黃土隧道施工方法探討

王仁鵬

(甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030)

0 前 言

黃土具有松散型、直立性、濕陷性、遇水強(qiáng)度折減嚴(yán)重的特性，在巖土工程相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)中，都將黃土歸類為特殊土之中，在隧道設(shè)計中，一般將黃土地層歸為Ⅳ～Ⅴ級圍巖。我國黃土地層廣泛分布在西北地區(qū)，面積約60萬km2，某些地區(qū)厚度達(dá)上百米。長期以來，由于水土流失的作用，黃土地區(qū)形成了梁、峁、塬、坮等溝壑縱橫的地形地貌，對公路的修建造成了極大的困難。

近年來，西部黃土地區(qū)公路隧道數(shù)量迅速增加，如何保證黃土隧道施工期間的安全，隧道開挖方式的選擇至關(guān)重要。

1 黃土隧道的特點(diǎn)

黃土隧道屬于土質(zhì)隧道，與巖質(zhì)隧道相比，其隧道結(jié)構(gòu)的受力基本相似，但是黃土隧道土體的性質(zhì)、施工過程中的變形、隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)等都存在一定差異[1]。

1)首先，黃土具有較強(qiáng)的濕陷性，孔洞發(fā)育，植物根系較多，在接近干燥的非飽和狀態(tài)下，其強(qiáng)度較高，穩(wěn)定性較好，對隧道開挖影響不大，遇水后，其強(qiáng)度指標(biāo)會迅速下降，自身結(jié)構(gòu)在外力作用下很容易發(fā)生破壞，非常不利于隧道的開挖。而老黃土與新黃土又有所區(qū)別，老黃土一般沉積時間早，良好的固結(jié)度使得原狀黃土具有極高的密度和強(qiáng)度，同時一般不具有濕陷性，但是在遇水時強(qiáng)度也會下降嚴(yán)重，對隧道開挖造成嚴(yán)重影響[2]。

2)黃土隧道施工時變形較大，由于黃土自身強(qiáng)度低，外加受到地下水，施工機(jī)具振動，如果支護(hù)不及時，很容易導(dǎo)致圍巖應(yīng)力松弛，形成很大的變形，影響隧道開挖施工的安全。

3)黃土隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于黃土自身特殊的性質(zhì)，導(dǎo)致黃土隧道開挖方式、開挖進(jìn)尺都與圍巖較好的隧道有所不同，為了保證開挖施工的安全，黃土隧道的開挖首先要設(shè)置超前支護(hù)，開挖時要設(shè)置臨時支護(hù)，還要增加輔助措施。此外由于黃土隧道一般采用臺階法或?qū)Ф捶?，其每個進(jìn)尺的開挖步驟復(fù)雜，造成支護(hù)步驟相應(yīng)繁瑣，進(jìn)度較為緩慢。

2 黃土隧道的施工原則

黃土隧道必須遵循“短進(jìn)尺、短臺階、強(qiáng)支護(hù)、早成環(huán)、緊二襯”的原則進(jìn)行開挖施工。

黃土隧道施工還要根據(jù)不同的圍巖級別及地下水情況，加強(qiáng)開挖過程中的監(jiān)控量測，動態(tài)化施工和設(shè)計，隨時對施工方案進(jìn)行調(diào)整，二次襯砌施工要及時。

黃土隧道在施工前，要先完成隧道洞口段的邊仰坡支護(hù)和洞口截水溝。

如果在開挖過程中，確實(shí)遇到和地勘報告情況差別較大的地質(zhì)情況，需要及時和設(shè)計單位反饋，采取補(bǔ)充勘察、設(shè)計變更，同時要提前做好應(yīng)急預(yù)案，有效應(yīng)對施工過程中的突發(fā)狀況[3]。

3 黃土隧道的開挖方法

國內(nèi)外經(jīng)過長期的施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對黃土隧道提出了一系列開挖方法，并在工程中進(jìn)行了一定的應(yīng)用。針對黃土隧道的開挖方法及其對比如表1所示[4-5]。

表1 黃土隧道的開挖方法及其對比

4 工程案例

4.1 工程概況

隧址區(qū)屬剝蝕堆積黃土塬邊梁峁溝壑地貌區(qū)。路線穿越南溝與黑河之間的山體(東山)，屬于長梁臨河段山嘴，最高海拔約1 323 m，位于隧道左側(cè)山頂，最低點(diǎn)海拔約1128 m，位于黑河河谷地帶。隧道進(jìn)口段山體斜坡坡度約30°，較陡，坡面較破碎，受流水切割溝谷發(fā)育，局部溝壁呈黃土柱狀微地貌，以小型崩塌為主。

