软弱黄土隧道施工工法研究

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摘要：本文以北京至拉萨高速公路在青海省境内的某隧道为工程依托，结合施工经验，分别对进洞前、进洞、动身开挖等施工方法进行阐述，为黄土隧道的施工提供参考。

关键词：黄土；隧道；施工工法

Abstract:This paper state the construction methods of entering and constructing the tunnel respectively, relying on the project of a tunnel in Beijing to Lasa highway in Qinghai, combining with construction experience , to provide a reference for loess tunnel construction.

Keywords : loess ; tunnel ; construction methods

中图分类号： U455 文献标识码： A 文章编号：

1、引言

黄土是第四系堆积的陆相沉积物，其特点是具有大孔隙、有垂直节理和管状孔道，天然含水量时强度较高，能维持很高的垂直边坡，但遇水时土颗粒崩解，表现为较强的湿陷性，黄土在我国有着广泛的分布，分布面积为64万km2，占国土面积的6.3%。由于黄土分布的广泛性和典型的工程特性，历来受到工程界和学术界的重视。早期黄土公路隧道的施工方法主要是单侧壁和双侧壁导坑法，进入20世纪90年代后普遍采用环形开挖留核心土法，对于三车道和加宽带一般采用三台阶七步环形开挖法。

2、进洞前处理措施

进洞前，对隧道洞身上陷穴、陷坑等应及时回填；对地形偏压、人工回填土层等应谨慎施工，偏压大的进行反压回填。洞口仰坡支护应根据设计的仰坡边线位置，由上及下逐层开挖隧道洞门的仰坡至拱顶位置，坡度不小于1：1(必须进行护坡)，有条件的用1：1.5，刷破后，采用骨架护坡或锚喷护坡，挖砌好排水沟，疏导水流。

3、进洞措施

按照“管超前、少扰动、严注浆、短进尺、严治水、强支护、勤量测”的原则进行施工。进洞前先施做拱部φ89mm大管棚超前注浆支护，布置形式根据洞口地形，长度选择为20m、30m、35m、40m不等，自拱顶隧道中心向两侧环向40cm间距设置。钻孔施工需控制好仰角和外插角，这一点在套拱内预埋导向管时需注意。管棚较长时仰角应偏大，以避免因钻孔时钻头及钻杆的重力作用造成钻孔向下侵入隧道净空。钻孔每完成1个即安装钢管，以防塌孔。管内压注水泥浆，在孔口处设置止浆塞。由黄土隧道施工经验得知：虽然浆液在黄土内扩散半径有限，但注浆后浆液可将钢管内、钢管与钻孔间缝隙填满，形成整体，达到较好的超前支护效果。在管棚支护下隧道进行环形开挖留核心土法进洞，困难地段双线隧道采用CD法、CRD法或者双侧壁导坑法进洞。

4、施工工法

4.1单线隧道洞身开挖方法

洞身开挖采用上下台阶留核心土法（施工顺序见图1），在超前管棚或超前小导管的“保护下”将传统的上导洞改为弧形导洞，开挖过程中先从侧壁弧形开挖，预留核心土。上台阶高度控制在起拱线位置。

图1环形开挖留核心土法开挖示意图 图2双侧壁导坑法施工示意图

注：图1.1-上弧导坑开挖；2-核心土；3-下台阶中部拉槽；

4、5-交错马口开挖；6-仰拱开挖

注：图2.1-上弧导坑开挖；2-核心土；3、4-交错马口开挖；

5-下台阶中部拉槽；6-仰拱开挖

（1）短进尺的原则要牢固坚持。台阶长度控制在4～6m，开挖进尺为1榀拱架间距。尽量缩短上、下台阶施工间隔时间。上台阶开挖宜采用环形开挖留核心土人工风镐开挖。上台阶开挖完毕后，首先迅速初喷混凝土封闭掌子面，快速进行初喷、布设锚杆、挂网或I16型钢支撑的施做及与锁脚锚管(两根φ42mm钢管、L-4m)的焊接、复喷等初期支护。

（2）下台阶的中部拉槽开挖采用机械，严禁两边侧超挖，中槽放坡开挖，上台阶初期支护基底保护襟边不小于80cm，当土体恶化，应适当放大。边墙两侧台阶采用人工风镐双侧交错开挖，不得使上部结构同时悬空，每次开挖进尺不大于100cm。马口开挖位置和长度应结合地质情况、收敛变形值分析等因素进行设计，并严格掌握。边墙开挖结束后，快速进行初喷、布设锚杆、挂网或I16型钢支撑的施做及与锁脚锚管(两根φ42mm钢管、L-4m)的焊接、复喷等初期支护，并对拱脚进行加固处理。

