王平堂

（中鐵十八局集團(tuán)第三工程有限公司 云南昆明 650200）

1 工程概況

淺埋、偏壓黃土隧道的施工一直是黃土隧道建設(shè)中的難題。隨著我國西部地區(qū)高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)，黃土隧道施工中出現(xiàn)的淺埋、偏壓等問題逐漸突出。我國的科研學(xué)者們對黃土隧道的施工進(jìn)行了廣泛的基礎(chǔ)研究，取得了豐碩的成果。王夢恕院士通過大量隧道施工變形監(jiān)測及理論分析后得出結(jié)論：隧道圍巖變形分為先行變形階段、急劇變形階段、變形穩(wěn)定階段和長期緩慢變形階段。這一結(jié)論為隧道圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)及施工提供了理論依據(jù)。早在1988 年朱家橋?qū)W者采用洞頂圍巖監(jiān)測手段成功對將軍山隧道塌方事故進(jìn)行預(yù)警，有力的推動(dòng)了我國隧道支護(hù)技術(shù)的發(fā)展。以譚忠盛教授為代表的北京交通大學(xué)隧道技術(shù)研究學(xué)者們對隧道初支作用機(jī)理及變形控制技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究和現(xiàn)場應(yīng)用技術(shù)分析后認(rèn)為：隧道初期支護(hù)變形以整體沉降為主，拱腳處是圍巖變形的主要危險(xiǎn)點(diǎn)，此處產(chǎn)生過大變形量時(shí)容易導(dǎo)致隧道失穩(wěn)?，F(xiàn)階段隨著黃土隧道基礎(chǔ)研究的廣泛開展和多種圍巖控制技術(shù)的理論分析和現(xiàn)場實(shí)踐證明：圍巖斷面及時(shí)閉合，縮短仰拱封閉距離是控制隧道圍巖變形的重要措施。本文以米拉灣隧道淺埋段施工為研究背景，通過現(xiàn)場實(shí)踐技術(shù)和圍巖監(jiān)測分析的研究得出了米拉灣隧道淺埋段施工的變形控制技術(shù)。

米拉灣隧道設(shè)計(jì)為雙線隧道，全長1450 m，位于黃土溝壑區(qū)，該區(qū)施工范圍內(nèi)全部為濕陷性黃土、河卵石夾沙、泥巖、板巖等破碎結(jié)構(gòu)，大部分是Ⅴ級圍巖，土質(zhì)松軟，承載力極低，遇水就要沉落，隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)非常大，隧道最大埋深150m，下穿淺埋沖溝處最小埋深小于1m。

2 現(xiàn)場施工情況概述

米拉灣隧道正洞采用三臺階設(shè)臨時(shí)仰拱法施工，施工初期測量人員監(jiān)測到洞口附近地表變形發(fā)育較為明顯，隨著隧道往前開挖，地表裂縫長度也隨著延伸，裂縫寬度也隨著加寬。隧道內(nèi)部初期支護(hù)施工完成后表面裂隙發(fā)育明顯，支架拱腳處裂縫普遍較大，內(nèi)鼓現(xiàn)象明顯，個(gè)別鋼拱架有偏斜錯(cuò)位現(xiàn)象。

根據(jù)該段圍巖量測數(shù)據(jù)顯示地表沉降累計(jì)達(dá)到5.7cm，地表向線路右側(cè)橫向位移12cm，洞內(nèi)拱頂最大累計(jì)下沉為8cm，兩邊墻累計(jì)收斂量達(dá)19mm，向線路右側(cè)偏壓2.8cm。隨著仰拱成環(huán)及二襯施工后，洞內(nèi)及地表沉降雖有穩(wěn)定的趨勢，但是地表貫通的裂紋仍在延伸。

3 淺埋段施工變形原因分析

通過對米拉灣隧道淺埋段地質(zhì)特性的理論分析和施工經(jīng)驗(yàn)的實(shí)踐總結(jié)，結(jié)合現(xiàn)階段較成熟的隧道圍巖支護(hù)理論技術(shù)，總結(jié)米拉灣隧道變形量過大的主要原因如下：

（1）米拉灣隧道進(jìn)口段為淺埋大斷面黃土隧道，因其埋藏較淺，垂直節(jié)理發(fā)育明顯，因節(jié)理裂隙切割形成豎向弱面，弱面間粘聚力較小，受開挖擾動(dòng)影響，隧道上方土體在重力作用下變形較為明顯，表現(xiàn)為下沉變形量大、應(yīng)力釋放明顯、結(jié)構(gòu)破壞具有突然性等顯著特點(diǎn)，是塌方事故的高發(fā)地區(qū)。

