侯 旭

(中铁十七局集团公司 山西太原 030082)

湿陷性黄土地区大断面隧道施工控制

侯 旭

(中铁十七局集团公司 山西太原 030082)

近年，我国高速铁路客运专线施工迅速发展，高速铁路的行车时速达到300 km/h，这也对铁路线下施工提出更为严格的要求。郑西铁路客运专线是国内第一条修建在湿陷性黄土地区的铁路客运专线。对铁路黄土隧道施工过程控制进行简述，特别针对湿陷性黄土隧道洞内采用桩基处理软土地基，地表偏压进行卸载处理，隧道施工中围岩监控量测的应用等问题通过实例进行分析。可为其他类似工程施工提供参考。

湿陷性黄土 大断面 隧道施工

1 湿陷性黄土特点

湿陷性黄土是一种特殊性质的土，在上覆土层自重应力作用下，或者在自重应力和附加应力共同作用下，下沉稳定后，受水浸湿，土结构迅速破坏，并产生显著附加下沉，称为湿陷性黄土。广泛分布于我国东北、西北、华中和华东部分地区。黄土是干旱或半干旱气候条件下的沉积物，在生成初期，土中水分不断蒸发，土孔隙中的毛细作用，使水分逐渐集聚到较粗颗粒的接触点处。同时，细粉粒、粘粒和一些水溶盐类也不同程度的集聚到粗颗粒的接触点形成胶结。粘粒以及土体中所含的各种化学物质如铝、铁物质和一些无定型的盐类等，多集聚在较大颗粒的接触点起胶结和半胶结作用，作为黄土骨架的砂粒和粗粉粒，在天然状态下，由于上述胶结物的凝聚结晶作用被牢固的粘结着，故使湿陷性黄土具有较高的强度，而遇水时，水对各种胶结物的软化作用，土的强度突然下降便产生湿陷。

湿陷性黄土之所以在一定压力下受水时产生显著附加下沉，除上述在遇水时颗粒接触点处胶结物的软化作用外，还在于土的欠压密状态，干旱气候条件下，无论是风积或是坡积和洪积的黄土层，其蒸发影响深度大于大气降水的影响深度，在其形成过程中，充分的压力和适宜的湿度往往不能同时具备，导致土层的压密欠佳。接近地表2～3 m的土层，受大气降水的影响，一般具有适宜压密的湿度，但此时上覆土重很小，土层得不到充分的压密，便形成了低湿度、高孔隙率的湿陷性黄土。故在湿陷性黄土场地上进行建设，应根据建筑物的重要性、地基受水浸湿可能性的大小和在使用期间对不均匀沉降限制的严格程度，采取以地基处理为主的综合措施，防止地基湿陷对建筑产生危害。

2 郑西铁路客运专线工程概况

郑西铁路客运专线是郑州至西安高速铁路客运专线，设计行车时速300 km/h，预留提速至350 km/h。

该铁路陕西段正位于陕西一级黄土台塬区，湿陷性等级为III级自重湿陷性黄土。由于客运专线对铁路行车时速的要求，隧道地段轨面以上净空不小于100 m2，开挖净空更达到了140～160 m2，如此大断面的隧道在黄土地区的施工，在国内工程施工中并不多见。

3 隧道施工控制

3.1 隧道开挖支护

3.1.1 CRD法施工控制要点

（1）开挖

郑西客运专线隧道Ⅴ级围岩段设计采用CRD法进行开挖，将断面分解成左右侧共六个部分进行开挖，采用型钢钢架设置临时横、竖支撑进行支护。如图1、图2所示工序及步骤。上导分别采用PC90小型挖机进行开挖，预留核心土。并通过横隔板间隙弃土，由下导出渣。为满足挖掘机作业空间，每侧上部台阶超前下部台阶3 m左右掘进，下部台阶超前底部6 m左右掘进。左侧上部开挖高度为5.0 m左右；下部开挖高度为6.0 m左右；底部开挖高度为2.0 m左右。

图1 CRD法施工正面示意

图2 CRD法施工纵断面示意

由于该地区隧道全部为黄土隧道，围岩软弱，机械开挖后预留30 cm人工修整开挖面。在上导、下导节段出适当沿开挖弧度切线加大拱脚开挖，以增大基础面积提高支撑力。复测开挖断面误差后进行支护。