（3）仰拱施工。上导洞开挖10～12m、下导洞开挖5～8m，安排仰拱开挖。仰拱开挖认真贯彻新奥法施工“早封闭”的原则，保证开挖及时封闭成环，减少水平收敛及沉降幅度。这是最重要的一环，施工时必须加以注意。为避免底部挤压隆起，仰拱紧跟、及时填充的同时并要及时实施临时仰拱。在开挖灌注前，为防止边墙向内位移，宜加临时型钢横梁顶紧。仰拱中间部分土体采用机械开挖，严禁超挖，墙脚处人工风镐开挖，开挖完毕后立即灌注混凝土。

（4）施工过程中仰拱必须超前，并及时施做二次衬砌，仰拱距掌子面不大于30m，二次衬砌距离仰拱应不大于50m，并尽量缩短仰拱、二次衬砌与掌子面的距离。

4.2双线隧道洞身开挖方法

大跨黄土隧道施工在控制施工风险、控制变形、适用地层等方面CRD法、双侧壁导坑法（图2）无疑比环形开挖核心土法要好一些，但是前两者施工工序繁多，工期缓慢，废弃工程量大，导致工程投资提高，并且中隔壁在施工后期拆除时同样存在风险，在加强初期支护的前提下黄土隧道开挖采用环形开挖核心土法(弧形导坑法)，特殊地段考虑CRD法、双侧壁导坑法。

（1）隧道上导洞开挖施工。采用人工配合挖掘机进行开挖施工，挖掘机开挖预留50cm左右厚度，人工风镐开挖修边。当洞口段、隧道浅埋段沉降较快时，挖掘机的开挖扰动及挖掘机机身的移动都会对洞口稳定造成破坏，此时要完全采用人工开挖。拱部开挖进尺保持不超过1榀拱架间距。

（2）隧道下导洞开挖施工。在上导洞进尺5~8m长度后，先停止上导洞开挖，喷混凝土封闭掌子面，并开始下导洞开挖，同时开挖下半断面土体。先开挖单侧，向前3~5m后，再开挖另一侧，两侧始终错开，保证同一断面钢拱架在拱脚处暴露的开挖面仅限于一侧。下导洞开挖采用向下掏槽，仅开挖隧道边墙部分，在满足施工工作面前提下，开挖宽度尽可能窄，以2.5~3.0m为宜，并预留下导核心土体。

（3）开挖仰拱部分，进行初期支护成环施工。上导洞开挖长度达到10~13m、下导洞开挖5～8m时，安排仰拱开挖、钢拱架支撑成环施工。停止掌子面、下导洞开挖，喷混凝土封闭掌子面。开挖完毕后立即素喷4cm厚C25早强混凝土，封闭开挖面，然后安装I20b工字钢拱架、锚喷等初期支护并封闭成环。安装I20b工字钢拱架时用间距1.0m、φ22纵向连接钢筋对两榀工字钢拱架进行焊接连接。

（4）施工过程中仰拱必须超前，并及时施做二次衬砌，仰拱距掌子面不大于20～30m，二次衬砌距离仰拱应不大于40～50m，并尽量缩短仰拱、二次衬砌与掌子面的距离。

5、小结

（1）新黄土的稳定性极差，尤其是具有湿陷性黄土，开挖后自稳能力极差，对开挖控制极为不利，属于铁路隧道中最软弱、稳定性最差的不良地层，尚未有较为成熟的施工经验和完善的理论体系，其施工方案务必慎重。

（2）黄土隧道施工应严格“管超前、短进尺、少扰动、强支护、勤量测、早成环”的原则，应特别重视洞口段及浅埋段、偏压段的施工组织。施工过程中仰拱必须超前，并及时施做二次衬砌。

（3）黄土隧道开挖断面大、施工难度大，应根据黄土的特性，充分重视钢架基础的稳定，钢架基础应平整压实，每分布开挖处设锁脚锚管，并设纵向槽钢或混凝土垫块。

（4）施工中应加强围岩的监控量测，并及时反馈量测信息，以便指导设计与施工。

参考文献

[1]陈正汉等.黄土的湿陷变形机理，岩土工程学报，1986,8(2):1-12

[2]王举义.软弱黄土公路隧道施工变形规律研究[D].西安：长安大学，2005