大斷面濕陷性黃土隧道施工工序控制

1 引言

我國西北部是黃土和濕陷性黃土的主要分布區。隨著西部大開發戰略的實施，黃土地區迎來了隧道建設的高潮，更多大斷面、超大斷面的隧道相繼涌現，施工風險極大。

濕陷性黃土隧道施工安全是一個復雜的系統工程，哪一個方面、哪一個階段、哪一個環節的工作沒有做好都可能釀成事故。 因此，如何有效地控制隧道施工工序，確保隧道施工質量及安全，成為現今黃土隧道施工的一個技術重點。

2工程概述

2.1 工程概況

菜子坪隧道位于渭源縣清源鎮和鍬峪鄉境內，為黃土高原梁峁區。隧道進口位于清源鎮境內烈士陵園東北側約100m處的渭河二級階地緩坡帶，定測里程DK125+054，出口位于鍬峪鄉曹家川村后側的鍬峪河二級階地陡坎坡面，定測里程DK125+735，全長681m，隧道洞身最大埋深約60m。

2.2 地質情況

隧道為典型的黃土隧道，洞身位于第四系上更新統沖積砂質黃土或細圓礫土層中，工程地質條件較差，隧道圍巖均為Ⅴ級加強圍巖，斷面約為140m2。其中砂質黃土均具濕陷性，濕陷等級為Ⅳ級自重濕陷性，最大濕陷土層厚度約15cm，見表1所示。

表1 隧道土質情況表

圖 1  掌子面地質情況                  圖 2  三臺階七步開挖效果

3 施工工序控制

3.1 洞口施工

3.1.1、邊仰坡施工

隧道開挖前，首先完成洞口截水溝、排水系統施工，保證排水系統完善，防止沖刷、浸泡邊坡；排水與路基排水系統合理連接，不能沖刷路基坡面、橋涵錐體。

邊仰坡開挖：自上而下逐段進行，土質地段采用挖掘機開挖，確保邊坡平順。

坡面噴錨網防護措施的實施，隨開挖及時安排，邊開挖邊防護；施工時注意防護錨桿須與坡面垂直，深度達到設計要求，鋼筋網與錨桿連接牢固，保證防護質量。

3.1.2、洞口加強措施

菜子坪隧道洞口均處于淺埋偏壓地段、地質條件差，設置導向墻采用大管棚和超前小導管加固洞口段，在洞口施做砼導向墻沿鋼拱架上預留導向管、鉆孔安裝大管棚。

3.1.3、進洞施工

進洞采用弧形導坑預留核心土三臺階七步開挖法，配合挖掘機開挖；挖后立即濕噴砼封閉、及時架設鋼拱架、施做系統錨桿、噴射混凝土，并使每一分部支護盡快形成閉合的受力體系，確保順利進洞。進洞后，仰拱緊跟下斷面，以確保洞口段施工安全。

3.2 洞內施工

針對菜子坪濕陷性黃土隧道，嚴格遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉，勤量測”的施工原則。黃土隧道地層結構松散、穩定性極差，為了充分發揮土巖體的承載能力，允許并控制巖體的變形。

為確保隧道施工安全，結合新奧法施工原則，采用弧形導坑預留核心土三臺階七步開挖，開挖后立即采用超前小導管，鋼拱架支撐、掛鋼筋網，施做鎖腳錨桿等結合噴射混凝土做初期支護，形成嚴密的支護體系。初期支護基本穩定后，及時施做仰拱及二次襯砌，以達到閉合成環，整體受力。隧道復合襯砌設計參數見表2所示。

表2   隧道復合襯砌設計參數表

3.2.1 隧道開挖

根據鐵建設 [2010]90號文《關于進一步明確軟弱圍巖及不良地質鐵路隧道設計施工有關技術規定的通知》的有關規定，軟弱圍巖嚴格控制開挖循環進尺長度，濕陷性黃土隧道上臺階開挖進尺控制在0.6m，即每次只進1榀。菜子坪隧道采用三臺階七步預留核心土施工，開挖步驟如圖3所示。

隧道開挖采用弱爆破，嚴格控制超欠挖，以達到開挖輪廓圓順，開挖面平整。開挖中，加強開挖面的地質素描和地質預報工作。隧道爆破采取放小炮以減少圍巖的擾動，開挖后必須及時支護。

開挖要求：上臺階長度控制在3-5m，中臺階長度控制在1-1.5倍開挖洞徑（控制在10-15m左右）范圍內；下臺階長度（仰拱到掌子面的距離）控制在2-3倍開挖洞徑（控制在40m左右）。