（2）米拉灣隧道進(jìn)口段為典型的偏壓隧道黃土隧道，進(jìn)口段整體處在山體的滑坡坍塌體的山坡底端，山體坡度約為30°，進(jìn)口淺埋隧道中心線與山體走向基本平行，處在山坡的底端，偏壓現(xiàn)象較嚴(yán)重，地表橫向偏移量較為明顯。

（3）隧道施工較慢，工序銜接不緊湊，導(dǎo)致圍巖裂縫充分發(fā)育。隧道進(jìn)口段為Ve 圍巖，采用三臺階設(shè)臨時(shí)仰拱法施工，開工初期，新進(jìn)場隊(duì)伍磨合期較長，各工序之間銜接不緊湊，日平均進(jìn)尺僅為1.2m，尤其是掌子面開挖后，初噴混凝土不及時(shí)，鋼拱架設(shè)時(shí)間滯后開挖時(shí)間達(dá)4 h 以上，導(dǎo)致隧道圍巖裂隙充分發(fā)育，初期支護(hù)完成后不久即可見噴射混凝土面有明顯裂隙發(fā)育。

4 淺埋段施工變形控制施工方法

4.1 現(xiàn)場準(zhǔn)備

（1）地表預(yù)處理。黃土地區(qū)地表陷穴裂隙廣泛發(fā)育，對洞穴應(yīng)根據(jù)分布位置、形狀、深度、大小和發(fā)展趨勢，采取回填夯實(shí)等措施。陷穴及坑穴的處理方法：①隧道施工前，首先對隧道線路范圍內(nèi)的地表情況進(jìn)行實(shí)地勘察，按施工圖做好防排水措施，避免地表水流入。②排查隧道影響范圍內(nèi)的水井設(shè)施，采取回填措施，確保地表無積水環(huán)境，并對管線采取保護(hù)措施，防止施工影響。③檢查坑洞內(nèi)的環(huán)境，采取安全保護(hù)措施。對不穩(wěn)定的坑洞應(yīng)加強(qiáng)臨時(shí)支撐。坑洞內(nèi)有害氣體和物質(zhì)應(yīng)予以排除，揭露其表蓋層，清除洞內(nèi)沉積物。

（2）山體預(yù)加固。米拉灣隧道線路通過滑坡、錯(cuò)落群，其中在兩處溝心，隧道埋深最淺，小于1m，不良地質(zhì)對隧道工程影響大。為確保施工安全，結(jié)合現(xiàn)場地形，對線路左側(cè)和右側(cè)采用2.5m*3m 圍護(hù)樁對線路上游錯(cuò)落體進(jìn)行預(yù)加固，樁長31m，間距5m。

4.2 洞口邊仰坡及洞門施工

洞口邊仰坡施工首先做好洞頂和邊坡頂?shù)慕厮鞙?，以利截排水，同時(shí)宜避開雨季開挖。檢查邊、仰坡以上的山坡穩(wěn)定情況，清除懸石、處理危石，施工期間不間斷監(jiān)測和防護(hù)，坡面防護(hù)及時(shí)施作。土方采用挖掘機(jī)開挖，挖掘機(jī)裝碴、自卸式汽車運(yùn)輸。按先上后下的順序逐層開挖、逐層支護(hù)。埋深較淺的隧道，優(yōu)先考慮明洞及洞門施工，洞門采用整體一次性澆注?；炷潦┳魍瓿刹鹈B(yǎng)護(hù)后，施作洞門附屬工程。

4.3 洞身施工

（1）超前支護(hù)。依據(jù)現(xiàn)場開挖實(shí)際揭露地質(zhì)圍巖，超前支護(hù)為拱部選用φ108 管棚+φ42 小導(dǎo)管；φ89 管棚+φ42 小導(dǎo)管；φ159 管棚+φ42 小導(dǎo)管。

洞身開挖前首先施工超前支護(hù)措施，在洞門處采用大管棚配合小管棚支護(hù)方式，見圖1。洞身段根據(jù)地質(zhì)條件采用洞身中管棚配合小導(dǎo)管超前支護(hù)、雙層小導(dǎo)管超前支護(hù)、單層小導(dǎo)管超前支護(hù)等超前支護(hù)方式，確保隧道開挖區(qū)域的圍巖穩(wěn)定，施工安全。

