大断面黄土隧道施工工法研究

石 磊，侯小军，武进广

(1.中铁七局集团有限公司，郑州 450016;2.中铁一局集团有限公司，西安 710000)

0 引言

我国在高速公路黄土隧道建设领域起步较晚，施工过程中大部分是借鉴铁路隧道的施工经验。随着隧道工程建设的发展，尤其是新奥法理论的日趋完善，传统的挖掘方法已经基本被淘汰，取而代之的是更快速、更安全、更有效、更有利于围岩及掌子面稳定的大断面开挖掘进的多种施工新方法，如台阶法、CD法、CRD法、TBM法和导坑法等。施工技术的改进和发展对大断面隧道的建设产生了巨大的影响，并在我国已建成的很多大断面公路隧道中得到实践。如京珠高速公路靠椅山公路隧道(128.25 m2)采用超前管棚或小导管锚杆支护，双侧壁导坑法施工;北京长安街过街通道及地铁天安门站(335.44 m2)采用CRD法施工;郑西客运专线张茅隧道(164 m2)采用七步台阶开挖法施工［1］顺利地穿过湿陷性黄土地带。这些施工技术的改进和发展一方面推动了大断面隧道的建设，另一方面，隧道的断面形式、施工方式也日趋经济、合理和科学［2］。

但是，由于公路黄土隧道不仅存在着跨径大、断面大、扁平率小等设计特点，而且还存在围岩强度低、地质构造复杂多变、围岩开挖变形量大等施工困难，尤其是在开挖后受到变形控制等因素影响，施工难度很大［3］。在我国，大量单、双线铁路和双车道公路黄土隧道修建过程中，曾出现过严重的地表开裂、拱部下沉、衬砌变形甚至塌方等问题。与之相比，单洞三车道黄土公路隧道开挖跨度更大、扁平率更小、对施工过程的变形控制要求更高，因此，研究不同的施工工法在大断面黄土隧道中的适应性以及总结出控制大变形措施很有必要。

1 工程概况

墩梁隧道为神府高速公路控制性工程之一，隧道所处区域地貌为黄土梁岗区、黄土梁峁沟壑区地貌。设计为双向六车道分离式黄土隧道，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。隧道左线起点桩号为LK25+720，终点桩号为LK27+048，全长1 328 m;右线起点桩号为K25+705，终点桩号为K27+120，全长 1 415 m。隧道内衬砌轮廓线宽 15.02 m，高8.30 m，按新奥法设计施工，采用复合式衬砌结构，设计时速80 km/h，建筑限界净宽14.25 m，净高5.2 m。隧道设计为三心圆，最大开挖高度12.19 m，最大开挖宽度17.316 m，扁平率为0.703，为目前公路黄土隧道最大开挖断面之一。

2 施工方法选择

2.1 开挖力学分析

隧道开挖后，由于周边应力解除，一部分范围内的岩体发生变形并向隧道内移动，岩体中的初始应力也随着调整变化，并在一定范围内的岩体中进行重新分布，这种重分布后的应力状态称为二次应力，也就是围岩应力。隧道开挖使围岩的三向受力状态按近似于二向受力状态转化，加之围岩的变形和移动，使各种软弱结构面受到不同程度的破坏或松弛，特别是爆破和风化的影响，使节理裂隙进一步发展，因而开挖后的岩体强度一般低于开挖前［4］。

从力学角度来看，软岩大断面隧道的分次开挖实际上是对围岩的不同部位时而做加载、时而做卸载的复杂加卸载过程［5－6］。软弱围岩是一种在特定条件下具有显著塑性变形的复杂力学介质，其岩体力学性质主要表现为非线性大变形力学特性［7］。对于软岩大断面隧道来讲，其开挖方式一般采用分部法或导硐法，硐室的开挖是一个随时间、空间不断变化的施工过程。根据软岩的非线性大变形力学特性，不同的开挖(卸载)顺序将会产生不同的围岩变形结果［8］。因此，软岩大断面隧道施工应结合工程实际条件采用相应的施工方法，这时其支护设计不能简单地用参数设计来进行，而应采用适用于软岩大变形的非线性力学的设计方法。

