关键词：隧道初支；变形开裂；限阻器；释能装置
1 工程概况
我国黄土主要分布在西北、华北地区，其面积约占全国土地面积的6.5%左右。随着西部大开发战略的快速实施，这些西部偏远地区的道路工程规模也在不断扩大，在施工过程中难免会经常碰到黄土隧道，因此针对黄土隧道施工，必须制定出一套完整的理论及实践经验，以此来应对施工中出现的问题。
阳山隧道地处于陕西延安境内，隧道全长11.67km，此隧道为蒙华铁路全线重点控制性工程。DK390+960～DK389+580长1380m埋深128m～142m,地层为黏质老黄土具膨胀性，硬塑-坚硬，呈大块状压实结构。
DK390+715-DK390+530段按设计Ⅳ土复合式衬砌，其施工方法采取三台阶法，初支采用全环设H150格栅钢架支护，纵向间距为1m，拱脚及墙脚设Φ42×5mm锁脚锚管长4m；全环范围设钢筋网；采用超前小导管进行超前支护；C25喷射砼厚22cm。
2 初支开裂情况
2016年5月1日，DK390+630～DK390+650段长20米线路右侧上、中台阶交接处初支局部出现渗水现象，格栅钢架连接板偏上部位喷射砼出现表层脱落掉块迹象。当月11日DK390+715～DK390+530段长185米左、右侧上、中台阶连接板与锁脚锚管之间钢架变形外鼓，喷射砼表面脱落掉块，个别处钢架主筋外露呈“Ω”形状，线右开裂掉块纵向贯通。
3 初步原因分析
该段在开挖过程中，测试黄土含水率为15%，含水量稍大，土体在上、中台阶交界处掉块剥落严重，由于进入雨季，地表水经过土体裂隙向土体深处下渗致使土体含水率增大，黄土土体受水影响，结构土发生变化向初期支护侧发生位移，对初期支护结构压力增大，应力在格栅钢架拱脚处受阻释放，产生形变压力，使拱脚格栅钢架发生变形主筋外鼓，钢架表面混凝土出现开裂、脱落掉块。
4 补充钻孔结果分析
在隧道上部的黄土梁顶部一共布置了3个钻孔，通过这三个钻孔，对其内部黄土数据进行测量，测量主要包括3个方面：膨胀性、含水率、裂隙发育程度等，钻孔的位置及孔深详见表（1）。
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4.1 过程成果分析：
经钻探验证，新老黄土分界与原设计资料相符，隧道洞身范围为黏质老黄土 ，硬塑～坚硬，土体含水率为19.8～23.6%，围岩分级维持Ⅳ级不变。
经取样检测，结果均表明黏质老黄土具弱膨胀性，与原勘察设计资料相符。
经隧道内取样检测，土体含水率较之前勘测时有所增加，随着时间推移，土体含水量逐渐增大，以至于接近饱和状态。
通过对钻探过程中孔内漏浆、不返浆位置分析判断，隧道开挖后在洞顶以上25～40m范围内形成塑性变形区，区内卸荷裂隙发育。
4.2 支护方案比选
根据DK390+715-DK390+530段初期支护拱腰混凝土开裂、掉块、局部格栅钢架主筋变形情况，以及补充钻孔结果分析显示，雨季过后，地表水经过土体裂隙向土体深处下渗致使土体含水率增大，黄土土体受水影响，结构土发生变化向初期支护侧发生位移，对初期支护结构压力增大，应力在格栅钢架拱脚处受阻释放，产生形变压力，使拱脚格栅钢架发生变形主筋外鼓，钢架表面混凝土出现开裂、脱落掉块，Ⅳ土复合式衬砌已不再适用于相邻段支护。
4.3 调整围岩级别加强支护
DK390+520至DK389+580方向围岩级别调整为V级，衬砌类型调整为VC土复合式衬砌，三台阶施工，初支采用全环设H230格栅钢架支护，采用超前小导管进行超前支护，Φ42×3.5mm无缝管，支护范围拱部120度，共31根，长度3.5m；搭接长度不小于1m，其事先预留变形量为15cm，初支仰拱距掌子面不得大于15m。
DK390+520-DK390+170段采用VC土复合式衬砌支护，未见初期支护开裂、变形、掉块的产生。但VC土复合式衬砌每循环开挖进尺不大于1m，主筋为Φ25钢筋H230格栅钢架重量大，工人在支护过程中时间过长，总体进度缓慢。
