中国铁路兰州局集团有限公司 工程质量监督站 甘肃省兰州市 730000
摘要：针对银西铁路甘宁段上阁村隧道围岩变形情况，分析了隧道施工过程中沉降变形特征及规律，提出了围岩沉降控制的施工技术、措施，并开展了现场实际应用，有效地抑制了围岩变形沉降，降低了施工风险，为类似工程施工提供参考。
关键词：黄土隧道 沉降控制 研究
Construction Methods of Settlement Control of Loess Tunnel
Shinian Zhang
（China railway lanzhou bureau group co.LTD Engineering quality supervision station Lanzhou City，Gansu Provinc 730000）
Abstract：According to the deformation of the surrounding rock of the Shanggecun Tunnel in the Gansu Section of Yinxi Railway，the deformation and characteristics of the settlement during the tunnel construction are analyzed.The construction techniques and measures for settlement control of the surrounding rock and the preconditions for the geological conditions of the tunnel are proposed.The control value of deformation was left，and the practical application on the site was carried out，which effectively suppressed the deformation and settlement of the surrounding rock，reduced the construction risk，and provided reference for the construction of similar projects.
Keywords：loess tunnel subsidence control research
1 工程概况
银西铁路甘宁段上阁村隧道位于甘肃省庆阳市宁县焦村乡境内，隧道全长6782.45m，为单洞双线隧道，最大埋深102m，最小埋深6m，穿越董志塬黄土台塬区，地面高程1030m～1280m，相对高差250m。洞身通过地下水影响段落，且长距离穿越软塑黄土层，土体含水率变化范围为24.2%～29.1%，隧道在开挖后围岩呈大范围渗水、股状出水，围岩塑性变形及坍方风险高，为Ⅰ级高风险隧道。
2 沉降变形特征
2.1 围岩沉降变形特性分析
黄土具有显著的多孔性且垂直节理发育，结构性明显，竖向透水性较强，同时粉末性的颗粒组成决定了黄土具有湿陷性，遇水后固结能力减弱，强度下降明显，常常会引起强烈的沉陷和变形。
上阁村隧道穿越黄土塬区第四系中更新统风积黏质黄土（Q2eol3），垂直节理发育，施工过程中垂直或两翼节理裂隙密集带受地下水运移作用，垂直裂变引起剪切破坏，竖向沉降大且呈现整体下沉趋势。通过监控量测分析，水平收敛约13.2～75.8mm，拱顶下沉约56.1～312.5mm。在浅埋慢坡地段地表沉降量可达到10cm～25cm，且随着隧道开挖，多形成沿隧道方向的纵向裂缝。
隧道上台阶开挖后平均沉降速率为4～22mm，并趋于平稳，但中、下台阶开挖时，沉降速率达到8～28mm/d。表明隧道在下台阶未封闭时，围岩压力拱作用向拱脚传递，并随着隧道开挖形成凌空面，竖向沉降变形逐渐增大。
黄土水敏性强，隧道开挖后洞身形成径流通道，地表降水下渗、地下水向隧道内径流，导致围岩土体含水率加大，隧道围岩迅速被水软化，且随时间推移，拱部大范围渗水，形成塑性变形，围岩承载力降低，失稳，易造成初支变形开裂、坍塌。
2.2 洞内变形规律分析
通过对隧道施工监控量测数据分析，总结以下沉降变形规律：
（1）含水率与变形量的关系。通过监测数据统计分析，可以看出黄土隧道围岩变形量与含水率呈正相关关系。
图1 黄土隧道围岩含水率与变形量关系折线图
（2）围岩承载力与变形量的关系。根据对上阁村隧道各洞口不同地质条件下地基承载力与变形量统计分析可知，地基承载力与变形量成反比关系。
表2 地基承载力与变形量关系一览表
图2 隧道埋深与变形量关系图
综合以上变形规律的分析可知，黄土隧道变形与隧道埋深、围岩含水率及围岩地基承载力关系密切。
2.3地表裂缝规律数值分析
采用ANSYS平面应变有限元分析模型，两侧面边界为水平位移约束，底面边界为竖向位移约束，模型上部边界为自由边界。初期支护采用BEAM3梁单元，围岩采用PLANE42平面实体单元。有限元分析模型和网格划分如图3所示。
隧道埋深40m，经过计算得到围岩在同一深度下地层水平位移、竖直位移、剪应力及它们与距隧道中心距离的关系曲线分别如图4~图5所示。隧道中线拱顶地层竖向位移与深度的关系曲线如图6所示。
图6拱顶以上地层竖向位移与深度的关系曲线