挖掘機鋼刀修邊后，盡早對圍巖進行支護封閉，減少圍巖暴露的時間，限制開挖后圍巖松弛。加強施工組織和協調，盡量縮短開挖掌子面的凌空暴露時間。

圖3 三臺階七步預留核心土開挖步驟

3.2.2 初期支護

黃土隧道應以限制圍巖變形為主，故采用早期大剛度的初期支護，防止土體變形過大破壞原始結構，初期支護應給土體以一定的支護抗力及時制止流變。

初期支護施工一般流程：開挖修邊后初噴C25混凝土→系統支護施工（鋼拱架、系統錨桿、超前小導管、鋼筋網）→復噴C25混凝土至設計厚度。

鋼拱架在初噴混凝土后及時架設，嚴格控制拱架間距和垂直度，且預留沉降量，以達到支撐圍巖穩定、限制圍巖變形以及防止襯砌侵線的目的。鋼筋網采用Φ8鋼筋制作，規格為20cm×20cm，與鋼架焊接成整體一個，能有效地防止受噴面由于承受噴射力而塌落，減少回彈量及防止噴射混凝土的開裂，增加初期支護的效果。拱架架立后，施做鎖腳錨桿，充分起到拉桿作用，以保證工字鋼在受到側向力時不發生向洞內的位移變形，同時可以起到抑制拱架整體下沉的作用，從而保證初支結構在施工過程中受力穩定，確保施工安全。

3.2.3 仰拱及二次襯砌

在軟弱圍巖中，要及時封閉仰拱，形成完整、封閉的支護結構。仰拱緊跟是確保初期支護安全的根本措施，一般仰拱距離掌子面控制在30m以內，以利于盡早形成完整的筒形封閉環，以改善支護結構的受力性能。另外，隧道斷面形狀應盡可能圓順，以避免拐角處的應力集中。

仰拱盡量緊跟開挖面施工（二次襯砌到掌子面控制在60m左右），仰拱填充采用棧橋平臺以解決洞內運輸問題，并進行全幅一次性施工。隧道襯砌遵循“仰拱超前、墻拱整體襯砌”的原則，初期支護完成后，能有效地控制其變形。

3.3 超前地質預報

地質預報是隧道施工地質的重要內容之一。在隧道施工過程中，該隧道主要通過砂質黃土、細圓礫土、泥巖夾砂巖，施工期間采用掌子面地質素描以及超前鉆孔等做好超前地質預報，采取“長短結合，以短為主”的方法，準確預報隧道掌子面前方20m的地質情況。施工中將超前地質預報納入施工工序，確定圍巖的工程地質、水文地質特征，及早發現不良地質、特殊地質情況，為施工提供依據，以便確定相應的處理措施，減少施工盲目性，降低施工風險，確保施工安全。

3.4監控量測

監控量測是隧道信息化設計與施工的重要內容，通過施工現場的監控量測，為判斷圍巖穩定性及支護、襯砌可靠性，調整圍巖級別、變更支護參數等提供依據，指導日常施工管理。

監控量測工作必須緊接開挖、支護作業，按設計要求進行布點和監測，并根據現場情況及時進行調整或增加量測的項目和內容。對量測數據及時分析處理，并將結果反饋到施工過程中。量測項目及頻率見表3所示。

表3  量測項目及頻率表

4 安全動態管理--實名制管理

蘭渝鐵路隧道施工中采用了隱蔽工程與關鍵部位作業實名制這一快捷有效的安全動態管理方式。在施工中實施隱蔽工程與關鍵部位作業實名登記，記錄每一道工序作業人員、開始結束時間、里程、部位、作業內容及自檢情況，施工、技術、質檢負責人簽字認證，使每道工序質量都處于受控狀態，以質量和技術保證隧道施工的安全和達到控制變形的目的。

5 施工注意事項

（1）提高施工素質，嚴格按規范進行施工，隧道開挖后要盡快閉合成環，增強結構的穩定性，消除安全隱患。

（2）黃土隧道淺埋地段，應采用超短臺階開挖，隨挖隨支，襯砌緊跟，減少圍巖暴露時間，減小對圍巖的施工擾動，采取“保護圍巖”施工理念，在施工中必須充分保護土體，盡量減少對它的擾動，避免過度破壞土體的強度，并加強超前支護和鎖腳設置。

（3）施工過程中，各分部工序之間緊密銜接，如發現不安全因素，應立即暫停開挖，封閉掌子面，加強臨時支護，調整施工方案。加強施工監測力度，保證對施工控制的動態控制。

6 總結

通過對各施工工序的嚴格控制，作為高風險的菜子坪隧道安全順利的貫通，取得了較好的經濟效益。實施“短開挖、快循環”來減少對土體的擾動是目前濕陷性黃土隧道施工較為有效的方法。濕陷性黃土隧道施工的組織和管理工作是實現安全生產和確保工程質量的重要前提。加強各個環節和施工工序控制及管理，保護圍巖，充分利用圍巖的自穩能力，抑制圍巖變形， 均衡施工，降低風險，確保了隧道安全順利貫通?！?

參考文獻

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