劉 瑞

（中國鐵建大橋局集團第四（南方）有限公司，黑龍江 哈爾濱 150056）

0 引言

黃土由于其強度較低、遇水具有濕陷性，導致黃土區(qū)域隧道面臨圍巖松弛和塌方等問題[1-2]。在黃土隧道施工方面，已有大量學者進行了相關的研究工作。莫江峰等[3]以實際工程為依托，基于現(xiàn)場試驗和MIDAS/GTS數(shù)值仿真計算研究了黃土隧道的施工和圍巖變形特征；夏海等[4]提出了一種預制臨時仰拱，該結(jié)構(gòu)能重復使用，解決了黃土隧道的臨時支護結(jié)構(gòu)施工難以及拆除后無法利用等問題；尚海松等[5]對雙線黃土隧道在施工過程中的拱頂下沉和周邊變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了系統(tǒng)研究，提出了雙線黃土隧道的施工變形預留量的建議值；羅龍等[6]對黃土隧道的施工面臨的沉降速度快和初期支護拱部裂縫等問題進行了研究工作，并優(yōu)化了支護方法；張峰等[7]提出了針對濕陷性黃土地區(qū)隧道施工問題的優(yōu)化方案。此外，從事黃土隧道施工及支護研究工作的還有袁龍[8]和梁慶國等[9]。

該文以張家灣黃土隧道的實際工程為例，從明挖法的施工流程、黃土邊坡的穩(wěn)定性以及明洞結(jié)構(gòu)受力特性的角度，對黃土區(qū)域淺埋隧道的施工控制技術進行研究。

1 工程概況

張家灣鐵路線是連接隴海鐵路與蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運通道的連接線。該線位于河南省三門峽市陜州區(qū)境內(nèi)，分左、右兩聯(lián)，分別并入隴海鐵路接入張家灣站。最大縱坡為13‰，曲線最小半徑為500m。線路長度約5.1km。該標段主要為黃土、細砂、砂巖及砂巖夾泥巖。工程位于汾渭斷陷的靈三斷陷盆地，如圖1所示，為新生代斷陷盆地，與兩側(cè)山區(qū)以斷裂帶為分界，基底構(gòu)造復雜，斷塊活動復雜，地震活動頻繁，上部沉積巨厚的第三系、第四系沉積物。

圖1 工程示意圖

2 洞口施工工藝

地勘資料表明，由于隧道洞口位于地質(zhì)條件較差的黃土地層中，導致其圍巖的穩(wěn)定性較低?？紤]到這些情況，明洞段采用明挖法進行施工，進出口采用大管棚支護，正洞段采用三臺階法施工。隧道采用新奧法原理施工，正洞開挖采用機械開挖，無軌運輸，壓入式通風，初支噴混凝土采用濕噴機械手施工。當施工時及時進行工序轉(zhuǎn)換，做到“管超前、短開挖、強支護、勤量測、早封閉”。

2.1 明洞段施工流程

邊仰坡采取分層開挖，按照設計坡比分層開挖，開挖選擇在雨季前完成，采用隨開挖隨防護，施工中盡量減少對原有植被的破壞和對洞口的擾動。

從上而下分步開挖，開挖后立即掛網(wǎng)噴錨防護，封閉開挖面。掛網(wǎng)錨噴支護參數(shù)為 Φ22mm砂漿錨桿長4m、間距1.5m×1.5m，梅花型布置；采取C25噴射混凝土厚15cm。在噴護完成后對洞頂山坡面進行浮土清理，清理必須徹底。分層開挖出碴采用挖掘機順層倒土方式來穩(wěn)定開挖邊坡。下邊開挖設置一塊較大場地，具有足夠的裝碴運輸空間，在倒至運輸裝砟場地上配置一臺裝碴機裝碴，運輸車出碴并運至臨時征用場地鋪底，建設臨時營地和生產(chǎn)場地，多余碴料運至棄砟場棄放。

在明洞施工過程中應著重注意排水，雨季不進行施工，在施工時應考慮最先制作開挖線外側(cè)的截水溝；邊坡表面的一些危巖落石應及時清理，施工過程中對坡面以及基坑壁進行臨時支護；開挖拉槽應注意分段進行，一般取4m～6m為一段；當進行拉槽和跳槽等施工時，應確保圍巖的穩(wěn)定，注意施工安全。