2.2 开挖方法的优选

隧道开挖是一个不可逆的、非线性力学的动态演变过程，施工期和运营期的隧道安全稳定无疑和这个过程紧密相关，甚至决定着工程的成败［9］。大型地下工程，不论是水电洞室群，还是大跨度隧道，都避免不了分期或分部(块)开挖，这不仅和工程地质条件相关，而且还和施工硬件(开挖设备、运输设备、支护材料及支护设备)密切相关，更离不开目前的施工经验积累和理论成果水平。

施工方法的选择应以地质条件为主要依据，结合工期、建筑物长度、断面尺寸、结构类型以及施工技术力量等因素综合考虑，同时，要考虑在地质条件变化的情况下变换施工方法的可能性。

本隧道主要穿越黄土梁卯沟壑区，地质情况比较复杂，特殊岩土主要为湿陷性黄土。根据地质分析资料可知:隧道深埋段围岩为钙质结核较多的老黄土和粉砂性黄土，针对不同的地质地形情况在浅埋段采用双侧壁开挖，进入深埋段后根据地质变化情况在进口段采用三台阶开挖;出口段地质情况较差，可分别采用单侧壁和双侧壁进行开挖。各施工工法如图1—3所示。

3 施工监控量测

黄土隧道主要存在节理垂直发育，彼此在水平方向上的连接力较弱，在干燥时强度较大，隧道围岩及初期支护受力较小［10］，遇水后颗粒连接力削弱，黄土强度随之降低，从而引起围岩和初期支护受力增大，使沉降不易控制，且在施工过程中受多导坑交叉作业和及时封闭的施工要求等影响，利用传统变形量测方案将大大减小各工序的施工速率。鉴于以上原因，在施工中利用高精度全站仪和反光模片(苏光6×6)进行隧道变形量测。施工中按设计要求进行监控量测和测量，通过对变形数据的分析确定隧道的稳定状态。根据设计图纸要求，墩梁隧道黄土双侧壁法施工现场典型断面测试主要为拱部沉降和收敛量测，分别在浅埋段和深埋段各选取2个断面进行分析。

在墩梁隧道施工过程中，按照设计要求每隔10～50 m设置断面(根据围岩情况决定断面间距)，并在开挖24 h内取得第一组数据。用徕卡TCR－802精密全站仪观测下沉和收敛变形，最前端的一个断面紧跟掌子面，以便及时观察围岩稳定情况。观测频率为:前15 d每d观测1次或2次，16～30 d每2 d观测1次，30～90 d每周观测1～2次，90 d以上每月观测1～3次。

3.1 双侧壁导坑法施工地段

双侧壁施工一侧导坑先行，先行导坑上台阶开挖，每次开挖1～2榀，与中台阶拉开5 m左右;开挖中台阶2～4榀，再开挖下台阶2～4榀，与中台阶步距控制在5 m左右。待先行侧壁导坑掘进35 m时开始后行侧壁导坑开挖，开挖过程中仍然遵循上、中、下台阶施工距离，防止距离太小发生坍塌造成沉降过大。最后，进行中导坑开挖，并滞后后行侧壁导坑15 m左右，拆除侧壁临时支撑并仰拱开挖，仰拱开挖长度约7 m。

选取的断面为RK27+096.8，施工过程中按照图4进行量测点位的布置。

图4 双侧壁量测断面Fig.4 Double side monitoring cross-section

RK27+096.8右侧导洞拱顶、右侧导洞临时侧和右侧导洞永久侧，对应图4中E，F，G 3个测点，这3个观测点于2009年9月5日布设。9月16日布设左侧导洞拱顶、左侧导洞永久侧和左侧导洞临时侧3个测点，对应图4中H，I，J 3个测点。施工过程中右侧导坑先行，在2009年9月30日进行右侧导坑闭合，2009年10月7日进行左侧导坑闭合，至10月7日完成仰拱闭合工作。量测断面沉降和收敛关系曲线如图5和图6所示。

该断面的右导坑作业时间为9月5日，左导坑作业时间为9月16日。右侧导坑10月1日进行仰拱作业，10月6日左侧导坑仰拱作业。10月7日变形开始趋于稳定，变形速率逐渐减小，经开挖后达到稳定时间及累计沉降对比发现仰拱及时作业后趋于稳定。