經(jīng)調(diào)繪、鉆探揭露，隧址區(qū)的地層主要如下。

1)第四系全新統(tǒng)坡積黃土狀土(Q4dl)：主要分布于黃土沖溝及塬邊陡立的斜坡坡腳，淺黃色，含植物根系，偶含鈣質(zhì)結(jié)核，土質(zhì)疏松，具大孔隙，稍濕，硬塑。厚度小于5 m。

2)上更系統(tǒng)馬蘭黃土(Q3eol)：黃褐色，稍濕，稍密-中密，無層理，土質(zhì)均勻，以粉細(xì)粒為主，含少量黏粒，小孔隙發(fā)育，含白色菌絲，含云母顆粒，表層具植物根系。分布于山頂。

3)中更新統(tǒng)離石黃土(Q2l)：屬于黃土梁主要組成土體，位于洞身段上部。淺紅棕色，稍濕，中密～密實(shí)，土質(zhì)不均，以粉細(xì)粒為主，含少量黏粒，具小孔隙，含白色條帶，不均勻分布有少量鈣質(zhì)結(jié)核塊體，可見最大15 cm。夾多呈古土壤層，呈棕紅色，條帶分布，黏粒含量較高，厚度2～3 m，為洞身主要通過地層。

4.2 施工方案

在以上分析的基礎(chǔ)上，針對該工程的特點(diǎn)，設(shè)計黃土隧道的開挖施工方案。

1)開挖原則。隧道開挖處須在超前支護(hù)完成后進(jìn)行施工，嚴(yán)格按照“短進(jìn)尺、短臺階、強(qiáng)支護(hù)、早成環(huán)、緊二村“的原則進(jìn)行。

2)施工流程。該工程采用上臺階留核心土弧形開挖，圍巖施工開挖示意如圖1所示。

(a)

(b)

施工流程為：上臺階留核心士弧形開挖(1-1)→拱部一次襯砌(Ⅰ)→上臺階核心士開挖(1-2)→左、右側(cè)壁交錯2～3 m開挖，禁止上臺階兩側(cè)拱腳同時懸空(2-1)→左、右側(cè)壁交錯施工拱部初期支護(hù)(Ⅱ)→中臺階核心土開挖(2-2)→左、右側(cè)壁交錯23 m開挖(3-1)→左、右似壁交錯施工邊墻一次襯砌(Ⅲ)→下臺階核心土開挖(3-2)→仰供初期支護(hù)(Ⅳ)→仰拱襯砌(Ⅵ)→仰拱填充(預(yù)留中心水溝)(Ⅶ)→全斷面模筑拱墻二次襯砌(Ⅷ)。

3)施工要求。

(1)采用短臺階法施工，臺階總長14～18 m，深埋段開挖循環(huán)進(jìn)尺控制在1～2榀拱架間距且不大于1.5 m，淺埋段開挖循環(huán)進(jìn)尺要求為1拱架間距，避免兩側(cè)拱腳及墻腳同時落空。

(2)仰拱一次開挖長度為3～4榀鋼拱架間距，步距應(yīng)滿足規(guī)范要求。

(3)初期支護(hù)混凝土強(qiáng)度達(dá)70%以上方可拆除模板，修整輪廓使其平滑，鋪掛防水板，然后模筑二次襯砌。

(4)預(yù)留核心土的長度為3.0～5.0 m，面積不得小于上半斷面的50%，核心土刷坡坡坡率為1∶0.5～1∶0.75。

(5)仰拱襯砌、仰拱填充作業(yè)及養(yǎng)護(hù)時，需要架設(shè)臨時仰拱鋼棧橋，以保障施工順利進(jìn)行。

(6)洞內(nèi)應(yīng)做到不積水、不泥濘，嚴(yán)控施工用水、排放嚴(yán)禁漫流，不得浸泡下臺階基坑及拱腳。

(7)加工鋼架時，鋼架段與段之間應(yīng)螺栓連接牢固，連接鋼板應(yīng)與螺栓垂直。

(8)施工時，在拱腳及墻腳可設(shè)置預(yù)制混凝土墊塊，可有效地控制沉降。

(9)初期支護(hù)表面如有滲水，可在初期支護(hù)表面打設(shè)仰斜式排水孔并埋置排水管。

(10)做好塌方、冒頂?shù)认嚓P(guān)預(yù)案，保證施工安全，嚴(yán)格控制超欠挖，確保鋼架與圍巖緊貼。

5 結(jié) 論

1)隧道開挖處須在超前支護(hù)完成后進(jìn)行施工，嚴(yán)格按照“短進(jìn)尺、短臺階、強(qiáng)支護(hù)、早成環(huán)、緊二村”的原則進(jìn)行。

2)黃土隧道的開挖施工方法的選擇應(yīng)根據(jù)地層巖性、水文地質(zhì)條件等綜合考慮。

3)監(jiān)控量測必須及時根據(jù)，便于進(jìn)行“動態(tài)設(shè)計”。

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