黃土地區(qū)軟弱圍巖隧道施工技術(shù)

王一新，姚小平，岳　華，張春生（.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南焦作　454000；.中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司，北京　0000）

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黃土地區(qū)軟弱圍巖隧道施工技術(shù)

王一新1，姚小平1，岳華2，張春生1
（1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南焦作454000；2.中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司，北京100010）

摘要黃土隧道圍巖工程性質(zhì)特殊，只有選擇合適的開(kāi)挖工藝、襯砌支護(hù)及監(jiān)控量測(cè)方法才能保證隧道的安全施工。以甘泉隧道為例，利用有限元法對(duì)其開(kāi)挖方法進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明:雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)于隧道豎向位移的控制效果較好，CD法次之，上下臺(tái)階法較差，因此甘泉隧道Ⅳ級(jí)圍巖段選用上下臺(tái)階法，Ⅴ級(jí)圍巖段選用CD法，Ⅵ級(jí)圍巖段選用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。從隧道的初期支護(hù)、二次襯砌、防排水工藝、監(jiān)控量測(cè)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等施工的關(guān)鍵工序及工藝分析了保證黃土隧道施工安全的方法。經(jīng)甘泉隧道施工驗(yàn)證，所采取的各項(xiàng)工藝合理。

關(guān)鍵詞黃土隧道；軟弱圍巖；有限元法；隧道施工技術(shù)；監(jiān)控量測(cè)

近年來(lái)隨著國(guó)家加大中西部地區(qū)基礎(chǔ)建設(shè)投資，陸續(xù)修建了一些黃土隧道。黃土由于其自身的物理力學(xué)特點(diǎn)，在黃土地區(qū)修建隧道明顯區(qū)別于山嶺隧道和南方土質(zhì)隧道，具有明顯的黃土工程特性［1］。當(dāng)遇到軟弱黃土，隧道各個(gè)部分在施工過(guò)程中將面臨新的問(wèn)題，因此研究黃土地區(qū)軟弱圍巖隧道的施工技術(shù)十分必要。梁慶國(guó)等在現(xiàn)有的公路和鐵路隧道圍巖分級(jí)的基礎(chǔ)上從黃土的水敏感性、小應(yīng)變破壞特性、各向異性和節(jié)理對(duì)黃土穩(wěn)定性的影響等方面分析了黃土圍巖的分級(jí)［2］；苗天德等基于微結(jié)構(gòu)突變失穩(wěn)假說(shuō)給出了黃土濕陷變形的本構(gòu)關(guān)系［3］；趙勇對(duì)隧道圍巖動(dòng)態(tài)變形規(guī)律及控制技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了圍巖變形控制的技術(shù)要點(diǎn)和技術(shù)措施，并提出了相應(yīng)的圍巖變形控制建議［4］；朱彥鵬等研究得出管棚法能夠明顯抑制淺埋黃土隧道開(kāi)挖后地層的變形和拱頂下沉，減小隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和受力［5］；陳建勛等對(duì)黃土隧道的變形進(jìn)行了長(zhǎng)期觀測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了回歸分析，得到黃土隧道變形函數(shù)，通過(guò)控制拱部的沉降來(lái)控制隧道的變形［6］。以上從黃土隧道的圍巖分級(jí)、變形本構(gòu)關(guān)系、支護(hù)特點(diǎn)、變形控制等多個(gè)方面研究了黃土隧道的工程特點(diǎn)，但對(duì)于黃土隧道的具體施工方法及工藝研究不多。本文選擇寶雞至天水高速公路甘泉黃土隧道為研究對(duì)象，分析其施工過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，從而為黃土地區(qū)隧道施工提供技術(shù)支持。

1隧道開(kāi)挖工藝的選擇

甘泉隧道圍巖級(jí)別及其長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1　甘泉隧道圍巖級(jí)別及其長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)