2.2 明挖法邊坡的穩(wěn)定性研究

在隧道施工過程中，邊坡的穩(wěn)定性嚴重影響施工安全。該文基于FLAC3D強度折減法來分析邊坡穩(wěn)定性。

2.2.1 強度折減法原理

隨著計算機技術的發(fā)展和數(shù)值分析的應用，強度折減法正在被越來越廣泛地運用于邊坡安全系數(shù)的計算，其優(yōu)點在于，不需要假定滑移面的位置以及形狀，能夠方便的顯示巖土體的應力應變信息。

有限差分強度折減法的基本原理是將坡體強度參數(shù)即黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ同時除以折減系數(shù)Ftrial，由此產(chǎn)生新的ctrial和φtrial，再進行計算直至求解出當坡體發(fā)生臨界破壞時的對應值，這時對應的Ftrial即為坡體最小穩(wěn)定系數(shù)，這時邊坡處于極限狀態(tài)。各個求解參數(shù)計算如公式（1）和公式（2）所示。

式中：c為粘聚力；φ為內(nèi)摩擦角；ctrial為試算黏聚力；ctrial為試算內(nèi)摩擦角；Ftrial為安全系數(shù)試算值。

對于有限差分強度折減法的計算，其最主要問題在于如何通過最少次數(shù)的折減運算，以最快速度求解所需極限狀態(tài)安全系數(shù)的準確值。該文主要基于有限差分強度折減法，使用FLAC3D軟件，以剪應變增量作為邊坡失穩(wěn)的判斷依據(jù)，確定邊坡的臨界滑動面，并求解其安全系數(shù)Fs。

2.2.2 邊坡的穩(wěn)定性分析

由于不同橫斷面處的隧道頂部上覆土體厚度不同，因此選取兩處典型斷面來建立數(shù)值模型，對邊坡的穩(wěn)定性進行分析，具體的計算工況見表1。建立的2個模型示意圖如圖2所示。工況1的土層主要為細砂、黃土和砂巖（由上到下）。工況2的土層主要為細砂、砂巖夾泥巖和砂巖。當建模時，隧道圍巖和二襯采用zone模擬，錨桿采用cable單元進行模擬，襯砌結(jié)構(gòu)采用shell單元模擬。材料均使用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，具體材料參數(shù)見表2。

圖2 計算模型圖

表1 邊坡計算工況

表2 模型計算參數(shù)選擇

經(jīng)過計算可得工況1的安全系數(shù)為3.25，工況2的安全系數(shù)為2.0。工況1和工況2的剪應變增量云圖如圖3所示。由圖3可知，工況1模型的剪應變增量云圖表現(xiàn)為右側(cè)滑移區(qū)域大于左側(cè)，并且在右側(cè)基坑底部區(qū)域剪應變增量最大。由于右側(cè)邊坡滑移面距離坡面較近，因此在實際施工過程中，需要考慮對基底的加固問題。而工況2模型的剪應變增量云圖近似對稱分布，同樣表現(xiàn)為坡腳處的剪應變增量最大。

圖3 兩種工況的剪應變增量云圖

根據(jù)我國相關規(guī)范，工點處的邊坡安全系數(shù)滿足要求。當邊坡失穩(wěn)破壞時，錨桿的軸力如圖4所示。由圖4可知，工況1的錨桿都受拉，軸力最大值約為476 kN。工況2的錨桿大部分受拉，局部會有受壓現(xiàn)象，最大軸力可達633.7 kN。對比圖3（a）和（b）可知，錨桿越靠近坡腳，其軸力越大。工況1的邊坡右側(cè)的錨桿軸力大于左側(cè)。而工況2的邊坡右側(cè)上部錨桿處于受壓狀態(tài)，未發(fā)揮作用。在施工過程中，應著重注意對坡腳部分的支護。

圖4 錨桿軸力圖

2.3 明洞結(jié)構(gòu)受力分析

不同工況下明洞襯砌結(jié)構(gòu)的軸力云圖如圖5所示。由圖5（a）和（b）可知，工況1和工況2的軸力分布趨勢大致相同，均處于受壓狀態(tài)。從整體來看，模型自上至下，軸力逐漸增加，均在襯砌底部達到最大值。值得注意的是，工況1的最大軸力為550 kN，而工況2的最大軸力為120 kN，表明上覆土體的厚度對襯砌的軸力有顯著影響。

