侯 旭

(中鐵十七局集團公司 山西太原 030082)

濕陷性黃土地區(qū)大斷面隧道施工控制

侯 旭

(中鐵十七局集團公司 山西太原 030082)

近年，我國高速鐵路客運專線施工迅速發(fā)展，高速鐵路的行車時速達到300 km/h，這也對鐵路線下施工提出更為嚴格的要求。鄭西鐵路客運專線是國內第一條修建在濕陷性黃土地區(qū)的鐵路客運專線。對鐵路黃土隧道施工過程控制進行簡述，特別針對濕陷性黃土隧道洞內采用樁基處理軟土地基，地表偏壓進行卸載處理，隧道施工中圍巖監(jiān)控量測的應用等問題通過實例進行分析?？蔀槠渌愃乒こ淌┕ぬ峁﹨⒖?。

濕陷性黃土 大斷面 隧道施工

1 濕陷性黃土特點

濕陷性黃土是一種特殊性質的土，在上覆土層自重應力作用下，或者在自重應力和附加應力共同作用下，下沉穩(wěn)定后，受水浸濕，土結構迅速破壞，并產生顯著附加下沉，稱為濕陷性黃土。廣泛分布于我國東北、西北、華中和華東部分地區(qū)。黃土是干旱或半干旱氣候條件下的沉積物，在生成初期，土中水分不斷蒸發(fā)，土孔隙中的毛細作用，使水分逐漸集聚到較粗顆粒的接觸點處。同時，細粉粒、粘粒和一些水溶鹽類也不同程度的集聚到粗顆粒的接觸點形成膠結。粘粒以及土體中所含的各種化學物質如鋁、鐵物質和一些無定型的鹽類等，多集聚在較大顆粒的接觸點起膠結和半膠結作用，作為黃土骨架的砂粒和粗粉粒，在天然狀態(tài)下，由于上述膠結物的凝聚結晶作用被牢固的粘結著，故使?jié)裣菪渣S土具有較高的強度，而遇水時，水對各種膠結物的軟化作用，土的強度突然下降便產生濕陷。

濕陷性黃土之所以在一定壓力下受水時產生顯著附加下沉，除上述在遇水時顆粒接觸點處膠結物的軟化作用外，還在于土的欠壓密狀態(tài)，干旱氣候條件下，無論是風積或是坡積和洪積的黃土層，其蒸發(fā)影響深度大于大氣降水的影響深度，在其形成過程中，充分的壓力和適宜的濕度往往不能同時具備，導致土層的壓密欠佳。接近地表2～3 m的土層，受大氣降水的影響，一般具有適宜壓密的濕度，但此時上覆土重很小，土層得不到充分的壓密，便形成了低濕度、高孔隙率的濕陷性黃土。故在濕陷性黃土場地上進行建設，應根據(jù)建筑物的重要性、地基受水浸濕可能性的大小和在使用期間對不均勻沉降限制的嚴格程度，采取以地基處理為主的綜合措施，防止地基濕陷對建筑產生危害。

2 鄭西鐵路客運專線工程概況

鄭西鐵路客運專線是鄭州至西安高速鐵路客運專線，設計行車時速300 km/h，預留提速至350 km/h。

該鐵路陜西段正位于陜西一級黃土臺塬區(qū)，濕陷性等級為III級自重濕陷性黃土。由于客運專線對鐵路行車時速的要求，隧道地段軌面以上凈空不小于100 m2，開挖凈空更達到了140～160 m2，如此大斷面的隧道在黃土地區(qū)的施工，在國內工程施工中并不多見。

3 隧道施工控制

3.1 隧道開挖支護

3.1.1 CRD法施工控制要點

（1）開挖

鄭西客運專線隧道Ⅴ級圍巖段設計采用CRD法進行開挖，將斷面分解成左右側共六個部分進行開挖，采用型鋼鋼架設置臨時橫、豎支撐進行支護。如圖1、圖2所示工序及步驟。上導分別采用PC90小型挖機進行開挖，預留核心土。并通過橫隔板間隙棄土，由下導出渣。為滿足挖掘機作業(yè)空間，每側上部臺階超前下部臺階3 m左右掘進，下部臺階超前底部6 m左右掘進。左側上部開挖高度為5.0 m左右；下部開挖高度為6.0 m左右；底部開挖高度為2.0 m左右。

