摘要：黄土公路隧道工程受地下水的影响较大，施工技术复杂，本文以榆林子隧道施工中遇到的两次塌方为依托，针对施工中遇到的涌水、突泥、初支变形严重、侵限、塌方冒顶及地表裂缝等问题，提出了工程措施，为类似隧道塌方预防处治提供参考。
关键词：黄土；隧道；塌方；处治
1 工程概况
本项目为国家高速公路银百高速（G69）建设项目中的榆林子隧道，隧道围岩体主要为离石黄土，上部覆盖有马兰黄土，节理垂直及风化裂隙发育，硬塑状态，为II级自重湿陷，隧道横穿黄土梁，属黄土塬地貌单元，进出口发育有黄土冲沟。冲沟狭窄，山坡较陡，植被发育。按左、右线分离式设计净距为 21m～38m。公路等级双向四车道，隧道建筑限界10.25m，建筑限界高度 5.0m。隧道左线长1900米（ZK279+565～ZK281+465），右线长1985米（YK279+505～YK281+490）。
2 隧道结构设计
初期支护采用由"超前注浆导管+工字钢+纵向钢筋+钢筋网+喷射混凝土+锁脚锚杆"，加强锁脚锚杆取消径向锚杆的组合结构，钢拱架之间用纵向钢筋连接，与围岩密贴，形成承载结构。本路段隧道围岩为Ⅴ级，隧址区高程 1170.00～1294.00m，相对高差 124.00m，隧道最大埋深 112.35m，位于地震基本烈度Ⅵ度区，二衬采用50cm钢筋混凝土，如表1所示。
表1 隧道正常段设计参数
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3 隧道塌方简介及原因分析
3.1 塌方情况简介
2019年7月30日乐兴隧道进口右洞掌子面施工至YK280+104，仰拱施工至YK280+074，二衬施工至YK280+029，16：00左右对YK280+074-YK280+080段仰拱开挖施工，18：10时仰拱段围岩突然失稳，拱顶初支拉裂坍塌，塌体较大如图1所示。
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右洞掌子面超前于左洞掌子面18m，洞中心间距38m，为确保安全，防止二次事故发生，将左右洞施工人员及机械迅速撤离。洞顶塌方区域出现不同程度地表裂缝。8月1日早再次对地表勘察，位于YK280+084-YK280+104.8段洞顶范围内地表塌陷，塌陷范围约337.5平方米，如图2所示。
3.2塌方原因分析
3.2.1隧道开挖揭示，本隧道地下水较丰富，大部分掌子面及初支表面呈渗、滴水状，局部有股状流水，水量受季节性降雨影响较大。
3.2.2隧道施工过程中地下水丰富，黄土遇水湿软，具有流变性，承载力迅速下降。拱、墙脚应力大，承载力不足，导致初期支护沉降、收敛数值远大于设计值，初支变形严重。在隧道内位于YK280+074附近初支产生失稳、塌方，并形成地表塌穴，影响ZK280+104处地表产生裂缝。
3.2.3仰拱及基脚基本属于饱水状态，降低了基底土层的承载力，导致了仰拱、填充层表面及中心水沟局部开裂，产生纵向裂缝。
3.3 塌方情况简介：2019年12月19日晚，对榆林子隧道右线出口掌子面YK280+596.8拱顶发生垮塌，随即掌子面YK280+596.8至YK280+617.6段上、中台阶已施工初期支护破坏垮塌，塌方后土体涌出将YK280+617.6～YK280+630.8未施工二衬段填塞，并将二衬台车及防水板作业台车推移向洞口方向约15m。该段隧道埋深约95米，隧道塌陷对应的YK280+600位置地表处，出现一直径约38米，周边错台约2米，中心深度约8米的地表陷坑，如图3所示。
3.4塌方原因分析：隧道围岩主要为第四系中更新统（Q2eol）离石黄土夹多层古土壤组成。隧道围岩含水量大，掌子面拱顶出水量大，拱顶土颗粒持续流失、空隙增大，洞顶土体不断软化，围岩压力持续增大造成掌子面附近发生塌方，塌方土体大量涌出，如图4所示。
4 隧道设计施工优化
