黄土隧道沉降变形规律及控制措施研究

苏陇羊

中铁建大桥工程局集团西北工程有限公司 宁夏 银川 750000

1 工程概况与设计支护参数

南梁隧道位于宁夏南部山区海原县境内，隧道按照分离式形式布设，起讫里程K125+580～K127+905，全长2325m，属长隧道，最大埋深约105m。黄土梁峁沟壑区，隧址区域由新老黄土覆盖，地形起伏较大，地表最低海拔位于洞口浅埋段，高程约1560m，最高海拔位于隧中深埋段，高程约1696m，相对高差约130m，地形坡度约10～15°，隧址区植被稀少。围岩结构疏松，土质较均匀，大孔隙，局部夹粉土，整体性较差，易形成崩塌区或滑坡等不良地质灾害。干燥情况下，土体强度较高，直立性好，浸水时易发生湿陷变形及崩解，抗剪强度降低。

隧道设计满足公路使用功能，遵循“安全、耐久、经济、节能、环保”的基本原则，洞身衬砌按照新奥法原理进行设计。隧道Va级衬砌参数：设计开挖面积为121.89m2，采用I22b工字钢+Φ8钢筋网片+Φ22系统锚杆+28cm厚C25喷射混凝土+50cm厚C35钢筋混凝土二次衬砌，洞内基底承载力不能满足250Kpa段落，均采用高压旋喷桩基底加固处理。

2 两台阶开挖工法及变形规律分析

2.1 两台阶施工步序

南梁隧道V级围岩开挖采用上下台阶增设临时仰拱工法，开挖过程中，严格控制施工机械对边缘处的开挖，人工修整轮廓，减少开挖机械对围岩的扰动损伤，避免拱顶掉块、掉渣，严格控制超挖，提高围岩自稳能力。两台阶增设临时仰拱法施工示意图如下图1、图2所示。

图1 两台阶临时仰拱法示意图

图2 两台阶临时仰拱法剖面图

主要施工步序

第1步，开挖上台阶。超前支护完成后，开始开挖上台阶[1]，宽度约4米，核心土尽量留原状土，纵向长度不小于5m，核心土到拱顶距离小于2m，到两侧边墙距离约为2m，施作上台阶初期支护。

第2步，上台阶进尺10m左右，施作临时仰拱，临时仰拱到掌子面步距基本稳定保持在这个距离。

第3、4步，左、右侧下导坑开挖，左右交替错开施工，以前后距离拉开5m以上为宜，支护完成下台阶喷射混凝土。

第5步，拆除临时仰拱，及时施做仰拱初支，每次初支开挖长度控制在3m以内，每完成2个循环仰拱初支，浇筑1次仰拱衬砌跟填充。

第6步，拱部及边墙一次性浇筑二次衬砌。

2.2 变形数据统计分析

通过现场量测两台阶法施工时隧道围岩变形数据，得出隧道沉降收敛变形时空曲线。从观测时间上看，隧道开挖后的一周是沉降收敛变化最明显的时间段，期间变形量占比较大，再到仰拱封闭成环之前变形也相对较大，仰拱封闭成环之后基本处于稳定状态，变形量所占比例很小，成环之后，一般情况，拱顶沉降与水平收敛占总变形量的比值＜5%，说明仰拱及时封闭成环对隧道变形的控制效果非常明显。

对洞内监控量测的8个断面数据进行了分类统计，监测时间从布设监测点采集初始值开始，到铺挂二衬防水板前一天结束，累计观测天数在21～30d之间，平均观测天数为25d，累计总沉降变形在78～102mm之间，累计沉降平均值为95mm。

对各个施工工序的变形数据做了统计，上台阶期间（掌子面开挖至做完临时仰拱）、下台阶期间（左、右侧下台阶开挖至仰拱开挖前）、仰拱期间（仰拱开挖至混凝土浇筑完成）、仰拱完成至防水板铺挂前共4个时间段。变形主要集中在前2个时间段内，期间变形占总变形量的比例分别为55.3%、34.4%，而仰拱期间及后期分别占8.2%和2.1%。可见，仰拱闭合成环浇筑混凝土后，沉降已趋于稳定状态。