圖1 CRD法施工正面示意

圖2 CRD法施工縱斷面示意

由于該地區(qū)隧道全部為黃土隧道，圍巖軟弱，機械開挖后預留30 cm人工修整開挖面。在上導、下導節(jié)段出適當沿開挖弧度切線加大拱腳開挖，以增大基礎面積提高支撐力。復測開挖斷面誤差后進行支護。

（2）支護

A、超前支護。CRD法施工段落圍巖穩(wěn)定性差，應做超前支護，洞口段采用長管棚注漿支護加固；洞身一般采用小導管超前注將加固。超前支護體系相當于圍巖內挑梁加固，對提高掌子面圍巖穩(wěn)定性有重要作用。針對黃土隧道的特點，超前小導管施工采用ZM-12T型煤電鉆鉆孔，用YT28型風槍頂進超前小導管的施工方法，小導管插入孔內的長度不小于管長90%。尾部與型鋼鋼架焊接固定，JYZ－2型注漿泵進行注漿作業(yè)。超前小導管水平角度為5°～10°，間距一般為40 cm，圍巖較差地段可縮小為30 cm，管內充填M20水泥砂漿?？v向搭接長度不小于1.5 m。

B、鋼架支護。修整的開挖面初噴后，即可進行鋼架安裝。型鋼鋼架按設計及預留變形量加大后的斷面采用冷彎機加工，并進行場地試拼，各項誤差應復核規(guī)范要求。洞內安裝時采用螺栓連接并加墊橡膠墊片。

淺埋大斷面黃土隧道，開挖后地表普遍出現(xiàn)縱向裂縫，且沉降值比較大，說明淺埋大斷面黃土隧道形不成承載拱，黃土圍巖無自承能力，初期支護結構承受較大的上覆山體的松散荷載；從觀測到的地表沉降和拱頂下沉較大，收斂較小，而初期支護結構及橫撐和中隔壁沒有開裂與扭曲變形現(xiàn)象分析判斷，淺埋大斷面黃土隧道變形是以“整體”下沉為主，由于黃土豎向節(jié)理發(fā)育，直立性較好，洞內變形向地表傳遞較快，所以，為達到控制下沉的目的，要采取相應加強措施：鋼架安裝后設鎖腳錨桿（管）固定，鎖腳錨桿（管）還可起到抵抗下沉的作用。橫向連接鋼筋（管）牢固焊接，使連續(xù)兩榀鋼架形成整體。鋼架接頭處拱架下設置預制混凝土墊塊或槽鋼連通，目的同樣是為了減少鋼架因開挖后的上部荷載造成下沉。

C、錨噴支護。對于淺埋段大斷面黃土隧道，充分保護圍巖，減少擾動就是新奧法原理的最好應用，初期支護采用鋼架加系統(tǒng)錨桿加噴射混凝土的柔性支護，允許適度變形并控制最大變形，從而達到利用圍巖的自承能力的目的。

噴射混凝土必須采用濕噴。濕噴較干噴的優(yōu)點：水與混凝土充分拌合，密實性好，強度高；液體高效速凝劑對操作工人身體傷害??；噴射時粉塵及回彈??；可用混凝土運輸車直接喂料，減少干噴人工上料工作強度。必要時噴射混凝土內加入微纖維或剛纖維，提高強度。

D、循環(huán)進尺。根據(jù)黃土隧道地質情況以及隧道工期要求，為確保施工安全，最大限度的利用圍巖的自穩(wěn)性，本著“短進尺、快循環(huán)”的原則，Ⅴ級圍巖上部每循環(huán)進尺為一榀鋼架,下部每循環(huán)進尺為一到兩榀鋼架，底部不超過兩榀鋼架。

