Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．５７８ 现代矿业 Ｊｕｎｅ．２０１７ Ｍ０ＤＥＲＮ ＭＩＮＩＮＧ 总第５７８期 ２０１７年６月第６期 浅埋大断面黄土隧道变形控制技术研究 刘保成 高志军 谢经臣 邱军凯 （中铁二十二局集团第四工程有限公司） 一・ ， 摘要浅埋黄土隧道在施工过程中普遍存在着围岩变形量大、拱脚稳定性差、地表沉降量 大、围岩裂隙广泛发育等诸多弊端。为探究浅埋大断面黄土隧道施工变形原因及变形控制技术措 施，以银西铁路宁县２ 隧道进口浅埋段为研究对象，对浅埋大断面黄土隧道的施工影响因素进行 理论分析，采用三台阶设临时仰拱法，大管棚和中管棚联合超前支护，锚网喷配合钢拱架初期支护， 钢筋混凝土二衬支护和围岩监测分析等多种技术手段，最终确保了顺利施工。结果表明，施工方 法、支护结构ＪＬ．Ｖ．－－艺措施等都会对隧道围岩变形控制有较大影响，支护结构封闭成环是黄土隧道围 岩变形控制的关键，现场施工过程中缩短仰拱封闭的时间和距离至关重要。 关键词 浅埋大断面黄土隧道三台阶设临时仰拱法联合支护 围岩监测 黄土地层在我国分布比较广泛，总覆盖面积达 ６３．５万ｋｍ …，随着我国高速铁路的大规模建设， 大断面黄土隧道的数量将逐年增加。黄土的承载力 隧道，设计时速为３５０ ｋｍ／ｈ。地表为黄土梁塬沟壑 粱峁区，最大埋深为１５０ ｍ，下穿浅埋冲沟处最小埋 深小于１ ｍ，为弱富水隧道。隧道进口处属于Ｖ级 围岩，最大开挖跨度为１５．３６ ｍ，洞身地表在黄土梁 较弱，底部黄土易受压破坏，出现较大沉降，故在施 工中需要采取特殊措施控制围岩变形。我国在黄土 隧道施工领域积累了丰富的经验，对施工的理论和 技术研究不断深入具体。王梦恕院士 认为浅埋 段隧道围岩变形分为４种情况：先行变形阶段、急剧 变形阶段、变形稳定阶段和长期缓慢变形阶段，为浅 埋段隧道支护结构类型的选择奠定了基础。关宝树 教授 通过总结大量的隧道支护结构设计资料，认 为隧道支护结构的基本作用在于保持隧道断面的使 用净空，防止围岩变形进一步恶化，承受可能出现的 各种荷载，使隧道支护体系有足够的安全度。谭忠 盛教授 通过隧道初支作用机理及变形控制技术 的研究，得出隧道初期支护变形以整体沉降为主，拱 脚处围岩容易形成塑性区，产生过大变形量容易导 致隧道失稳。李建 通过ＦＬＡＣ如有限差分软件模 拟隧道动态施工过程后，认为断面及时闭合，缩短仰 拱封闭距离是控制隧道围岩变形的重要措施。本文 以银西铁路宁县２ 隧道进口浅埋段施工为研究背 缘斜坡上呈中部高、两侧低，沟壑发育，支沟下切较 深，地面高程为９５０～１ １２５ ｍ，相对高差约１７５ ｍ， 线路沿线无取水井，地下水对隧道施工影响程度较 轻。隧道经过的地层主要为第四系全新统滑塌错落 堆积层、洪积层，上、中更新统风积黄土，白垩系下夹 泥岩。 ２工程影响因素分析 ２．１浅埋黄土隧道特点 浅埋大断面黄土隧道埋藏较浅，垂直节理发育 明显，上覆黄土在垂直节理裂隙面上因形成竖向弱 面，弱面间黏聚力较小，受开挖扰动影响，隧道上方 土体在重力作用下表现出下沉变形量大、应力释放 明显、结构破坏具有突然性等显著特点，是塌方事故 的高发地区＿６ｊ。