黃土隧道施工技術(shù)

劉君強(qiáng)

（北京華景交通新技術(shù)開發(fā)有限公司，北京，100078）

引言

我國(guó)黃土分布地域較廣，主要集中在西北、華北、東北的廣大地區(qū)，近年來在公路、鐵路工程建設(shè)中黃土隧道的施工份額也不斷增加，其設(shè)計(jì)與施工難度也漸趨復(fù)雜。黃土隧道有其自身的特點(diǎn)，如易塌方，遇水產(chǎn)生濕陷性，預(yù)注漿困難，錨桿施作不成功等，同時(shí)，黃土隧道造價(jià)高昂，修建小凈距和連拱隧道的經(jīng)驗(yàn)非常少，這些都制約著黃土隧道向更高層次大規(guī)模發(fā)展。

1 工程概況

長(zhǎng)壽山隧道雙線雙層集裝箱喇叭口隧道，位于黃河北岸的大砂坪區(qū)與富民村之間，進(jìn)口位于大砂坪西側(cè)，出口位于富民村，隧道全長(zhǎng) 12625m。HDK41+900～HDK42+074、HDYK41+901.5～HDYK42+074段為左、右線單線隧道，左、右單線長(zhǎng)度均為 174m，以喇叭口形式過渡為雙線單洞隧道，HDK42+074～HDK54+188為雙線單洞隧道，長(zhǎng)度 12114m，HDK54+188～HDK54+426、HDYK54+188～HDYK54+525段為左、右線單線隧道，左、右線長(zhǎng)度分別為238m、337m，以喇叭口形式過渡為左、右線單線隧道。

隧道穿越地層為第四系中更新統(tǒng)沖積老黃土，灰黃、褐黃色，為粉質(zhì)亞粘土，土質(zhì)均勻，局部較疏松，層理和柱狀節(jié)理發(fā)育，隧道洞身土體含水量較大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。洞口淺埋段覆蓋層為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土，層厚4.6－40m，淺黃色，土質(zhì)較松散，大孔隙、垂直節(jié)理發(fā)育，其中自重濕陷性黃土層厚24m，黃土陷穴順溝發(fā)育，呈串珠狀。

2 施工方案

2.1 開挖方案

遵循“短開挖，強(qiáng)支護(hù)，勤量測(cè)，緊封閉”的原則，采用正臺(tái)階先拱墻、拱部環(huán)形法開挖，工作面多，進(jìn)度快，保留核心土便于支撐，能保證圍巖穩(wěn)定，避免塌方，施工安全。

根據(jù)黃土地質(zhì)特性和施工工期要求，為避免塌方，貫徹短開挖原則，上導(dǎo)坑掘進(jìn)每循環(huán)0.8m，并根據(jù)圍巖狀況，隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。（見圖1）

2.1.1 先開挖拱頂環(huán)形Ⅰ部

用洋鎬沿開挖輪廓線由上向下開挖，配合鐵耙將松土扒離掌子面，每次掘進(jìn)0.8m。拱頂中心處掌子面要向前多掘進(jìn)0.5m，以備混凝土一次支護(hù)封頂。如果開挖時(shí)發(fā)現(xiàn)頂部土體有裂紋或疏松現(xiàn)象，應(yīng)邊開挖邊支撐，支撐用楊木背板加φ40鋼管，鋼管底部撐在核心土上。

2.1.2 管棚超前或小導(dǎo)管超前支護(hù)

黃土隧道土質(zhì)比較松散，且層厚一般為20－60cm，開挖后易形成分層坍塌，故需較強(qiáng)的初期支護(hù)，采用管棚或小導(dǎo)管方案較適宜。鋼管直徑大，與土體接觸面積大，接觸密貼，沒有空隙，有利于力的傳遞。而注漿錨桿直徑和剛性都較小，當(dāng)注漿時(shí)，由于水泥漿內(nèi)的水分對(duì)錨桿周圍的土體侵蝕，使土體濕陷，周圍易形成空洞，起不到對(duì)土體的有效支撐。

