浅谈富水黄土隧道施工技术
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摘 要：富水砂质黄土隧道，裂隙水发育，地质条件极差，围岩呈流～软塑状，施工难度大，风险等级高，为了预防富水黄土隧道施工发生大变形和坍塌问题，在高压旋喷桩加固地层的基础上，采用CRD法开挖，做好防排水和井点降水措施，开挖中采用侧壁大管棚加固预防垮帮。同时做好监控量测工作，及时反馈数据，验证支护结构效果，确认支护参数和施工方法的准确性，为调整支护参数和施工方法提供有力依据。
关键词：隧道；富水黄土；CRD法；井点降水；高压旋喷桩
中图分类号：U45 文献标识码：A
1 工程概况
某隧道起讫里程改为DK121+825～DK122+422，DK121+825～DK121+882由V级围岩暗洞变为明洞。洞身最大开挖高度10.39m，最大开挖宽度11.56m，洞身穿越自稳性差的第四系上更新统风积砂质黄土地层及强风化砂岩夹泥岩结构地层，第四系上更新统系砂质黄土为特殊岩土，出口端洞身DK122+305～DK122+422段主要位于含砂量较高的砂质黄土地层，且两侧存在较为发育的两大冲沟，隧道洞身通过富水性地段，地下水主要为基岩裂隙水，水位较高。
2 施工中遇到的问题
2.1 施工过程
隧道从出口端开始进洞，按原设计方案采用三台阶法施工，支护参数为：拱部超前支护采用φ42超前小导管，每根长4.5m，环向间距40cm，纵向每四榀钢架施作一环，钢支撑采用I18型钢钢架，间距0.8m，结合喷射混凝土及钢筋网片、径向锚杆进行联合支护。
在施工至DK122+384时，发现阶左侧拱腰部位渗水严重，地质条件恶化，监控量测速度达到-2.43～-6.46mm/d，累计变化量达到-7.87～-13.43cm。对DK122+370～DK122+305段进行变更，支护参数由V级围岩复合式加强衬砌调整为VI级围岩复合式衬砌，同时在隧道内每隔5米设置一处直径为50cm的渗水井，边墙拱腰部位每隔3～5米预埋3根PVC排水管，将地下水抽排至洞外。
上台阶施工至DK122+350.4时，在DK122+384处初支混凝土出现环向裂纹，最宽达5mm，根据监控量测数据反映结果发现DK122+370～DK122+394段量测速率为-4.78～-8.72mm/d，累计量测数据持续增大，围岩处于急剧变化状态，随即将掌子面立即封闭，并对洞内初期支护设置临时竖向支撑进行加固，同时仰拱跟进至掌子面附近，随后进入冬歇期，对洞内渗水继续降水。
第二年复工后，监测发现洞身出现整体性下沉，拱顶累计值下沉达到-36.17～-50.55cm，原有30cm预留变形量已被全部吃掉，最大侵限值达40.55cm，严重威胁隧道施工安全及后期运营安全。
2.2 原因分析
该隧道为典型的富水风积细砂黄土隧道，裂隙水发育，围岩呈流～软塑状，地质条件极差，是隧道变形持续变化最后出现整体性下沉的客观原因，而施工期内特别是冬歇期3个月内不断的降水是导致隧道出现整体性下沉的直接原因。
施工期间，洞内不断有地下水渗出，每天抽水量达16m3，由于土体中水分大量流失，土体中孔隙被压缩，原有平衡状态遭到破坏，致使隧道洞身周边围岩整体下沉，出现较为严重的初支侵限情况发生，通过对已施工完毕仰拱破解分析及第二次地质勘探资料显示，后碾房梁隧道该段落地层为富水地层，地下水位埋深约18.3～30.2m，位于隧道仰拱底面高程以下。
2.3 开挖方案
变更DK122+422～DK122+356段为路堑，同时根据地质补钻探结果调整制定专门的路堑基底处理、路堑排水方案。
鉴于DK122+305～DK122+350段所暴露土质均为新黄土，整体性和成拱能力较弱，裂隙水发育，由V级围岩调整为VI级围岩，开挖支护方法由三台阶法调整为CRD法，施工过程按有水黄土隧道做好防排水工作，确保洞内无积水，并对DK122+328～DK122+356段采用施作高压旋喷桩进行加固松散土质地层。
3 富水黄土隧道施工
