湿陷性黄土浅埋段隧道施工技术

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【摘要】柳条山隧道是神华准池铁路重点控制性工程之一，隧道地质条件复杂，尤其是隧道进口段穿越第四系上更新统黄土，黄土具有湿陷性，再加上隧道进口处于浅埋、偏压地段，给隧道施工增加了一定的难度，如何保证隧道的施工安全、质量和进度，以及不给后期运营留下隐患，是隧道施工技术中要解决的关键，本文主要阐述隧道进口湿陷性黄土段的施工技术。

【关键词】湿陷性黄土浅埋隧道综合工法

中图分类号：U455.49文献标识码：A

1前言

神华准池铁路项目是目前国内重载标准最高的一条铁路专用线，设计标准为25T轴重的I级双线电气化铁路，牵引质量为20000T。铁路线路大致走向是东西走向，是连接大准线与朔黄线的联络线，全长179.8km，沿线所经主要有中低山区、山前坡风积黄土高原区、山间沟谷区，冲沟极发育，沟壑纵横，多成“V”型沟和“U”型沟，地质情况十分复杂。

2工程概况

柳条山隧道的起迄里程为：DK95+190～DK97+505，全长2315m，为山岭浅埋黄土隧道，最大埋深约72m，其中：Ⅲ级围岩575m，Ⅳ级围岩1115m，Ⅴ级围岩625m。按120km/h设计，洞内采用重型轨道碎石道床，轨道结构高度77cm，洞身左线除进口至DK95+330.63段位于直径800m的右偏曲线上，其余均位于直线段上，洞内纵坡为3.0‰和3.6‰的单面上坡。隧道进口310m洞身位于湿陷性黄土内，线路左侧干沟发育，隧道处于偏压状态，隧道进口段埋深较浅，5~23m，属于典型的浅埋偏压隧道。

由于工期紧，地质条件复杂，于DK96+200处设置斜井一座，安排四个工作面同时施工，工期340天。

3气象及水文地质

线路区域属大陆季风气候，冬季漫长，春秋相连，雨热同期，太阳辐射强，光照时间长，温差较大，无霜期短，干燥多风。降雨量季节性差异较大，每年5～8月气候潮湿多雨，其它月份干燥少雨。年平均降水量409.1mm。年平均气温7.2℃，极端最高气温37.9℃，极端最低气温－32℃。冬季盛行西风，大风出现在11月至来年5月，年平均风速2.4m/s，最大风速（瞬时）23m/s。最大积雪厚度18cm。土壤的最大冻结深度125cm，受冻日期为11月初至来年4月上旬，受地形地势的影响，气候垂直分带明显，随海拔高程的升高，气温递减，地形复杂，气温、降水、日照等差异较大。主要灾害性天气有寒潮、冰冻、冰雹及大风、雷电。按铁路工程气候分区属寒冷地区。

特殊岩土黄土主要分布在隧道的进出口和洞身地表的黄土梁及山坡上，浅黄~灰黄色，土质均匀，大孔隙发育，具有垂直节理，发育虫孔及植物根孔，易产生陷穴，含少量零星分布的小型钙质结核砾，具有湿陷性，属于自重湿陷性土，湿陷等级为II级（中等）自重湿陷性场地。

4施工方案

隧道按照锚喷构筑法施工，暗洞采用复合式衬砌，初期支护采用喷锚支护，喷射混凝土采用工艺。洞口段DK95+190~ DK95+227隧道拱部采用φ108超前大管棚进行预支护，长度为37m；洞内DK95+227~ DK95++305段隧道拱部采用φ89超前中管棚预支护，局部配合φ42小导管进行超前支护，长度78米，其他地段采用φ42小导管做超前支护。管棚施工利用管棚钻机预钻成孔，机械设备顶压安装或管棚钻机顶进。开挖采用三台阶临时仰拱、预留核心土加扩大拱脚的综合施工方法。

4.1开挖方法

柳条山隧道开挖方法上采用了三台阶临时仰拱、预留核心土加扩大拱脚的综合施工方法，利用扩大拱脚和φ42锁脚锚管控制围岩和初支变形；利用预留核心土来抑制掌子面土体垮塌；利用临时仰拱抑制围岩收敛。在开挖施工时，合理地确定了三台阶长度，每个台阶长度不超过1倍洞径，其中上台阶预留核心土长度为3~5m，高度1.3~1.5m；根据地质情况、隧道断面大小和施工机械设备情况确定了台阶高度，其中上台阶高度控制在2.8～3m范围。后步工序仰拱衬砌施工与下台阶开挖施工实现无缝搭接，确保隧道施工及时闭合成环。详见隧道施工工序横断面图1、纵断面图2。

图1横断面图

图2纵断面图

上台阶环形核心土开挖因工作面狭窄，采用以人工开挖为主，PC200挖掘机辅助开挖为辅，阶及下台阶主要采用PC200挖掘机开挖，局部采用人工修整，开挖完成后及时施做I20钢架、锚杆和钢筋网片。开挖时，钢架底部不得有超挖现象，若有超挖，在立钢架前，需要对钢架底部进行处理，采用预制混凝土垫块和木楔找平，然后再在钢架底部用槽钢做纵梁，使钢架落在刚性基础上，钢架不得直接作用在黄土上，并在钢架底部大拱脚处，每侧打6根φ42的锁脚锚管，下倾角为30°，长度为5m，锚管与钢架连接牢固。立架完成后，利用两台喷浆机采用工艺迅速将围岩封闭。

