黃土隧道快速臺階法施工技術(shù)

（中鐵十六局集團(tuán)第一工程有限公司，北京 101300）

1 黃土隧道工程特性

黃土隧道修建難度大、要求高，黃土多濕陷性，穩(wěn)定性差、變形大，若施工不當(dāng)極易出現(xiàn)坍塌事故，機(jī)械化施工、快速施工、超前加固與預(yù)報(bào)是黃土隧道施工技術(shù)發(fā)展的重要方向[1]。

黃土隧道的地質(zhì)情況極為復(fù)雜，有新、老黃土之分，也有部分隧道洞身低于地下水位，本文主要對不同工程特性展開分析：

1）黃土節(jié)理：黃土構(gòu)造節(jié)理發(fā)育，隧道一旦開挖土體極易沿著節(jié)理剪斷，處理不當(dāng)存在坍塌風(fēng)險(xiǎn)。

2）黃土沖溝：沖溝多由流水侵蝕而致，長度幾十、幾百米不等，若隧道與沖溝存在較長范圍的平行情況，必須做好滑坡、坍塌事故的預(yù)防工作。

3）暗穴與黃土溶洞：此為常見不良地質(zhì)，隧道在其上、下分別有基礎(chǔ)下沉、冒頂風(fēng)險(xiǎn)，在其側(cè)面有偏壓問題。

4）地下水：當(dāng)黃土受到水的侵蝕出現(xiàn)濕陷性，一旦施工擾動(dòng)圍巖極易突然失穩(wěn)，引發(fā)安全事故。

2 黃土隧道開挖施工方法的選擇與應(yīng)用分析

2.1 常見施工方法

1）雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

此法需在開挖斷面中設(shè)支撐壁，將大斷面分為小斷面后按順序施工。我國首次采用此方法的是大秦鐵路西坪隧道出口黃土段，安全性較高，且對原狀土體的影響小，適用于圍巖易坍塌段。

2）交叉中隔壁法

此法也是通過設(shè)置臨時(shí)支撐壁的方式加固圍巖，確保黃土隧道施工安全，主要用于Ⅴ級老黃土深埋地段。但是，此法應(yīng)用中需大量架設(shè)、拆除臨時(shí)支撐，施工作業(yè)面的限制導(dǎo)致大型機(jī)械不易使用。

3）預(yù)留核心土臺階法

此法在掌子面預(yù)留核心土、分部開挖，不架設(shè)臨時(shí)支撐，作業(yè)空間大，可使用大型機(jī)械設(shè)備，在施工效率上優(yōu)勢較為顯著。目前多應(yīng)用于老黃土段，新黃土段施工經(jīng)驗(yàn)相對較少。

2.2 施工方法比選

就以上介紹的黃土隧道常用施工方法，現(xiàn)主要對其工法選擇進(jìn)行分析，主要指標(biāo)比對如表1所示。

表1 黃土隧道常用施工方法比較

綜上，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法安全可靠，但是進(jìn)度較慢且造價(jià)高；交叉中隔壁法在控制沉降方面具有一定優(yōu)勢，適用于淺埋段；預(yù)留核心土臺階法機(jī)械化程度高、進(jìn)度快，但需及時(shí)施作支護(hù)，保證圍巖安全。

3 實(shí)例探析黃土隧道快速臺階法施工技術(shù)

本文以某黃土隧道工程為例展開分析，此隧道對工期要求較高，通過工程地質(zhì)、施工條件綜合分析后，決定采用預(yù)留核心土臺階快速施工方法。

3.1 工程概況

本項(xiàng)目為單洞雙線黃土隧道，新、老黃土均有分布，經(jīng)地質(zhì)調(diào)查顯示，新黃土濕陷等級為Ⅰ（輕微）。同時(shí)，由于項(xiàng)目所在地區(qū)溝壑下切較劇，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，分布有孔隙潛水、基巖裂隙水，地表水補(bǔ)充有限，且砂巖風(fēng)化不均，裂隙發(fā)育程度存在差異，存在局部水量大或小的情況。