洞口淺埋地段拱部采用Φ108*6mm 熱軋無縫鋼管超前長管棚注漿預(yù)支護(hù)，長管棚長度30m，按一環(huán)布置，導(dǎo)向墻采用C20 混凝土，為保證長管棚施工精度，導(dǎo)向墻內(nèi)設(shè)2 榀I18 工字鋼架，鋼架外緣設(shè)Φ140*5mm 導(dǎo)向鋼管。

圖1 三臺階設(shè)臨時(shí)仰拱法開挖示意圖

（2）洞身開挖。隧道淺埋段采用三臺階設(shè)臨時(shí)仰拱法開挖，隧道淺埋段襯砌類型為Ve，設(shè)計(jì)預(yù)留變形量為15～20 cm。

隧道采用挖掘機(jī)開挖，裝渣車運(yùn)渣，上臺階單個(gè)作業(yè)面單次開挖進(jìn)尺為0.6m，交替施工。開挖后立即施工初期支護(hù)，并盡早封閉成環(huán)，下一臺階的開挖在上一臺階噴射砼設(shè)計(jì)強(qiáng)度達(dá)到70%以上時(shí)施工，下部斷面開挖時(shí)左右交錯(cuò)進(jìn)行，封閉位置距離掌子面不超過35m，二襯距離掌子面不超過70m。

洞身開挖方式標(biāo)段內(nèi)根據(jù)地質(zhì)資料，可根據(jù)需要采用挖掘機(jī)開挖，人工配合整修措施。嚴(yán)格控制超欠挖，保證開挖成型質(zhì)量，減少對周邊圍巖的擾動(dòng)。

（3）出渣。隧道出碴采用無軌運(yùn)輸組織出碴，采用裝載機(jī)裝碴，自卸車運(yùn)至指定棄碴場，結(jié)合隧道實(shí)際情況每個(gè)工作面配置一臺挖掘機(jī)、一臺裝載機(jī)，三臺運(yùn)輸車，組成“挖裝運(yùn)”一體的作業(yè)線。

（4）棄渣。棄砟場提前采用防護(hù)措施，擋碴墻提前修建，先擋后棄，棄碴符合地方環(huán)保規(guī)定，施工過程中保護(hù)碴場四周的植被，工程竣工后對碴場進(jìn)行填土恢復(fù)、平整、綠化、還耕，以保護(hù)生態(tài)環(huán)境，防止水土流失。

（5）初期支護(hù)。初期支護(hù)緊跟隧道開挖，全線隧道初期支護(hù)采用錨網(wǎng)噴配合鋼拱架支護(hù)模式，隧道開挖后首先噴射5cm 厚C25 混凝土封閉圍巖斷面，然后施工邊墻A22 全長粘結(jié)型砂漿錨桿、鋼拱架和雙層鋼筋網(wǎng)。鋼拱架采用I25a 型鋼，各節(jié)鋼架連接采用用I32a 型槽鋼與I25a 型鋼端部焊接后再用螺栓連接，鋼架與錨桿頭固定在一起。在拱部鋼架基腳處設(shè)槽鋼板以增加基底承載力。

初期支護(hù)緊跟開挖面及時(shí)施作，以減少圍巖暴露時(shí)間，抑制圍巖變形，防止圍巖在短期內(nèi)松弛剝落。

（6）防水。堅(jiān)持“防、排、堵、截結(jié)合，因地制宜，綜合治理”為原則，隧道二次襯砌采用防水砼，施工中采取特殊的技術(shù)措施，確保不滲不漏。隧道拱墻設(shè)復(fù)合防水板，防水板采用無釘孔鋪設(shè)，焊縫采用爬焊機(jī)焊接。

初期支護(hù)與二次襯砌之間敷設(shè)防水板加土工布，兩側(cè)邊墻墻腳外側(cè)設(shè)置縱向φ80 縱向排水盲管，每6m 一段，隧道環(huán)向設(shè)置φ50 縱向排水盲管，每6m 一段，接頭處接直接接入隧道側(cè)溝。

拱墻環(huán)向施工縫設(shè)置“中埋式橡膠止水帶+外貼式塑料止水帶”，仰拱環(huán)向位置設(shè)置中埋式橡膠止水帶；縱向施工縫處設(shè)置中埋式鋼邊橡膠止水帶；變形縫處設(shè)置中埋式鋼邊橡膠止水帶+外貼塑料止水帶。

