湿陷性黄土隧道浅埋段围岩变形处理

胡少雷 徐永建 牛彦平

（中建七局第四建筑有限公司，陕西 西安 710000）

1 工程概括

该文以我国四川的某隧道为例，该隧道进口位于某山坡的东坡角段以及三级河流的过渡区域。隧道部分岩土的上坡段接近于黄土堆及区域，下半部分呈现出Ⅳ级的自重湿陷区域，隧道周围的围岩稳定性非常差。该隧道的出口段位于黄土梁区域的地区，地势非常陡峻，出口区域的岩石组成成分为严重的湿陷性黄土，呈现出Ⅳ级地自重湿陷区域，该地区的围岩稳定性非常差。该文就以该隧道工程为例，研究并应用了湿陷性黄土隧道围岩变形治理技术。

2 湿陷性黄土的工程特性

湿陷性黄土壤的性质较为特殊及土壤内部的组成结构较为疏松，孔隙发育较强。湿陷性黄土壤在没有经过水分浸湿时，其内部的强度较高，一般情况下不具有压缩性，但是当受水分浸湿并且承受外界的一定压力时，湿陷性黄土内部的结构会迅速地发生变形破坏，从而产生较大的外界压力，使土壤下沉，强度也会迅速降低。因此建设部门在湿陷性黄土区域内进行工程建设时，要根据建筑物的实际情况以及当地区域的外界环境，采取地基处理为主的综合建筑措施，避免地基坍陷对建筑工程产生危害。

在湿陷性黄土的整体结构中，粗粉和沙粒主要充当骨架，湿陷性黄土本身包括较少的沙粒，大多数沙粒无法直接接触，直接接触的基本上是粗粉颗粒。在该情况下，细粉末颗粒通常被用作黄土表面的填充材料，特别是在大颗粒与胶体位置的接触点处时，土壤中所含有的物理及化学物质及其他黏土颗粒都会集中在较大颗粒的接触点上。由于在外界条件的作用下，水泥自身会发生固化和结晶现象，因此随着时间的推移，水泥的牢固程度也会增加，湿陷性黄土的强度也得到了提高。并且当水泥暴露于水时，水泥会软化，严重时甚至会出现水泥消失。最终导致土壤的强度降低，最终发生公路塌陷。目前，我国大部分发生下陷的土壤或公路的大多数湿陷性黄土颗粒大多为淤泥。

3 围岩变形情况及原因分析

3.1 隧道围岩变形情况

在隧道进出口的工程实施时，在开挖过程进行到20 m～30 m时，发现隧道的进出口的坡面上张阶段及隧道拱部出现了局部的裂缝现象，隧道洞顶的表面也出现部分裂缝现象，并且随着隧道内部的开挖，裂缝现象也在逐渐增加。随着工程的逐渐进行，笔者发现洞穴内部裂缝的发育在逐渐加快，并且根据研究发现隧道仰坡面的裂缝现象有逐渐向洞口方向偏移的迹象，隧道进口也出现了多种裂缝现象，随着隧道顶部的下沉，没有呈现出减缓的趋势。研究发现隧道的顶拱下沉量大而收缩量小。

3.2 围岩变形的施工方法

在实际施工时，相关人员主要采取了边界主程序进行了前期的施工模拟力学计算分析。研究分析表明，在不考虑围岩的流变特征的情况下，采取前期制定的土壤开挖方式是安全可靠的。而实际施工条件表明，对于V 级的软弱围岩条件下的施工，需要解决的核心问题是施工初期的工程结构安全。在实际的施工过程中要保证地基具有足够的承载力，在进行隧道开挖过程中，要及时形成初期的闭合，以防止上台架拱架的悬空。

3.3 施工顺序

初步进行双台阶的开挖，高度控制在6 m 左右，宽度（若将预留的沉降量算起）控制在13 m 左右。在实际开挖过程中，采取人工配合机械的开挖方式进行。

3.4 围岩变形原因分析

造成围岩发生变形的最主要原因是当地自重湿陷性土壤的结构力差，稳定性较弱，并且其土壤内部的孔隙程度较差，在受到压力后容易发生变形及破坏。在该情况下，湿陷性黄土发生松软后，其压缩量及压缩系数较标准值较高。在洞穴隧道开挖过程中破坏了其原本的稳定性，从而形成隐性的滑动面。上台阶开挖过程中其地基承载力不足，上半面的隧道支护压力增加，就有可能发生变形及沉降，进而诱发下表面的裂缝发育。随着隧道掌子面的开挖施工进行，裂缝程度也在不断的增加，洞内整体向洞口发生滑移，如果处理不好的话，就有可能发生沉降的事故。