4.1施工过程中加强锁脚锚管的施工控制，施工中严格控制锚管打设角度，控制锚管与工字钢的有效连接，采用增加纵向钢带，腹部穿孔打设锚管等措施。
4.2施工过程中加大各台阶拱脚落底受力面积，拱脚底部垫槽钢或高强塑料板，抑制拱脚下沉。
4.3施工过程中根据围岩情况，采用“三台七部”微短台阶施工方法，人工配合挖掘机开挖，挖前由测量人员测量周边线，然后按给出周边测点进行开挖，缩短各台阶长度，及时闭合成环。
4.4加大拱脚处锁脚支护刚度，增加大直径钢管桩或微型桩，增加临时仰拱；
4.5原设计仰拱与边墙连接采用折线钢板连接，对拱脚处受力不利，宜调整成工字钢小圆弧连接；
4.6将初支单层钢筋网片调整为双层钢筋网片，网格尺寸适当加密，优化锁脚锚管与工字钢有效连接的方法，同时在拱腰以下侧墙处增加系统锚杆，锚杆长度不小于4.5米。
5 隧道塌方冒顶地表处治措施
对洞顶塌方范围设置临时拦水埂避免雨水贯入塌方体，同时增设临时围挡及安全警示标志，预防人畜掉落。待隧道衬砌通过后，洞顶地表塌穴回填采用轻质泡沫土回填，上部设置0.5米厚5%灰土垫层进行防水，洞顶2米范围内回填耕植土，回填土体略高于周围地表，并做好地表排水，对地表裂缝进行长期观测。洞内塌方处治完成后对洞顶裂缝采用2：8灰土回填处理，起到封水作用。加强隧道洞内外支护变形的观察及地表的监控量测，对观测数据及时整理分析，确保安全。对塌方体前方排水沟进行检查疏通，排水顺畅。加密环向排水管，对初期支护表面的集中出水，通过排水管引流至排水沟。
6 隧道塌方段进口右洞支护措施
6.1对右洞塌体进行砂砾反压回填至上台阶高度，同时对掌子面外露土体采用10cm厚C25喷射混凝土进行临时封闭，在塌方体端头初支YK280+069～YK280+072段设置临时套拱，确保已施工段落初期支护稳定，防止塌体继续发展。在塌方体小桩号位置设置集水坑，及时抽排中心水沟及纵向排水管积水。待左洞初支施工超前本次塌方范围后再对右洞进行超前管棚支护，管棚长度应穿越塌方范围，进入稳定围岩内，并注双液浆。增加临时仰拱或增设一层初期支护。
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图3 右洞优化设计
6.2 YK280+074～YK280+104段隧道上断面沿轮廓线120°增设超前大管棚，管棚内设置3根钢筋作为钢筋笼。管棚外插角10～15°，压注水泥-水玻璃双液浆，超前加固前方塌方体，注浆压力2～3Mpa，压注完成后管棚内采用C20砂浆填满，设置双排超前小导管，交错布置，压注水泥-水玻璃双液浆。初支采用双层拱架，每榀拱架拱脚两侧各台阶锁脚锚管采用4根Φ42×4mm钢管，边墙采用小导管做为系统锚杆注浆加固围岩。右洞优化设计，如图3所示。初支加大预留变形量，隧道基底两侧拱脚采用旋喷桩进行加强处理。
7 隧道塌方段出口右洞支护措施
7.1 对涌入二衬段的塌方土体修整，并采用￠42×4mm注浆小导管对塌方松散体进行加固，喷射10cm厚C25喷射混凝土进行锚喷封闭，并在二衬段YK280+630.8～YK280+635.8段增设I20b临时环向钢拱架支撑，拱架纵向间距1m，Ф22连接钢筋间距环向间距1m。
7.2 在塌方体端头初支部位YK280+630.8～YK280+625段设置临时套拱支撑，临时I22b拱架间距0.5m，并在两侧拱腰及拱脚处增设2根5米长￠108×6mm注浆钢管进行加强；YK280+625～YK280+617.6未跨塌段设置木垛进行临时加固支撑，侧墙采用4.5米长￠42×4mm小导管，间距1m×1.2m交错布置压注水泥-水玻璃双液浆加固围岩，确保该段初期支护安全。
7.3 在YK280+625处上断面沿轮廓线120°增设￠108×6mm超前大管棚，管棚内设置3根Ф22钢筋作为钢筋笼。管棚外插角20°。环向间距40cm，长度40米，每环35根，压注水泥-水玻璃双液浆，超前加固前方塌方体及未垮塌段落，注浆压力1～3Mpa，压注完成后管棚端头采用C20砂浆填满。