（2）支护

A、超前支护。CRD法施工段落围岩稳定性差，应做超前支护，洞口段采用长管棚注浆支护加固；洞身一般采用小导管超前注将加固。超前支护体系相当于围岩内挑梁加固，对提高掌子面围岩稳定性有重要作用。针对黄土隧道的特点，超前小导管施工采用ZM-12T型煤电钻钻孔，用YT28型风枪顶进超前小导管的施工方法，小导管插入孔内的长度不小于管长90%。尾部与型钢钢架焊接固定，JYZ－2型注浆泵进行注浆作业。超前小导管水平角度为5°～10°，间距一般为40 cm，围岩较差地段可缩小为30 cm，管内充填M20水泥砂浆。纵向搭接长度不小于1.5 m。

B、钢架支护。修整的开挖面初喷后，即可进行钢架安装。型钢钢架按设计及预留变形量加大后的断面采用冷弯机加工，并进行场地试拼，各项误差应复核规范要求。洞内安装时采用螺栓连接并加垫橡胶垫片。

浅埋大断面黄土隧道，开挖后地表普遍出现纵向裂缝，且沉降值比较大，说明浅埋大断面黄土隧道形不成承载拱，黄土围岩无自承能力，初期支护结构承受较大的上覆山体的松散荷载；从观测到的地表沉降和拱顶下沉较大，收敛较小，而初期支护结构及横撑和中隔壁没有开裂与扭曲变形现象分析判断，浅埋大断面黄土隧道变形是以“整体”下沉为主，由于黄土竖向节理发育，直立性较好，洞内变形向地表传递较快，所以，为达到控制下沉的目的，要采取相应加强措施：钢架安装后设锁脚锚杆（管）固定，锁脚锚杆（管）还可起到抵抗下沉的作用。横向连接钢筋（管）牢固焊接，使连续两榀钢架形成整体。钢架接头处拱架下设置预制混凝土垫块或槽钢连通，目的同样是为了减少钢架因开挖后的上部荷载造成下沉。

C、锚喷支护。对于浅埋段大断面黄土隧道，充分保护围岩，减少扰动就是新奥法原理的最好应用，初期支护采用钢架加系统锚杆加喷射混凝土的柔性支护，允许适度变形并控制最大变形，从而达到利用围岩的自承能力的目的。

喷射混凝土必须采用湿喷。湿喷较干喷的优点：水与混凝土充分拌合，密实性好，强度高；液体高效速凝剂对操作工人身体伤害小；喷射时粉尘及回弹小；可用混凝土运输车直接喂料，减少干喷人工上料工作强度。必要时喷射混凝土内加入微纤维或刚纤维，提高强度。

D、循环进尺。根据黄土隧道地质情况以及隧道工期要求，为确保施工安全，最大限度的利用围岩的自稳性，本着“短进尺、快循环”的原则，Ⅴ级围岩上部每循环进尺为一榀钢架,下部每循环进尺为一到两榀钢架，底部不超过两榀钢架。

E、临时支护系统的拆除。中间临时支护系统的拆除时间由中间支护系统对后续工序作业的影响及沉降变形分析确定。考虑后续作业的及时跟进，中间支护系统对其产生的影响，在严格考证拆除中间支护系统的安全性之后，进行拆除。临时支护系统纵向每次拆除长度不应大于6m，拆除后立即进行仰拱施作，两工序交错进行。

3.1.2 弧形导坑（三台阶七步）法施工控制要点

（1）开挖

弧形导坑预留核心土法多用于IV级围岩老黄土。围岩相对较为稳定，不需要进行临时支护加固。开挖工序及步骤如图图3、图4所示。开挖时由挖掘机直接开挖作业，预留30 cm人工修整，并预留核心土。上中下导平行进行，中导或下导开挖时，左右错开2～3 m，不得使同一榀钢架两端同时悬空。

图3弧形导坑（三台阶七步）法施工正面示意

图4 弧形导坑（三台阶七步）法施工纵断面示意

（2）支护

支护控制要点同CRD法支护施工控制要点。此处不再赘述。

3.2 隧道防排水施工控制

客运专线为电气化铁路，隧道内为满足接触网安装要求，隧道防水必须达到地下工程防水等级一级。并遵循“防、排、堵、截相结合，因地制宜，综合治理”的原则。

3.2.1 土工布铺设要点

土工布铺设采用专用工作台车，用射钉将热塑性圆垫圈及土工布固定在岩面上，垫圈一般为梅花形布置。土工布铺设前应将初期支护表面进行补平，锚杆头等外露部分进行切割，用水泥砂浆涂抹平顺，防止硬物刺穿。土工布铺设应平整，纵向搭接5～10 cm。土工布背后设置环向排水盲管的应在土工布铺设前预先固定于初期支护面。