圖1 圍巖開挖順序圖

2.1.3 開挖II部

II部一次掘進(jìn)0.8m。人工配合機(jī)械開挖。出碴采用無軌式運(yùn)輸。柳州產(chǎn)ZL50裝載機(jī)裝碴，小松山推PC200挖掘機(jī)配合。

首先用挖掘機(jī)將一側(cè)II部的土體由上至下開挖1.0m，并將土扒出核心土范圍以外，便于裝載機(jī)裝碴。開挖時(shí)側(cè)面開挖輪廓線處預(yù)留厚50cm土體，原因是挖掘機(jī)開挖時(shí)對(duì)土體的振動(dòng)比較大，如果直接按輪廓線開挖易造成土體坍方，形成超挖。然后人工用洋鎬將預(yù)留的50cm土體沿輪廓線開挖，邊開挖邊支撐，同時(shí)出碴，而此時(shí)，挖掘機(jī)則換至另一側(cè)II部進(jìn)行開挖，如此左右側(cè)交替。注意開挖時(shí)，拱腳處至少留深20cm土用人工開挖，嚴(yán)禁拱腳超挖，防止因拱腳原狀土被破壞造成混凝土襯砌時(shí)拱架下沉。

黃土隧道拱腰處土體最易發(fā)生坍方，所以在進(jìn)行II部開挖時(shí)，應(yīng)邊開挖邊加固，加固方法為簡(jiǎn)易支撐，即用楊木板緊貼開挖輪廓表面，用φ40鋼管支撐在核心上。支撐間距1.0m，交錯(cuò)布置。待進(jìn)行一次模筑混凝土支護(hù)時(shí)邊澆筑混凝土邊將木板取出。

2.1.4 開挖III部，核心土整形

格柵支撐安設(shè)完畢后，用挖掘機(jī)將III部土挖除，核心土頂面修成平臺(tái)，平臺(tái)沿隧道縱向?qū)挾?3.6m，并在核心土的中間高度處再修一縱向?qū)挾燃s為1.2m的二級(jí)平臺(tái)，以備一次模筑混凝土?xí)r人工上料使用。這樣核心土縱向長(zhǎng)度約4.8m，可對(duì)前方掌子面土體起支撐作用。

2.1.5 立鋼拱架和模板

拱部開挖完畢后，進(jìn)行襯砌寬度和拱腳高程放樣，然后立模工班按放樣點(diǎn)位將鋼拱架立好。鋼拱架用工字鋼制作。模板用120cm×30cm鋼模。檔頭模板用木模。

2.1.6 初期支護(hù)

黃土隧道在開挖后30h內(nèi)圍巖變形較大，如不及時(shí)支護(hù)，極易發(fā)生塌方。故開挖結(jié)束后，應(yīng)立即進(jìn)行混凝土初期支護(hù)?；炷潦┕げ捎冒韬险景韬?，運(yùn)輸車運(yùn)輸，人工上料，插入式振動(dòng)棒搗固，左右側(cè)交替澆筑?；炷练忭敃r(shí)應(yīng)注意將頂部搗固密實(shí)，并用自制小鏟從擋頭模板處將混凝土填塞密實(shí)。

2.1.7 開挖下導(dǎo)坑

下導(dǎo)坑邊墻施工與上導(dǎo)坑之間的距離保持60～80m為宜，距離過短影響上導(dǎo)坑機(jī)械作業(yè)，距離過長(zhǎng)，會(huì)使已施工的拱部下沉，造成二次襯砌厚度不夠，影響下步工序施工。