参照王强对监控量测异常数据的分析，由于受地质条件变化或者在关键时间段内施工管控不到位的影响，都会出现变形异常的情况，其主要形成原因，基本可以归纳为两类。第一类是主观原因，由于施工现场管控不力，原有技术措施没有严格得到落实，工人麻痹思想作怪，凭经验施工，一味图快图省工省料，没有严格按开挖一榀支护一榀的要求施工，或是降低了支护措施的标准，尤其是进尺超挖，是对变形影响最明显的不安全行为。第二类是客观原因，是围岩变化所致，面对围岩变化缺乏应变能力，没能及时做出调整，没有采取增强支护措施，当现场围岩发生变化或土体含水量发生变化时，主要管理人员漠视环境条件的改变，继续按惯性进行施工，没有及时调整开挖速度和加强支护参数。

3 控制变形施工措施及技术要点

3.1 超前地质预报及监控量测

隧道工程属于隐蔽工程，常常会受到各种不良地质的影响，施工前如果不能对掌子面前方可能遇到的不良地质做准确判断和全面掌握，盲目掘进，可能会引发地质灾害，影响施工进度，甚至发生事故。加强隧道沉降观测与地质素描，准确掌握围岩变形情况，用数据指导现场施工，做到心中有数，操之有度。不仅可以提高施工效率，降低成本，而且能保证现场施工安全。

3.2 严控开挖进尺，合理循环时间，落实支护参数

开挖进尺的大小对大断面黄土隧道施工变形的影响很大，开挖冒进会造成掌子面处临空面增大，导致开挖土方量增大，出渣时间跟支护时间相应增长，土体暴露时间增长，施工安全系数降低，与早封闭的新奥法施工基本原则相悖，对抑制沉降也是十分不利的。要求上台阶开挖1榀，支护1榀，不得一次开挖2榀同时支护，下一循环开挖前要保证上一循环混凝土强度达到要求，开挖时注意不能让机械触碰已经初支完成的拱架，下台阶要求左右侧错开落底施工，不能同时悬空，一次开挖不超过2榀，仰拱最多一次开挖3榀，开挖后快速立架闭合，完成喷射混凝土作业，仰拱衬砌和填充施工时，应控制每次浇筑长度不超过6m。整个开挖过程，切忌拉槽开挖[2]。另外，两台阶临时仰拱法施工，临时仰拱及早封闭，这对控制变形是十分有效的。按要求打设锁脚，垫实或扩大拱脚，提高钢拱架纵向连接增强整体性，也是防止发生大变形的重要技术措施。

3.3 加强超前支护，稳定掌子面

为保证施工安全，隧道洞口超前支护可采用大管棚支护体系，外插角跟搭接长度满足要求，主洞超前支护采用Φ42mm小导管，加强段双层布设，使钢管从钢架腹部穿过，尾部与钢架焊接，外插角符合设计要求，并按要求比例压注水泥浆。当遇到围岩不好的情况，可以适当扩大超前环向施工范围。掌子面的稳定性对隧道安全施工十分重要，特别是大断面黄土隧道，大多数坍塌冒顶事故都是由于掌子面失稳引起的。稳定掌子面的方法有很多，根据其功能不同，可以分为维护围岩稳定的超前支护和管棚，改良围岩结构的注浆，发挥锚固作用的锚杆和喷射混凝土[3]，核心土可以有效反压掌子面，控制掌子面变形。

3.4 控制拱脚变形技术

锁脚锚杆、扩大拱脚跟增设临时仰拱是控制拱脚变形的三大主要措施。为了保证锁脚的受力效果，一是保证锁脚的打入角度，二是要保证锁脚跟钢拱架的连接质量，南梁隧道施工设计是在拱脚处工字钢内外侧各设置一块锁脚钢板，锁脚锚管紧贴锁脚钢板打入，锚管尾部采用固定筋跟钢板焊接的方式，这样更有利于发挥承载作用。而且增设了临时仰拱，大大提高了结构受力，对控制变形非常有利。

3.5 仰拱快速封闭成环，二衬紧跟

湿陷性黄土隧道施工中，往往由于局部围岩变差，导致掌子面失稳，相继出现崩塌现象。除了前面提到的技术措施外，较为有效的办法是创造条件促进仰拱与二衬紧跟，从而确保掌子面安全推进。根据南梁隧道现场施工中的8个断面的实测监测结果分析，仰拱封闭成环之后的沉降数据占总沉降量的2.1%，所以在满足安全步距的同时，尽量缩小仰拱、二衬到掌子面的步距也是控制变形的另一关键措施。

4 结束语

以南梁隧道两台阶施工现场的实测数据为基础，进行沉降收敛回归曲线分析得出，大断面黄土隧道采用两台阶增设临时仰拱法施工，辅以超前小导管与锁脚等技术措施，加强现场把控，控制好施工中的每个关键环节，能有效地控制变形，保证隧道安全施工。