甘泉隧道洞身圍巖以Ⅳ級(jí)為主，為大塊狀壓密結(jié)構(gòu)的Q1和Q2黃土，兼有Ⅴ級(jí)圍巖（Q3和Q4黃土）。Ⅳ級(jí)圍巖拱部無(wú)支護(hù)時(shí)可產(chǎn)生較大坍塌，側(cè)壁有時(shí)失穩(wěn)，Ⅴ級(jí)圍巖易坍塌，側(cè)壁經(jīng)常小坍塌，淺埋時(shí)易出現(xiàn)地表下沉。洞口處以Ⅵ級(jí)圍巖為主，Ⅵ級(jí)圍巖極易坍塌變形，有水時(shí)土砂常與水一起涌出，淺埋時(shí)易塌至地表。根據(jù)圍巖等級(jí)的不同，在施工過(guò)程中需選擇合適的施工方法。隧道施工中常用的方法有全斷面法、上下臺(tái)階法、CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等。對(duì)于Ⅳ～Ⅵ級(jí)的軟弱圍巖，一般采用上下臺(tái)階法、CD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等對(duì)變形和地表沉降控制較好的方法［7］。在此，采用有限元的方法分析隧道變形量來(lái)進(jìn)行比較。

1. 1模型的建立與分析

模擬隧道開(kāi)挖直徑為6 m，洞身高為8 m。計(jì)算范圍的底部距隧底取5倍洞室高度，左右取5倍洞身跨度，隧道埋深20 m，在此先不考慮二次襯砌的作用，只考慮在原始地層條件下開(kāi)挖之后初期支護(hù)完成后的情況。初期支護(hù)采用C25混凝土，厚30 cm。隧道側(cè)面邊界為水平位移約束，底部邊界為豎向位移約束，模型上部為自由邊界。分析模型如圖1。由于隧道變形量一般拱頂處最大，所以控制點(diǎn)定為拱頂處，且拱頂處幾乎沒(méi)有水平位移，只考慮豎向位移。黃土和初期支護(hù)混凝土的材料參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1　分析模型（單位：m）

表2　黃土和初期支護(hù)混凝土的參數(shù)

利用Ansys進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表3。可知，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)于隧道位移的控制效果最好，CD法次之，上下臺(tái)階法最差。

表3　有限元模擬結(jié)果

1. 2洞身段施工方法的選擇

甘泉隧道為軟弱圍巖，洞身以Ⅳ級(jí)圍巖為主，兼有Ⅴ級(jí)圍巖。對(duì)于Ⅳ級(jí)圍巖地段采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖施工，利用超前小導(dǎo)管進(jìn)行注漿支護(hù)。同時(shí)，系統(tǒng)錨桿、網(wǎng)噴混凝土、鋼支撐等緊跟開(kāi)挖面。人工開(kāi)挖與機(jī)械開(kāi)挖相結(jié)合，對(duì)于狀態(tài)較好的圍巖可以采用非電毫秒光面爆破，爆破作業(yè)采用減弱爆破方法，分次、間隔進(jìn)行，以確保隧道開(kāi)挖周邊圍巖的完整和穩(wěn)定。Ⅳ級(jí)圍巖鉆爆作業(yè)光面爆破參數(shù)依照《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F60—2009）及施工經(jīng)驗(yàn)選?。ㄒ?jiàn)表4），并在實(shí)施過(guò)程中根據(jù)光面爆破效果及時(shí)修正。對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖地段，采用超前小導(dǎo)管注漿，配合CD法施工。

表4?、艏?jí)圍巖光面爆破參數(shù)

1. 3洞口段施工方法的選擇

甘泉隧道洞口段黃土堆積，圍巖破碎，滲水量大，洞口處圍巖以Ⅵ級(jí)圍巖為主。甘肅省冬季氣溫較低，明洞混凝土的施工質(zhì)量不易保證。因此，可采取先做暗洞超前支護(hù)進(jìn)洞，待氣溫回升，達(dá)到混凝土施工要求時(shí)，再組織隧道明洞施工。施工方法為：在修好洞門排水系統(tǒng)后，分2次修刷洞門邊坡和仰坡，第1次修刷到施工大管棚位置，施工完大管棚后進(jìn)行第2次修刷，至設(shè)計(jì)要求。大管棚施工作為超前強(qiáng)支護(hù)，同時(shí)剛支撐緊跟并配合系統(tǒng)錨桿。由于洞口處的圍巖破碎、松散，為了確保進(jìn)洞安全，進(jìn)洞開(kāi)挖采用對(duì)位移控制較好的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。