阶施工时，上台阶喷射混凝土达到设计强度70%以上开始开挖阶，开挖时左、右错开施工，错开间距为3榀钢架。台阶开挖高度3.5m左右，台阶长度7~8m。开挖完成后施作接长边墙钢架，打上锁脚锚管，及时进行网、锚、喷系统支护，施做阶临时仰拱钢架，使之形成临时闭合环。

下台阶在阶喷射混凝土达到设计强度70%以上开始开挖，开挖时左、右侧错开施工，错开间距为3榀钢架。台阶开挖高度3.5m左右，台阶长度7~8m。隧底仰拱初支钢架与下台阶边墙初支钢架同期施工，为减少各工序之间的干扰，充分利用移动式仰拱栈桥，以开挖2~3榀钢架长度为单元，及时施做仰拱初期支护，待初支长度够6~8m时开始绑扎仰拱钢筋，及时施工仰拱和填充混凝土。

上阶开挖依次超前一个循环后，上中下三台阶可同时开挖，仰拱施做同步跟进，下步二次衬砌根据监控量测情况和铁道部安全步距的要求及时施工。

4.2超前地质预报

根据隧道设计资料和隧道的长度，采用综合超前地质预测、预报手段，以不同的周期，各种方法相互印证，为及时调整施工方案及预防地质灾害提供基础资料。建立专门的预测、预报体系，并对预测、预报的方法、手段、资料采集、数据处理、结果验证、反馈修正等进行系统设计。

柳条山隧道超前地质预报工作由神华准池铁路公司委托设计单位中铁五院具体负责实施，主要采用TSP203、超前钻探、地质雷达、超长炮孔和地质素描等5种方法进行综合预报，把超前地质预报工作纳入了日常施工工序管理之中。在实施中，长距离TSP203有效距离控制在100~150m、搭接长度不小于10m；地质雷达有效距离20~50m，搭接长度为5m；地质素描每开挖循环做一次。

同时还建立了一个超前地质预报地质信息系统，通过各种方法收集地质信息，进行综合分析、判断，并将处理结果反馈给施工。通过地质信息系统的及时、准确预报，为施工提供决策依据，及时调整施工方法和支护参数，有效地避免隧道不良地质带来的安全风险。

4.3监控量测

柳条山隧道监控量测紧跟开挖、支护作业布点和监测，进口湿陷性黄土段按5m一个断面进行布点，分别在拱顶、拱脚、边墙及隧底布置监控量测点，获得拱顶沉降量、围岩收敛变形值以及隧道底部上拱隆起量，沉降和收敛监测标志点采用贴反光膜标志，利用精度为0.1mm的全站仪进行观测，隧底隆起量测采用水准仪测量；洞外地表监测控制点布置断面与洞内处于同一里程位置，量测频率、时间与洞内一致。通过量测数据进行整理分析，绘制位移—时间曲线图，按照监控量测三个管理等级对围岩变形实行动态管理，及时修改调整支护参数，从而达到控制拱顶下沉、地表沉降和围岩收敛变形的目的。量测结果统计表明，拱顶总沉降量较大，达20~30cm；围岩收敛变形值相对较小，1cm以内。

4.4安全风险评估

通过风险评估工作，识别所有潜在的风险因素，确定风险等级，提出风险处理措施，将各类风险降到可接受水平，从而达到保障安全、保护环境、保证建设工期、提高经济效益的目的。

4.4.1风险评估基本程序

a对初始风险进行识别，形成风险清单表；

b对初始风险进行评价，对各个风险因素评价其发生的概率和后果等级，并最终确定初始风险的等级；

c依据风险评价结果和风险接受准则，制定相应的方案和措施；

d对风险进行再评估，提出残留风险等级。

4.4.2风险评估流程

风险评估流程图

根据设计地质资料，通过施工安全风险评估，确定柳条山隧道施工安全风险主要为洞口失稳、坍方、大变形等，针对可能出现的风险事件提出了相应的施工及支护措施，根据超前地质预报和监控量测分析结果，开挖方法上采用三台阶临时仰拱、预留核心土、扩大拱脚综合开挖方法；支护方式上，除采用C25喷射混凝土和工字钢型钢支护外，在洞口段采用φ108大管棚、在浅埋偏压地段，洞内采用φ89中管棚加φ42小导管配套使用等，有效地避免了隧道的拱顶下沉和围岩变形。

5结束语

柳条山隧道是典型的黄土浅埋偏压隧道，采用三台阶临时仰拱、预留核心土和扩大拱脚的综合施工工法，成功地渡过了隧道进口湿陷性黄土地质。在施工过程中，重点要解决好上中下各台阶的施工干扰问题，减少下部施工对上部围岩、支护的扰动，合理确定各工序之间的施做时间；通过超前地质预报和监控量测等有效的科学监测手段，采用合理的施工工法和支护措施，把安全风险等级降低到低度，达到可以接受的水平。

建议在湿陷性黄土隧道施工大管棚或中管棚时一次施做长度不宜超过20m，搭接长度不得少于3m，必要时可以考虑在钢管内设计3根主筋式钢筋笼来增加管棚的刚度。

参考文献

References

宓荣三.乔庄隧道穿越软弱围岩施工力学行为分析 《现代隧道技术》2011-4

Mi Rongsan. Analysis of the Construction Behavior of the Qiaozhuang Tunnel in Soft Rock. (Modern Tunnel Technology) 2011-4