湿陷性黄土隧道洞口浅埋段施工防塌方安全控制

湿陷性黄土隧道洞口浅埋段施工防塌方安全控制摘要：介绍了吕梁环城高速公路梨树塔隧道的基本情况和该工程施工的特点和难点，并阐述了在湿陷性黄土隧道洞口施工中采用的浅埋段超前支护、开挖工法和初期支护技术，提出了湿陷性黄土隧道洞口浅埋段施工防塌方安全措施。

关键词：隧道工程；湿陷性黄土；塌方；施工方案；技术措施

1.前言

根据黄土沉积时代不同，可将黄土分为新黄土（如马兰黄土、黄土状土）、老黄土（离石黄土、午城黄土）两类；根据黄土的湿陷性又分为湿陷性黄土和非湿陷性黄土。

黄土在天然状态下处于非压密状态，在一定压力作用下变形较小，主要为压密变形，压密变形表现为压缩变形和湿陷变形，湿陷变形发展较快。湿陷性黄土的特点就是遇水后土体结构遭到破坏，强度急剧下降，产生沉降变形。

湿陷性黄土地基之所以会产生湿陷，外因是大量浸水，就其内因而言是主要是由于水的作用使原本含水量较低、未饱和黄土中孔隙和部分小孔隙连通，透水性增强，强度特别是抗剪强度明显降低，在上部静荷载和土体自重等作用下发生失稳破坏。

2.工程概况

吕梁环城高速公路路基第六合同段梨树塔隧道位于山西省吕梁市方山县境内，为湿陷性黄土隧道。

隧道洞身范围主要有两个含水层：①和界面上，该界面上土层为可塑～软塑状，含水量在21%～26%之间；②粉质粘土中姜石层或卵石层中，粉质粘土呈可塑状，含水量在22%～25%之间。这两层为弱含水层，洞体开挖可出现点滴状出水。

隧道进口岩性为第四系中更新统离石组黄土（）和上第三系上新统（）红色粘土夹姜石层，洞口处斜坡陡立，上部黄土垂直节理发育，下部（）红色粘土具有膨胀性，失水易崩解，部分地带已开始剥落，洞口开挖易形成溜塌或坍塌，综合工程地质及水文地质条件判定为Ⅴ级浅埋围岩。隧道出口岩性为第四系上更新统马兰黄土（），其架构较松散，较破碎，洞口开挖易形成坍塌，综合工程地质及水文地质条件判定为Ⅴ级浅埋围岩。

隧道采用分离式断面，净宽10.25m，净高5m。洞身衬砌按新奥法原理设计，采用柔性支护体系的复合式衬砌。洞门采用端墙式洞门。

3.工程难点、重点

(1)湿陷性黄土段的浅埋暗挖

左右线合计Ⅴ级浅埋围岩长度达252m，均位于湿陷性黄土地段。埋深浅（浅埋段埋深14～37m）、围岩软弱、遇水失陷。

(2)左线出口洞口段位于多年冲沟内，土体富水，开挖时渗水量大，每天渗水量约6m3。且出口位于反坡段，不利于排水，基底软弱不利于钢拱架安设。

4.安全风险因素分析

总结以往隧道施工经验，隧道施工安全风险因素主要有人、机、料、法、环构成，如图1所示。梨树塔隧道浅埋段开挖主要安全风险为湿陷性黄土塌方，本文主要从工法方面对防塌方进行阐述。