2　隧道初期支護(hù)工藝

甘泉隧道進(jìn)洞采用鋼架混凝土套拱與大管棚相結(jié)合的方法進(jìn)行開(kāi)挖，洞口開(kāi)挖后立即完成初期支護(hù)，同時(shí)安裝套拱鋼筋架澆注導(dǎo)向墻混凝土。在混凝土強(qiáng)度達(dá)到80％后，用鉆頭直徑為100 mm的鉆機(jī)按測(cè)量放樣的尺寸進(jìn)行鉆孔，鉆孔仰角以2°～3°為宜，鉆孔過(guò)程中要用測(cè)斜儀測(cè)定孔的偏斜度，發(fā)現(xiàn)偏斜及時(shí)糾正，直至鉆入設(shè)計(jì)深度，完成鉆孔后，用高壓風(fēng)清孔后人工和機(jī)械配合將加工好的鋼管插入孔中，用水灰比1∶1的砂漿（添加質(zhì)量為5％水泥用量的水玻璃）對(duì)鋼管進(jìn)行注漿，注漿壓力初壓為0. 5～1. 0 MPa，終壓為2. 0 MPa，注漿完成后及時(shí)清除管內(nèi)漿液，以M30水泥砂漿填充。完成所有長(zhǎng)管棚后，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法人工風(fēng)鎬開(kāi)挖進(jìn)洞，采用鋼支撐、鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土施作初期支護(hù)。隧道初期支護(hù)經(jīng)過(guò)一定時(shí)間變形逐漸穩(wěn)定后，再鋪設(shè)防水層，澆筑二次襯砌混凝土。注意要同時(shí)達(dá)到以下5個(gè)條件后才能開(kāi)始二次襯砌澆筑作業(yè)：①隧道周邊位移速度明顯下降；②水平收斂（拱腳邊墻中部）速率＜0. 2 mm/d；③拱頂與底板垂直位移速率＜0. 15 mm/d；④收斂量已達(dá)到總收斂量的80％以上；⑤初期支護(hù)表面裂縫不再繼續(xù)發(fā)展［8］。具體采用的支護(hù)措施和襯砌參數(shù)見(jiàn)表5。

3　防排水工藝

黃土遇水軟化十分明顯，隧道開(kāi)挖時(shí)如果遇到地下徑流，因?yàn)殚_(kāi)挖后水力坡度改變，地下水往開(kāi)挖面滲透，地下水的流動(dòng)及溶蝕會(huì)帶走細(xì)小顆粒及可溶解性礦物質(zhì)從而使土體強(qiáng)度降低，并且在開(kāi)挖面附近對(duì)黃土產(chǎn)生崩解破壞作用，臨空面失去平衡而變形甚至坍塌，特別是開(kāi)挖的拱腳或側(cè)墻腳的位置，稍有積水，表層土就會(huì)迅速軟化從而喪失承載能力，表現(xiàn)為初期支護(hù)沉降變形加大甚至于坍塌，所以黃土隧道的防排水工程對(duì)于隧道在施工及運(yùn)營(yíng)階段有著非常重要的作用。

甘泉隧道設(shè)直徑80 cm中央排水溝和直徑116 mmHDPE單壁波紋管及Ω型彈簧排水管排隧道周邊滲漏水。結(jié)構(gòu)防水采用全斷面鋪設(shè)EVA/ECB共擠防竄流復(fù)合防水板和噴射混凝土阻水層，防水板采用鋪掛臺(tái)車鋪設(shè)，二次襯砌變形縫、縱向施工縫均用中埋式橡膠止水帶止水，環(huán)向施工縫用帶注漿管橡膠膨脹止水條止水。

表5　甘泉隧道洞身支護(hù)和襯砌參數(shù)

4監(jiān)控量測(cè)與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

4. 1監(jiān)控量測(cè)

如果圍巖出現(xiàn)變形失穩(wěn)，在發(fā)生塌方之前，圍巖的地質(zhì)特征及其巖石力學(xué)性質(zhì)方面會(huì)有一些事前征兆。因此，應(yīng)根據(jù)事前征兆加強(qiáng)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)預(yù)警，及時(shí)對(duì)隧道地質(zhì)情況作出超前預(yù)報(bào)［9］。同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)圍巖的量測(cè)，做好初期支護(hù)，可防止隧道塌方，保證施工安全。甘泉隧道圍巖監(jiān)控量測(cè)情況見(jiàn)表6。

