大跨徑黃土隧道塌方風險與控制研究

姬東東

[摘要]大跨徑黃土隧道施工風險在于隧道若不能選用正確的施工措施，很容易發生沉降，甚至還有可能會坍塌，造成嚴重的社會影響和巨大的經濟損失。本文以王村隧道為例探討了黃土隧道雙側壁導坑法施工技術的應用。

[關鍵詞]大跨徑；黃土；塌方

一、工程概況

王村隧道起點位于陜西黃陵縣橋山鎮王家溝附近，穿越黃土殘塬溝壑區，隧道右洞起訖樁號為YK11+510～YK12+645，全長1135m，為長隧道，其中明挖36m，IV級圍巖464m，V級圍巖635m。隧道開挖寬度17.85米，兩洞中軸線最大間距約149m，隧道埋深從0到95m漸變。隧道設計為雙向六車道，開挖寬度17.85m，緊急停車帶開挖寬度20.25m。隧道主體結構采用曲墻帶仰拱復合式襯砌，襯砌采用60cm厚C30鋼筋混凝土結構。隧道初期支護由鋼拱架，鋼筋網、錨桿和噴射混凝土組成。隧道進口采用削竹式洞門，設置有26m明洞，洞口段基礎采用φ12.5cm鉆孔樁加固地層，并設置鋼筋混凝土承臺。隧道出口采用斜切式洞門，設置有32m緩沖結構。洞口邊仰坡采用拱形骨架護坡，拱形骨架的上緣設排水槽，在拱形骨架內植草綠化。

隧址區屬于黃土殘塬溝壑地貌，塬邊緣溝壑林立，受水流沖刷侵蝕，形成“V”型葉脈狀溝谷。隧址區揭露地層由老至新依次有第四系下更新統午城組黃土、中更新統離石組黃土和上更新統馬蘭組黃土。

二、黃土隧道施工塌方機理

隧道塌方的原因多種多樣，但地質因素是決定性的。從力學機理上，塌方是其圍巖的自承能力不足的結果，而對于黃土隧道，其圍巖的自承能力不足源于黃土的類型及其物理力學性質、結構、構造以及

滲流場狀態的特殊性。黃土的強度特性是施工塌方的關鍵因素。隧道開挖的過程也是地層內應力重新分布的過程，在隧道開挖前，土體處于天然的應力平衡狀態；隧道開挖后，土體原有的天然應力狀態被破壞，圍巖應力在洞周一定范圍內產生了重新分布。黃土強度較低，在開挖后，當圍巖應力超過其強度后，產生徑向塑性位移，形成塑性松動區，應力一部分釋放，另一部分向外傳遞，導致松動區周邊繼續產生塑性變形，松動區向外擴大，黃土隧道周邊松動范圍擴展較快，隨著這些變形的逐漸擴展，圍巖的整體強度降低，在圍巖土體內部出現空洞導致局部發生坍塌，淺埋時在地表出現下沉，塑性區進一步擴大，土壓力的劇增最終導致整體失穩，大面積塌方。

黃土垂直節理發育，垂直方向滲透性強，地表水很快滲透至地下，使深部黃土處于飽水狀態，其原有結構完全喪失，從而使強度和承

載力降低。當隧道開挖至飽水黃土層時，圍巖隨即因失去支撐而塌方。

另外，黃土易崩解和濕陷，導致隧道周圍側壓力劇增，圍巖失去自穩，沿兩個破裂面向隧道空間移動，導致支護拱腳收斂變形異常，一般情況下，黃土隧道塌方僅表現為洞頂掉塊，或者坍塌至一定高度自行穩定。但是當隧道跨度較大，且遇到黃土飽和時，或者隧道埋藏較淺，也可坍塌到地表。

三、黃土隧道施工塌方風險

在大跨徑黃土隧道施工中，經常會出現塌方問題。隧道的塌方，不僅影響工程進度和施工期間及使用期間的安全，更直接影響到隧道的投資費用，如何減少隧道塌方，是施工的難點。要想實現塌方的控制，首先須明白塌方出現的原因。

本隧道掌子面處全部為粉狀黃土，含砂量較大，含水量小，土

體自穩性極差；隧道淺埋段開挖過程中擾動較大，容易出現坍塌；地下水的軟化、浸泡、沖蝕、溶解等作用，加劇巖體的失穩和塌萬。

地質勘察不準，而施工人員經驗又不豐富，在不良地段沒有做好鉆探工作，施工不認真容易引起塌方。施工方法選擇不當或工序間安排不合理，各工序拉得較長，圍巖暴露時間過久，引起圍巖松動、風化容易引發塌方。支護措施采取不當或支護工程施工質量控制不到位，達不到支護效果也會造成塌方?，F場信息反饋滯后同樣是引起塌方的關鍵。