图1隧道施工安全风险因素分析

5.开挖支护方案

左线出口段前18m采用盖挖法，其余Ⅴ级浅埋采用三台阶七步法开挖，采取人工配合挖掘机开挖、加强洞身排水以及施工用水的管理，确保隧道基底不受水浸泡。

洞口段支护措施包括超前大管棚、系统锚杆（拱部药包锚杆+边墙药包锚杆）、钢筋网及喷射混凝土、型钢钢架等。每循环进尺一榀钢架间距即0.6m，每天2循环。

施工遵循“管超前、严注浆、短开挖、禁爆破、快支护、早成环、勤量测、紧衬砌”的原则，长管棚、小导管超前支护。

5.1大管棚超前支护

为保证顺利进洞和施工安全，隧道洞口浅埋段30m打设1环37根φ108mm×6mm、长30的热轧无缝钢管大管棚超前支护，与钢架组合成预支护系统，防止洞口及浅埋段软弱围岩坍塌，创造进洞条件。

明洞段分层开挖到洞身明、暗洞交界处后，向下垂直开挖，预留管棚施工工作平台，设置导向墙，导向墙采用C25混凝土，截面尺寸0.6m×2m，为保证长管棚施工精度，导向墙内设4榀I20a钢架，钢架外缘设φ127mm导向钢管，钢管与钢架焊接。

管棚钢管环向间距40cm，外插角1°～3°。超前管棚采用工程钻机成孔，注浆泵注浆。管棚注浆采用水泥浆液，水灰比为1:1（质量比），注浆压力0.5～1MPa。注浆顺序从上向下，间隔注浆。

5.2小导管超前支护

为保证洞内开挖施工安全，隧道洞内Ⅴ级浅埋段打设φ42mm×4mm、长3.5m的热轧无缝小导管超前支护。增强围岩稳定性，保证施工安全。

小导管环向间距35cm，外插角15°。钢管前段呈尖锥状，管壁四周钻8mm的压浆孔，间距15cm，尾部1.2m不设压浆孔。环向间距35cm，注浆材料为水泥浆，水灰比1:1，注浆压力为0.5～1.0MPa。小导管采用钻孔打入法，钻孔直径比小导管直径大3～5mm，导管顶入长度不小于钢管长度90%，并用高压风清除钢管内砂石。

5.3三台阶七步法开挖

本着科学经济、安全可靠的原则结合梨树塔隧道Ⅴ级浅埋段地质特点，选取三台阶七步法开挖。有如下优点：

(1)施工空间大，方便机械化施工，可以多作业；

(2)在地质条件发生变化时，便于灵活、及时地转换施工工序，调整施工方法；

(3)初期支护工序操作便捷；

(4)在台阶法开挖的基础上，预留核心土，左右错开开挖，利于开挖工作面稳定；

(5)当围岩变形较大或突变时，在保证安全和满足净空要求的前提下，可尽快调整闭合时间。

如图2所示。开挖施工顺序说明如下：

图2

三台阶七步法开挖工序图

第1步，上部弧形导坑开挖：在拱部超前支护后进行，环向开挖上部弧形导坑，预留核心土，核心土长度3m，宽度5m。开挖循环进尺为一榀钢拱架间距即0.6m，开挖后立即初喷4cm厚混凝土。上台阶开挖矢跨比为0.3，开挖后及时进行喷、锚、网系统支护，架设钢架，在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。

第2、3步，左、右侧中台阶开挖：开挖进尺0.6m，开挖高度为2.8m，左、右侧台阶错开2m，开挖后立即初喷4cm混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架墙角以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。

第4、5步，左、右侧下台阶开挖：开挖进尺0.6m，开挖高度为2.8m，左、右侧台阶错开2m，开挖后立即初喷4cm混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架墙角以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。

第6步，上、中、下台阶预留核心土：各台阶分别开挖预留的核心土，开挖进尺0.6m。

第7步，隧底开挖：每循环开挖长度不大于3m，开挖后及时施做仰拱初期支护，完成两个隧底开挖、支护循环后，及时施做仰拱，仰拱分段长度为3m。

5.4初期支护

拱部采用Φ22mm@60cm×80cm、L=3m的径向药包锚杆及φ8@20cm×20cm钢筋网及C25厚27cm早强喷射混凝土初期支护，边墙采用Φ22mm@60cm×80cm、L=3.5m的径向药包锚杆初期支护，拱墙采用间距60cm的I20a型钢钢架支护，仰拱采用间距60cm的I18型钢钢架支护。左线出口段渗水量大，基底软弱，边墙拱脚处采用[28a纵向槽钢连接钢拱架，保证型钢拱脚支撑牢固。如图3所示：

