拱脚小圆弧黄土隧道三台阶施工及病害防控综合施工技术

　　摘要：文章以西北地区某高速公路大断面黄土隧道为例，通过将隧道初期支护拱脚直墙钢架优化为与仰拱连接的小圆弧钢架、二次衬砌拱脚直墙断面调整为受力更好的曲墙断面、增设隧底仰拱围岩侧碎石排水盲沟、开挖初支采用预留核心土短三台阶工艺等施工举措预防黄土隧道病害。

　　0　引言

　　我国各地区黄土分布广泛，黄土层厚度大，隧道在设计及施工过程中，要适当加强支护刚度并快速施工，黄土隧道在开挖支护过程中暴露的时间越长，其自稳能力越差，沉降、收敛变形、掉块甚至关门塌方的风险越大，在隧道开挖过程中应尽早使初期支护形成有效的受力整体。由于黄土的垂直节理性、大孔隙结构、受开挖扰动在隧道轴线上产生的管状松动圈不断扩大，以及黄土地区地表普遍存在黄土冲沟侵蚀严重，地形破碎等影响，地表雨水极易入渗至隧道支护结构周围，突破隧道防排水施工的薄弱环节，在隧道施工缝及隧道缺陷位置产生渗漏水、冒水现象。

　　1　工程概况

　　银百高速公路西塬隧道为双向单线隧道，左线全长1216m，右线全长1248m，位于甘肃省庆阳市庆城县境内。隧址地层由第四系全新统崩坡积（Q4dl+c）黄土状土、上更新统风积新黄土（Q3eol）、残积古土壤（Q3el）；中更新统风积老黄土（Q2eol）、残积古土壤（Q2el）、老黄土（Q2eol）构成隧道主要围岩体，岩性为褐黄色、棕红色，土质较均，结构较致密~致密，含钙质结核，垂直节理发育，硬塑状态，局部钙质结核含量高，厚度大，钻孔未揭穿，夹多层古土壤。

　　超前支护采用φ42超前小导管，长4.5m，纵向间距0.5m，环向间距0.3m。初期支护采用工20工字钢锚网喷支护，拱部为φ22早强药卷锚杆，长2.5m，1.2m，0.5m梅花状布置。二次衬砌采用C30抗渗混凝土，厚度50cm。防排水结构采用初期支护侧防水板、沿隧道拱脚初期支护侧纵向排水盲管、环向排水盲管、仰拱内的中心排水沟、仰拱底部φ300碎石排水盲沟、二次衬砌止水带、止水条等综合防排水措施。

　　2　小圆弧拱脚

　　隧道仰拱半径偏大，隧道设计中侧墙与仰拱的连接方式存在先天缺陷。同时，黄土隧道开挖后在隧道轴线上形成的管状塑性圈在隧道衬砌结构上形成逐渐增大的自重应力，以及仰拱底部承受较大的向上应力，隧道墙脚的下沉量远大于仰拱的下沉量，极易在拱脚位置形成应力集中现象，从而产生裂缝。

　　为增强拱脚位置支护及衬砌受力，西塬隧道原设计中仰拱与侧墙拱架由大拱脚焊接调整为小圆弧连接，隧道衬砌结构由直墙断面调整小半径连接曲墙断面，减少隧道的开挖及回填数量，使隧道拱脚位置结构的受力条件得到了很好的改善，避免了拱脚及仰拱顶面裂缝产生。

　　3　隧底排水盲沟

　　黄土遇水易软化，导致围岩承载力降低，在设计及施工过程中，要充分考虑加强对黄土隧道水流的“防、排、截、堵”措施，以应对受扰动黄土后期承载力降低造成黄土隧道结构物开裂以及渗漏水病害。

　　黄土隧道洞身水流受地表季节性降水及地表降水反复冻融补给，因黄土富含致密孔隙结构特点，黄土体内富含的水分在天然自重状态下渗流助力较大，在黄土隧道洞室开挖过程中出现的水流多为基岩裂隙水，在初期支护表层表现为持续性的小水量出水。

　　隧道二次衬砌防水及衬砌施做完成后，在隧道结构物基岩及初期支护侧，隧道内围岩水流逐渐富集，加之黄土中存在大量的盐碱，在地下水流出隧道排水盲管后在管口表面出现大量的白色盐类结晶物，盐类结晶物逐渐附着于排水管管壁造成管口堵塞，地下水积聚于隧道周围土体中，在衬砌结构物背后形成承压水，在隧道防排水薄弱环节处出现渗漏水、冒水现象。结晶性盐类以及对混凝土产生结晶性腐蚀恶性循环，并造成隧道围岩力学性质恶化，影响隧道结构稳定。

　　隧道在传统设计中的综合防排水体系由初期支护侧防水板、沿隧道拱脚初期支护侧纵向排水盲管、环向排水盲管、仰拱内的中心排水沟、二次衬砌止水带、止水条等形成，忽略了隧底初支围岩侧水头最高处的防排水。隧底初支围岩侧围岩内的水流渗流通道有限，渗流速度缓慢并长期充填于隧道仰拱底部，并具有较高的水头，仰拱底部围岩长期受水侵蚀造成地基承载力降低，这是造成隧道仰拱行车道开裂、翻浆、冒水不可忽略的原因。

