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刘 瑞
（中国铁建大桥局集团第四（南方）有限公司，黑龙江 哈尔滨 150056）
黄土由于其强度较低、遇水具有湿陷性，导致黄土区域隧道面临围岩松弛和塌方等问题[1-2]。在黄土隧道施工方面，已有大量学者进行了相关的研究工作。莫江峰等[3]以实际工程为依托，基于现场试验和MIDAS/GTS数值仿真计算研究了黄土隧道的施工和围岩变形特征；
夏海等[4]提出了一种预制临时仰拱，该结构能重复使用，解决了黄土隧道的临时支护结构施工难以及拆除后无法利用等问题；
尚海松等[5]对双线黄土隧道在施工过程中的拱顶下沉和周边变形监测数据进行了系统研究，提出了双线黄土隧道的施工变形预留量的建议值；
罗龙等[6]对黄土隧道的施工面临的沉降速度快和初期支护拱部裂缝等问题进行了研究工作，并优化了支护方法；
张峰等[7]提出了针对湿陷性黄土地区隧道施工问题的优化方案。此外，从事黄土隧道施工及支护研究工作的还有袁龙[8]和梁庆国等[9]。
该文以张家湾黄土隧道的实际工程为例，从明挖法的施工流程、黄土边坡的稳定性以及明洞结构受力特性的角度，对黄土区域浅埋隧道的施工控制技术进行研究。
张家湾铁路线是连接陇海铁路与蒙西至华中地区铁路煤运通道的连接线。该线位于河南省三门峡市陕州区境内，分左、右两联，分别并入陇海铁路接入张家湾站。最大纵坡为13‰，曲线最小半径为500m。线路长度约5.1km。该标段主要为黄土、细砂、砂岩及砂岩夹泥岩。工程位于汾渭断陷的灵三断陷盆地，如图1所示，为新生代断陷盆地，与两侧山区以断裂带为分界，基底构造复杂，断块活动复杂，地震活动频繁，上部沉积巨厚的第三系、第四系沉积物。
图1 工程示意图
地勘资料表明，由于隧道洞口位于地质条件较差的黄土地层中，导致其围岩的稳定性较低。考虑到这些情况，明洞段采用明挖法进行施工，进出口采用大管棚支护，正洞段采用三台阶法施工。隧道采用新奥法原理施工，正洞开挖采用机械开挖，无轨运输，压入式通风，初支喷混凝土采用湿喷机械手施工。当施工时及时进行工序转换，做到“管超前、短开挖、强支护、勤量测、早封闭”。
2.1 明洞段施工流程
边仰坡采取分层开挖，按照设计坡比分层开挖，开挖选择在雨季前完成，采用随开挖随防护，施工中尽量减少对原有植被的破坏和对洞口的扰动。
从上而下分步开挖，开挖后立即挂网喷锚防护，封闭开挖面。挂网锚喷支护参数为 Φ22mm砂浆锚杆长4m、间距1.5m×1.5m，梅花型布置；
采取C25喷射混凝土厚15cm。在喷护完成后对洞顶山坡面进行浮土清理，清理必须彻底。分层开挖出碴采用挖掘机顺层倒土方式来稳定开挖边坡。下边开挖设置一块较大场地，具有足够的装碴运输空间，在倒至运输装砟场地上配置一台装碴机装碴，运输车出碴并运至临时征用场地铺底，建设临时营地和生产场地，多余碴料运至弃砟场弃放。
在明洞施工过程中应着重注意排水，雨季不进行施工，在施工时应考虑最先制作开挖线外侧的截水沟；
边坡表面的一些危岩落石应及时清理，施工过程中对坡面以及基坑壁进行临时支护；
开挖拉槽应注意分段进行，一般取4m～6m为一段；
当进行拉槽和跳槽等施工时，应确保围岩的稳定，注意施工安全。