3.2.2 防水板铺设要点

防水板铺设采用无钉铺设，用电热压焊器将防水板热熔焊接在热塑性圆垫圈上。或者在防水板背后焊接垫片及软绳，进行悬挂。无论何种方法，必须保证防水板表面无损伤，否则进行补焊。

防水板固定应留有适当的松弛度，一般在10%左右，保证防水板全部面积均能低到基面，防止在衬砌混凝土浇注时扯破防水板。防水板纵向搭接15cm，采用自动爬焊机从一端焊接至另一端，焊接中要随时纠正防水板位置，以免焊接走偏，搭接尺寸不足。

防水板的焊接应采用双焊缝，单条焊缝不小于1.5cm。以调温、调速热楔式自动爬行式热合机热熔焊接，细部处理或修补可采用手持焊枪焊接。

防水板的焊接检验采用目测检查和充气试验检查。将5号注射针与压力表相接，然后进行充气，当压力表达到0.25 MPa时停止充气，持续10min，若压力下降在10%以内即为合格，若压力下降过快，用肥皂水涂抹在焊缝上，找到漏气处，重新补焊。

3.2.3 止水带安装要点

止水带用于隧道施工缝及变形缝防水，郑西客运专线隧道止水带选用中埋橡胶止水带及背贴埋橡胶止水带。止水带安装不得使用射钉、螺栓、铁丝等刺穿固定。环向中埋橡胶止水带安装时，将止水带沿中线对折90°，用钢筋弯制的U型卡固定，一面伸入预浇混凝土内，一面紧贴于封端模板上；纵向中埋止水带位于仰拱钢筋中部，用U型钢筋固定，与结构钢筋焊接，保持顺直，预埋高度应使止水带的一半正好被混凝土包裹。

背贴止水带安装时由封端模板抵住，紧贴于基面，并保证位置居中于混凝土环纵向施工缝。

止水带的长度应根据施工要求事先向生产厂家定制，尽量避免接头，当确需接头时，应采用热硫化连接。

混凝土施工时，应注意止水带位置的振捣，保证止水带两端混凝土的密实，并不得碰触止水带，防止止水带变形，破损或移位。

3.2.4 排水盲管安装要点

排水盲管施工流程：定位→铺设盲管→捆扎盲管→盲管纵环向连接。环向盲管安装根据岩面渗漏水情况，5-10 m间隔安装；纵向盲管按隧道设计坡度安装，紧贴岩面，高低平顺，不能弯曲造成积水积砂，用变径三通管与环向排水管连接，并引出二衬。纵向排水管还应用防水板及土工布将其反包。

3.3 二次模筑混凝土衬砌施工控制

二次模筑混凝土衬砌作为隧道工程运营时的安全储备，对保证行车安全有至关重要的作用。

3.3.1 混凝土配合比的选择

客运专线铁路设计使用寿命为100年，主体结构选用高性能混凝土。并根据混凝土强度、密实性、级配连续性、耐久性、抗渗性、粉煤灰等矿物掺合料、外加剂等综合考虑试配混凝土配合比。

3.3.2 混凝土施工要点

隧道仰拱及拱墙衬砌均采用输送泵入模。自动配料拌和机集中拌合，提高混凝土和易性，按配比添加减水剂，选择适宜的坍落度。仰拱施工采用浮放式模板，插入式高频振捣棒振捣；拱墙衬砌采用附着式振捣器与插入振捣棒相结合。混凝土浇筑前相邻混凝土衬砌表面清除浮浆，涂刷混凝土界面剂。冬夏季施工时要控制混凝土的入模温度，冬季不低于5℃，夏季不高于30℃。并加强混凝土的养护工作，将其纳入不占用循环时间的工序中。