下導(dǎo)坑邊墻施工采用四部跳躍法，左、右邊墻錯(cuò)開，每個(gè)馬口開挖長(zhǎng)度為2.4m。先用挖掘機(jī)挖中槽，中槽寬4.0m，長(zhǎng)20m，不宜過寬、過長(zhǎng)。寬度原則上能保證上導(dǎo)坑施工機(jī)械通過即可，否則左、右拱腳下的土體由于受到拱圈的擠壓，向中槽處靠攏，容易使拱圈下沉，嚴(yán)重者可使拱圈混凝土產(chǎn)生裂縫。中槽挖成斜坡形式，使上、下導(dǎo)坑連接。然后用人工左、右錯(cuò)開開挖馬口。

邊墻的格柵支撐應(yīng)與拱部格柵上、下對(duì)正，并焊接牢。格柵安設(shè)完畢后，將拱腳表面的混凝土鑿毛，用鋼刷清理干凈，之后模筑襯砌一次混凝土。封口用干硬性混凝土人工分次填滿搗實(shí)。

2.2 施工方法及工藝要點(diǎn)

（1）根據(jù)工地實(shí)際情況，設(shè)計(jì)并施打超前管棚。鋼管真徑一般為ф90 mm，長(zhǎng)4.5m，間距30cm，外插角21，首尾相接長(zhǎng)度不少于1.5m。鋼管內(nèi)充填20號(hào)砼或者水泥砂漿。

（2）上半斷面人工用風(fēng)鎬及電鏟掏槽。掏槽寬度約 1m，縱向掏槽深度每次約0.8m。

（3）開挖后立即射砼封閉斷面。噴射4cm厚的20號(hào)砼，封閉開挖斷面，以免孔隙水從斷面處滲出，而使土體失穩(wěn)。

（4）架鋼拱及掛網(wǎng)。鋼拱規(guī)格為20aⅠ，按設(shè)計(jì)斷面計(jì)算用量。拱架之間的間距依每次開挖長(zhǎng)度約為0.8m，每榀鋼拱縱向用ф20鋼筋連接，鋼筋間距1.2m。管棚尾端焊接于拱架腹部，以增強(qiáng)共同支護(hù)作用。ф8鋼筋網(wǎng)格間距為20cm×20cm。

（5）噴射砼填充鋼拱間空隙。拱架與開挖輪廓之間的所有間隙用20號(hào)砼噴射充填密實(shí)，先噴拱架與輪廓之間空隙，再噴拱架，然后再噴拱架之間，直至噴到規(guī)定的厚度。

（6）按上述1－5的方式開挖5m左右后，開挖支撐掌子面的核心土支持部分。

（7）在上半斷面初期支護(hù)穩(wěn)定的條件下，開始開挖下半斷面：首先通過在上半斷面的鋼拱的拱腳打注漿錨桿，以防止拱架及圍巖變形與下沉。鉆進(jìn)后進(jìn)行注漿，兩側(cè)以等間距各打5根錨桿。經(jīng)過做試驗(yàn)，這樣的錨桿與黃土結(jié)合后，抗撥力可達(dá)8t以上。

（8）開挖出碴完成后立即噴射砼封閉圍巖，然后架鋼拱支撐和掛網(wǎng)，經(jīng)分層噴射砼直到設(shè)計(jì)厚度。再鋪設(shè)土工布防水板，做二次襯砌。

3 施工工藝流程圖（圖見2）

4 主要技術(shù)對(duì)策

4.1 拱部沉降和拱腳收斂的控制

黃土隧道與石質(zhì)隧道的最大不同點(diǎn)就是拱部沉降和拱腳收斂較大，針對(duì)這種情況我們采取了以下措施。

4.1.1 監(jiān)控量測(cè)

在隧道施工過程中，從第一組襯砌開始，一個(gè)斷面內(nèi)在拱頂和 2個(gè)拱腳處埋設(shè)3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，用收斂計(jì)和水平儀分別觀測(cè)拱腳水平收斂值和拱頂下沉值。隨著隧道施工的前進(jìn)，每隔10m作一個(gè)觀測(cè)斷面，最前端的一個(gè)斷面緊跟掌子面。前7d每天觀測(cè)1次，以后1個(gè)月內(nèi)3d觀測(cè)1次，之后每月觀測(cè)1次。

