大断面公路黄土隧道开挖施工中产生坍塌的原因及预防

２ＱＱ　盟：］Ｚ　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ　ＩＮＦ０ＲＭＡＴ１０Ｎ　工程技术　大断面公路黄土隧道开挖施工中产生坍塌的原因及预防　池春生　（中铁十三局集团第四工程有限公司　１　５０００８）　摘要：分析了在黄土隧道开挖中产生坍塌的原因，对如何在施工中预防坍塌进行了探讨　关键词：黄土隧道坍塌预防　中图分类号：Ｕ４１２．２１　文献标识码：Ａ　１．工程概况　哈尔滨绕城高速公路东北段天恒山隧道按新奥法原理设计与　ｄ，￣９－管注浆在隧道开挖前就改变了围岩的初始应力状态，直接　影响开挖后的二次应力状态的分布结果。通过小导管自身起到的　施工，采用复合式支护结构形式，初期支护以锚杆、钢筋网及喷射混　凝土组成联合支护体系，二次衬砌采用模筑混凝土结构。隧道净空　断面为三心圆曲墙断面，标准断面开挖高度ｌＯｍ，宽度１４ｍ。　隧道围岩为第四系堆积层粘土、亚粘土，局部地下水较丰富，围　岩级别Ｖ、Ⅵ级。围岩因自承能力低且开挖断面大而易产生大变形　及坍塌，故防止塌方是确保隧道施工顺利进行、保证施工安全及工　程质量的关键。　２．黄土隧道易坍塌的原因　２．１地下水的渗流　黄土的遇水软化问题在黄土围岩中表现尤为突出，洞身开挖　时，如暴露时间稍长，因开挖后水力坡度改变，地下水往开挖面渗透，　地下水的流动及溶蚀带走细颗粒及可溶性矿物使其强度降低，并在　开挖面附近对黄土产生崩解破坏作用，临空面失去平衡而变形甚至　塌陷，特别是开挖的拱脚或墙脚位置，稍有积水，表层就迅速软化，丧　失承载能力，表现为初期支护沉降变形加大直至失稳坍塌。　２．２土体强度低　隧道区黄土由于含水量高而呈软塑状，开挖后，因其抗剪强度　低，初期变形大、变形速度快，围岩自稳时间较短，甚至不能自稳，开　挖后蠕动较快并发生滑塌。　２．３应力重分布　隧道开挖的过程也是地层内应力重新分布的过程，在隧道开挖　前，土体处于天然的应力平衡状态；隧道开挖后，土体原有的天然应　力状态被破坏，围岩应力在洞周一定范围内产生了重新分布。黄土　属于塑性围岩，当围岩应力超过其抗压强度后，产生径向塑性位移，　形成塑性区，释放一部分应力，另一部分向外传递；导致塑性区周边　继续产生塑性变形，塑性区向￣，ｌ，ｔ－ｒ大。随着塑性变形发展到一定程　度，围岩不断松动破碎，其粘结力和内摩擦角不断下降，围岩将出现　松动失稳破坏现象。　２．４施工扰动　天然状态下的土体有一定的结构连结，处于一定的平衡状态，隧　道开挖会扰动和破坏土体的天然结构，使得强度剧烈降低；局部超挖　会引起应力集中，而引起塌方。　２．５施工工艺的影响　作业循环时间长，土体暴露时间过长，不能及时喷浆封闭；坡脚　积水及淤泥难以清除干净，软化拱脚围岩及喷浆不密实，导致拱脚承　载力变差；钢筋网与围岩不密贴，喷浆不密实，初期支护与围岩间存　在空隙；超前管棚支护体系外插角度过大或过小，造成局部坍塌或管　棚侵入隧道净空而起不到应有的作用，台阶长度不合理及上下台阶　施工的相互干扰，造成上台阶拱脚悬空时间过长等，施工中存在的上　述问题都可能引起黄土隧道坍塌。　３．施工预防措施　３．１黄土隧道的施工，首先要搞好的是治水　在隧道进洞前就做好洞口边仰坡截水沟，维护边仰坡稳定，防止　地表水流人洞内；对洞内地下水采取排、堵相结合的措施：用喷射　混凝土迅速封闭开挖面（含掌子面），有效阻止地下水的渗出；对　渗出的地下水及时排走，防止浸泡拱脚、墙脚及隧底引起承载力　降低，如在上导坑开挖时，在两侧拱脚留有略带斜面的平台，保证了　拱脚不积水；对施工用水，要加强管理，合理布设水管，防止渗漏水，　ｆ杲持洞内排水畅通，施工废水及时排出，严防人为造成塌方。　