3.3.3 混凝土施工的特殊要求

高性能耐久性混凝土施工还应对混凝土含气量、含碱量进行检测，以符合规范要求，并对试件进行电通量、抗渗性等检测。

4 围岩监控量测的应用

在新奥法施工原理中，围岩监控量测工作是最重要的环节。必须将该项工作纳入工序循环，用监控量测数据来指导施工，确保施工安全，提高施工进度。通过变形数据分析，调整支护参数、预留沉降变形量，确定支护是否应当加强；根据变形是否趋于稳定及累计变形量是否基本达到最大变形量以确定二次衬砌的施工时间。

在潼洛川隧道施工时，出口洞门设置L=20 m，￠108管棚超前支护。左上导暗洞开挖施工中，上下台阶步距为初步设计的12 m，经围岩量测数据反映，变形量基本正常，开挖后10天内累计测得收敛变形值23.3 mm，累计拱顶下沉值39 mm。当跟进开挖下导时，变形速率有所增大且变形值无明显趋于稳定的趋势。当左上部开挖超过了长管棚的支护距离时，掌子面附近的拱顶沉降和净空收敛变形数值异常增大，其它已测断面变形值亦开始增大。累计沉降变形值超过60.0 mm，同时地表下沉值明显增大，地表在导向墙外侧沿隧道方向出现一条裂缝。

鉴于此种情况，及时调整初期支护，采取的措施有立即跟进横隔板临时支撑，开挖后及时封闭支护，加强扩大拱脚控制等。后经围岩量测数据分析，这些加强初期支护的措施对变形控制起到了一定的作用，拱顶下沉速率平均减少至0.8 mm/d，收敛速率平均减少至0.31 mm/d。

在左侧开挖变形值较大，但采取措施后基本稳定的情况下开挖右上导。当右侧跟进下部开挖时，围岩变形速率急剧增大。下沉值平均每天达到10 mm，部分断面净空收敛变形值开始出现负值，地表下沉量也增大到10 mm/d左右，拱顶下沉最大值累计已达到170 mm。地表裂缝宽度发展至24 mm，并行成80 mm左右的错台；地表沉降累计达到225.0 mm，并在原地表裂缝外侧又出现一条裂缝，并沿隧道方向上跨一个原地面台阶继续发展。

在次日的量测中，净空水平收敛值突变2.25cm/d。根据量测数据，变形值过于剧烈，围岩处于极不稳定的状态。及时停止了掌子面开挖工作，封闭掌子面，将横隔板跟进至工作面。当晚，拱顶喷射混凝土出现了开裂，并伴有掉块，险些造成塌方。变形稳定后，经过总结分析，将初步设计的上下台阶开挖步距改为3～5m，左右侧的开挖步距也调整到3～5 m，并加强临时支撑的设置。

在此工程实例中，我们可以清楚的认识到围岩监控量测对指导施工，加强支护，保证施工安全起到了重要的作用。

5 隧道暗洞内湿陷性黄土处理应用

潼洛川隧道出口段洞内90 m为湿陷性黄土，为提高隧道地基承载力，防止过量及不均匀沉降，设计需对隧底进行加固处理。采用水泥土挤密桩，桩径0.4 m，桩长9～13 m，桩间距1×1m梅花形布置。由于受隧道洞内施工的空间限制，加之出口段采用CRD法施工，中间设置临时横隔板支撑后，净高仅有3.5m，大型机械无法进洞施工。若从地表进行施工，虚桩长20～30 m，无法实现。

经过分析计算，自行研制并委托加工了小型施工机械：DH20自制电动打桩机，该机型由简易机架固定的卷扬机带动夯锤施工。施工原理为由卷扬机通过机架顶部滑轮提高尖头柱状夯锤并使其自由下落以重力入土扩孔，至孔底标高后再分层夯填拌合均匀的水泥土。

机械试制成功后首先在洞外通过进行比较各种回填参数的试验以获取指导施工的最佳方案。试验锤头重0.5吨，锤径0.25m，分别对不同回填分层厚度、夯击次数、含水率等在小区域内进行编号试桩。成桩10根后对每根桩桩身进行剖开检查，并对桩间土进行检测。试验结果所有成桩桩径符合设计要求，并选取最优的参数。该参数试桩结果桩身水泥土压实度大于0.97，桩间土挤密系数大于0.93，湿陷系数小于0.015，已消除湿陷性。试验取得了初步成功，确定了如回填厚度、锤距、夯击次数、含水率等施工参数。