通過觀測(cè)發(fā)現(xiàn)在拱部一次襯砌施工完畢至邊墻開挖前，拱頂下沉 6－8cm，拱腳收斂 1－2cm。在邊墻開挖后拱部發(fā)生第二次下沉，下沉量為 6－8cm，收斂量基本不變。

根據(jù)觀測(cè)結(jié)果及時(shí)反饋至施工中去，將原有預(yù)留沉降量15cm變?yōu)?7cm。有效地保證了二次襯砌的厚度。

4.1.2 及時(shí)封閉仰拱

據(jù)量測(cè)，在一次混凝土初期支護(hù)完成后，隧道拱頂下沉約12－16cm。為避免繼續(xù)變形，應(yīng)及時(shí)封閉仰拱混凝土。仰拱與馬口之間的距離保持20cm為宜，不能偏大。仰拱采用半幅施工法，保證上下導(dǎo)坑作業(yè)的進(jìn)行。當(dāng)半幅施工30cm左右，再換至另外半幅。

4.1.3 及時(shí)封閉二次襯砌永久支護(hù)

一次襯砌封頂時(shí)，受工作面的限制，可能造成封頂混凝土不密實(shí)。而兩側(cè)拱腰處向內(nèi)擠的壓力很大。如果不及時(shí)施作二次襯砌永久支護(hù)，容易在拱頂造成裂縫。針對(duì)以上情況我們?cè)谑┕ぶ忻總€(gè)洞口配備了 1臺(tái)邊頂拱式混凝土襯砌鋼模臺(tái)車，二次襯砌施工與上下洞口同時(shí)作業(yè)。

4.1.4 加設(shè)鎖腳錨管

在拱腳處每側(cè)加設(shè)2根鎖腳錨管，錨桿為φ40鋼管，長(zhǎng)2m，垂直于拱腳外側(cè)面打入土中1.5m。剩余0.5m與一次襯砌混凝土澆筑在一起。

4.2 預(yù)防塌方

在開挖過程中，應(yīng)遵循短開挖、強(qiáng)支護(hù)的原則，隨時(shí)觀察土質(zhì)情況，發(fā)現(xiàn)土質(zhì)疏松、節(jié)理發(fā)育時(shí)，加設(shè)調(diào)整循環(huán)進(jìn)尺，同時(shí)加密管棚鋼管數(shù)量，及時(shí)跟進(jìn)一次襯砌，縮短開挖與襯砌之間時(shí)間間隔。如發(fā)生塌方，必須用同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土填塞密實(shí)。

圖2 黃土隧道施工工藝流程圖

5 結(jié)束語

黃土隧道采用正臺(tái)階先拱后墻、拱部環(huán)形、保留核心土法開挖有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）與錨噴法施工比較，有施工速度快，安全，節(jié)約投資的優(yōu)點(diǎn)。單口平均月進(jìn)尺90m，最高單口月進(jìn)尺120m。

（2）可以有效控制塌方、拱部沉降與收斂，使隧道各部的尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)要求，保證永久支護(hù)混凝土厚度。

[1]中華人民共和國(guó)交通部.公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范( JTG D70一 2004) [S].北京:人民交通出版社, 2004.

[2]甘肅省高等級(jí)公路建設(shè)開發(fā)有限公司.黃土地區(qū)隧道的修筑技術(shù)研究總報(bào)告[R].蘭州:甘肅省高等級(jí)公路建設(shè)開發(fā)有限公司, 2005: 1-200.

[3]袁永新.甘肅黃土公路隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究[R].西安: 長(zhǎng)安大字,2007: 60-67.

[4]王國(guó)強(qiáng).甘肅黃土公路隧道防排水適用技術(shù)和結(jié)構(gòu)型式研究[R].西安:長(zhǎng)安大字, 2002: 1-70.

[5]李東平.大斷面黃土隧道施工技術(shù)探討J 山西建筑，2008.34（5）:32923 30