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【摘 要】介绍隧道采取控制施工工法、加强拱脚处理、增加基底承载力等措施有效的控制了隧道的拱顶下沉，确保了施工安全，实现了黄土隧道快速掘进，工期得到保证。
【关键词】黄土隧道；沉降控制；措施；应用
通过对黄延高速公路扩能工程黄土隧道的施工和学习，结合LJ-16合同段洞子梁隧道进口湿陷性黄土隧道的工程特点，采取控制施工工法、加强拱脚处理、增加基底承载力等措施有效的控制了隧道的拱顶下沉，对类似工程有一定的借鉴作用，这里遇大家共同分享一下。
一、工程概况
LJ-16合同段洞子梁隧道进口地质为第四系上更新统黄土地层，黄土具湿陷性，场地湿陷等级为Ⅳ级为自重湿陷，湿陷性土层厚度约20～25m。洞身下穿Q3砂质黄土浅黄、灰黄色。围岩土质均一，颗粒以粉粒为主，土质较松散，虫孔及针孔状孔隙发育。掌子面潮湿，有渗水现象。地表多个陷穴和冲沟，按照小里程向大里程方向，隧道穿过古陷穴埋深12.2m、第一个冲沟埋深20m、第二个冲沟埋深23m，洞内含水率20%～33.5%，承载力70～158Kpa。施工过程中监控量测数据显示拱顶下沉累计为180～390mm。
二、黄土隧道工程特征总结
1、围岩变形量大：黄土隧道的地质特性是竖直节理发育，在施工中表现为隧道拱顶下沉大，而周边收敛小，甚至出现负值（即净空变大）。经过对某隧道61个监控量测断面的数据进行统计分析得：水平收敛总量-67.4～63.8mm，拱顶下沉总值为70.5～388.4mm。
2、变形快且变形速率高：根据现场施工总结：隧道开挖后一般6～8小时内围岩基本处于稳定状态，之后出现极具变化状态。中台阶、下台阶及仰拱开挖对围岩沉降影响很大。上台阶开挖后下沉速率为1.0～22mm，持续3天后速率明显下降，中、下台阶开挖时速率基本又回到15～28mm。
3、地基承载力差：隧道在仰拱开挖过程中，地基承载力为70～90KPa，承载力不足对隧道的开挖成洞性及围岩变形都有影响。黄土围岩土体压缩性较低，一般属于中、低压缩性土体，故而在一定条件下的变形是有限的，有限的变形不能平衡应力重分布时就会产生松动，故造成仰拱施工后，基础下沉。
4、蠕变加突变：初期支护封闭后，仰拱施工完成，开始变形较为平稳缓慢，但由于后续工序对围岩的扰动与洞顶压力等作用下，造成初期支护开裂，喷射砼剥落，极易发生失稳现象。
5、围岩遇水，变形加剧：砂质黄土遇水状态下，强度极低，且遇水渗流处，极易脱落掉块，围岩变形较大。其主要原因：水敏感性对黄土的力学特性至关重要，黄土具有较好的亲水性。黄土垂直方向的渗透系数大于其水平方向的渗透系数，故而地下水垂直渗透较快，造成隧道很快湿水、渗漏，隧道围岩迅速被水软化，开裂、坍塌，进而失去承载力，严重造成隧道变形现象。
三、沉降控制措施总结
经过对黄土隧道的工程特征进行总结分析，我们认为虽然预留沉降量一直控制在40cm，施工过程中没有出现初支侵入二衬净空的现象，但是沉降量过大必然导致洞顶山体被拉断，进而导致洞顶的山体的自重力完全作用于初期支护上，增加的初支的荷载，存在较大的安全隐患。因此控制拱顶沉降是黄土隧道施工的首要任务。施工过程中主要采取了以下措施：
1、严格按照工法施工，控制步距和红线
严格按照“三台阶临时仰拱法”施工，控制各台阶的长度。落实红线距离，即掌子面至仰拱的红线控制在35m以内，掌子面至二衬的红线控制在50m。
经过对61个监控量测断面的数据进行统计分析得出：上台阶开挖至中台阶开挖间隔时间在2～9天拱顶下沉情况见图1。通过对相同间隔时间内所以观测点进行取平均值后得到关系图2。