3.2 洞身施工方案

為避免黃土隧道出現(xiàn)坍塌事故，本項(xiàng)目采用分部開挖法，要求在保證圍巖基本穩(wěn)定的前提下，盡可能減少工序，加快進(jìn)度。

經(jīng)項(xiàng)目部研究決定，Ⅴ級圍巖黃土地層采用預(yù)留核心土臺階法（臺階長3～5m），在保證安全性的同時(shí)，可大幅加快施工進(jìn)度。同時(shí)，為減少開挖面暴露時(shí)間，項(xiàng)目要求快速開挖，支護(hù)、仰拱緊跟，為此輔以鋼架快速安裝、多工序平行施工以及加快裝運(yùn)速度等措施，縮短循環(huán)時(shí)間。

3.3 快速臺階法施工技術(shù)措施

3.3.1 臺階法施工

1）上臺階：采用人工風(fēng)鎬+挖掘機(jī)開挖，支護(hù)方法為I20a型鋼拱架+φ42mm鎖腳錨管+φ42mm超前小導(dǎo)管（預(yù)注漿加固）；

2）上臺階核心土：采用FLAC3D模擬地層變形規(guī)律，計(jì)算預(yù)留核心土長度，宜為0.5D，具有較好的加固作用，防止巖體遇水軟化[2]；

3）中、下臺階：挖掘機(jī)+裝載機(jī)施工，每循環(huán)進(jìn)尺2～3榀拱架；

4）二次襯砌：根據(jù)監(jiān)控量測情況確定二次襯砌時(shí)間，鋼模襯砌臺車作業(yè)。

3.3.2 地下水處理

本項(xiàng)目為黃土隧道，水的影響較大，隧道開發(fā)后地下水涌出方式有“滲水”“線水”“股水”，采取堵排結(jié)合的處理措施，具體如圖1所示。

圖1 拱部注漿、邊墻排水孔位布置示意圖

由圖可見，拱部滲漏水位置梅花形布置注漿孔，先鉆3m深孔注漿，再鉆5m深孔注漿加固圍巖；邊墻鉆導(dǎo)水孔、分流孔。

3.3.3 監(jiān)控量測

本項(xiàng)目采用洞內(nèi)+地表監(jiān)控量測方法，評價(jià)隧道開挖穩(wěn)定性，及時(shí)預(yù)防突發(fā)事故，監(jiān)測點(diǎn)布置情況如圖2所示。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)布置情況

三臺階施工中，上、中臺階拱頂沉降、位移較大，控制措施包括：合理確定小導(dǎo)管長度，中、下臺階支撐及時(shí)落地，及時(shí)施作仰拱。

3.3.4 輔助措施

1）鋼架快速安裝：為加快施工速度，本項(xiàng)目鋼架采用套管連接方式，焊接方便快捷、安全可靠；

2）多工序平行施工：上臺階施作鋼支撐、錨桿，同時(shí)中臺階扒碴；上、中臺階復(fù)噴，同時(shí)鋼支撐、錨桿施工。

3）提高出碴效率：扒碴與裝運(yùn)洞碴平行施工，2臺裝載機(jī)同時(shí)裝碴。

4 結(jié)語

綜上所述，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、交叉中隔壁法、預(yù)留核心土臺階法是黃土隧道開挖工程中的常用方法，在施工安全、成本、進(jìn)度等方面各有優(yōu)勢，具體需根據(jù)工程地質(zhì)情況與要求合理選擇。本文實(shí)例對工期要求較高，同時(shí)隧道地質(zhì)情況相對較少，存在輕微濕陷，因此選用了預(yù)留核心土臺階法，施工中全面落實(shí)支護(hù)、地下水處理、監(jiān)控量測等工作；同時(shí)，通過鋼架快速安裝、多工序平行施工、提高出碴效率等輔助措施的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目高效、安全作業(yè)。