现有的理论研究表明 Ｊ：浅埋大断 面黄土隧道初期支护变形以整体沉降为主，其拱顶、 拱脚差异沉降量要明显大于深埋隧道差异沉降量， 隧道拱脚处失稳的可能性较大。 ２．２变形影响因素 景，结合黄土地层特点，通过理论和现场实践分析了 浅埋段黄土隧道的变形控制技术及其应用情况。 １工程概况 宁县２ 隧道全长１ ９１０．６２ ｍ，设计为双线单洞 刘保成（１９９０一），男，工程师，３０１７００天津市武清区创业总部基 地Ｂ１６楼。 引起隧道整体变形失稳的因素有很多种，鉴于 宁县２ 隧道的埋深、地层特征、开挖跨度等都已经 确定，为了更好地控制隧道变形，在工程应用中重点 考虑隧道的施工方法、施工工艺、支护结构等因素。 ２．２．１ 隧道施工方法的影响 随着隧道施工技术的发展，多种隧道开挖方法 ２４４ 刘保成高志军等：浅埋大断面黄土隧道变形控制技术研究 ２０１７年６月第６期 应运而生，并具有各自的适用范围，选择前应根据现 场情况的调研分析，在技术经济综合比较的基础上 选择合适的施工方法。宁县２ 隧道采用双侧掘进， 施工工期为１４个月，鉴于浅埋段上方无建筑物及耕 种土地，对地表沉降的要求较小，施工方法选择主要 考虑经济性、技术可靠性和工期成本三方面的因素。 ２．２．２隧道支护结构的影响 ２．２．２．１ 隧道管棚超前支护的影响 浅埋黄土隧道上覆围岩难以形成稳定结构，必 须采取辅助施工保护措施，以保证开挖面的稳定。 由于黄土隧道自身特点，锚杆加固和注浆加固措施 都难以达到理想效果，施工常用管棚超前支护措 施 Ｊ。现场施工过程中，管棚施工的时机、技术参 数（角度、长度、环纵向间距等）、施工质量等都会影 响预支护效果，进而导致围岩变形的差异化。 ２．２．２．２初期支护的影响 初期支护的组合形式、技术参数（初期支护的 刚度、喷射混凝土的配合比、凝结时间、喷层厚度、钢 拱架的连接）、施作时机均会影响隧道围岩变形的 发展。由于喷射混凝土自重的影响，拱顶处围岩与 混凝土层间会出现空隙，导致拱顶支护变弱，下沉变 形明显，因此，钢拱架施工对控制拱顶下沉尤为关 键。钢拱架的连接处及拱脚位置是承载的薄弱环 节，且钢拱架后方容易形成空隙，未及时处理也会导 致围岩变形增加。 ２．２．２．３二次衬砌施作的影响 二次衬砌主要应对隧道围岩后期的长期缓慢变 形，施工时间和施工质量对隧道围岩变形量有较大 影响 。在拱顶处二次衬砌与初期支护间会有明 显空隙，空隙的处理措施对二衬施工质量的影响至 关重要。 ２．２．３隧道施工工艺的影响 ２．２．３．１掌子面的稳定性影响 掌子面施工是安全事故的高发区，其稳定性非 常重要，围岩的凝聚力、地下水，上覆土压力等都可 能引起掌子面失稳 。应力监测数据表明掌子面 处围岩压力明显高于后方封闭成环区域，宁县２ 隧 道围岩自稳能力差，掌子面失稳风险大。 ２．２．３．２开挖进尺影响 隧道开挖后围岩变形具有典型的时空效应，随 着时间和暴露范围的增加，作用在衬砌结构上的荷 载值也不断增加，当开挖台阶过长，围岩充分变形 后，总变形量及变形持续时间都将成倍增加＿１ 。