中导开挖后拱部沉降很小，基本小于30 mm，说明双侧壁导坑法作业能很好地控制拱部沉降和地表沉降。

由收集到的观测数据知，双侧壁导坑工法在砂质堆积新黄土中沉降和收敛都比较大，在RK27+001处最大沉降达120.8 mm，水平收敛值达95.2 mm。在老黄土双侧壁导坑工法中观测最大沉降值为50.8 mm，收敛值为87.8 mm。由于在双侧壁导坑施工过程中开挖掌子面时需对下导坑进行拉槽，造成两拱脚间形成暂时的空槽，特别是老黄土开挖干扰更大，初步判断老黄土中收敛较大与开挖方法有直接关系。

3.2 单侧壁导坑法施工地段

单侧壁量测断面布置见图7。

图7 单侧壁量测断面Fig.7 Single side monitoring cross-section

通过对观测数据进行分析，在单侧壁施工中临时支撑侧沉降变化较大，在支撑完成后25～30 d沉降和收敛趋于稳定。该量测断面沉降和收敛关系曲线见图8和图9。

通过观测发现，在临时支撑侧沉降变化较大，观测断面所测数据为临时侧沉降值为54 mm，收敛值为42 mm，永久侧拱部最大沉降值为29 mm。

3.3 三台阶法施工地段

进口段采用三台阶法施工，拱部的垂直压力较大，在上、中台阶的拱脚处设置大拱脚来增加拱脚处的支撑力，减小拱顶的沉降与边墙的收敛。为检验系统锚杆在黄土隧道中控制沉降与收敛的作用，在左洞增加了40 m的试验段，试验段取消拱部90°范围内的系统锚杆，同时锁脚锚杆变为复合锁脚锚管，复合锁脚锚管采用φ 50钢管注浆后插入φ 22钢筋，复合锁脚锚管刚度大，比钢拱架焊接面积大。洞内设置量测观测点见图10，普通段量测断面LK25+941的沉降曲线和收敛曲线见图11和图12。试验段采用4 m复合锁脚锚管，取消拱部90°范围内的系统锚杆，量测断面LK25+866的沉降和收敛曲线见图13和图14。

图10 三台阶量测断面Fig.10 Three-bench monitoring cross-section

通过观测发现，普通段最大下沉值达到115 mm，发生在拱腰处，开挖线处最大收敛值达到90 mm;试验段最大下沉值为60 mm，也发生在拱腰处，开挖线处最大收敛值为35 mm;当仰拱施工完成后，下沉和收敛趋于稳定，不再发生变化。相比普通段，试验段下沉和收敛都减少很多，这是因为锁脚锚管的刚度较大，限制了围岩的下沉与收敛，拱部系统锚杆在黄土隧道中所起的作用没有在石质围岩中的作用大，在黄土隧道中应增加锁脚锚杆或锁脚锚管来限制沉降和收敛。

4 不同施工方法比较

分别对墩梁黄土大断面隧道采用双侧壁导坑、单侧壁导坑、三台阶开挖进行分析比较，得出了3种工法的优缺点、适用性以及控制大断面黄土隧道变形的关键技术措施。

4.1 进度分析比较

通过对墩梁隧道各施工方法、监控量测结果进行比较分析，双侧壁施工根据现场地质情况不同，每循环开挖1～2榀，浅埋段每月掘进25～31 m，深埋段每月掘进35～40 m，平均每月掘进37.5 m;但在仰拱施工前需开挖11次，回填3次，在多次开挖过程中造成支护放松，变形量增大，在钢拱架闭合成环后，变形量基本趋于稳定。

单侧壁施工每循环开挖2榀，每月掘进40～50 m，平均每月掘进45 m，较单侧壁开挖工序少，从而使进度加快。在隧道变形控制上，有中隔壁支撑能有效地控制变形量，但中隔壁支撑拆除较为困难，且在拆除后造成支护放松，变形量增大。

三台阶施工每循环开挖2榀，每月掘进70～90 m，开挖工序较少，工作场地较大，有利于机械化作业，提高施工进度;但由于没有临时支撑，拱部垂直压力较大，如果下部支撑不够，容易产生掉拱现象，发生安全事故。

深埋段由于地质情况差异，采取双侧壁导坑、单侧壁导坑和三台阶3种开挖方法，设计中支护参数存在一定差异，双侧壁、单侧壁施工中需要进行临时支撑安装和拆除，占用了大量时间。