2.2 明挖法边坡的稳定性研究
在隧道施工过程中，边坡的稳定性严重影响施工安全。该文基于FLAC3D强度折减法来分析边坡稳定性。
2.2.1 强度折减法原理
随着计算机技术的发展和数值分析的应用，强度折减法正在被越来越广泛地运用于边坡安全系数的计算，其优点在于，不需要假定滑移面的位置以及形状，能够方便的显示岩土体的应力应变信息。
有限差分强度折减法的基本原理是将坡体强度参数即黏聚力c和内摩擦角φ同时除以折减系数Ftrial，由此产生新的ctrial和φtrial，再进行计算直至求解出当坡体发生临界破坏时的对应值，这时对应的Ftrial即为坡体最小稳定系数，这时边坡处于极限状态。各个求解参数计算如公式（1）和公式（2）所示。
式中：c为粘聚力；
φ为内摩擦角；
ctrial为试算黏聚力；
ctrial为试算内摩擦角；
Ftrial为安全系数试算值。
对于有限差分强度折减法的计算，其最主要问题在于如何通过最少次数的折减运算，以最快速度求解所需极限状态安全系数的准确值。该文主要基于有限差分强度折减法，使用FLAC3D软件，以剪应变增量作为边坡失稳的判断依据，确定边坡的临界滑动面，并求解其安全系数Fs。
2.2.2 边坡的稳定性分析
由于不同横断面处的隧道顶部上覆土体厚度不同，因此选取两处典型断面来建立数值模型，对边坡的稳定性进行分析，具体的计算工况见表1。建立的2个模型示意图如图2所示。工况1的土层主要为细砂、黄土和砂岩（由上到下）。工况2的土层主要为细砂、砂岩夹泥岩和砂岩。当建模时，隧道围岩和二衬采用zone模拟，锚杆采用cable单元进行模拟，衬砌结构采用shell单元模拟。材料均使用摩尔-库伦本构模型，具体材料参数见表2。
图2 计算模型图
表1 边坡计算工况
表2 模型计算参数选择
经过计算可得工况1的安全系数为3.25，工况2的安全系数为2.0。工况1和工况2的剪应变增量云图如图3所示。由图3可知，工况1模型的剪应变增量云图表现为右侧滑移区域大于左侧，并且在右侧基坑底部区域剪应变增量最大。由于右侧边坡滑移面距离坡面较近，因此在实际施工过程中，需要考虑对基底的加固问题。而工况2模型的剪应变增量云图近似对称分布，同样表现为坡脚处的剪应变增量最大。
图3 两种工况的剪应变增量云图
根据我国相关规范，工点处的边坡安全系数满足要求。当边坡失稳破坏时，锚杆的轴力如图4所示。由图4可知，工况1的锚杆都受拉，轴力最大值约为476 kN。工况2的锚杆大部分受拉，局部会有受压现象，最大轴力可达633.7 kN。对比图3（a）和（b）可知，锚杆越靠近坡脚，其轴力越大。工况1的边坡右侧的锚杆轴力大于左侧。而工况2的边坡右侧上部锚杆处于受压状态，未发挥作用。在施工过程中，应着重注意对坡脚部分的支护。
图4 锚杆轴力图
2.3 明洞结构受力分析
不同工况下明洞衬砌结构的轴力云图如图5所示。由图5（a）和（b）可知，工况1和工况2的轴力分布趋势大致相同，均处于受压状态。从整体来看，模型自上至下，轴力逐渐增加，均在衬砌底部达到最大值。值得注意的是，工况1的最大轴力为550 kN，而工况2的最大轴力为120 kN，表明上覆土体的厚度对衬砌的轴力有显著影响。