（7）二次襯砌。洞身采用復(fù)合式襯砌。復(fù)合式襯砌由初期支護(hù)、防水隔離層與二次襯砌組成，采用曲墻加仰拱結(jié)構(gòu)型式。

仰拱采用現(xiàn)澆70cm 厚度C35 鋼筋混凝土，二次襯砌采用模注60cm 厚C35 鋼筋混凝土。仰拱緊跟開挖工作面施作并與拱墻及早封閉成環(huán)，二襯根據(jù)圍巖變形監(jiān)測情況滯后仰拱約24m 施工。

二次襯砌采用模筑混凝土，其施工工序如下：施作防水層→襯砌臺車定位→安裝止水帶及端頭擋板→安裝鋼筋和預(yù)埋件→經(jīng)檢查合格后灌注混凝土→混凝土養(yǎng)護(hù)→拆模(混凝土達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度)→臺車移位→對模板進(jìn)行清理和涂脫模劑→進(jìn)行下一循環(huán)混凝土施工。

仰拱、填充緊隨開挖進(jìn)行，采取超前全幅分段施工方案，仰拱與填充分開施工，配備移動(dòng)式液壓仰拱棧橋確保洞內(nèi)運(yùn)輸通暢。

二襯施工采用液壓模板臺車襯砌，墻身采用分流槽澆筑方式，拱頂采用泵送送入模，附屬洞室采用組合模板施工。由下向上，對稱分層，先墻后拱灌筑，入模傾落自由高度不超過2.0m，機(jī)械振搗。二襯混凝土澆筑完成后帶模注漿，確保拱頂漿液密實(shí)。

（8）排水。洞內(nèi)水溝采用雙側(cè)水溝方式，襯砌背后積水通過環(huán)向和縱向排水盲管引入側(cè)溝，由水溝排出洞外。襯砌背后環(huán)向排水盲管6m 設(shè)一環(huán)，掌子面?zhèn)渥愦蠊β饰鬯茫鳛樗淼腊l(fā)生涌水突發(fā)事件時(shí)的應(yīng)急設(shè)備。

5 圍巖監(jiān)測

監(jiān)控量測工作緊隨開挖、支護(hù)作業(yè)，監(jiān)控的重點(diǎn)是拱頂下層、拱腳下沉及位移、地表沉降、隧道凈空收斂等內(nèi)容。

地表點(diǎn)位布設(shè)斷面與洞內(nèi)量測斷面在同一斷面里程，采用全站儀進(jìn)行洞內(nèi)外沉降觀測。隧道洞內(nèi)進(jìn)口段每3m 布設(shè)一個(gè)斷面，洞內(nèi)5m 布設(shè)一個(gè)斷面，每個(gè)斷面布設(shè)7 個(gè)觀測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)獨(dú)立進(jìn)行變形分析。

監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)表明：地表即隧內(nèi)水平變形和沉降變形均隨工作面的推移而變化，隧道初期支護(hù)封閉成環(huán)后，沉降變形速率降低，但地表水平變形仍處在高速發(fā)展區(qū)，待隧道仰拱施工后，地表水平變形速率開始變緩慢。

6 結(jié)論

本文通過淺埋大斷面黃土隧道變形影響因素的理論分析及米拉灣隧道淺埋段的變形控制技術(shù)的應(yīng)用得出如下主要結(jié)論：

（1）淺埋大斷面黃土隧道初期支護(hù)變形以整體沉降為主，其拱頂、拱腳差異沉降量要明顯大于深埋隧道差異沉降量，隧道拱腳處失穩(wěn)的可能性較大。

（2）支護(hù)結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)是黃土隧道圍巖變形控制的關(guān)鍵，隧道圍巖變形量和支護(hù)結(jié)構(gòu)封閉時(shí)間成正指數(shù)相關(guān)，現(xiàn)場施工過程中縮短仰拱封閉的時(shí)間和距離至關(guān)重要。

（3）米拉灣隧道進(jìn)口段圍巖變形控制的方法主要包括：采用三臺階設(shè)臨時(shí)仰拱法施工，管棚超前支護(hù)系統(tǒng)，錨網(wǎng)噴配合鋼拱架初期支護(hù)，鋼筋混凝土二襯支護(hù)。現(xiàn)場監(jiān)測的圍巖變形數(shù)據(jù)與理論分析一致，可以滿足施工要求。