4.4 Ⅳ土复合式衬砌拱腰加限阻器
环向限阻器为尺寸高30cm、宽22cm、长100cm。限阻器上下两处钢板板厚均为10mm，竖向立板板厚为8mm，高28cm，宽22cm，间距为15cm。其余支护参数与Ⅳ土复合式衬砌拱腰加环向限阻器三台阶施工相同。在原布设监控量测测线的基础上，拱腰限阻器位置增设一条收敛测线。监控点的距离按照5m一个进行分布，同时对检测限阻器同一断面检测点的变形进行监测。
采用Ⅳ土复合式衬砌拱腰加环向限阻器三台阶施工，监控量测数据显示，拱腰收敛测线1、2在初支仰拱未封闭成环前，收敛数据偏大，个别点位出现累计黄警，初支仰拱封闭成环后，收敛数据稳定。每5米初支断面测量数据显示，初支净空完全符合设计要求，未发现初支断面侵入二衬净空。初支表面外观显示，未发现初支表面混凝土开裂、脱落掉块、格栅钢架主筋变形外鼓。限阻器竖板出现挤压变形，如图（1）所示。
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5 环向限阻器
5.1 环向限阻器的加工
环向限阻器与H150格栅钢架由拱架加工厂统一加工环向限阻器的施工
5.2 掌子面断面开挖
掌子面开挖采取人工机械共同作业，以人工来配合机械开挖，每循环开挖进尺控制在2m以内，开挖尺寸预留变形量为15cm。每个台阶掌子面均采用机械作业，采取挖掘机扒碴，装载机装碴，自卸车出碴。为了防止超挖，挖机开挖掌子面至设计轮廓线20～30cm，人工使用风镐对进行修整20～30cm至设计轮廓线。上台阶开挖高度3.7m并预留核心土，上台阶距离仰拱初支成环控制在15m以内，下台阶左右两边要求对齐，并且须同时进行开挖，支护作业时，需按照要求与仰拱同时进行。上台阶环向限阻器30cm范围人工用风镐向外扩挖15cm。使用风镐向外扩挖时做到对围岩少扰动，避免造成上台阶拱脚部位坍塌严重，从而影响环向限阻器的使用。
5.3 环向限阻器的转运
环向限阻器与拱架的由装载机转运到施工现场，在转运过程中要对环向限阻器进行保护，避免在转运过程在对环向限阻器造成机械伤害使之变形，影响与格栅钢架之间的连接以及环向限阻器的使用效果，如若有变形的，则应禁止使用。
5.4 环向限阻器安装
钢架采用H150型格栅钢架，上中台阶之间增加环向限阻器（30cm高、22ccm宽、1.0m长），钢架立设间距1.0m，环向限阻器位置在上台阶的拱脚处，环向限阻器与上台阶拱架采用M22的螺栓一起连接安装（如下图所示）。在环向限阻器进行安装时，测量人员必须对上台阶环向限阻器所在部位标高进行复测，使得环向限阻器在纵向方向为同一高度，确保环向限阻器之间的连接可靠牢固。格栅钢架与环向限阻器采取螺栓紧固连接，环向限阻器之间纵向贯通连接形成整体支护，环向限阻器每榀与每榀之间的连接采用20cm*10cm*8mm的钢板块进行绑焊，钢板四周必须满焊，环向限阻器靠岩面侧纵向贯通安装3根10cm壁厚为5mm的PVC管，阻挡 黄土从环向限阻器竖板的空隙中脱落后造成初支背后脱空严重，同时PVC管对黄土土体产生的形变压力有一定的缓解作用，如图（2）所示。
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中台阶对带M22螺栓的环向连接筋与限阻器采用人工紧固相连。使限阻器和上中台阶喷射混凝土、拱架形成统一的支护体系。
为保证钢架立设的垂直度，安装拱架之前，测量班提前放出每榀拱架的位置，每榀5个点，并用红漆在岩面上点出。环向每米设置1根φ16定位系筋，长度1m，要确保底部不能悬空，一般采取质量轻的垫块垫实处理，同时在上中台阶用砂子作为隔离层进行铺设，铺设要求宽25cm、厚20cm，保证在开挖中下台阶时，使得上台阶环向限阻器纵向面板下方和中下台阶的混凝土结合面容易清扫干净，能有效保证上中下台阶混凝土在结合面处粘结，做到钢架牢固紧贴于掌子面。纵向采取φ22螺纹钢筋进行连接，中心间距环向1m，连接筋按30°斜角八字形布置，钢筋与拱架间采用单面焊接，焊缝长度必须控制在22m范围内。
