李 鹏

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

山西省地处黄土高原东翼，境内黄土分布广泛。近年来山西省的高速公路建设项目中，大多含有黄土隧道。黄土隧道与石质隧道相比，具有事故易发，且一旦发生事故，事故规模往往较大的特点。这些都与黄土自身的特点有关。众所周知，黄土具有“大孔性”、“垂直节理发育”、“层理不明显”、“透水性强”的特点，部分黄土还具有“严重湿陷性”。在设计与施工中与石质隧道有着明显的区别，在设计与施工中必须区别对待。笔者就山西省近年发生的两起较大的黄土隧道冒顶事故，分析事故原因，总结处治方案，提出一些在设计与施工过程中应当特别注意的要点。

1 隧道情况

水头隧道，左洞全长2 870 m，左洞开挖至ZK27+389掌子面时，拱顶冒顶（冒顶掌子面距离洞口1 087 m），造成ZK27+345—ZK27+389段塌方（该段上导坑初支完成），长约44 m，塌方段埋深42.0～83.0 m，围岩由第四系中更新统中密—密实粉土硬—可塑黄土组成，属于松软土，呈巨厚层状结构，稍湿—潮湿，土质均匀，Q2黄土，围岩级别为Ⅴ级。

东福窑隧道，左洞全长2 230 m，左洞开挖至DZK48+796掌子面时，拱顶冒顶（冒顶掌子面距离洞口256 m），造成DZK48+760—DZK48+796段塌方（该段上导坑初支完成），长约36 m，塌方段埋深37.0～58.0 m，围岩由第四系上更新统马兰组黄土，以褐黄色粉土为主，Q3黄土，围岩级别为Ⅴ级。

2 两起冒顶事故的原因分析

总结两起冒顶事故原因发现，它们的共同点在于：a）同为黄土隧道，开挖均采用的是长台阶法；b）隧道冒顶时，水头隧道仰拱距离掌子面90多米，东福窑隧道仰拱距离掌子面100多米；c）水头隧道冒顶时正值夏季雨水较多时，东福窑隧道塌方时正值春季融雪时期，两起事故发生前，掌子面含水量均有明显的增大迹象。

3 两起冒顶事故的处治方案

两起塌方事故的处治方案归纳为：

及时反压塌方体后，在塌方体上施打φ22药卷锚杆，挂单层φ8钢筋网，喷射15 cm厚C25早强混凝土以封闭掌子面。

待塌方体及围岩稳定后，对塌方体掌子面往洞口方向10～15 m范围内的洞体加固，实际施工中，应结合监控量测数据确定加固长度的合理范围。具体加固方法为：φ42小导管注水泥水玻璃双液浆，环向间距1.2 m或者1.5 m,Ⅰ20a临时钢拱架（与原钢拱架错开布置）及临时仰拱，临时钢拱架采用φ42注浆小导管锁脚，管内填充水泥砂浆，每榀4根，局部可做竖向支撑，另外，对于侵界的钢拱架必须拆除重新施工。

推进仰拱及二衬施工进度，使仰拱距离掌子面不超过15 m，二衬距离掌子面不超过25 m。满足上述强制性要求后，方可进行下一步开挖施工，并且要保证在整个塌方段落施工期间，始终满足上述要求。

塌方段落施工参数为：预留变形量20～40 cm，具体数值根据监控量测数据动态调整。开挖采用“三台阶环形开挖留核心土法”，上台阶开挖长度1.0～1.5 m，中台阶及时跟进，做到早落底成环。超前采用双排φ42小导管注水泥水玻璃双液浆，第1排小导管长度为4.0～5.0 m,环向间距30 cm，外插角3°～5°；第2排小导管长度为5.0～6.0 m，环向间距30 cm，外插角10°～15°，环向布置范围为拱顶120°,系统锚杆采用φ42导管环向间距 1.0～1.2 m，挂φ8双层钢筋网，Ⅰ20b钢拱架，钢拱架下垫 [40a槽钢以增强拱架稳定性，锁脚采用φ42导管，管内填水泥砂浆，尾端与拱架焊接牢固，中台阶设Ⅰ20a临时仰拱，初喷26 cm,二衬采用50 cm钢筋防水混凝土。

地表冒顶区域回填密实，表层做50 cm厚6.0%灰土层防水，并依地形做浆砌片石排水沟截排地表水。

4 经验总结及设计与施工要点

黄土隧道区别于石质隧道的一个明显特点是黄土的遇水软化现象。黄土隧道开挖掘进后，如果没有及时喷射混凝土封闭围岩，受空气中水蒸气以及施工废水的影响，围岩含水量增大，特别是拱脚位置黄土含水量如若增大，会使拱脚处围岩失稳，从而引起整个初支失去承载能力。因此，在黄土隧道设计过程中应制定详细而有效的隧道洞内洞外防排水措施方案。如：对地表冲沟、陷穴等应回填夯实,并将地表水通过顺沟、排水沟等综合措施排至隧道范围以外。地层含水量较大时，上台阶掌子面附近宜开挖横向排水沟，将水引至隧道中部纵向排水沟排出洞外，防止浸泡拱脚。可采用井点降水等措施将地下水位降低至隧道衬砌底部以下，以保证施工顺利进行。雨季施工应采取可靠措施确保施工安全[1]。