E、臨時支護系統(tǒng)的拆除。中間臨時支護系統(tǒng)的拆除時間由中間支護系統(tǒng)對后續(xù)工序作業(yè)的影響及沉降變形分析確定?？紤]后續(xù)作業(yè)的及時跟進，中間支護系統(tǒng)對其產生的影響，在嚴格考證拆除中間支護系統(tǒng)的安全性之后，進行拆除。臨時支護系統(tǒng)縱向每次拆除長度不應大于6m，拆除后立即進行仰拱施作，兩工序交錯進行。

3.1.2 弧形導坑（三臺階七步）法施工控制要點

（1）開挖

弧形導坑預留核心土法多用于IV級圍巖老黃土。圍巖相對較為穩(wěn)定，不需要進行臨時支護加固。開挖工序及步驟如圖圖3、圖4所示。開挖時由挖掘機直接開挖作業(yè)，預留30 cm人工修整，并預留核心土。上中下導平行進行，中導或下導開挖時，左右錯開2～3 m，不得使同一榀鋼架兩端同時懸空。

圖3弧形導坑（三臺階七步）法施工正面示意

圖4 弧形導坑（三臺階七步）法施工縱斷面示意

（2）支護

支護控制要點同CRD法支護施工控制要點。此處不再贅述。

3.2 隧道防排水施工控制

客運專線為電氣化鐵路，隧道內為滿足接觸網(wǎng)安裝要求，隧道防水必須達到地下工程防水等級一級。并遵循“防、排、堵、截相結合，因地制宜，綜合治理”的原則。

3.2.1 土工布鋪設要點

土工布鋪設采用專用工作臺車，用射釘將熱塑性圓墊圈及土工布固定在巖面上，墊圈一般為梅花形布置。土工布鋪設前應將初期支護表面進行補平，錨桿頭等外露部分進行切割，用水泥砂漿涂抹平順，防止硬物刺穿。土工布鋪設應平整，縱向搭接5～10 cm。土工布背后設置環(huán)向排水盲管的應在土工布鋪設前預先固定于初期支護面。

3.2.2 防水板鋪設要點

防水板鋪設采用無釘鋪設，用電熱壓焊器將防水板熱熔焊接在熱塑性圓墊圈上?；蛘咴诜浪灞澈蠛附訅|片及軟繩，進行懸掛。無論何種方法，必須保證防水板表面無損傷，否則進行補焊。

防水板固定應留有適當?shù)乃沙诙龋话阍?0%左右，保證防水板全部面積均能低到基面，防止在襯砌混凝土澆注時扯破防水板。防水板縱向搭接15cm，采用自動爬焊機從一端焊接至另一端，焊接中要隨時糾正防水板位置，以免焊接走偏，搭接尺寸不足。

防水板的焊接應采用雙焊縫，單條焊縫不小于1.5cm。以調溫、調速熱楔式自動爬行式熱合機熱熔焊接，細部處理或修補可采用手持焊槍焊接。

防水板的焊接檢驗采用目測檢查和充氣試驗檢查。將5號注射針與壓力表相接，然后進行充氣，當壓力表達到0.25 MPa時停止充氣，持續(xù)10min，若壓力下降在10%以內即為合格，若壓力下降過快，用肥皂水涂抹在焊縫上，找到漏氣處，重新補焊。

3.2.3 止水帶安裝要點

止水帶用于隧道施工縫及變形縫防水，鄭西客運專線隧道止水帶選用中埋橡膠止水帶及背貼埋橡膠止水帶。止水帶安裝不得使用射釘、螺栓、鐵絲等刺穿固定。環(huán)向中埋橡膠止水帶安裝時，將止水帶沿中線對折90°，用鋼筋彎制的U型卡固定，一面伸入預澆混凝土內，一面緊貼于封端模板上；縱向中埋止水帶位于仰拱鋼筋中部，用U型鋼筋固定，與結構鋼筋焊接，保持順直，預埋高度應使止水帶的一半正好被混凝土包裹。

