陈胜利
中铁一局集团第四工程有限公司陕西咸阳712000
摘要：沉降控制在砂质黄土隧道初期支护中具有重要作用，通过对支护沉降进行控制，提升砂质黄土隧道支护能力，从而避免发生隧道坍塌事件，确保项目施工的安全性。本文结合工程实例，对砂质黄土隧道初期支护的沉降控制进行简单分析。
关键词：砂质黄土；砂质隧道；隧道支护；沉降控制
一．引言
砂质黄土隧道是我国西北地区较为普遍的土质隧道，是难以修建且建成后病害较多的一类隧道。黄土隧道开挖后，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，开挖后极易发生掉拱、塌方现象。造成施工费用增加，施工进度减慢，严重情况下可能导致施工人员人身伤害或机械损失等现象。为此，施工中应高度重视黄土地质条件的影响，加强现场施工管理，切实做好隧道的支护工作，做好沉降控制，对于预防和避免塌方事故的发生具有重要意义。
二．工程概述
某工程Ⅰ标段起至DK2+050，止于DⅡK15+000，全长12.95km，主要工程为隧道、桥涵、路基、排水防护工程等。设计有1座隧道，起止里程DⅡK6+855～DⅡK9+185，全长2330m，设计围岩级别为Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级，其中Ⅳ级1515m、Ⅴ级374m；Ⅵ级441m。隧道穿越地层岩性主要为第四系全新统粉砂、细砂砂质黄土、砂夹泥岩等，砂质黄土具有Ⅱ级自重湿陷性，泥岩具弱膨胀性，遇水易膨胀、软化、失水收缩易开裂。
本工程位于内蒙古高原台地，大部分穿行河谷阶地及山前缓坡，地形起伏较大，相对高差100～200m，海拔1100～1300m。沟谷发育，多呈“U”型，河道宽阔，季节性有水。施工区域属于中温带亚干旱气候区，夏季炎热冬季寒冷，昼夜温差变化较大。标段线路远离既有公路，有乡间道路贯穿标段周边，沿线水电、地材匮乏；工程生活、交通条件较好，工点附近村庄较多。
三.砂质黄土隧道初期支护沉降变形原因
隧道施工中造成初期支护沉降变形的原因包括地质因素和人为因素，经现场勘查和分析，本隧道初期支护沉降变形主要为地质因素，其次也存在一定程度上的人为因素，存在施工方法不当和工序间距不合理等因素。
1.地质因素
此段地质情况复杂，围岩主要为砂质黄土、砂夹泥岩，岩质较软，承载力差，局部还存在大量风积沙堆积体，极易坍塌。开挖后，岩面松散，自稳性差，易产生流沙效应，造成拱顶漏斗形塌腔。
隧道进口左侧临近山沟，对洞身产生偏压，沟底渗水严重，加之此段属Ⅵ级浅埋地段，围岩稳定性极差。复杂的地质条件，引起了开挖后初期支护的沉降变形。
2.人为因素
(1)预留沉降量过小造成变形超界。隧道内的预留沉降量是在隧道初期支护至衬砌完成前的期间内，考虑到围岩荷载引起的下沉量或变形量，设计根据隧道界限要求预先提高的量。预留沉降量的大小，受地质、开挖方式、支护的构造和材质、开挖之后到衬砌之前经过的时间等因素控制，所以应该采用适合于现场条件的最小预留沉降量。同时，为防止超过预计的下沉量，必须在支撑拱脚设置垫板或浇筑基础混凝土，使其具有足够的支承力和较小的下沉量。
(2)施工方法不当。发生初期支护沉降变形的DⅡK6+855～DⅡK7+200段地质情况差，属Ⅴ、Ⅵ级浅埋软弱围岩地区，设计采用三台阶预留核心土法进行施工，下半断面采用跳槽、挖错开马口的方式开挖，尽量减小对周边围岩的扰动，初期支护双侧交错落底，避免上半断面两侧拱脚同时悬空。现场施工队伍在施工时没有完全按照设计施工，虽然采用三台阶台阶法施工，但下半段面开挖只分左右侧施工，没有进行跳槽、挖错开马口的方式开挖，因此引起围岩失稳，加快了初期支护急剧下沉和收敛。