缩 短开挖进尺，减少开挖围岩断面的暴露时间，可缩小 围岩应力释放形成的裂隙发育区域和发育程度，缩 短开挖与支护之间的衔接时间，减轻支护结构的荷 载，减少围岩变形量。 ２．２．３．３钢拱架的稳定性影响 钢拱架是隧道初期支护的主要承载结构，资料 表明，浅埋黄土隧道以整体沉降为主，且开挖初期的 钢架沉降量占总沉降量的３０％以上，因此，保持钢 拱架的稳定性是控制围岩变形的关键¨ ；钢拱架纵 向连接筋对防止钢架发生扭曲变形，保护和加强初 期支护的整体性非常关键。 ２．２．３．４仰拱封闭的时空影响 支护结构封闭成环是黄土隧道围岩变形控制的 关键，隧道围岩变形量和支护结构封闭时间成正相 关。宁县２ 隧道的施工实测数据表明，仰拱施工后 的隧道围岩变形量占总变形量的１０％左右，仰拱封 闭距离由３０ ｍ扩大至４５ Ｉｌｌ时，隧道围岩的拱顶沉 降量将增加２５％以上，拱脚处的水平收敛量将增加 ３０％。因此，现场施工过程中缩短仰拱封闭的时间 和距离至关重要。 ３变形控制技术应用 针对宁县２ 隧道进口实际情况，主要采用三台 阶设临时仰拱法，大管棚和中管棚联合超前支护，锚 网喷配合钢拱架初期支护，钢筋｝昆凝土二衬支护等 技术措施控制围岩变形。 ３．１隧道开挖方法 宁县２ 隧道进口段可供选择的施工方法见表１。 表１ 宁县２ 隧道施工方法对比 经过专家评审及设计单位同意，最终选用三台 阶设临时仰拱法施工，开挖断面如图１所示。 台阶采用挖掘机配合人工开挖，装载机配合自 卸车运渣，湿喷机械手喷射混凝土，液压仰拱栈桥维 持仰拱处交通，采用仰拱弧形模板。隧道开挖后，立 即施工初期支护并尽快封闭成环，上台阶喷射混凝 土强度达到７０％后进行下一台阶开挖，中下台阶开 挖时坚持左右交错进行。 隧道开挖施工步骤如下： （１）做好超前支护后开挖①台阶，同时每循环 ２４５ 总第５７８期 现代矿业 ２０１７年６月第６期 超前支护 （ａ）半向 （ｂ）刮囱 图１ 宁县２ 隧道三台阶设临时仰拱法开挖示意 ①～④一台阶序号 进尺一次，施作洞身结构的初期支护和临时支护，施 工锚杆后复喷混凝土至设计厚度。 （２）上台阶施工至适当距离后，分侧开挖②台 阶，分侧接长钢拱架，施工洞身结构的初期支护。 （３）中台阶施工３～５ ｍ后，分侧开挖③台阶， 分侧接长钢架，施工洞身结构的初期支护。 （４）开挖④台阶，及时封闭初期支护，紧随其后 灌注该段内Ｖ部仰拱。仰拱施工完成后灌注Ⅵ部仰 拱填充 ３．２隧道支护 ３．２．１ 管棚超前支护 Ｉ２５ａ型钢端部焊接后再用螺栓连接，紧固螺栓，钢 架与锚杆头固定在一起。在拱部钢架基脚处设槽钢 板或混凝土垫块以增加基底承载力，安装前应清除 各节钢架底脚下的虚碴及杂物，增大拱脚稳定着力 区域。钢架底部每侧安设２根６４２ ｍｍ ｘ４ ０００ ｍｍ 的锁脚锚管将其锁定，并采用４，２２ ｍｍ“Ｌ”型钢筋与 钢架焊接锁定。临时钢拱架采用Ｉ１８钢架，钢架间 距结合主洞钢架间距，每２榀钢架设置一处，临时仰 拱喷１８ ｅｍ厚Ｃ２５混凝土，临时支护钢架纵向同采 用Ｃ２２钢筋连接，间距为１．０ ｍ。 ３．２．