图1.上台阶工后下沉与时间关系
图2.下沉平均值与时间关系
由上图可得出：中台阶开挖时间应该控制在上台阶开挖支护完成后3～7天内完成。根据测量学《误差理论》的相关知识可以虚拟函数Y=84.41e（-1.76/x），上台阶施工过程中的极限值应为82.41mm。
根据上述方法分析下台阶开挖间隔时间得出：下台阶开挖应控制在中台阶开挖支护完成后1～13天内，虚拟函数Y=103.86e（-4.05/x），中台阶施工过程中拱顶沉降极限值应为103.86mm，详见图3。
图3.中台阶工后沉降与时间关系
仰拱施工完成后，拱顶下沉速率有明显的减小的趋势。详见图4。
图4.仰拱施工完成后拱顶沉降图
根据上述方法分析可得：仰拱施工应控制在下台阶施工完成后的10天之内，下沉的极限值应为50mm。
2、加强拱脚处理措施
（1）原设计每处拱脚施做2根锁脚锚管，施工中增加为4根
在一定程度上砂浆锚杆的施工制约了喷射混凝土和钢架支护的最佳时机，使变形量增加。在此情况下锁脚锚管的加强尤为重要，即可以防止拱脚收缩和掉拱，又可对下部开挖起到超前支护作用，减少变形量。本隧道采用三台阶开挖，每个台阶拱脚处相应增加锁脚锚管来抵抗沉降，锁脚锚管采用φ50*4mm热轧无缝钢管，长5m，每处打2根，全环共12处，锁脚锚杆与钢拱架紧密贴焊，与初期支护有效连接为一整体。
（2）在上中下三台阶各拱脚处增加2跟I20b纵向连接器
主要作用：使所有拱架连接形成一个整体，在中台阶、下台阶和仰拱开挖过程中，通过连接器控制悬空拱架的下沉变形。
（3）上、中台阶拱脚处设置扩大拱脚，详见图5
隧道含水率一直处在20～33.5%，而承载力不超过150Kpa。为有效的控制拱顶沉降，在上、中台阶拱脚处设置扩大拱脚，增大拱脚的受力面积。
YK116+470～YK116+490段未采取上述措施，拱顶下沉为252.6～388.4mm。YK116+490～YK116+510段采取措施后，拱顶沉降为70.5～238.6mm，可以得出采取措施后最大累计沉降比未采取措施的最小累计沉降还要小。
图5.扩大拱脚大样图
3、加强仰拱基底承载力
隧道开挖仰拱时，由于仰拱处含水率非常大，地基承载力较小，严重影响了基础的承载力及下沉的控制，现场施工中采用置换仰拱基底50cm湿陷性土层为砂砾石，可扩散附加应力，减小沉降量，提高地基土的承载能力。
四、施工注意事项
在软弱围岩土体中，三台阶七步开挖法是防止坍塌的一种较好施工方法，为使该方法行之有效，在应用中必须注意：
1、锁脚锚杆在黄土隧道施工中是防止沉降最有效的措施，要保证锚杆与拱架紧密贴焊为一整体，锚杆注浆要饱满，使其与岩体锚固力达到要求。
2、保证立拱质量，注意螺栓松紧质量和连接筋的焊接质量。
3、确保钢筋网与围岩紧密相贴，钢筋网必须连接牢固，否则喷射砼时会使钢筋网发生振动而降低喷射砼的质量。
4、通过打拱脚锚杆或扩大拱脚来加固拱脚，加强纵向连结，使初期支护与围岩形成完整体系。
5、中下台阶施工要求单侧落底或双侧交错落底，避免上半断面两侧拱脚同时悬空。
6、减少上下台阶施工的相互干扰，并及时封闭成环。
7、找出每道工序的合理施工时间，各工序严格按规定时间进行控制，缩短循环作业时间，减少开挖面土体的暴露时间。
8、及时监控量测围岩，观察拱顶、拱脚的收敛情况，据此调整初期支护参数。
五、结束语
通过研究浅埋富含水黄土隧道施工特点，对某隧道三台阶七步开挖法进行施工，采取各项措施加以控制沉降，并及时总结和进行论证，解决了施工中诸多技术难题，施工有序可控，确保了施工安全，实现了黄土隧道快速掘进，工期得到保证。施工中采用的新工艺和技术保证措施，对其他黄土及地质复杂的软岩隧道施工具有参考价值。谈的不妥之处，请大家批评指正。