但照此施工方法，每根桩成孔时间为10～12h，加之夯填所需时间3h总成桩时间约15h，完成所有桩基处理需6个月时间，还会对隧道开挖施工形成干扰，造成大量人员机械窝工，且无法满足施工进度要求。经过技术攻关小组的讨论及市场调查，决定采用洛阳铲取土成孔，成孔后再换装锤头，按先前测定的参数分层夯填水泥土成桩。

图5 隧道出口洞门浅埋偏压处理

通过再次试验，新工艺单桩取土成孔时间约1.5小时，总成桩时间约4.5小时，极大的提高了施工进度。经过试验检测，各项结果均满足设计要求，可用于指导施工。

6 洞口浅埋偏压处理实例

潼洛川隧道出口洞门所处位置地表覆盖层很薄，最薄处埋深仅约2m，最厚处也仅10m。且处于两级台阶交汇处，偏压影响较大。如图5所示。在隧道施工时，地表沿隧道方向出现了多条裂缝，裂缝宽度达到24mm。如本文第4条所述，洞内量测值较大，并危及了施工安全。在对地表裂缝的处理上遇到了一些困难。起初，采用地表注浆并沿地面45°角打设锚杆抗滑。但地层内注浆浆液扩散效果不明显，又防止浆液与缝隙两侧土体粘结不牢固，由此产生新的滑动面。最终采用将裂缝表面掏10cm宽，5cm深的槽形，用砂浆抹面，并用塑料布覆盖，防止雨水灌入加速山体滑动。

上述处理措施完成后，继续进行开挖及支护工作。经每天的围岩量测数据及变形累计值分析，量测点每天仍有较大幅度的变化，拱顶下沉最大值累计已达153 mm，净空水平收敛最大值累计达到65 mm。

在全部断面开挖后，地表出现了第三条裂缝，缝宽约20 mm。第一条裂缝已发展到洞顶，并一直沿线路方向延伸为长约30 m，缝宽最大处约有40 mm，且形成错台，错台最大处高度约90mm。并明显出现了弧形下沉，最大累计下沉量达到240 mm。

由于出口段位置特殊，隧道断面尺寸较大，开挖后将山体掏空，再加上地表错台埋深厚薄不一，由此形成的偏压对整个山体滑动移位较难控制。为了确保隧道施工安全，经研究最认为，导致下沉开裂的原因为地表浅埋偏压，并终决定从偏压形成的根本原因入手，因黄土的内摩擦角为15°，遂将隧道拱脚外15°以上的山体削坡减载。将埋深较大的土层减载至埋深较小处，使地表土体厚度均匀，压力平衡。

经过半个月的减载工作，并加强了支护措施后，地表重新布置沉降观测桩，恢复洞内开挖工作。经过继续观测总结数据得出结论，地表沉降稳定，沉降累计最大值20 mm，并无裂缝出现。洞内拱顶累计下沉至60～80 mm后趋于稳定，收敛累计值达到25～35 mm后即趋于稳定。偏压造成的影响以基本消除，隧道开挖工作可正常施工。

7 结语

隧道施工究其原理，是较为简单的循环施工。湿陷性黄土干燥时土体稳定，承载力较高，受水侵蚀时，土体极不稳定，因此湿陷性黄土地区的施工特别要对水流进行控制。隧道施工时，要加强对围岩变化情况的掌握，控制重点部位及工序，遵循“管超前、短开挖、少扰动、强支护、勤量测、早封闭”的隧道施工原则，以控制施工质量，保证施工安全，提高施工进度。

Construction Control of Flood Cross-section Tunnel in Collapsible Loess Area

HOU Xu
(China Railway 17th Bureau Group Co. Ltd Taiyuan Shanxi 030082 China)

In recent years, the construction of high speed railway for passenger traffic is developing rapidly. The travelling speed for high speed railway reaches 300 km/h, which needs a stricter standard for construction of railway lines. Zhengzhou-Xi’an high speed railway for passenger traffic is the first railway built on collapsible loess area. This paper briefly introduces the construction control of tunnels on loess area. Aiming at tunnels on collapsible loess area, pile foundation is adopted for soft foundation inside the tunnel. Unbalanced soil pressure is addressed by unloading. And supervision and measure of surrounding rock in tunnel construction is also analyzed through actual examples. The research results are of some referential value for similar projects.

Collapsible loess Large section Tunnel construction

A

1673-1816(2017)01-0045-07

2016-03-19

侯旭（1982-），男，工程师，研究方向桥梁隧道施工技术。