圖5 不同工況下明洞襯砌軸力云圖

在不同工況下明洞襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩云圖如圖6所示。由圖6（a）和（b）可知，工況1和工況2的最大彎矩位置有所不同，工況1的彎矩最大處位于襯砌的拱腳附近，而工況2的彎矩最大處位于襯砌的底部。此外，工況1中的最大彎矩為239kN·m，工況2中的最大彎矩為48.8kN·m。表明隧道上覆土體厚度越大，襯砌的最大彎矩就越大。

圖6 不同工況下明洞襯砌彎矩云圖

在進行明洞的軸力彎矩分析后，還應對襯砌的強度進行檢算?；凇惰F路隧道設計規(guī)范》中的方法對襯砌強度進行檢算，結(jié)算結(jié)果顯示鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)為2.68≥2.4，最大裂縫寬度為0.19mm，均滿足規(guī)范要求，表明結(jié)構(gòu)安全可靠。

3 開挖掘進工藝

考慮實際地質(zhì)環(huán)境，黃土隧道采用機械開挖。該工程隧道施工采取為臺階法和三臺階法。當隧道開挖時要預留一定的開挖量，Ⅴ級圍巖要預留12cm～15cm的開挖量，隧道開挖須嚴格按照施工設計圖紙要求進行施工工作。其中，三臺階開挖法步驟具體如下：1）上臺階開挖?；⌒伍_挖拱部。下臺階頂部距拱頂5m，留有3.0m～5.0m長的平臺。每一次掘進1榀鋼架間距。人工對拱頂開挖弧形槽，機械開挖主體，最后人工修整至設計輪廓后立即初噴4cm混凝土，及時架立鋼拱架、鋪設鋼筋網(wǎng)、縱向連接筋焊接。在拱腳以上50cm處緊貼鋼架兩側(cè)按斜向下傾角45°打設鎖腳錨管，鎖腳錨管于拱架采用“L”形鋼筋牢固焊接，噴混凝土厚度至25cm；2）下臺階開挖，避免上臺階的初期支護在同一位置懸空。每次開挖長度最長不得大于2榀拱架間距。機械開挖、人工修整至設計輪廓后立即初噴4cm混凝土，及時架設鋼架、鋪設鋼筋網(wǎng)、縱向連接筋焊接。在鋼架墻腰以上50cm處緊貼拱架兩側(cè)按斜向下傾角45°設鎖腳錨管，鎖腳錨管與鋼架采用“L”形鋼筋牢固焊接，噴混凝土厚度至25cm；3）仰拱開挖。每一次開挖進尺不得大于3m，機械開挖、人工修邊至設計輪廓線，及時架設鋼架、鋪設鋼筋網(wǎng)、縱向連接筋焊接。為了保證仰拱施工縫與拱墻襯砌施工縫保持一致，連續(xù)開挖3循環(huán)后施作一版仰拱，仰拱填充混凝土。仰拱端頭距上臺階掌子面不大于35m，施做二次襯砌。

對于超挖地段，邊墻腳至其上1m范圍內(nèi)和拱部超挖地段用與襯砌同級砼回填，邊墻腳1m以上至起拱線之間的超挖采用襯砌同級砼一次灌注。其他部位采用襯砌同級砼回填。底板超挖部分按設計要求并請示現(xiàn)場監(jiān)理工程師后處理。對欠挖地段，較大超欠挖地段可采用挖掘機再次開挖；當個別突出點侵入二襯超限時，可采用風鎬等器具鑿掉處理，使其表面盡量平順。

4 結(jié)論

該文以張家灣鐵路線為背景，針對當?shù)貓龅丨h(huán)境與工程地質(zhì)環(huán)境研究了黃土隧道的施工技術，主要得到了以下結(jié)論：1）FLAC3D計算結(jié)果顯示，不同工況下的邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)。錨桿軸力云圖顯示，越靠近坡腳，錨桿的軸力越大，且工況1和工況2的錨桿軸力分布有所區(qū)別。施工中應注意對坡腳的支護；2）受力分析結(jié)果顯示襯砌最大軸力、彎矩和上覆土層厚度呈正相關，上覆土體越厚，襯砌的最大彎矩和軸力也越大。明洞結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)和最大裂縫寬度均滿足規(guī)范要求，該結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定；3）鑒于黃土隧道的濕陷性，施工時應避開雨季，并做好排水措施；4）考慮黃土隧道的強度與濕陷性，開挖掘進采取臺階法和三臺階法，且注意超挖與欠挖地段的處理措施。