背貼止水帶安裝時由封端模板抵住，緊貼于基面，并保證位置居中于混凝土環(huán)縱向施工縫。

止水帶的長度應根據(jù)施工要求事先向生產廠家定制，盡量避免接頭，當確需接頭時，應采用熱硫化連接。

混凝土施工時，應注意止水帶位置的振搗，保證止水帶兩端混凝土的密實，并不得碰觸止水帶，防止止水帶變形，破損或移位。

3.2.4 排水盲管安裝要點

排水盲管施工流程：定位→鋪設盲管→捆扎盲管→盲管縱環(huán)向連接。環(huán)向盲管安裝根據(jù)巖面滲漏水情況，5-10 m間隔安裝；縱向盲管按隧道設計坡度安裝，緊貼巖面，高低平順，不能彎曲造成積水積砂，用變徑三通管與環(huán)向排水管連接，并引出二襯?？v向排水管還應用防水板及土工布將其反包。

3.3 二次模筑混凝土襯砌施工控制

二次模筑混凝土襯砌作為隧道工程運營時的安全儲備，對保證行車安全有至關重要的作用。

3.3.1 混凝土配合比的選擇

客運專線鐵路設計使用壽命為100年，主體結構選用高性能混凝土。并根據(jù)混凝土強度、密實性、級配連續(xù)性、耐久性、抗?jié)B性、粉煤灰等礦物摻合料、外加劑等綜合考慮試配混凝土配合比。

3.3.2 混凝土施工要點

隧道仰拱及拱墻襯砌均采用輸送泵入模。自動配料拌和機集中拌合，提高混凝土和易性，按配比添加減水劑，選擇適宜的坍落度。仰拱施工采用浮放式模板，插入式高頻振搗棒振搗；拱墻襯砌采用附著式振搗器與插入振搗棒相結合。混凝土澆筑前相鄰混凝土襯砌表面清除浮漿，涂刷混凝土界面劑。冬夏季施工時要控制混凝土的入模溫度，冬季不低于5℃，夏季不高于30℃。并加強混凝土的養(yǎng)護工作，將其納入不占用循環(huán)時間的工序中。

3.3.3 混凝土施工的特殊要求

高性能耐久性混凝土施工還應對混凝土含氣量、含堿量進行檢測，以符合規(guī)范要求，并對試件進行電通量、抗?jié)B性等檢測。

4 圍巖監(jiān)控量測的應用

在新奧法施工原理中，圍巖監(jiān)控量測工作是最重要的環(huán)節(jié)。必須將該項工作納入工序循環(huán)，用監(jiān)控量測數(shù)據(jù)來指導施工，確保施工安全，提高施工進度。通過變形數(shù)據(jù)分析，調整支護參數(shù)、預留沉降變形量，確定支護是否應當加強；根據(jù)變形是否趨于穩(wěn)定及累計變形量是否基本達到最大變形量以確定二次襯砌的施工時間。

在潼洛川隧道施工時，出口洞門設置L=20 m，￠108管棚超前支護。左上導暗洞開挖施工中，上下臺階步距為初步設計的12 m，經圍巖量測數(shù)據(jù)反映，變形量基本正常，開挖后10天內累計測得收斂變形值23.3 mm，累計拱頂下沉值39 mm。當跟進開挖下導時，變形速率有所增大且變形值無明顯趨于穩(wěn)定的趨勢。當左上部開挖超過了長管棚的支護距離時，掌子面附近的拱頂沉降和凈空收斂變形數(shù)值異常增大，其它已測斷面變形值亦開始增大。累計沉降變形值超過60.0 mm，同時地表下沉值明顯增大，地表在導向墻外側沿隧道方向出現(xiàn)一條裂縫。

鑒于此種情況，及時調整初期支護，采取的措施有立即跟進橫隔板臨時支撐，開挖后及時封閉支護，加強擴大拱腳控制等。后經圍巖量測數(shù)據(jù)分析，這些加強初期支護的措施對變形控制起到了一定的作用，拱頂下沉速率平均減少至0.8 mm/d，收斂速率平均減少至0.31 mm/d。