３仰拱及二次衬砌施工 为确保隧道安全，ＤＩＬ２００（＋ｌ１５ ＋１４５）浅埋 段隧道洞口拱部设一环３０ ｍ长４，１ｏ８ ｍｉｌｌ管棚，洞 仰拱采用现浇７０ ｅｍ厚Ｃ３５混凝土，二次衬砌 采用二衬台车施工，模注６０ ｅｍ厚Ｃ３５混凝土。仰 身设４，８９ ｍｍ管棚，纵向６ ｍ一环，相邻两环之间水 平搭接长度不小于３ ｍ；环向间距为０．４ ｍ，外插角 为０。～１。。为提高导管的抗弯能力，在钢花管内设 置钢筋笼，钢筋笼由４根主筋和固定环组成，主筋直 ｅｍ，将其与主筋焊接，按１．５ ｍ间距设置；管棚内采 用ＭＩＯ水泥砂浆充填钢管，以增强管棚强度。管棚 间内插 ２ ｍｍ超前小导管，长３．５ ｍ，环向间距为 ０．４ ｍ，纵向２．４ ｍ一环，外插角为１０。一１５。，纵向搭 接小于１ ｍ。 ３．２．２初期支护 初期支护采用锚网喷配合钢拱架支护模式，隧 道开挖后首先喷射５ ｅｍ厚Ｃ２５混凝土封闭围岩断 面，然后边墙施工Ａ２２全长粘结型砂浆锚杆、钢拱 拱紧跟开挖工作面施作，并与拱墙及早封闭成环，二 衬根据围岩变形监测情况滞后仰拱约２４ ｍ施工。 二衬回填注浆采用纵向预贴注浆管道法，在二衬施 工完成２ ｈ后注浆，压力不大于Ｏ．２ ＭＰａ。 结合宁县２ 隧道断面大、地质条件差的实际情 况，监控量测工作紧随开挖、支护作业，监控的重点 是拱顶下沉、拱脚下沉、地表沉降、隧道净空收敛等。 地表点位布设断面与洞内量测断面在同一断面 里程，采用全站仪进行洞内外沉降观测。隧道洞内 进口段每３ ｍ布设一个断面，洞内５ ｍ布设一个断 面，每个断面布设７个观测点，每个测点进行变 形分析，如图２所示。 施工初期隧道开挖速度较慢，上台阶平均为 径为１８ ｍｍ，固定环采用 ２ ｍｍ短管节，节长５ ４ 围岩变形监测 架和双层Ａ８钢筋网。锚杆长４ ｍ，环纵向间距为 １．５榀／ｄ，实测数据表明，距离隧道洞口９ ｍ处拱顶 １．２ ｍ×１ ｍ，锚杆尾端设置１５０ ｍｍ ｘ １５０ ｍｍ ｘ ６ ｍｍ的钢垫板，钢筋网格间距为２０ ｅｍ ｘ ２０ ｅｍ。钢 拱架采用Ｉ２５ａ型钢，各节钢架采用Ｉ３２ａ型槽钢与 ２４６ 累计变形沉降量最大，二衬施工前拱顶处累计最大 沉降值为１４２ ｍｍ。超前开挖面约５ ｍ范围内地表 可监测到轻微变形，此时沉降值一般保持在１—３ 刘保成 高志军等：浅埋大断面黄土隧道变形控制技术研究 ２０１７年６月第６期 施等都会对隧道围岩变形有较大影响。支护结构封 ７ ／ ～＼ Ｖ＂Ｂ 闭成环是黄土隧道控制围岩变形的关键，隧道围岩 变形量和支护结构封闭时间成正指数相关，现场施 工过程中缩短仰拱封闭的时间和距离至关重要。 （３）钢拱架在隧道围岩支护中起到关键控制作 用，当中下台阶开挖破坏上台阶钢拱架拱脚的稳定 Ｄ ｆ Ｆ １ 虽１ 量Ｉ ９ — Ｇ ＼－＊ＡＮＮ ＼ （ａ）洞内 （ｂ）地表 性时，隧道拱顶和钢拱架拱脚水平位移变形量会大 幅度增加。初期支护封闭成环后，隧道围岩的变形 图２围岩变形监测点布置（单位：ｃｍ） 速度明显降低，总变形值曲线趋于缓和。宁县２ 隧 道围岩变形控制技术可行，可供同类型隧道施工推 广借鉴。 参考文献 ｍｍ，因此，超前工作面５ ｍ范围为隧道超前预变形 区域。