　　通过在隧道初期支护底部围岩侧设置隧底碎石排水盲沟，形成仰拱中心排水沟以下初期支护隧底的二次排水效果，可有效降低隧底水头压力，减少隧道仰拱底部初支围岩侧围岩长期受水浸泡软化及湿陷而引起的变形，避免隧道行车道开裂、冒水等病害。

　　4　预留核心土短三台阶带仰拱快速施工工艺

　　4.1　施工工艺

　　相对于传统台阶法，新型预留核心土短三台阶带仰拱一次开挖封闭成型施工技术，需要做好施工组织工作、优化施工工艺，在保证施工进度的前提下既保持开挖面的稳定，又解决下台阶与仰拱一次施工带来的施工干扰和工序组织难度增加问题，从而提高开挖效率。

　　预留核心土短三台阶带仰拱一次封闭成型施工技术是在传统三台阶的上台阶开挖中增加核心土，中台阶正常开挖，下台阶与仰拱同时开挖的三台阶法。施工过程中，中台阶先行开挖坡道，使开挖机械先行到达中台阶，上台阶预留核心土开挖完成之后，上台阶支护与中台阶扒碴、出碴平行作业，然后中下台阶依次支护并逐步向掌子面推进，实现了上中下台阶及仰拱的支护出碴流水作业和平行作业。

　　相比传统的三台阶法，上台阶增加的核心土即可为直接立拱提供作业平台，减少上台阶立拱进出操作台架工序，又减少了上台阶掌子面拱部范围内垮塌掉块的风险。同时，下台阶与仰拱一次开挖封闭成环施工工艺，由于缩短了初期支护封闭成环时间和工序衔接时间，克服了传统隧道施工工艺中在施工仰拱时将仰拱初支封闭成环的施工工艺缺陷，大大减少了初支断面沉降、收敛甚至隧道关门塌方风险，实现了隧道开挖支护各工序的“短、平、快”和大断面隧道的安全快速施工。

　　4.2　技术要点

　　预留核心土短三台阶带仰拱一次开挖施工应符合下列要求。

　　（1）施工现场应配备充足的喷浆机械手、装载机、挖掘机、出碴车、混凝土运输车等机械设备，机械设备的性能及数量均要满足现场施工需要，并考虑一定的预备量，保证突发事件发生时具备必要的机动能力，以达到尽量缩短循环时间，各道工序尽可能平行、交叉作业及加快施工进度的目的。

　　（2）初期支护必须严格按照设计及时施做，下台阶初支边墙施做完成后支撑在经处理过的虚渣上，易导致初支结构沉降变化，因此仰拱施工应快挖、快支、快速封闭。

　　（3）因上、中、下台阶施工存在交叉现象或有一定的干扰，现场领工员必须统筹安排各工序作业时间及各作业面人员、机械、设备，确保工序无缝衔接，尽量减少围岩暴露时间，避免因长时间暴露引起围岩失稳。

　　（4）机械开挖完成之后需人工进行修整，严格控制超欠挖。

　　（5）上中台阶为与下台阶及仰拱未封闭成型之前，锁脚锚杆（管）是保证初期支护安全的重要措施，应严格按照设计施做锁脚锚杆（管），同时保证锁脚锚杆（管）与钢架的焊接质量。

　　（6）为增强钢架的整体稳定性，应将钢架与纵向连接筋、定位系筋和锁脚锚杆焊接牢固，必要时加密纵向连接筋。

　　（7）中下台阶同步施工。机械手臂长有限，上中台阶不宜太长，以保证机械手可有效喷射初期支护混凝土。

　　（8）喷射混凝土按照先仰拱、后边墙及拱部的顺序进行。机械手臂长可实现一次喷射仰拱、下台阶、中台阶初期支护，喷射完成后机械手及料车后退，挖机上前对喷射完成的仰拱初期支护结构进行洞碴回填，必要时可在仰拱初期支护上方虚碴之上铺设钢垫板（对仰拱基础形成保护），之后挖机退出，机械手及料车前进至仰拱部位进行上台阶初期支护混凝土喷射，此时仰拱初期支护已基本可承受施工机械的重力。

　　5　结语

　　上述小圆弧拱脚黄土隧道预留核心土短三台阶快速施工及病害防控综合施工技术是在西塬隧道施工中反复试验、摸索形成的，在实际施工过程中取得了较好的成效，使隧道顺利经过软弱围岩地段，在施工中没有出现一例安全、质量事故。该黄土隧道施工过程中积累形成的宝贵经验及参数，为其他类似黄土地区黄土隧道快速施工及隧道病害防控提供了经验，具有较高的应用价值。

　　作者简介：冯存志（1986-），男，青海乐都人，中铁隧道集团二处有限公司工程师，研究方向：高速公路建设项目管理。

　　参考文献

　　[1]江仙华.黄土隧道短台阶仰拱连续施工技术[J].山西建筑，2018（8）：182-183.