在左側開挖變形值較大，但采取措施后基本穩(wěn)定的情況下開挖右上導。當右側跟進下部開挖時，圍巖變形速率急劇增大。下沉值平均每天達到10 mm，部分斷面凈空收斂變形值開始出現(xiàn)負值，地表下沉量也增大到10 mm/d左右，拱頂下沉最大值累計已達到170 mm。地表裂縫寬度發(fā)展至24 mm，并行成80 mm左右的錯臺；地表沉降累計達到225.0 mm，并在原地表裂縫外側又出現(xiàn)一條裂縫，并沿隧道方向上跨一個原地面臺階繼續(xù)發(fā)展。

在次日的量測中，凈空水平收斂值突變2.25cm/d。根據(jù)量測數(shù)據(jù)，變形值過于劇烈，圍巖處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)。及時停止了掌子面開挖工作，封閉掌子面，將橫隔板跟進至工作面。當晚，拱頂噴射混凝土出現(xiàn)了開裂，并伴有掉塊，險些造成塌方。變形穩(wěn)定后，經過總結分析，將初步設計的上下臺階開挖步距改為3～5m，左右側的開挖步距也調整到3～5 m，并加強臨時支撐的設置。

在此工程實例中，我們可以清楚的認識到圍巖監(jiān)控量測對指導施工，加強支護，保證施工安全起到了重要的作用。

5 隧道暗洞內濕陷性黃土處理應用

潼洛川隧道出口段洞內90 m為濕陷性黃土，為提高隧道地基承載力，防止過量及不均勻沉降，設計需對隧底進行加固處理。采用水泥土擠密樁，樁徑0.4 m，樁長9～13 m，樁間距1×1m梅花形布置。由于受隧道洞內施工的空間限制，加之出口段采用CRD法施工，中間設置臨時橫隔板支撐后，凈高僅有3.5m，大型機械無法進洞施工。若從地表進行施工，虛樁長20～30 m，無法實現(xiàn)。

經過分析計算，自行研制并委托加工了小型施工機械：DH20自制電動打樁機，該機型由簡易機架固定的卷揚機帶動夯錘施工。施工原理為由卷揚機通過機架頂部滑輪提高尖頭柱狀夯錘并使其自由下落以重力入土擴孔，至孔底標高后再分層夯填拌合均勻的水泥土。

機械試制成功后首先在洞外通過進行比較各種回填參數(shù)的試驗以獲取指導施工的最佳方案。試驗錘頭重0.5噸，錘徑0.25m，分別對不同回填分層厚度、夯擊次數(shù)、含水率等在小區(qū)域內進行編號試樁。成樁10根后對每根樁樁身進行剖開檢查，并對樁間土進行檢測。試驗結果所有成樁樁徑符合設計要求，并選取最優(yōu)的參數(shù)。該參數(shù)試樁結果樁身水泥土壓實度大于0.97，樁間土擠密系數(shù)大于0.93，濕陷系數(shù)小于0.015，已消除濕陷性。試驗取得了初步成功，確定了如回填厚度、錘距、夯擊次數(shù)、含水率等施工參數(shù)。

但照此施工方法，每根樁成孔時間為10～12h，加之夯填所需時間3h總成樁時間約15h，完成所有樁基處理需6個月時間，還會對隧道開挖施工形成干擾，造成大量人員機械窩工，且無法滿足施工進度要求。經過技術攻關小組的討論及市場調查，決定采用洛陽鏟取土成孔，成孔后再換裝錘頭，按先前測定的參數(shù)分層夯填水泥土成樁。