距地表20m为新黄土、以下为老黄土地层，隧道埋深40m条件下，施工区段地表纵向裂缝位于轴线两侧26.5m附近，该处最大水平位移3.5cm，裂缝以约64.1°倾角向隧道内侧发展，直到隧道拱腰（拱顶下2.66m）。地表可见裂缝，深度为42.7m。其中隧道拱顶下沉22.7cm，水平收敛5.5cm。当隧道埋深小于40m时，地层纵向裂缝能够到达地表，埋深增加，裂缝深度、裂缝距隧道中心距离均增大，裂缝倾角也增大，范围在56o~62o之间；而埋深大于40m后，裂缝从拱顶向地表发展，地表附近滑动趋势变小，地层裂缝不能发展到地表，裂缝距离隧道中心距离基本不变，深度增加，倾角变大。
3 沉降控制技术措施
3.1 严格工法实施
根据监控量测数据分析，绘制各测点的u-t位移时程曲线。
图7 位移时间曲线图
从图7曲线图和现场监测分析可知，上台阶开挖和仰拱开挖时沉降相对较大，仰拱封闭成环后基本稳定，缩短封闭成环时间的关键是使工序衔接紧凑。施工时应做到以下几点：
（1）必须严格按设计要求开挖。控制仰拱封闭成环距掌子面距离，做到快挖、快支、快封闭；
（2）加强工序衔接，缩短开挖至仰拱封闭成环时间；
（3）严格按照“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的方针进行施工；
（4）二次衬砌应紧跟，控制二衬至掌子面的步距在红线范围内；缩短开挖至衬砌封闭时间至15~20d。
3.2加强初期支护
1.钢拱架间增加纵向连接工字钢
原设计钢拱架之间采用Φ22钢筋连接，部分区段沉降仍然较大，后在沉降较大区段施工中钢拱架之间采用了I18工字钢连接，钢架整体刚度增强，初期支护措施加强，有效降低了整体沉降量，预防沉降效果显著。
图8 钢拱架间纵向连接I18工字钢
2.采用双锁脚锚管
采用双锁脚锚管控制沉降，每榀工字钢设计锁脚锚管为2根4m长Φ42×3.5mm无缝钢管。在沉降较大区段通过试验比较，钢架拱脚处采用双锁脚锚管，同时严格控制好锁脚锚管的角度、长度、焊接质量和注浆饱满度等施作质量，整体沉降量会明显降低。尤其对于黄土隧道，拱脚处锁脚锚管尽量贴着拱部轮廓大角度斜向下打入，一般控制在45°，不超过60°，这样既可稳定拱脚又可对下层台阶开挖起到超前支护作用；Φ42 锁脚锚管与Φ22“ L” 型连接钢筋焊接焊缝为双面满焊，Φ22 “L” 型连接钢筋与钢架焊接焊缝为双面满焊，Φ42 锁脚锚管管内填充 M10 水泥砂浆以增强锁脚锚管刚度。
通过以上措施，有效增加初支抵抗沉降、收敛的能力。通过现场监控量测数据分析，采用单层Φ42锁脚锚管支护作用下，隧道拱顶平均沉降速率为7～15mm/d，累计沉降量达到157～220mm。采取双层Φ42锁脚锚管支护，隧道拱顶平均沉降速率5～9.6mm/d，累计沉降量87～135mm，基本能达到稳定初支的效果。
图9 双锁脚锚管现场施作后照片
3.采用Φ89大锁脚无缝钢管
为了控制既有初支沉降变形，仰拱初支未成环段既有初支钢架每榀钢架拱脚处增设2根Φ89无缝钢管大锁脚加强处理，每台阶共4根，单根长度6m，管内灌注水泥浆，并采用钢板开孔与既有初支钢架进行焊接牢固。Φ89大锁脚对控制既有初支沉降变形效果显著。
为有效加固钢架，防止后续施工时下沉，结合现场上台阶高度，上台阶采用Φ42锁脚锚管，向下外插角45～60°，拱脚两侧各打设4根，单根长4.0m，中、下台阶后续施工拱脚采用Φ89无缝钢管大锁脚，每根长6m，拱架脚加工Φ130套管予以引孔，需露出喷浆面1～2cm，管内采用土工布堵塞，确保不被喷射混凝土料充填，喷射混凝土完成后，利用潜孔钻钻杆在Φ130套管内进行钻孔，然后送钢管，再将Φ89钢管与套管焊接，保证锁脚锚管与钢架牢固连接，最后在管内以水泥砂浆充填密实。
通过监控量测数据分析，施工过程中增加Φ89大锁脚锚管措施，隧道拱顶平均沉降速率为3.4～7.2mm/d，累计沉降量59～89.7mm，监控量测数据稳定，与常规单层Φ42锁脚锚管措施相比，很好的控制了拱顶沉降。大锁脚大样图如下：
4 结 论
黄土隧道开挖施工过程中必须严密组织施工，保证施工的质量安全，施工过程中，必须加强施工工序衔接，拱架及时落底或支垫牢固，仰拱初支及时封闭成环，上台阶每循环开挖支护进尺Ⅴ、Ⅵ级围岩≯1榀钢架间距，Ⅳ级围岩≯2榀钢架间距，中下台阶每循环开挖支护进尺≯2榀，仰拱每循环开挖支护进尺≤3 m 的要求开挖；及时安装临时仰拱或横向临时支撑等控制拱脚位移的措施，每循环左右侧台阶错开2~3 m，两侧严禁同时开挖；初期支护仰拱施工应快挖、快支、快速封闭；严格管理施工用水和养护用水，仰拱基底积水应及时抽排，以免积水浸泡隧底造成隧底围岩地基承载力下降。土方开挖时在接近钢拱架拱脚处时采用人工开挖，严禁采用机械开挖扰动拱脚处原状土，造成沉降；加强锁脚与钢拱架之间的连接，确保搭接长度、焊缝、钢筋网片及纵向连接钢筋按设计要求施工。通过严格落实工艺工法、加强初期支护等沉降控制技术措施，确保隧道工程施工质量安全，为黄土隧道特别是浅埋、含水率高、湿陷性黄土隧道施工提供借鉴。
参考文献
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论文作者:张世年
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年15期
论文发表时间:2019/10/27
标签：隧道论文; 围岩论文; 黄土论文; 拱顶论文; 钢架论文; 裂缝论文; 位移论文; 《建筑学研究前沿》2019年15期论文;