图3

纵向槽钢连接钢架大样图

喷射砼强度等级为C25，为控制黄土隧道施工用水，采用潮喷工艺。喷射砼拌和按照审批合格的配合比在拌合站集中拌合，由运输车运至洞内，采用干喷机喷射作业。

6.黄土浅埋隧道开挖安全生产技术保证措施

黄土隧道与石质隧道的最大不同点之一就是拱部沉降和净空收敛比较大；表现为拱顶下沉、侧壁内移、掌子面挤入、隧底上隆或下沉、造成支护变形、喷射混凝土脱落或坍塌，针对这种情况采取以下技术措施：

6.1加强观测和监控量测

根据《公路隧道施工技术规范》JTGF60-2009规定，监控量测必测项目有洞内外观察、净空收敛、拱顶下沉、浅埋隧道地表下沉量测4个必测项目。

6.2短进尺、强支护

在开挖过程中，随时观察土质情况，循环进尺控制在0.6m。采取超前大管棚、药包锚杆、钢筋网、型钢钢架、C25早强喷射混凝土及锁脚锚管等加强支护，采用纵向槽钢连接加固钢拱架。

6.3作好防排水施工与管理

洞口边仰坡上方约10m外设洞顶截水沟，沟底用三七灰土夯填密实，而后砌筑M7.5级浆砌片石水沟，防止地表水冲刷边仰坡危及洞门安全。明洞外模拆除后，立即施做防水层，进行拱背回填，设置粘土隔水层。隧道内设置双侧水沟及中心水沟并连通，严格按设计和规范要求施做防水层。

左线出口段渗水量大，采用集水坑排水法，集水坑距离拱脚至少1.5m，四周铺设塑料薄膜，安排专职人员24小时不间断抽水，保证洞内无积水。

6.4增加锁脚锚管、扩大拱脚

钢架拱脚处锁脚锚杆2根，根据监控量测数据分析应适当增加锁脚锚杆。采用Φ25、L=4m锚杆，按下倾角30°打入土中。锁脚锚杆外露部分与初期支护混凝土浇筑在一起，并适当扩大拱脚面积，增加对初期支护的支撑强度，有效地防止拱部下沉。

6.5其他需注意的问题

(1)黄土隧道严禁放炮开挖，严禁积水浸泡基底。

(2)严格控制超欠挖，尽可能使开挖断面圆顺，避免局部应力集中。

(3)注意仰拱超前，及早封闭，有效控制变形。

(4)严格控制安全步距，仰拱距掌子面距离不超过30m，二次衬砌距掌子面不超过50m。

6.安全应急措施

6.1安全救生通道

靠近掌子面的设置直径φ600钢管，长度为50m作为应急通道；钢管在隧道内塌方时可作为被困人员的逃生通道。

6.2隧道视频监控系统

隧道视频监控系统是集隧道施工人员考勤、区域定位、安全预警、灾后急救、日常管理等功能于一体专业设备，使管理人员能够随时掌握施工现场人员、设备的分布状况和每个人员和设备的运动轨迹，便于进行更加合理的调度管理。当事故发生时，救援人员也可根据隧道施工人员及设备位置监测安全管理系统所提供的数据、图形，迅速了解有关人员的位置情况，及时采取相应的救援措施，提高应急救援工作的效率。为梨树塔隧道建设的安全生产和建管处安全管理提供了有力保障，确保了施工安全。

7.结语

通过该隧道湿陷性黄土浅埋地段施工反馈证明，采用上述大管棚、小导管超前支护，三台阶七步法开挖工