护应尽早封闭成环，二衬应在后期压力释放前及时施工，与初期支护形成共同受力体系，确保初期支护不被破坏。

4.注浆处理效果及质量控制
4.1注浆异常现象的处理
4.1.1在注浆过程中，发生串浆时，在有多台注浆机的条件下，应同时注浆，无条件时应将串浆孔及时堵塞。

轮到该孔注浆时，再拔下堵塞物，用铁丝或细钢筋将孔内杂物清除并用高压风或水冲洗，然后注浆。

4.1.2注浆压力突然升高，进行注清水，待泵压正常时，再进行注浆。

4.1.3注浆量很大，压力长时间不升高，则应调整浆液浓度及配合比，缩短凝胶时间，进行小泵量低压力注浆或间歇式注浆，使浆液在裂隙水中有相对停留时间，以便凝胶，但停留时间不能超过水泥砂浆的凝胶时间。

4.2质量控制
4.2.1钻孔前，精确测定孔的平面位置、倾角、外插角。

并对每个孔进行编号。

4.2.2钻孔仰角的确定应视钻孔深度及钻杆强度而定，一般控制在1°～1.5°，钻机最大下沉量及左右偏移量为钢管长度的1%左右，并控制在20cm～30cm。

4.2.3严格控制钻孔平面位置，管棚不得侵入隧道开挖线内，相邻的钢管不得相撞和立交。

4.2.4经常量测孔的斜度，发现误差超限及时纠正，至终孔仍超限者应封孔，原位重钻。

4.2.5掌握好开钻与正常钻进的压力和速度，防止断杆。

4.2.6管棚严格按设计位置施工，钻机立轴方向必须准确控制，每钻完一孔便顶进一根钢管。

4.2.7导向墙砼灌注时要对称灌注，左右侧高差不能超过1.0米。

5.结束语
随着我国交通的快速发展，类似阳坡庄湿陷性黄土隧道的设计与施工也将在今后日益增多。

本文重点阐述了黄土隧道的洞口段的安全施工，提出了进洞方案及施工技术，旨在加深对黄土隧道的认识，对以后黄土隧道的施工具有指导作用。

作者简介：
龙思明（1971.07-）高级工程师，毕业于石家庄铁道学院，中铁一局集团第五工程有限公司，主要研究方向桥梁隧道的施工。

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