總之，隧道施工原則上不應出現塌方，應從施工技術、工藝，監控量測、地質超前預報等手段加以控制。

四、大跨徑黃土隧道塌方控制

本段施工采用雙側壁導坑法施工V級軟巖，為了保證施工安全性以及連續性，工段開挖需要遵照先開挖大面，再開挖小面，開挖時應該注意邊開挖邊支護。本段軟弱斷層位置屬于較為松散的巖體，為了保證施工質量和進度，項目安排了多臺小型挖掘機開始配合人工修邊的非爆破施工方法，這樣不僅可以保證巖體穩定性，還能夠避免出現斷層欠挖現象出現。根據設計文件要求，本區段開挖進尺為1.1m，也為了考慮到安全因素，施工單位在施工時把進尺調整到了半米。具體施工步驟如下：

（一）先開挖拱頂環形Ⅰ部

用洋鎬沿開挖輪廓線由上向下開挖，配合鐵耙將松土扒離掌子面，每次掘進2.4m。拱頂中心處掌子面要向前多掘進0.5m，以備混凝土一次支護封頂。如果開挖時發現頂部土體有裂紋或疏松現象，應邊開挖邊支撐，支撐用楊木背板加φ40鋼管，鋼管底部撐在核心土上。

（二）管棚超前支護

黃土隧道土質比較松散，且層厚一般為20-60cm，開挖后易形成分層坍塌，故需較強的初期支護，采用管棚方案較適宜。

（三）開挖Ⅱ部

首先用挖掘機將一側Ⅱ部的土體由上至下開挖1.0m，并將土扒出核心土范圍以外，便于裝載機裝碴。開挖時側面開挖輪廓線處預留厚50cm土體，原因是挖掘機開挖時對土體的振動比較大，如果直接按輪廓線開挖易造成土體坍方，形成超挖。然后人工用洋鎬將預留的50cm土體沿輪廓線開挖，邊開挖邊支撐，同時出碴，而此時，挖掘機則換至另一側Ⅱ部進行開挖，如此左右側交替。注意開挖時，拱腳處至少留深20cm土用人工開挖，嚴禁拱腳超挖，防止因拱腳原狀土被破壞造成混凝土襯砌時拱架下沉。黃土隧道拱腰處土體最易發生坍方，所以在進行Ⅱ部開挖時，應邊開挖邊加固，加固方法為簡易支撐，即用楊木板緊貼開挖輪廓表面，用φ40鋼管支撐在核心上。支撐間距1.0m，交錯布置。

（四）鋼架支撐

黃土隧道土體松散，超前管棚打入前方土體中時，需在管棚尾部加設鋼架支撐，加強初期支護。鋼架采用I20型鋼鋼架，分3段組裝，通過鋼墊板用φ20螺栓將3段連成整體。

（五）開挖Ⅲ部，核心土整形

格柵支撐安設完畢后，用挖掘機將Ⅲ部土挖除，核心土頂面修成平臺，平臺沿隧道縱向寬度3.6m，并在核心土的中間高度處再修一縱向寬度約為1.2m的二級平臺。這樣核心土縱向長度約4.8m，可對前方掌子面土體起支撐作用。

（六）立鋼拱架和模板

拱部開挖完畢后，進行襯砌寬度和拱腳高程放樣，然后立模工班按放樣點位將鋼拱架立好。鋼拱架用工字鋼制作。模板用120cm×30cm鋼模。

（七）初期支護

黃土隧道初期支護一般由超前支護、鋼支撐、錨桿、鋼筋網及噴射混凝土組成。施工時，應嚴格按照“初噴、施作鋼拱架、超前支護、安裝錨桿、鋪設鋼筋網、復噴”的工序進行。黃土隧道錨桿孔鉆孔較困難，經過多次選型，采用洛陽風動工具廠生產的KHYD75A型礦用電動巖石鉆，由電動機、減速箱和跑道等組成，螺旋葉片鉆桿、干式排粉，主機重75Kg，額定輸出功率3KW，鉆孔速度320mm/min，鉆桿推進力10KN。鉆一個孔約需10～15分鐘，效率提高一倍以上，解決了鉆孔難的問題。

（八）仰拱及填充施工

仰拱應及時施作，盡早封閉成環。仰拱開挖采用挖掘機開挖，預留30厘米人工清底的方法。初期采用過車梁全斷面開挖，因速度太慢，干擾大，后期改為半幅（3/5、2/5為界）開挖，加速施工進度。填充施工縫應與仰拱施工縫錯開50cm以上，防止地下水上滲。

（九）開挖下導坑

下導坑邊墻施工與上導坑之間的距離保持60～80m為宜，下導坑邊墻施工采用四部跳躍法，左、右邊墻錯開，每個馬口開挖長度為2.4m。先用挖掘機挖中槽，中槽寬4.0m，長20m，不宜過寬、過長。

五、結束語

黃土隧道施工前應查明地表情況，必要時可提前采用注漿加固、回填夯實等方式進行處理。如果隧道跨徑較大，而覆蓋層又較薄或偏壓很大，就輕易發生較大的坍塌或滑坡現象，就更需要提前采取措施處理。大斷面黃土隧道施工，宜根據隧道斷面大小、埋深，考慮圍巖的自穩能力，適宜采用雙側壁導坑法或弧形導坑預留核心土法施工。大斷面黃土隧道施工應遵循“先預加固、嚴治水、短開挖、少擾動、強支護、早成環、快封閉、勤量測”的原則進行。