施工中遵循“管超前、少扰动、短进尺、强支护、早封闭、勤量测、严治水、紧衬砌”的施工原则，紧凑施工工序，精心组织施工。整体施工方案是在高压旋喷桩加固地层的基础上，采用CRD法开挖加井点降水措施，开挖中采用侧壁大管棚加固预防垮帮。
3.1 开挖措施
3.1.1 有水黄土隧道施工必须保证上、中、下三个台阶的距离尽可能地缩短，各台阶间距离保持在5～10米范围内，尽量减少拱脚被浸泡的时间。同时缩短开挖进尺，上台阶每循环进尺0.5m，开挖后立即喷射8cm厚混凝土封闭掌子面，下台阶钢架接长采用跳槽法进行施工，每循环接长钢架榀数控制在1～2榀以内。
3.1.2 开挖时严禁超挖，以减少对围岩的扰动，如有超挖情况出现，需用同级别混凝土及时进行回填，严禁初期支护背后出现空洞，保证隧道围岩整体稳定性。
3.1.3 调整洞身开挖断面矢跨比，根据以往经验，在保证结构受力矢跨比≥0.3，可以提高支护结构稳定性能，确保隧道施工安全。
3.2 支护措施
3.2.1 钢架安装：提高钢架支护强度，将I18型钢钢架调整为I20型钢钢架，缩短钢架间距，由0.8m/榀调整至0.5m/榀，并增加锁脚的钻设数量，保证锁脚锚管与钢架间的焊接质量，提高钢架整体受力性能和稳定性，同时为防止钢架下沉，钢架底部须安放于稳定的基础之上，钢架底部基础剩余50cm采用人工开挖，并将钢架安放在30cm×30cm×5cm的混凝土预制块上，必要时可扩大拱脚基础，提高基础承载能力。
3.2.2 超前支护及注浆加固：掌子面土体松散软弱，自稳性能差，且地下水渗漏情况严重，为防止开挖后土体大面积坍塌掉快，在原设计基础上进行小导管注浆加密处理，在拱部130°范围采用双排超前小导管进行注浆加固，环向间距由40cm调整至20cm，这样可以使隧道的拱部超前小导管形成止水带，有效的止水，改良了隧道顶的土体结构，稳定了掌子面土体。同时对边墙初期支护背后土体采用预埋φ42超前小导管进行加固注浆，小导管呈梅花状布置，间距3m×2m。
3.3 高压旋喷桩加固地层
对DK122+328～DK122+356段受地下水影响较大，且隧道洞身穿越地层为湿陷性砂质黄土覆盖，土体软弱，自稳性差，采用高压旋喷桩地基加技术措施，通过高压喷射水泥浆液以固结湿陷性土体，重组土体结构，改善土的变形性质，从而减少基础沉降，提高了土体的自稳性，通过固结原理和挤压作用达到消除黄土的湿陷性目的，同时也可起到阻截地下水流，减少振动，防止液化或流砂等作用。
高压旋喷桩布置方式：桩基纵横向间距均为1.2m，梅花型布置。成桩范围：从拱顶以上3m处至基底全风化砂岩夹泥岩地层不小于1m，桩径0.5m。
加固宽度：隧道中线左右侧各9m。施工参数：水灰比1：1；喷射压力：20Mpa；钻头旋转速度：22r/min；钻头提升速度25cm/min；浆液流量：100L/min。旋喷施工顶部桩长应有一定的预留量，以便保证桩长及桩身顶部质量，桩顶部应保证足够厚度的埋深，以保证旋喷效果。
3.4 监控量测措施
做好监控量测工作，及时反馈数据，验证支护结构效果，确认支护参数和施工方法的准确性，为调整支护参数和施工方法提供有力依据。
3.5 防排水和降水措施
黄土隧道一旦遇水，就会使土体呈现不同程度湿陷性，围岩软化，造成支护结构基础被水浸泡软化，支护变形，甚至发生下沉侵限情况，因此黄土隧道必须做好防排水工作。
3.5.1 洞外防排水施工：在洞口施工前应先做好截（排）水沟，截水沟设置在开挖线10m以外。洞顶截水天沟底部从基础采用三七灰土换填，换填厚度为30cm，截水沟与路基排水系统做好衔接，将截水天沟内水引入路堑排水沟内。
3.5.2 洞身防排水主用通过设置降水井，并采用无砂管抽水的方式进行排水。第一、二部（上部左、右侧导坑）开挖高度宜至富水层标高上1.0m处；以下开挖高度分为两次开挖，降低一次开挖高度以预防垮帮。在一、二部（上部左、右导坑）开挖和初期支护完成后，即在隧道渗水量较大一侧开挖积水井，采用井点降水方案将地下水位降至仰拱底2.0m标高。在上台阶掌子面附近设置排水横沟，将拱脚处积水引至隧道中间集水井，然后将通过开挖中部纵向排水沟将集水井内的积水逐步抽排至洞外。积水井可采用无砂管周围加小石子围护。