表6　甘泉隧道圍巖監(jiān)控量測(cè)情況

4. 2超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

針對(duì)甘泉隧道軟弱圍巖的特點(diǎn)，將地質(zhì)超前預(yù)報(bào)體系列入施工工序。施工過(guò)程中可以將多種預(yù)報(bào)方法相互結(jié)合，即以工程地質(zhì)法（圖析法及地質(zhì)素描法）進(jìn)行超前宏觀預(yù)報(bào)；以TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行距離≥100 m的預(yù)報(bào)。同時(shí)利用地質(zhì)雷達(dá)結(jié)合地質(zhì)素描對(duì)預(yù)報(bào)的結(jié)果進(jìn)行修正。利用多種手段加強(qiáng)對(duì)地質(zhì)情況的綜合監(jiān)測(cè)和分析，盡量降低發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性。

圍巖變形的監(jiān)控測(cè)量和地質(zhì)災(zāi)害的超前預(yù)報(bào)應(yīng)該同時(shí)進(jìn)行，將監(jiān)控測(cè)量和預(yù)報(bào)結(jié)果及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)和施工單位。隧道設(shè)計(jì)和施工單位可采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法，合理調(diào)整設(shè)計(jì)和施工方案，以保證隧道施工的安全進(jìn)行［10］。

5　結(jié)語(yǔ)

1）黃土隧道需要根據(jù)圍巖級(jí)別及施工條件選擇不同的施工方法，從施工過(guò)程中對(duì)地表沉降的控制情況來(lái)看，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法優(yōu)于CD法，CD法優(yōu)于上下臺(tái)階法。

2）軟弱圍巖黃土隧道的支護(hù)襯砌方式和施作時(shí)機(jī)要合理確定。對(duì)于Ⅳ～Ⅵ級(jí)軟弱黃土圍巖，需進(jìn)行大管棚或超前小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)，然后配合錨噴支護(hù)或模筑混凝土進(jìn)行初期支護(hù)，必須同時(shí)滿足以下條件才能施作二次襯砌：隧道周邊位移速度明顯下降；水平收斂（拱腳邊墻中部）速率＜0. 2 mm/d；拱頂與底板垂直位移速率＜0. 15 mm/d；收斂量已達(dá)到總收斂量的80％以上；初期支護(hù)表面裂縫不再繼續(xù)發(fā)展。

3）做好隧道防排水工程，防止洞內(nèi)滲水或大氣降水浸泡隧道洞底。

4）黃土隧道在施工過(guò)程中應(yīng)認(rèn)真作好圍巖監(jiān)控量測(cè)和隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作，把隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)納入工序組織施工，做到“早預(yù)報(bào)、早封閉、勤量測(cè)”，及時(shí)了解施工前方圍巖狀態(tài)和初期支護(hù)受力狀態(tài)，提前調(diào)整施工方法及支護(hù)參數(shù)，確保施工安全。

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（責(zé)任審編葛全紅）

Construction Technology of Soft Rock Tunnel in Loess Area

WANG Yixin1，YAO Xiaoping1，YUE Hua2，ZHANG Chunsheng1
（1. School of Civil Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo Henan 454000，China；2. The Fourth Engineering Co.，Ltd. of China Railway Sixteen Bureau Group，Beijing 100010，China）

AbstractT he engineering characteristics of loess tunnel surrounding rock are special，and choosing the proper excavation technology，lining support and monitoring measurement method could ensure the safety of the tunnel construction. T aking Ganquan tunnel as an example，the excavation method was simulated and analyzed by using finite element method. T he results showed that double side drift method has a good effect on control of tunnel vertical displacement，CD method has a normal control effect and the control effect of benching tunneling method is poor. T he benching tunneling method was used forⅣclass surrounding rock section of Ganquan tunnel，CD method was used forⅤclass surrounding rock section and the double side drift method was used forⅥclass surrounding rock section. Safety construction method for loess tunnel was discussed from the key construction process and technology including tunnel initial support，secondary lining，waterproof and drainage，monitoring measurement and advanced geological prediction，which was proved to be reasonable by the construction of Ganquan tunnel.

Key wordsLoess tunnel；Soft rock；Finite element method；T unnel construction technology；M onitoring measurement

中圖分類號(hào)U455. 4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 21

文章編號(hào)：1003-1995（2016）06-0076-04

收稿日期：2015-06-10；修回日期：2016-04-10

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（41402216）

作者簡(jiǎn)介：王一新（1980—），男，副教授，博士研究生。