圖5 隧道出口洞門淺埋偏壓處理

通過再次試驗，新工藝單樁取土成孔時間約1.5小時，總成樁時間約4.5小時，極大的提高了施工進度。經過試驗檢測，各項結果均滿足設計要求，可用于指導施工。

6 洞口淺埋偏壓處理實例

潼洛川隧道出口洞門所處位置地表覆蓋層很薄，最薄處埋深僅約2m，最厚處也僅10m。且處于兩級臺階交匯處，偏壓影響較大。如圖5所示。在隧道施工時，地表沿隧道方向出現(xiàn)了多條裂縫，裂縫寬度達到24mm。如本文第4條所述，洞內量測值較大，并危及了施工安全。在對地表裂縫的處理上遇到了一些困難。起初，采用地表注漿并沿地面45°角打設錨桿抗滑。但地層內注漿漿液擴散效果不明顯，又防止?jié){液與縫隙兩側土體粘結不牢固，由此產生新的滑動面。最終采用將裂縫表面掏10cm寬，5cm深的槽形，用砂漿抹面，并用塑料布覆蓋，防止雨水灌入加速山體滑動。

上述處理措施完成后，繼續(xù)進行開挖及支護工作。經每天的圍巖量測數(shù)據(jù)及變形累計值分析，量測點每天仍有較大幅度的變化，拱頂下沉最大值累計已達153 mm，凈空水平收斂最大值累計達到65 mm。

在全部斷面開挖后，地表出現(xiàn)了第三條裂縫，縫寬約20 mm。第一條裂縫已發(fā)展到洞頂，并一直沿線路方向延伸為長約30 m，縫寬最大處約有40 mm，且形成錯臺，錯臺最大處高度約90mm。并明顯出現(xiàn)了弧形下沉，最大累計下沉量達到240 mm。

由于出口段位置特殊，隧道斷面尺寸較大，開挖后將山體掏空，再加上地表錯臺埋深厚薄不一，由此形成的偏壓對整個山體滑動移位較難控制。為了確保隧道施工安全，經研究最認為，導致下沉開裂的原因為地表淺埋偏壓，并終決定從偏壓形成的根本原因入手，因黃土的內摩擦角為15°，遂將隧道拱腳外15°以上的山體削坡減載。將埋深較大的土層減載至埋深較小處，使地表土體厚度均勻，壓力平衡。

經過半個月的減載工作，并加強了支護措施后，地表重新布置沉降觀測樁，恢復洞內開挖工作。經過繼續(xù)觀測總結數(shù)據(jù)得出結論，地表沉降穩(wěn)定，沉降累計最大值20 mm，并無裂縫出現(xiàn)。洞內拱頂累計下沉至60～80 mm后趨于穩(wěn)定，收斂累計值達到25～35 mm后即趨于穩(wěn)定。偏壓造成的影響以基本消除，隧道開挖工作可正常施工。

7 結語

隧道施工究其原理，是較為簡單的循環(huán)施工。濕陷性黃土干燥時土體穩(wěn)定，承載力較高，受水侵蝕時，土體極不穩(wěn)定，因此濕陷性黃土地區(qū)的施工特別要對水流進行控制。隧道施工時，要加強對圍巖變化情況的掌握，控制重點部位及工序，遵循“管超前、短開挖、少擾動、強支護、勤量測、早封閉”的隧道施工原則，以控制施工質量，保證施工安全，提高施工進度。

Construction Control of Flood Cross-section Tunnel in Collapsible Loess Area

HOU Xu
(China Railway 17th Bureau Group Co. Ltd Taiyuan Shanxi 030082 China)

In recent years, the construction of high speed railway for passenger traffic is developing rapidly. The travelling speed for high speed railway reaches 300 km/h, which needs a stricter standard for construction of railway lines. Zhengzhou-Xi’an high speed railway for passenger traffic is the first railway built on collapsible loess area. This paper briefly introduces the construction control of tunnels on loess area. Aiming at tunnels on collapsible loess area, pile foundation is adopted for soft foundation inside the tunnel. Unbalanced soil pressure is addressed by unloading. And supervision and measure of surrounding rock in tunnel construction is also analyzed through actual examples. The research results are of some referential value for similar projects.

Collapsible loess Large section Tunnel construction

A

1673-1816(2017)01-0045-07

2016-03-19

侯旭（1982-），男，工程師，研究方向橋梁隧道施工技術。