浅谈大断面黄土隧道施工

浅谈大断面黄土隧道施工

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【内容提要】本文主要介绍黄土高原丘壑区大断面黄土隧道的施工

【关键词】大断面 黄土隧道 双侧壁导坑

神木至府谷高速公路是陕西省规划建设的“三纵四横五辐射”高速公路网中榆林至商州线的重要组成路段。路线起于神木县半切墩附近经府谷跨过黄河与山西省规划建设的忻州至保德高速公路相接，路线全长56.036Km，按六车道高速公路标准设计。

全线控制性工程之一的墩梁隧道是一座纯黄土隧道，设计开挖宽度17.4m，开挖高度12.8m，开挖断面169㎡。

一、工程概况

1、墩梁隧道工程概况

本隧道设计为双向六车道分离式黄土隧道，隧道所处地段地形变化较为复杂，地质灾害较发育，主要穿越V级黄土围岩，特殊岩土主要为湿陷性黄土。

2、地质地形概况

项目区地处毛乌素沙漠与黄土高原的过渡地带的东南部，地势总体北高南低、西高东

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低，海拔在12000m左右。

墩梁隧道所处区域地貌为黄土梁岗区、黄土梁峁～沟壑区地貌。隧道进口位于黄土梁峁～沟壑区，地表植被稀疏，表面冲刷严重，出口位于松散黄土～粉砂土堆积区，地表沙化严重，植被稀疏，受扰动易滑塌。黄土梁顶沿隧道走向多分布有落水冲蚀洞穴，对施工影响较大。

3、隧道设计概况

墩梁隧道左线全长1328m其中进口明洞长度21米，出口明洞长25.3米；右线全长1415m，其中进口明洞长度12.8米，出口明洞长22米；左线浅埋段212米，深埋段长度1098米；右线浅埋段长度为294米，深埋段长度为1108米。隧道内衬砌轮廓线宽15.02米，高8.30米，按新奥法施工设计，采用复合式衬砌结构，设计时速80km/h,建筑限界净宽14.25m，净高5.2m。

4、洞口特殊地质地形和采取的施工方法概况

墩梁隧道洞口段属于地质环境薄弱地段，受到湿陷性黄土性质的影响，进出口明洞和浅埋段基础承载力均低于250Kpa，需要进行地基加固处理。明洞基础加固采用φ50钢管进行注浆加固；浅埋段采用φ89钢管进行注浆加固；钢管间距60*60cm，长度5米。

由于进出口处于偏压浅埋段，施工过程中遵循“短开挖，强支护，勤量测，紧封闭”的原则，根据本工程的设计，针对不同围岩部分，分别采取以下施工方案：

Ⅴ级围岩浅埋地段采用双侧壁导坑法，为保证安全进洞，洞门段超前支护采用25米

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超前大管棚，管棚范围内主拱架初期支护为25米大管棚结合钢筋砂浆锚杆、工字钢拱架进行支护。浅埋段管棚范围外主拱架初期支护为双层小导管注浆结合砂浆锚杆工字钢拱架进行支护。初期支护完成后，进行监控量测，围岩变形基本稳定后，及时进行防水层、仰拱及C25钢筋砼二次衬砌。

二、大断面黄土隧道施工特点概述

1、黄土隧道施工特点

（1）黄土对隧道施工的影响

1）黄土节理：在红棕色或深褐色的古土壤黄土层，常具有各方向的构造节理，有的原生节理呈X型，成对出现，并有一定延续性。在隧道开挖时，土体容易顺着节理张松或剪断，在施工过程中多见 “塌顶”和“侧壁滑塌”等情况，若施工时处理不当，常会引起较大的坍塌。

2）黄士冲沟地段：隧道在黄土冲沟地段施工时，当隧道在较长的范围内沿着冲沟或塬边平行走向，而覆盖较薄或偏压很大的情况下，容易发生较大的坍塌或滑坡现象。

3）黄土溶洞与陷穴：黄土溶洞与陷穴，是黄土地区经常见到的不良地质现象，隧道若修建在其上方，则有基础下沉的危害。隧道若修建在其下方，常有发生冒顶的危险。隧道若修建在其邻侧，则有可能承受偏压。

4）水对黄土隧道施工的影响；在含有地下水的黄土层中修建隧道，由于黄土在干燥时很坚固，承压力也较高，施工可顺利进行。当其受水浸湿后，呈不同程度的湿陷后，会突

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然发生下沉现象，使开挖后的围岩迅速丧失自稳能力，如果支护措施满足不了变化后的情况，极容易造成坍塌。