【关键词】黄土隧道；沉降控制；措施；应用
通过对黄延高速公路扩能工程黄土隧道的施工和学习，结合LJ-16合同段洞子梁隧道进口湿陷性黄土隧道的工程特点，采取控制施工工法、加强拱脚处理、增加基底承载力等措施有效的控制了隧道的拱顶下沉，对类似工程有一定的借鉴作用，这里遇大家共同分享一下。
一、工程概况
LJ-16合同段洞子梁隧道进口地质为第四系上更新统黄土地层，黄土具湿陷性，场地湿陷等级为Ⅳ级为自重湿陷，湿陷性土层厚度约20～25m。洞身下穿Q3砂质黄土浅黄、灰黄色。围岩土质均一，颗粒以粉粒为主，土质较松散，虫孔及针孔状孔隙发育。掌子面潮湿，有渗水现象。地表多个陷穴和冲沟，按照小里程向大里程方向，隧道穿过古陷穴埋深12.2m、第一个冲沟埋深20m、第二个冲沟埋深23m，洞内含水率20%～33.5%，承载力70～158Kpa。施工过程中监控量测数据显示拱顶下沉累计为180～390mm。
二、黄土隧道工程特征总结
1、围岩变形量大：黄土隧道的地质特性是竖直节理发育，在施工中表现为隧道拱顶下沉大，而周边收敛小，甚至出现负值（即净空变大）。经过对某隧道61个监控量测断面的数据进行统计分析得：水平收敛总量-67.4～63.8mm，拱顶下沉总值为70.5～388.4mm。
2、变形快且变形速率高：根据现场施工总结：隧道开挖后一般6～8小时内围岩基本处于稳定状态，之后出现极具变化状态。中台阶、下台阶及仰拱开挖对围岩沉降影响很大。上台阶开挖后下沉速率为1.0～22mm，持续3天后速率明显下降，中、下台阶开挖时速率基本又回到15～28mm。
3、地基承载力差：隧道在仰拱开挖过程中，地基承载力为70～90KPa，承载力不足对隧道的开挖成洞性及围岩变形都有影响。黄土围岩土体压缩性较低，一般属于中、低压缩性土体，故而在一定条件下的变形是有限的，有限的变形不能平衡应力重分布时就会产生松动，故造成仰拱施工后，基础下沉。
4、蠕变加突变：初期支护封闭后，仰拱施工完成，开始变形较为平稳缓慢，但由于后续工序对围岩的扰动与洞顶压力等作用下，造成初期支护开裂，喷射砼剥落，极易发生失稳现象。
5、围岩遇水，变形加剧：砂质黄土遇水状态下，强度极低，且遇水渗流处，极易脱落掉块，围岩变形较大。其主要原因：水敏感性对黄土的力学特性至关重要，黄土具有较好的亲水性。黄土垂直方向的渗透系数大于其水平方向的渗透系数，故而地下水垂直渗透较快，造成隧道很快湿水、渗漏，隧道围岩迅速被水软化，开裂、坍塌，进而失去承载力，严重造成隧道变形现象。
三、沉降控制措施总结
经过对黄土隧道的工程特征进行总结分析，我们认为虽然预留沉降量一直控制在40cm，施工过程中没有出现初支侵入二衬净空的现象，但是沉降量过大必然导致洞顶山体被拉断，进而导致洞顶的山体的自重力完全作用于初期支护上，增加的初支的荷载，存在较大的安全隐患。因此控制拱顶沉降是黄土隧道施工的首要任务。施工过程中主要采取了以下措施：
1、严格按照工法施工，控制步距和红线
严格按照“三台阶临时仰拱法”施工，控制各台阶的长度。落实红线距离，即掌子面至仰拱的红线控制在35m以内，掌子面至二衬的红线控制在50m。
经过对61个监控量测断面的数据进行统计分析得出：上台阶开挖至中台阶开挖间隔时间在2～9天拱顶下沉情况见图1。通过对相同间隔时间内所以观测点进行取平均值后得到关系图2。
图1.上台阶工后下沉与时间关系
图2.下沉平均值与时间关系