(3)工序间距安排不合理。在雨季施工期间，地下水位变化，洞内渗水量增大，加剧了围岩的变形，导致围岩自稳能力变弱。加之初期支护和钢筋混凝土二次衬砌两工序间时间拉得太长，初支暴露时间过久，引起围岩松动、变形，也更进一步促进了初期支护沉降变形。现场应严格按照铁建设【2010】120号文件步距要求组织施工，确保工序间安全距离受控。
四.砂质黄土隧道初期支护沉降控制
1.合理选择处理方案
处理砂质黄土隧道初期支护沉降时，在确保安全的基本前提下，要及时采用应急加固措施，避免发生塌方事故。当初期支护出现急剧下沉或收敛严重、初支侵入二衬时，造成设计净空超限，应及时采用换拱法进行处理。为确保初期沉降变形能够及时有效的进行处理，结合具体情况分别采用加固处理法或换拱处理法进行控制。
本隧道按照“新奥法”原理组织施工，遵循“先探后掘、超前支护、缩短进尺、快速封闭、随时监测”的原则。Ⅳ级围岩采用台阶法、Ⅴ级围岩采用短台阶法、Ⅵ级围岩采用短台阶预留核心土法开挖。设计初期支护主要采用φ42超前小导管、φ108超前管棚配合型钢拱架、环向系统锚杆、网喷混凝土联合支护体系。
2.提高隧道初期支护能力
选用普通硅酸盐水泥，细度模数大于2.5的硬质洁净砂，粒径5～12mm的级配碎石（或卵石），经化验合格的拌合用水配制混凝土。混凝土喷射前，认真检查隧道断面尺寸,对超挖、欠挖部分及所有开裂、破碎围岩进行清除和处理，清除浮块和墙角虚碴，并用高压风冲洗岩面。喷射时，喷嘴做缓慢的螺旋形运动，使喷射料束运动轨迹呈环形螺旋式移动，旋转直径约20～30cm，自喷射面的下部开始，水平旋转喷射，喷料要一圈压半圈，喷至段尾时上移返回，同时要求一排压排，如此往复喷射。喷射混凝土终凝2小时后，进行养护，养护时间不少于14天。钢拱架间混凝土应喷射饱满、平顺，严禁出现排骨架。按设计要求加工钢筋网，随受喷面起伏铺设，并将钢筋网同系统锚杆固定牢固，钢筋网与受喷面的间隙以3cm左右为宜,砼保护层厚度应大于2cm。
3.加固处理
在原始初期支护背后，采用增加护拱的方式进行加固处理，更换型钢拱架护拱，拱架位置同原始初期支护拱架位置保持一致，从而构成双层拱架，提升支护能力，防止过度沉降，采用纵向钢筋连接型钢拱架使之成为一个整体。铺设钢筋网，将型钢拱架设计为封闭成环，降低变形能力。待围岩收敛稳定后，及时打入注浆导管，利用注浆加固围岩，使松散的围岩形成坚固的整体，提升围岩稳定性。
4.换拱处理
对已经侵入限界，造成二次衬砌厚度不足的初期支护段落全部采用换拱处理措施。因换拱将对已初稳围岩造成二次扰动，施工风险极大，稍有不慎就会引起围岩丧失承载力而发生坍塌。为确保安全，换拱时不得将每环置换范围内初期支护一次性全部拆除，分边按墙、拱腰、拱顶三步进行换拱处理，每步置换钢拱架、喷射混凝土施工完成后方可进行下一步换拱施工。环向临时支撑拆除后至施工二衬前的时间段为本次换拱方案的最薄弱环节，此时应力释放，初期支护承载能力偏弱而二衬又无法及时提供支撑，故此环节纵向长度不宜过长，施工时间尽可能缩短，每循环纵向长度不应大于2m，然后尽快完成该段落二衬施工，确保安全。在换拱过程中，要做好洞内、洞外监控工作，必须进行24h观测，出现问题时及时向有关单位进行汇报。
五．结束语
随着我国道路交通的快速发展，浅埋、偏压、湿陷性黄土隧道的设计与施工也将在今后日益增多。本文针对隧道初期支护沉降机理的探讨表明，砂质黄土隧道的初支沉降病害是可以有效控制的，通过现场病害处理实践，为后续类似工程施工奠定了坚实的基础。
参考文献：
[1]席浩,李绪干,时坚等.宝兰铁路苏家川大断面黄土隧道三台阶施工变形控制技术[J].隧道建设,2014,(7):679-684.
[2]高建国.铁路浅埋大断面黄土隧道设计与施工有关问题浅谈[J].交通世界（建养机械）,2011,(4):244-246
[3]张隽.砂质黄土隧道支护侵限段迈式管棚超前支护技术有效性分析[J].铁道建筑技术,2013,(12):65-68