毛亚龙
中铁隧道集团二处有限公司 河北 燕郊065201
摘要：银西铁路上阁村隧道位于甘肃省宁县黄土坮塬区，塬边沟壑发育，支沟下切较深，不良地质现象多发。隧道修建过程中，陆续发生过5次塌方，6次较大变形，施工风险高，施工难度大，工期任务紧。经历长时间科研攻关和技术总结，上阁村隧道在预定时间内高质量、零风险贯通，在此将施工中的关键技术做以总结，为相关工程提供参考。
随着我国高速铁路“八横八纵”网络的不断完善，西部地区已成为铁路建设的主阵地。尤其近些年“脱贫攻坚”政策的提出，完善高铁网络，加快贫困地区经济发展，方便人民出行已成为带动贫困地区发展的主要途径之一。银西铁路作为宁夏地区首条高速铁路，使宁夏地区并入国家高铁网路，支持陕甘宁革命老区经济发展，充分发掘红色旅游资源具有重要意义。上阁村隧道作为全县Ⅰ类高风险隧道，工程地质情况特殊、施工风险较大，施工难度较大，安全隐患明显，成为全线控制性工程[1-3]。
1 工程背景
1.1工程地质情况
新建银西铁路上阁村隧道位于甘肃省庆阳市宁县焦村乡境内，属黄土台塬区，以董志塬为主体，地形平坦开阔，由塬面中心向四面缓倾，西高东低。塬边沟壑发育，支沟下切较深，多为“V”字形，两岸边坡高陡，多发育滑坡、错落、溜坍和黄土陷穴等不良地质现象，重力地貌特征明显。起讫里程为DK207+517.55～DK214+300，全长6782.45m。原设计1座斜井，因施工难度大，工期不能满足要求，后增加至4座斜井。
隧道纵坡为25‰的单面上坡，隧道最大埋深102m。其中DK208+380～DK212+250通过软塑黄土层及地下水影响段，长3870m，第四系中更新统风积黏质软塑黄土，垂直节理发育，水敏性强，含水率高（27～33%）呈软塑状态，开挖后初支面滴水、渗水严重，局部有线状和股状水。掌子面稳定性极差，极易发生变形、坍塌，施工难度大，安全风险高，严重影响隧道施工进度，最终成为制约银西铁路全线贯通的控制性工程。
1.2工程特点
上阁村隧道大地构造单位属中朝准地台的陕甘宁坳，该区以深厚的黄土覆盖，下伏第三系红黏土，白垩系为基底岩层，产状水平为主，褶皱和断裂不发育。穿越段洞身主要地层以第四系上更新统风积黏质黄土为主，垂直节理发育，直立性强，具湿陷性，围岩级别均为IV、V级围岩，软弱围岩，开挖施工方法为三台阶临时仰拱、三台阶预留核心土法和CRD法。隧道中部基底处于软塑性黄土中，地基承载力不足，洞内开挖时还需对基底进行钢管桩灌注混凝土进行加固处理，周期长，施工进度指标减弱。若采用双头对打的施工方式，存在极大的施工风险，故此只能采取在隧道中部增加斜井以增加工作面的方式组织施工。
2 施工难点
根据前期勘察结果，结合施工过程遇到的具体问题，归纳总结了如下施工难题：
（1）作为大断面浅埋黄土隧道，在大段落浅埋施工时，宜诱发地表沉降，尤其在黄土洞穴、地面塌陷处。汛期来临时，雨水入渗引起黄土结构性发生破坏，发生湿陷变形，引起地面沉降的同时可能造成下渗影响隧道围岩含水情况，易造成坍塌。
（2）依托工程地下水类型主要为第四系松散层孔隙潜水，主要分布于黄土塬上部，地下水埋深50～70m，隧道穿越段为弱富水区，隧道支护过程中，极易诱发突然坍塌，沟谷浅埋段，长时间停工，春融期雪水下渗等易发。
（3）隧道拱顶上20米范围为软塑层，该层土体厚度较厚、含水率较大，当隧道开挖后，围岩卸载诱发围岩裂隙扩展，从而导致软塑层水分下渗，开挖面力学强度降低，上覆围岩压力增加。
3 解决措施
施工过程中，反复专家论证，从开挖工法、初期支护防沉降措施两方面进行了优化，并利用监控数据针对措施进行评价，认为采取的措施可行。
3.1开挖工法优化
3.1.1工法优化
软弱富水段大断面黄土隧道，围岩自稳能力差，极易发生垮塌，中、下台阶一次开挖高度较高，台阶中上部正面及侧面容易失稳，台阶上部超挖巨大，且操作不便，效率较低，施工安全风险高。经综合考虑，将原三台阶施工工法优化为四台阶工法进行施工，优点如下：
（1）将三台阶优化为四台阶，在开挖时降低了每个台阶的高度，每节拱架单元重量减轻，施工时方便快捷；
（2）台阶高度降低，土体稳定性增强，安全隐患降低且减少中下台阶上部超挖量，节约喷砼成本。
（3）中上、中下台阶采用微台阶，支护能够及时跟近，做到初支结构及时成环。
3.1.2 循环进尺
Ⅴ级围岩每循环开挖进尺宜为1榀钢架，中、下台阶错进开挖每循环开挖进尺不宜大于2榀钢架间距，仰拱开挖支护每次不大于3榀。
3.1.3 台阶高度和长度