黄土隧道区别于石质隧道的另一个明显特点是：石质隧道在开挖之后，围岩收敛变形，应力重新分配，在衬砌支护的共同作用下，可以在较短时间内达到新的应力平衡，而黄土具有的塑性变形和开挖后含水量变化引起的结构变化导致黄土隧道围岩的变形稳定延续的时间较长，黄土隧道随着开挖时间的积累，围岩破坏的可能性不断增加，必须选择有效及时的控制围岩变形的支护方式和施工方式。可以说，“强支护”、“及时支护”是黄土公路隧道施工指导思想。正是本着这一指导思想，黄土隧道的开挖、支护必须严格遵循以下几大要点：

a）黄土隧道的开挖必须采用短台阶法。开挖循环进尺须控制在0.5～1.5 m。而且保证核心土的尺寸，不得把核心土开挖的太小，起不到反压掌子面的作用。开挖时应先用挖掘机环形开挖保留核心土，墙脚、拱脚处预留出足够土体空间，采用人工开挖以避免超挖欠挖。开挖中应特别注意拱脚、墙角、墙中部的稳定性。开挖下导时要做到单侧落底或两侧交错落底，避免上半断面两侧拱脚同时悬空；控制落底长度，视围岩情况控制在1.0～3.0 m范围内。上、下导坑施工当中，钢拱架拱脚宜设置刚性垫脚，如槽钢、预制钢筋混凝土垫块等以增大拱脚受力面积，提高拱架稳定性。

b）由于系统锚杆在岩石隧道中的悬吊作用在黄土中不能充分发挥，导致黄土隧道拱部系统锚杆发挥的作用较小，而锁脚锚杆却能充分发挥其摩擦力和抗剪力，有效地减小拱脚位移。因此，黄土隧道支护应弱化拱部系统锚杆的设计，加强锁脚锚杆设计施工，锁脚宜采用小导管，管内压注水泥砂浆，老黄土宜采用3.5 m长，新黄土宜采用4.5 m长。

c）仰拱紧跟，尽可能及时地施做仰拱，使初支尽早封闭成环，形成一个完整的受力结构，限制支护结构的侧向变形。其次也能尽早地封闭基底，起到抵御仰拱围岩压力的作用。并能避免地下水和施工废水浸泡隧道基底和墙角使围岩失稳。仰拱必须一次性灌注成型，仰拱距离掌子面不得超过30 m。仰拱开挖不得超过3榀钢拱架。特别是距离洞口较近时，更应严格遵守这一规定。

d）仰拱施工后，可以使整个初支形成一个环形封闭的整体结构。同时由于仰拱与边墙是刚性连接，以使初支所承受的荷载可以通过仰拱传递至基底上，极大地改善了初支的受力结构体系。隧道在开挖施工过程中，拱顶的竖向位移和应力最大，拱脚的水平位移和应力最大。整个初支在上断面开挖后，仰拱施做之前受力最为不利[2]。因此，及时施做仰拱是整个黄土隧道支护过程中最为重要的一环。但同时往往也是最容易被忽视的一环，一个施工队伍施工水平的高低，直接地反应在仰拱跟进掌子面的进度上。

e）初期支护应该是刚性支护，而二次衬砌的施工时机的选择也尤为重要。原则上应该是在综合考虑水平收敛和拱顶下沉速度、初期支护表面裂纹等因素后，决定施工二次衬砌的时机。切不可操之过急，以免施工后二衬受力过大，出现裂缝等危害。同时为了保证整个衬砌的稳定性，二次衬砌距离掌子面洞口50 m范围内老黄土不得超过35 m，新黄土不得超过25 m，洞内不得超过60 m。二衬拆模必须在混凝土强度达到设计强度的70%以上，且同时满足养护3 d的要求。受到工艺及场地等影响，隧道二衬施工中，拱顶混凝土往往存在不密实和少量空洞现象。这就给上方土体提供了松动变形的空间，极易引起二衬局部受力不均引发二衬开裂等病害，施工后应仔细排查，发现二衬空洞后必须注浆处理。

本文提到的两座隧道，在隧道冒顶前期，均发现掌子面含水量变大，围岩稳定性较之前变差的现象。可以说，黄土隧道含水量变大是隧道塌方的一个很大的诱因。而在隧道开挖方式上，两座黄土隧道又都没有严格地执行山西省交通运输厅下发的《公路黄土隧道施工技术要点》中所提的要求。存在着仰拱距离掌子面距离超长，甚至存在两侧同时落底现象，二衬距离掌子面距离严重超标现象。可以说，这一点是导致隧道冒顶的最大原因。施工方管理水平良莠不齐，黄土隧道这种开挖很方便容易，仰拱施工却较石质隧道难的情况时，仰拱与掌子面脱节、二衬与掌子面脱节的情况非常常见。这就需要我们设计人员与施工人员重新审视和认识黄土隧道设计施工的特点，避免类似的工程事故的发生。