7.4 在YK280+617.6处上断面沿轮廓线120°增设第二环￠108×6mm超前管棚，管棚内设置3根钢筋作为钢筋笼。管棚外插角10°～15°。环向间距40cm，长度30米，每环35根，压注水泥-水玻璃双液浆，进一步超前加固前方塌方体，注浆压力1～3Mpa，压注完成后管棚端头采用C20砂浆填满。
7.5 YK280+617.6～YK280+592.6段在管棚施工完成后，在开挖前打设长4m￠42×4mm超前小导管，压注水泥-水玻璃双液浆，环向间距40cm，每2米施工一环。初支采用双层初期支护，外侧喷射28cm厚 C25混凝土，钢拱架采用间距50cm I22b；每榀拱架每侧采用4根￠42×4mm注浆锚管作为上台阶锁脚，采用2根5米长￠108×6mm注浆大钢管及2根￠42×4mm注浆锚管作为中台阶锁脚，采用1根5米长￠108×6mm注浆大钢管及2根￠42×4mm注浆锚管下台阶锁脚。大锁脚内设置设置3根Ф22钢筋作为钢筋笼。边墙采用4.5米长￠42×4mm小导管，间距1m×1m交错布置注浆加固围岩；内侧初期支护采用厚24cm喷射C25混凝土，内设I20b钢拱架间距100cm，并与外侧初支拱架交错布置。二衬采用60cm 厚C40钢筋混凝土，环向主筋由Ф22加强为Ф25，间距由25cm调整为20cm。
7.6 YK280+630.8～YK280+617.6仰拱段，对初期支护发生侵限段落进行处治，二衬环向主筋由Ф22加强为Ф25，C30钢筋混凝土调整为C40。
7.7 YK280+592.6-YK280+582.6段原设计间距75cmI20b钢拱架，调整为间距60cmI22b，二衬环向主筋间距由25cm调整为20cm；
8 隧道塌方段左洞支护措施
加强塌方影响范围内左洞围岩支护参数，以防止塌体范围内围岩不稳定造成左洞塌方，左洞已完初支段增加局部径向锚杆加固围岩，仰拱端头已施工初期支护表面出现环向开裂的位置增设临时护拱。仰拱开挖长度不应超过3m，尽快封闭成环，避免发生塌方，尽量连续施工，避免停工时间过长造成围岩土体含水量增大引起局部初期支护沉降过大或开裂。
9 结论
9.1二衬施工前对初期支护喷射混凝土起皮、开裂等薄弱部位根据现场情况增设锚杆进行补强。加强隧道洞内排水系统检查，及时对纵向检查井进行疏通，确保二衬背后不积水。开挖后立即喷砼封闭岩土表面，减小地下水汇集；完善洞内排水系统，设置集水坑，采取分段接力将水排出洞外，并确保放排水系统的可靠有效，确保拱脚不积水。对未施工段落地基进行加固，避免施工后仰拱产生裂缝。
9.2施工中根据监控量测数据调整二衬施做时机，调整施工工序，充分发挥初期支护结构的承载能力及改善仰拱受力状态。
9.3对埋深较大的富水黄土隧道，地基承载力要求较高，仰拱开挖后检测地基承载力普遍满足设计中大于250KPa的要求，渗水严重地段基底随着时间推移基底容易软化产生不均匀沉降，造成仰拱发生底鼓变形，甚至开裂。
9.4加大仰拱的矢高，可有效提高隧道承载力，避免结构裂缝的产生，增强钢支撑纵向连接，防止拱架失稳扭曲并抑制拱脚沉降。
9.5采用“三台七部”微短台阶施工方法，上台阶和下台阶初支后均立即主动竖向支撑防止沉降，为仰拱开挖和浇筑创造条件。
参考文献
[1]《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）
[2]《公路隧道施工技术规范》（JTG F60-2009）
[3]《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》（GB50086-2015）
[4]《公路隧道施工技术细则》（JTGTF60-2009）
论文作者:赵志忠
论文发表刊物:《防护工程》2019年18期
论文发表时间:2020/1/13
标签：隧道论文; 围岩论文; 间距论文; 地表论文; 钢筋论文; 超前论文; 初期论文; 《防护工程》2019年18期论文;