由上图可得出：中台阶开挖时间应该控制在上台阶开挖支护完成后3～7天内完成。根据测量学《误差理论》的相关知识可以虚拟函数Y=84.41e（-1.76/x），上台阶施工过程中的极限值应为82.41mm。
根据上述方法分析下台阶开挖间隔时间得出：下台阶开挖应控制在中台阶开挖支护完成后1～13天内，虚拟函数Y=103.86e（-4.05/x），中台阶施工过程中拱顶沉降极限值应为103.86mm，详见图3。
图3.中台阶工后沉降与时间关系
仰拱施工完成后，拱顶下沉速率有明显的减小的趋势。详见图4。
图4.仰拱施工完成后拱顶沉降图
根据上述方法分析可得：仰拱施工应控制在下台阶施工完成后的10天之内，下沉的极限值应为50mm。
2、加强拱脚处理措施
（1）原设计每处拱脚施做2根锁脚锚管，施工中增加为4根
在一定程度上砂浆锚杆的施工制约了喷射混凝土和钢架支护的最佳时机，使变形量增加。在此情况下锁脚锚管的加强尤为重要，即可以防止拱脚收缩和掉拱，又可对下部开挖起到超前支护作用，减少变形量。本隧道采用三台阶开挖，每个台阶拱脚处相应增加锁脚锚管来抵抗沉降，锁脚锚管采用φ50*4mm热轧无缝钢管，长5m，每处打2根，全环共12处，锁脚锚杆与钢拱架紧密贴焊，与初期支护有效连接为一整体。
（2）在上中下三台阶各拱脚处增加2跟I20b纵向连接器
主要作用：使所有拱架连接形成一个整体，在中台阶、下台阶和仰拱开挖过程中，通过连接器控制悬空拱架的下沉变形。
（3）上、中台阶拱脚处设置扩大拱脚，详见图5
隧道含水率一直处在20～33.5%，而承载力不超过150Kpa。为有效的控制拱顶沉降，在上、中台阶拱脚处设置扩大拱脚，增大拱脚的受力面积。
YK116+470～YK116+490段未采取上述措施，拱顶下沉为252.6～388.4mm。YK116+490～YK116+510段采取措施后，拱顶沉降为70.5～238.6mm，可以得出采取措施后最大累计沉降比未采取措施的最小累计沉降还要小。
图5.扩大拱脚大样图
3、加强仰拱基底承载力
隧道开挖仰拱时，由于仰拱处含水率非常大，地基承载力较小，严重影响了基础的承载力及下沉的控制，现场施工中采用置换仰拱基底50cm湿陷性土层为砂砾石，可扩散附加应力，减小沉降量，提高地基土的承载能力。
四、施工注意事项
在软弱围岩土体中，三台阶七步开挖法是防止坍塌的一种较好施工方法，为使该方法行之有效，在应用中必须注意：
1、锁脚锚杆在黄土隧道施工中是防止沉降最有效的措施，要保证锚杆与拱架紧密贴焊为一整体，锚杆注浆要饱满，使其与岩体锚固力达到要求。
2、保证立拱质量，注意螺栓松紧质量和连接筋的焊接质量。
3、确保钢筋网与围岩紧密相贴，钢筋网必须连接牢固，否则喷射砼时会使钢筋网发生振动而降低喷射砼的质量。
4、通过打拱脚锚杆或扩大拱脚来加固拱脚，加强纵向连结，使初期支护与围岩形成完整体系。
5、中下台阶施工要求单侧落底或双侧交错落底，避免上半断面两侧拱脚同时悬空。
6、减少上下台阶施工的相互干扰，并及时封闭成环。
7、找出每道工序的合理施工时间，各工序严格按规定时间进行控制，缩短循环作业时间，减少开挖面土体的暴露时间。
8、及时监控量测围岩，观察拱顶、拱脚的收敛情况，据此调整初期支护参数。
五、结束语
通过研究浅埋富含水黄土隧道施工特点，对某隧道三台阶七步开挖法进行施工，采取各项措施加以控制沉降，并及时总结和进行论证，解决了施工中诸多技术难题，施工有序可控，确保了施工安全，实现了黄土隧道快速掘进，工期得到保证。施工中采用的新工艺和技术保证措施，对其他黄土及地质复杂的软岩隧道施工具有参考价值。谈的不妥之处，请大家批评指正。