同一里程处掌子面开挖约４ ｄ后地表监测到 明显沉降变形，累计最大沉降值为５３ ｍｍ，个别偏压 区域有裂纹、裂隙发育（图３）。钢拱架在隧道围岩 支护中起到关键控制作用，当中下台阶开挖破坏上 台阶钢拱架拱脚的稳定性时，隧道拱顶和钢拱架拱 脚水平位移变形量会大幅度增加，二衬施工前钢拱 ［１］ 赵占厂．黄土公路隧道结构工程性状研究［Ｄ］．西安：长安大 学，２００４． ［２］王梦怒，谭忠盛．中国隧道及地下工程修建技术［Ｊ】．中国工程 科学，２０１０，１２（２）：４－１０． ［３］ 关宝树．隧道工程施工要点集［Ｍ］．北京：人民交通出版社， ２００３． 。 架拱脚最大水平位移值为４３ ｍｍ，最大沉降量为６５ ｍｍ。隧底开挖支护完成，即初期支护封闭成环后， 隧道围岩的变形速度明显降低，总变形值曲线趋于 缓和。仰拱施工完成后，隧道围岩变形接*缓状 态，此时隧道围岩进入长期缓慢变形期，随时间的增 加，隧道围岩累计变形值增量较小。 ［４］ 谭忠盛，喻渝，王明年，等．大断面浅埋黄土隧道锚杆作用效 果的试验研究［Ｊ］．岩土力学，２００８，２９（２）：４９１－４９６． ［５］ 李建．大断面黄土隧道初支作用机理及变形控制技术研究 ［Ｄ］．北京：北京交通大学，２０１２． ［６］ 陈建勋，姜久纯，罗彦斌，等．黄土隧道洞口段支护结构的力学 特性分析［Ｊ］．中国公路学报，２００８，２１（９）：７５＿８Ｏ． ［７］ 杜运国．益田路Ⅵ级围岩富水隧道综合施工技术［Ｊ］．铁道标 准设计，２０１０（２）：１０９—１ １２． ［８］ 李雪林．软弱富水ＶＩ级围岩隧道仰拱安全快速施工技术［Ｊ］． 国防交通工程与技术，２０１６（５）：７０－７３． ［８］ 解方亮．软流塑状Ⅵ级围岩浅埋隧道施工技术［Ｊ］．隧道建设， ２０１０，４，３０（２）：１８６—１８９． 图３隧道上方地表裂隙发育 ［９］ 张志强，何川．偏压连拱隧道优化施工的研究［Ｊ］．岩土力 学，２００７，２８（４）：７２３－７２７． ５结论 ［１Ｏ］ 倪鲁肃．浅埋黄土隧道下穿高速公路沉降控制研究［Ｄ］．北 京：北京交通大学，２０１０． （１）宁县２ 隧道进口段采用三台阶设临时仰拱 法施工，管棚超前支护，锚网喷配合钢拱架初期支 护，钢筋混凝土二衬支护。现场监测的围岩变形数 据与理论分析一致，可以满足施工要求。 （２）隧道的施工方法、支护结构及施工工艺措 （上接第２４３页）一班爆破工交接清楚。 ［１１］ 张素敏，宋玉香，朱永全．隧道围岩特性曲线数值模拟与分析 ［Ｊ］．岩土力学，２００４，２５（４）：４５５－４５８． ［１２］ 赵勇，李国良．黄土隧道工程［Ｍ］．北京：中国铁道出版社， ２０１１． （收稿日期２０１７一Ｄ４—１１） 减少了煤炭资源的浪费，增加了企业经济效益，并为 以后遇到类似地质构造处理提供了宝贵的实践经验 ５ 结语 当１１０１运巷推进至４９７．７ ｍ，１１０１风巷推进至 ４９７ ｍ时，１１０１综采工作面采用先爆破松动围岩，后 采煤机割煤的施工方法，安全顺利通过陷落柱，比预 计施工时间缩短了１５ ｄ，未发生任何人员伤亡事故， 和安全技术保障。采取科学合理的施工技术方案， 对煤炭企业安全稳定生产具有重要意义。 （收稿日期２０１７－０４－０２） ２４７