4 围岩沉降变形的处理方案

隧道洞内初期可能会发生较大的支护变形，隧道表面的裂缝发育现象，洞内初期的支护加固过程中，要确保已经开挖的部分安全稳定。如果开挖初期不能保证其施工的稳定性，在开挖后期有可能加速围岩的变形，从而导致后期土壤出现更大下沉。根据该工程的前期勘测情况，研究出了以下处理措施。针对于隧道上台阶施工，采用临时仰拱作为支撑，采取地表处理技术，笔者保证隧道内部已经开挖施工过程的稳定，待开挖稳定后采取洞内二次衬砌（如图1 所示）[1]。

图1 二次衬砌围岩施工顺序图

4.1 隧道洞里钢支撑临时加固

针对于隧道上台阶已经开挖过的部分，进行临时仰拱架的支撑保护。钢筋的选择为120A 的工字钢材料，临时的支护架以及环形刚架之间的距离控制在0.5 m 左右，保证其与初期的支护钢架对齐。由于环形钢架与元初期支护之间可能会存在一定的裂缝，因此，要用木楔或其他材料将该裂缝堵实，堵实之后再喷加混凝土以增强支撑的效果。

4.2 洞顶地表加固和减压卸载处理

由于一般处理方法不适合在湿陷性的黄土地段使用，该文所分析的工程，主要采取挖出洞顶裂缝的土体，以此减少洞顶的土地压力，从而避免由于土地压力过大而造成的隧道洞顶段滑坡。同时在灰土换填后浇筑C20 的普通混凝土，防止地表水渗透隧道周围附近，避免造成土壤坍陷事故的发生。一般情况下利用钢筋锚桩进行隧道地表的加固，浇筑混凝土也是经常采取的方式之一，施工人员也会采取铺设灰土防土层的方法来进行地表的加固，避免隧道地表发生下沉和坍陷，有效地阻止了隧道表面裂缝的发育，防止地表水对隧道周围围岩产生负面危害[2]。

5 隧道浅埋段为岩的变形控制

根据上文中所采用的措施，自实施以来相关部门也对隧道围岩情况进行了实时勘察，监测数据表明隧道上半部分的断面的拱顶每天会下沉1 mm～2 mm。采取上述措施以来，发现隧道表面的裂缝基本上已经停止了发育[3]。

6 下半断面及仰拱施工

当隧道实施上导坑基本形成稳定后，隧道洞口向内延申15 m以外的部分已经拆除了临时的支护和仰拱，并且进而实行下导坑的开挖和支护工作，施工完成后实现永久封闭。

7 监控量测

在进行隧道前埋段伟岩变形治理的过程中，相关人员也要对施工情况进行实时监测，如图2 所示。

主要监测的项目有隧道拱顶的下沉量、隧道周围围岩的位移量、隧道附近区域地表的下沉量以及在隧道内进行支护的设备状态及地质勘测等。同时相关施工人员也要加强对隧道围岩和支护状态稳定的监测，对其产生的数据信息进行统计分析，对隧道周围围岩的变形情况进行及时地维护和解决。

图2 层间压力监控测量测点布置图

8 结语

通过研究我国某工程的湿陷性黄土隧道围岩变形处理措施，得到了以下可以供相关部门及人员参考的建议。首先在施工过程要严格按照相关的规章制度，施工顺序要按照短进尺的原则进行，避免后期发生缺陷问题，同时当发现隧道周围围岩变形破坏情况较大，再采取措施后没有得到收敛时，需要采取临时的支护和加固措施，从而有效控制围岩变形。其次，施工过程中的地基的承载力要足够，在隧道下台阶进行开挖过程是要形成初期闭合状态，避免出现上台阶悬空现象。最后相关监测人要提高对于监测的重视程度，要实时记录围岩的变形类型及变形情况。对其产生的数据信息要进行收集统计与分析，以此为后期的措施提供参考。