四台阶法施工上台阶高度主要考虑上台阶掌子面的稳定性，考虑拱架长度和分节（每节拱架的长度和重量方便人工拼装作业），其台阶高度不宜过高，综合考虑后上台阶高度约4m，使用预留核心土平台施工；中上、中下台阶及下台阶考虑围岩稳定性，人工施钻、立拱架安全快速，考虑总体成环后初支受力稳定性，其台阶高度不宜相差过大。中上、中下台阶及下台阶高度均约2.5m。
3.1.4 工法控制要求
⑴施工时坚持“管超前，短开挖、强支护、快成环、早封闭、勤量测”的原则，加强监控量测，监控量测资料作为后续初期支护施工的依据，必要时设计应及时调整相关参数。
⑵施工中应加强支护及早封闭成环，优化工序工法，加强机械配套，实现安全快速施工，尽量减少工法的频繁转换。
⑶软塑黄土隧道变形突发性强、破坏性大，建立完善监控量测、含水率测试系统，根据反馈信息及时修正设计参数、施工工艺。
3.2初期支护防沉降措施
由于黄土隧道拱脚承载力普遍较低，加上高含水率或裂隙水的影响，容易发生屈服形成塑性区，易出现快速收敛和沉降，造成初支结构受到破坏，极易诱发塌方。采用拱脚下垫槽钢、扩大拱脚基础的方式增大受力面积，改善拱脚受力集中的现状，减小初支沉降量，取得了明显效果。
3.2.1 拱脚扩大基础
（1）在立拱时每个台阶拱脚处垫设36a槽钢，槽钢长度40cm/节，增大拱脚受力面积，槽钢可重复利用。
（2）台阶结合部拱脚背后设置扩大拱脚，对拱架外侧50cm，高度100cm范围内（如下图所示）做超挖处理，立拱完成后立即采用C25喷射混凝土对超挖部位喷射密实，以增大拱脚受力面积，并增加初支支护与围岩之间的咬合，减少沉降。大拱脚为锐角时掏挖易坍塌且受力结构不好，会产生明显的剪应力，建议将锐角改为钝角或直角。
3.2.2优化锁脚锚管与拱架连接方式
通过现场施工质量检查，发现锁脚锚管和拱架采用“L”筋焊接连接的质量取决于焊工的水平，焊接不牢固易出现脱焊的现象，给施工留下严重质量和安全隐患。因此现场优化了锁脚和拱架的连接方式，锁脚向下45°穿过导向孔打设，通过导向钢板将锁脚锚管和拱架连接。
3.2.3洞内引排水
做好初支施工过程中的引排水设施，及时引排拱脚积水。拱顶初支完成段落股状出水点采用防水板引流到已施工仰拱衬砌的部位，通过隧道排水系统排除洞外。仰拱端头设临时集水坑，及时抽排积水，避免长时间浸泡仰拱基底。应避免围岩暴露时间过长。因故停工时应及时封闭掌子面，并预埋排水管引排掌子面内承压水。
3.2.4 缩短台阶长度，仰拱快速封闭成环
每个台阶长度尽量控制在3～4m，仰拱初支紧跟下台阶，实现初支快速封闭成环，尽快形成封闭的受力结构，减少沉降变形引起的风险。
3.2.5 径向注浆
设注浆班组，将径向注浆纳入工序管理，每循环初支完成后及时进行初支背后径向注浆，以将初支背后松散土体形成加固圈，减少围岩对初支的压力。
3.2.6 Φ89大锁脚
对于沉降变形超出红色预警段落，在每榀钢架中上、中下台阶拱脚部位每侧打设2根Φ89锁脚锚管，单根长6m，打设完成后采用1:1的水泥浆注浆，压力1～1.5MPa。必要时在锁脚锚管上部施做纵梁，拱架、纵梁及锁脚共同受力，减少不均匀沉降。
4效果评价
由监控量测数据分析得出，沉降比较明显的阶段发生在中下台阶每次开挖后，下接拱脚时，以及开挖仰拱后施做仰拱钢架时。仰拱封闭成环后，量测数据基本稳定。当拱顶沉降每天10mm时加密观测频次；当沉降或收敛每天达到20mm时，暂停掌子面掘进，缩短台阶，压缩封闭成环步距，加快仰拱封闭成环速度；当速率超过30mm/d时，累计沉降达到200mm，立即采取临时加强措施。
5结论
通过对软塑黄土高风险隧进行一系列研究，得到如下结论：
（1）浅埋黄土隧道施工过程中，在黄土洞穴、地面塌陷处等地质高风险段落，宜诱发地表沉降。尤其当雨水入渗引起黄土结构性发生破坏，发生湿陷变形，引起地面沉降的同时可能造成下渗影响隧道围岩含水情况，易造成坍塌。
（2）软弱富水段大断面黄土隧道，围岩自稳能力差，极易发生垮塌，降低台阶高速、减小开挖断面面积，减小开挖进尺能够显著降低施工风险。
（3）采用拱脚下垫槽钢、扩大拱脚基础的方式增大受力面积，改善拱脚受力集中的现状，减小初支沉降量，取得了明显效果。
参考文献：
[1]马新民.银西高铁特殊地层隧道修建技术研究与应用[J].中国铁路,2020(12):111-121.
[2]赵永虎,白明禄,马新民,谢君泰,米维军.地表注浆在浅埋大断面黄土隧道中的应用研究[J].铁道工程学报,2019,36(07):48-51.
[3]孟祥连,夏万云,周福军,巨小强.银西高铁董志塬地区黄土工程特性分析研究[J].铁道工程学报,2016,33(12):24-28.