3.5.3 在渗水量较大地段，通过在隧道拱腰边墙部位每隔3～5米预埋3根50cm长泄水盲管，使得初期支护背后地下水能够通过泄水管路及排到隧道中部集水井，降低水力坡度，减少初期支护背后承受压力。
3.6 侧壁大管棚加固
在隧道开挖过程，由于饱和土仍呈现流朔状态，导致坑壁大面积跨邦，造成上部右侧初期支护喷射混凝土出现环向裂缝三条，纵向裂缝两条，裂缝最大宽度达10mm。监控量测表明拱顶下沉最大达-26.4mm/d，周边收敛变形达-98.0mm/d。
为保护围岩，限制其变形，在隧道右侧既成初期支护轨面上2.5m～3.0m处打设两排108#侧壁大管棚，管棚钢管长10.0m，纵向间距0.5m，上下两排共打设钢管20根。同时对于隧底软基，除采取必要的换填加固措施外，并预埋钢花管以备以后对基底进高压注浆加固。
3.7 仰拱及衬砌施工
严格按照铁道部（120号）文件要求，控制仰拱及二衬与掌子面的施工距离，二衬距离掌子面不大于50米为宜，仰拱直接施工至下台阶掌子面附近。对于大断面砂质黄土隧道，及时施作仰拱及二次衬砌，能够使隧道洞身支护结构及早闭合成环，形成稳定的支护结构体系，有效抑制围岩收敛变形，确保隧道施工安全和运营安全。
4 体会和总结
该隧道是典型的富水砂质黄土隧道，目前该隧道已经顺利贯通，通过该富水砂质黄土隧道施工，主要体会及结论如下：
4.1 在富水砂质黄土隧道施工中，对于地下水的处理，要根据实际情况而定，同时在排水过程中严格按照监控量测规范要求，做好监控量测作业，对隧道施工进行动态管理，确保隧道施工安全。
4.2 富水砂质黄土隧道施工必须严格执行“管超前、勤排水、短台阶、短进尺、留核心、强支护、早封闭、勤量测、快成环、紧衬砌”的原则。
4.3 开挖时要注意控制开挖进尺和超欠挖，在上半断面施工支护完成并进行下部开挖时，拱脚位置应预先采取加固措施，增设锁脚锚管，防止由于下部开挖拱脚失稳拱架下沉引起坍塌（对锁脚锚管的施工质量须高度重视） 这样可以有效保持拱顶稳定， 保证人员安全。
4.4 施工中一定要重视地质的变化，针对不同的地质条件，采取相应的施工支护措施。
4.5 富水砂质黄土隧道围岩及初期支护变形过大，又难以及时补强时，可提前施作二次衬砌，以改善施工阶段结构的受力状态，此时二次衬砌应予以加强。
4.6 可根据地质变化合理放大预留变形量，增加锁脚锚管、扩大拱脚基础、增设支撑垫板，并结合CRD法稳步施工。
4.7 严格控制仰拱施工步距，及早使初期支护闭合成环，提高结构整体受力性能，且衬砌应紧跟，衬砌与上台阶掌子面距离控制在40m以内，以确保施工安全。
5 施工建议
5.1 实践证明，利用高压旋喷桩技术对湿陷性黄土进行加固的效果是显著的，大大改善了湿陷性黄土地基的不良工程地质病害，又极大地提高了隧道基底承载力，高压旋喷桩用于富水砂质黄土。不仅起到了加固地层及防渗的效果，而且加快了施工进度，确保了隧道施工的安全可靠性，有很大的推广价值。
5.2 对于大跨度、浅埋偏压、富水黄土隧道， CRD法是一种非常有效的施工方法，CRD法通过将断面分块，使支护结构从上至下，环环相扣，及时封闭，达到减小开挖跨度和降低开挖高度，缩短了各分块断面的封闭时间，有效阻止围岩下沉和收敛变形，从而保证了隧道施工安全。
5.3 对地质条件极其复杂地段，应适当放大预留变形量，建议此类富水砂质黄土双线隧道预留30～40cm变形量，具体预留值还需根据现场围岩实际情况及监控量测数据确定。
5.4 在施工中要做到紧跟衬砌，随挖随支，尽量缩短衬砌距离，减少围岩暴露，提高初期支护参数，必要时对边墙及拱部进行注浆加固，保障安全。
5.5 在发现围岩收敛、沉降速率较大时，应停止施工，分析原因，并及时封闭掌子面、增设临时支撑、对初支背后围岩进行径向注浆加固，待变形稳定后再行施工。
5.6 加强施工用水控制，保持排水畅通，严防地基软化引发的坍塌事故。
5.7 侧壁大管棚加固时保护围岩，限制隧道和围岩变形的有效手段。
参考文献
[1]周小斌.大跨富水黄土隧道的工程特性与施工技术研究[J].