图5 不同工况下明洞衬砌轴力云图
在不同工况下明洞衬砌结构的弯矩云图如图6所示。由图6（a）和（b）可知，工况1和工况2的最大弯矩位置有所不同，工况1的弯矩最大处位于衬砌的拱脚附近，而工况2的弯矩最大处位于衬砌的底部。此外，工况1中的最大弯矩为239kN·m，工况2中的最大弯矩为48.8kN·m。表明隧道上覆土体厚度越大，衬砌的最大弯矩就越大。
图6 不同工况下明洞衬砌弯矩云图
在进行明洞的轴力弯矩分析后，还应对衬砌的强度进行检算。基于《铁路隧道设计规范》中的方法对衬砌强度进行检算，结算结果显示钢筋混凝土结构的安全系数为2.68≥2.4，最大裂缝宽度为0.19mm，均满足规范要求，表明结构安全可靠。
考虑实际地质环境，黄土隧道采用机械开挖。该工程隧道施工采取为台阶法和三台阶法。当隧道开挖时要预留一定的开挖量，Ⅴ级围岩要预留12cm～15cm的开挖量，隧道开挖须严格按照施工设计图纸要求进行施工工作。其中，三台阶开挖法步骤具体如下：1）上台阶开挖。弧形开挖拱部。下台阶顶部距拱顶5m，留有3.0m～5.0m长的平台。每一次掘进1榀钢架间距。人工对拱顶开挖弧形槽，机械开挖主体，最后人工修整至设计轮廓后立即初喷4cm混凝土，及时架立钢拱架、铺设钢筋网、纵向连接筋焊接。在拱脚以上50cm处紧贴钢架两侧按斜向下倾角45°打设锁脚锚管，锁脚锚管于拱架采用“L”形钢筋牢固焊接，喷混凝土厚度至25cm；
2）下台阶开挖，避免上台阶的初期支护在同一位置悬空。每次开挖长度最长不得大于2榀拱架间距。机械开挖、人工修整至设计轮廓后立即初喷4cm混凝土，及时架设钢架、铺设钢筋网、纵向连接筋焊接。在钢架墙腰以上50cm处紧贴拱架两侧按斜向下倾角45°设锁脚锚管，锁脚锚管与钢架采用“L”形钢筋牢固焊接，喷混凝土厚度至25cm；
3）仰拱开挖。每一次开挖进尺不得大于3m，机械开挖、人工修边至设计轮廓线，及时架设钢架、铺设钢筋网、纵向连接筋焊接。为了保证仰拱施工缝与拱墙衬砌施工缝保持一致，连续开挖3循环后施作一版仰拱，仰拱填充混凝土。仰拱端头距上台阶掌子面不大于35m，施做二次衬砌。
对于超挖地段，边墙脚至其上1m范围内和拱部超挖地段用与衬砌同级砼回填，边墙脚1m以上至起拱线之间的超挖采用衬砌同级砼一次灌注。其他部位采用衬砌同级砼回填。底板超挖部分按设计要求并请示现场监理工程师后处理。对欠挖地段，较大超欠挖地段可采用挖掘机再次开挖；
当个别突出点侵入二衬超限时，可采用风镐等器具凿掉处理，使其表面尽量平顺。
该文以张家湾铁路线为背景，针对当地场地环境与工程地质环境研究了黄土隧道的施工技术，主要得到了以下结论：1）FLAC3D计算结果显示，不同工况下的边坡均处于稳定状态。锚杆轴力云图显示，越靠近坡脚，锚杆的轴力越大，且工况1和工况2的锚杆轴力分布有所区别。施工中应注意对坡脚的支护；
2）受力分析结果显示衬砌最大轴力、弯矩和上覆土层厚度呈正相关，上覆土体越厚，衬砌的最大弯矩和轴力也越大。明洞结构的安全系数和最大裂缝宽度均满足规范要求，该结构较为稳定；
3）鉴于黄土隧道的湿陷性，施工时应避开雨季，并做好排水措施；
4）考虑黄土隧道的强度与湿陷性，开挖掘进采取台阶法和三台阶法，且注意超挖与欠挖地段的处理措施。