３．２用小导管注浆超前支护　５Ｏ　科技资讯ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　棚架和锚杆作用，注浆起到的改善岩体力学参数作用，而达到固结止　水、预防坍塌的目的。　３．３采用环形开挖留核心土法，短进尺，少扰动开挖及下导坑左　右错进　软弱围岩隧道核心土有其不可替代的作用，它能减少开挖的临　空面，支撑掌子面土体稳定，又为初期支护提供一个自然的作业平　台。短进尺开挖施工充分利用掌子面约束周边土体变形的空间效　应，利于围岩稳定，也利于实现软弱围岩快支护的施工理念。新奥法　的原理就是充分利用围岩的自承能力，先用挖掘机环形开挖，周边采　用风镐开挖修整，局部欠挖采用洋镐或铁锹处理，尽量减小对围岩的　扰动，少破坏周边土体的自然结构，发挥围岩的自承能力；下导坑左　右错进，利用土柱及已施工支护的承载能力，避免上导坑初期支护双　侧悬空。一般环形开挖进尺为０．５－１ｍ，不宜过长，下台阶长度为洞　径的１．５倍。　３．４用湿喷法喷射砼封闭开挖面　喷射砼在灰骨比一定的情况下，水灰比是影响混凝土强度的主　要因素。干（潮）喷在喷咀处加水量的多少，是喷射手凭自己的经验　启闭阀门的大小而实现的，这就形成当水量大时会冲走灰骨料，并降　低强度；水量少时，物料粘不住，回弹量和粉尘都会增大。由此可见　干（潮）喷混凝土的水灰比带有较大的随意性其强度离散性较大，封　闭质量不稳定。湿喷法的混凝土按标准工艺生产后运至湿喷机进　行喷射，其配比完全处于受控状态，从而保证了喷射混凝土的质量。　３．３加强初期支护　通过钢拱架支撑、挂网、打锚杆等加强土体强度、围岩变　形及对围岩应力重新分布起到调整作用。　３．５快速、分步进行初期支护。　当黄土含水量达到１　５％以上时，在上部导坑实施开挖的过程　中，侧壁就会伴随着，Ｊ　的坍塌掉块现象，其实在这时候围　总体是　稳定的，因黄土的强度较低，垂直裂隙发育，随含水量增大，粘结力降　低，仅产生表面剥落现象，洞室开挖成型后，迅速初喷混凝土５ｃｍ厚　是必不可少的一道工序，首先它起到封闭围岩，延缓围岩风化，有效　阳Ｉ　地下水外渗的作用，在局部超挖处，用喷射混凝土将其补平，可　减少因超挖造成的应力集中而引起进一步的掉块、坍塌现象，在短　时间内能起到加固围岩的作用，为初期支护作业提供一个安全的操　作空间。　３．６仰拱紧跟，早封闭　仰拱及填充超前于衬砌，紧跟掘行作业，首先，能使全断面　初期支护尽早封闭成环，形成一个完整的受力结构，支护结构的　侧向变形；其次，能尽早地封闭隧底基岩面，避免地下水及施工废水　浸泡隧底及墙脚而降低土体承载力；另外，还可减少机械、车辆行走　对隧底的扰动，尽早提供硬化的行走道路，提高施工效率。　３．７通过现场监控量测信息指导施工，修订初期支护参数　隧道监控量测是现代化施工管理的重要组成部分，隧道的施工　是一个动态设计、动态施工的过程，提前预知围岩和支护的变形发　展趋势，预报险情，确保安全；又可合理评价既有支护及施工技术参　数，指导施工中优化支护及施工方案，亦为今后施工积累经验和依　据。　总之，黄土隧道施工必须坚持“先治水、管超前、短进尺、少　扰动、强支护、早封闭、勤量测”的原则，严格管理，精心组织，快　速施工，坚决避免坍塌事故的发生。