5.5 钢筋网片安装
在格栅钢架背后全环铺设纵φ6×环φ8的钢筋网片，网片网眼间距20×20cm，搭接不小于1个网格（20cm），采用点焊进行逐点牢固焊接。在环向限阻器上、下1m范围内侧增设一层φ6的钢筋网片，网片网眼间距30×30cm，靠近掌子面一侧的钢筋网片外露1-2个网格，以便于下一循环搭接。
5.6 锁脚锚管
格栅钢架采用锁脚锚管加固，上台阶位置取消锁脚锚管，中下台阶采用Φ42mm×5mm长4m无缝钢管，打设方向与水平方向成30～45°角向下打设。Φ42锁脚锚管采用Φ50mm钻孔，钻孔深度大于锚管长度10cm。锁脚锚管与钢架采用Φ25锁脚锚固筋单面焊接，锁脚锚固筋焊接长度为与锁脚锚管、与钢架连接不小于25cm。锁脚锚管孔内灌注M30水泥砂浆。
5.7 喷射混凝土
喷射混凝土分为两次进行施工：第一次施工拱架部位，第二次后期施工限阻器部位。
喷射混凝土采用湿喷工艺，一次喷射厚度边墙3～5cm，拱部6～8cm喷至设计厚度（IV（土）喷射厚度为22cm）。为保证初期支护在限阻器部位变形，环向限阻器位置先期不进行喷射混凝土，在喷射混凝土之前，用防水板或木板对环向限阻器部位进行遮挡，防止喷射混凝土进入限阻器中，待喷射混凝土施工完成后人工及时拆除遮挡部位防水板或木板，并清理环向限阻器中的杂物及混凝土。
为保证环向限阻器的功能与作用。待监控量测数据稳定后且在二衬施工前对该处环向限阻器位置进行喷射混凝土施工。二次施工时，应及时对环向限阻器中的黄土、松散混凝土杂质进行清理，确保清理干净后，才可射混凝土进行施工，喷射采取混凝土型号为C25，喷射厚度须达到设计要求。
6 施工过程及注意事项
设置环向刚度小于格栅钢架环向刚度的限阻器（限阻器径向刚度不小于格栅钢架径向刚度），结构土发生变化向初期支护侧发生位移，对初期支护结构压力增大，应力在限阻器受阻释放，使得限阻器环向变形，有效的控制了初期支护的开裂变形。
环向限阻器纵向面板上下的连接筋作用是将环向限阻器与上中台阶喷射混凝土后紧密粘结形成一个整体。以免环向限阻器在受到土体形变压力时受力不均，限阻器不能整体变形。
上台阶环向限阻器取消锁脚锚管的作用，土体在受到地表水下渗，土体含水率增大，结构土发生变化向初期支护侧发生位移，对初期支护结构压力增大，由于锁脚锚管的设置，应力会在格栅钢架锁脚处受阻释放，格栅钢架发生变形外鼓，取消后会使得应力顺格栅钢架向环向限阻器传递，使得环向限阻器变形。
监控量测收敛测线1、2位置调整到环向限阻器上的作用，量测点上的数据可以反应出初期支护稳定情况，同时也要经过该点位的绝对坐标的数据，分析环向限阻器的挤压变形情况。
通过统计分析，一般限阻器在变形量达到15cm后不再变形，说明应力释放基本完成，整体支护与围岩压力达到平衡。此时即可封闭限阻器中空部分，避免二次衬砌施工后遗留空洞。
7 结语
本技术通过在易发生开裂位置增加释能装置（限阻器）有效解决了隧道初支在形变压力下产生开裂现象。对比其他相应措施，在保证施工安全及结构安全的前提下有效减少了投资，提高了施工工效。
本技术着重解决了围岩应力释放过程中对初支的破坏，避免了初支破坏对后续施工造成的影响及结构安全。通过对本项目其他标段石质段的应用，能起到同样工效，通过对比实践，该技术能有效解决应力状态下隧道初期支护开裂变形问题，对节约投资和加快施工进度有重要意义，因此该技术对存在应力的隧道施工具有重要借鉴意义。
参考文献：
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论文作者:杜蓬翔
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第24期
论文发表时间:2020/1/16
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