施工中洞内排水不良，洞内道路会形成泥泞难行，不论是无轨还是有轨运输都会给道路的维护、机械的使用与保养、隧道的铺底或仰拱施工作业等方面带来很大的困难。

（2）黄土隧道的施工方法

1）黄土隧道施工，首先做好黄土中构造节理的产状与分布状况的调查。对因构造节理切割而形成的不稳定部位，在施工时应超前考虑加强支护措施，防止坍塌。

2）施工中应遵循“短开挖、少扰动、强支护、实回填、严治水、勤量测”的施工原则，紧凑施工工序，精心组织施工。

3）黄土围岩开挖后暴露时间过长，围岩周壁风化至内部，围岩体松弛加快，进而发生坍塌。因此，宜采用复合式衬砌，开挖后以喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢支撑作初期支护，以形成严密的支护体系。必要时可采用超前锚杆、管棚支撑加固围岩。

4）做好洞顶、洞门及洞口的防排水系统工程，并妥善处理好陷穴、裂缝，免除地面积水浸蚀洞体周围，造成土体坍塌。

2、针对墩梁隧道黄土地质特点分析和应对

墩梁隧道地质主要是出口的堆积黄土和粉砂土地层和进口的老黄土钙胶质夹层地层。针对实际地质情况，结合地形地貌，对隧道进口段施工采用了双侧壁开挖法。同时在施工前对洞口边仰坡进行清理和防排水处理，施做超前大管棚进行加固。开挖时先安排开挖受

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偏压的另一侧，确保整体施工安全。

针对出口粉土-黄土地层，开挖时严格控制开挖进尺为能安装一榀钢架并适当预留，稍后人工以洋镐、铁锹修整。针对进口老黄土钙胶质夹层地层，施工中控制进尺为能安装两榀拱架长度，修整以人工持风镐破碎钙胶质层后洋镐挖除老黄土。

隧道进出口黄土含水率在8-14%，开挖后易失水垮塌，针对此种情况一般采用开挖后部分喷射5cm混凝土封闭的办法进行保水以确保土体自身稳定。

对于隧道出口粉土-黄土地层的施工，在系统锚杆施工过程中经常发生垮塌，这对此情况，采取的应对措施是仅施做锁脚锚杆固定钢架，喷射混凝土施做一半厚度稳定土层后再施做系统锚杆可有效避免土体的垮塌。

三、双侧壁导坑施工方法在墩梁隧道施工中的应用

双侧壁导坑法一般是将断面分成四块：左、右侧壁导坑、上部预留核心土弧形开挖、下台阶。导坑尺寸拟定的原则以宽度不超过断面最大跨度的1/3。左、右侧导坑错开的距离，应根据开挖一侧导坑所引起的围岩应力重新分布的影响不致波及另一侧已成导坑的原则确定。

施作超前支护后，先分左右开挖双侧壁导坑，支撑临时钢拱架和布设排水半管。满足应力分布安全距离后依次开挖弧形拱部土体，保留核心土，随后开挖核心土和下半断面，最后进行仰拱封闭。

考虑到墩梁隧道地质特点和设计特点，施工过程中做到以下控制：

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①开挖断面大，基础承载力小，为防止钢拱架下沉，在拱脚部位安装4根锁脚锚杆以保证钢拱架稳定。

②由于土质松散，含水率低，开挖后容易失水形成裂缝从而大面积塌块，导致超挖严重，一般在25cm~60cm之间，从而造成喷射混凝土的浪费和安全隐患。在开挖过程中根据经验提前判断超挖范围，利用机械开挖时减小开挖轮廓，剩余部分人工开挖，有效的防止了超挖。

③设计超前小导管5米长，分7度角和30度角两种，综合间距20cm，由于超前锚杆布置过密，在钻机进行超前锚杆施工时易对拱顶围岩造成大范围扰动，从而在开挖后造成严重坍塌、掉块是施工过程中需要解决的问题。

④由于左右侧临时支撑在进行仰拱施工前要进行拆除，临时支撑与左右侧永久支撑利用法兰连接，并进行齐缝焊接，拆除时存在高空作业难以拆除、易对永久支撑造成扰动导致失稳的隐患。考虑到以上原因在进行临时钢拱架支撑初期支护喷射混凝土时，有意识对临时支撑与永久支撑连接处进行预留，以有效减少拆除时的难度和对永久支护的影响。

双侧壁导坑先墙后拱反台阶法隧道开挖工序

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说明：数字为开挖顺序，字母为支护顺序

四、小结和下一步的施工设想

通过对已进行双侧壁导坑开挖的洞口段土体和初期支护的监控量测并进行数据分析，结合地质钻探资料比对，认为在洞口段利用双侧壁导坑法进行施工时按照“管超前、短进尺、少扰动、强支撑、紧封闭、勤量测”的原则进行控制；遵循各道工序紧密衔接，环环紧扣，随挖随支原则进行施工；完全能满足进行大断面纯黄土隧道施工要求，并能有效控制沉降和变形。下一步将总结洞口段施工的经验教训，结合进洞后土质变化实际情况，不断优化施工方案和工序衔接，不断提高施工工效确保施工质量和安全。

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