根据以上数据分析可知:3种方法中三台阶掘进速度最快，其次是单侧壁和双侧壁。其中，在取消三台阶系统锚杆设计后，可以提高施工效率28.5%。

4.2 优缺点及适用性分析

在支护设计参数相同的条件下，不同施工工法的优缺点及适用性情况对比见表1。

表1 大断面黄土隧道不同工法优缺点及适用性综合比较Table 1 Advantages，disadvantages and applicability of different construction methods for loess tunnel with large cross-section

4.3 大断面黄土隧道控制变形的关键技术

4.3.1 双侧壁施工变形控制

双侧壁导坑法在开挖过程中能有效地控制拱部沉降。由于将大断面划分为左、中、右3个导坑断面，每个断面又分为上、中、下3个部分开挖，并及时使拱架落地成环，使初期支护完全受力，充分发挥了初期支护和岩体的自稳能力，使沉降和收敛得到了有效的控制;但是，在开挖仰拱(初期支护闭合)和拆除侧壁临时支撑时会造成拱脚位置暂时松弛，拱部沉降和拱脚部分收敛会相对变大，所以在进行双侧壁施工时，应采取以下措施减少变形。

1)优化洞内施工组织，减少工序衔接时间，及时闭合成环，使初期支护形成整体。

2)保证喷射混凝土密实，使钢拱架直接参与受力，以减少岩体变形。

3)根据观察资料和地质情况合理确定初期支护拆除方案，开挖过程中控制好仰拱与掌子面间的距离。

4.3.2 单侧壁施工变形控制

单侧壁施工可以有效地控制拱部沉降，但在中、下部拱架落地时会产生较大的沉降和收敛，较双侧壁来说不利于收敛控制，存在拆除临时支撑时拱部沉降发生变化，在施工过程中可以采取以下措施进行控制。

1)开挖过程中严格控制仰拱和掌子面、临时支撑之间的距离，尽早完成仰拱施工，从而有效控制收敛变形。

2)导坑开挖过程中应及时将永久支撑落地，控制每次开挖落地距离，保证左右侧落地位置不在同一里程，使永久支撑尽早参与整体受力，缓解临时支撑压力，有效控制沉降。

3)重视锁脚锚杆施工，保证在永久支撑没有落地前，锁脚锚杆可以承受大部分压力。保证喷射混凝土密实，使钢拱架直接参与受力，减少岩体变形。

4)根据观察资料和地质情况合理确定初期支护拆除方案。

4.3.3 三台阶施工变形控制

采用三台阶开挖隧道会引起较大的拱顶沉降和水平位移，其中上、中台阶开挖会引起较大的拱顶沉降和位移。上弧导坑开挖后，拱顶短时间内会发生较大变形，下台阶、仰拱开挖引起的拱顶沉降和纵向位移较小。为有效地控制沉降和收敛，施工过程中要采取以下控制措施。

1)控制弧形导坑开挖距离和开挖后拱脚位置，保证锁脚锚杆和扩大拱脚施工质量，可以有效控制上台阶开挖后发生沉降。

2)根据施工情况及时完成中、下台阶支撑落地，并在施工中做到随挖随支，避免钢拱架拱脚悬空。

3)重视超前小导管施工，保证导管长度、外插角、注浆和搭接长度。

4)及时施工仰拱，合理控制开挖距离。

5 结论与讨论

1)施工方法的选择应根据设计文件、施工调查情况、地质、围岩类别、隧道长度、断面、衬砌、工期以及施工队伍的技术水平等因素综合考虑。优先选用全断面或少分部的开挖方法，以减少施工工序，便于机械化作业，改善作业环境，确保施工安全。

2)对地质变化较大的隧道施工环境，选择施工方法时要考虑地质变化的适应性，尽量避免变更施工方法，打乱施工工序，从而影响进度和安全。优先采用成熟的新技术、新工艺、新设备、新材料，提高综合施工水平。

3)黄土具有独特的物理、化学和力学性质，受水浸蚀后结构会迅速破坏从而引发湿陷现象，对隧道的安全稳定和正常使用有着巨大的影响。在隧道开挖施工中，必须认真分析不同工法、工序间的逻辑影响程度，并在充分考虑围岩自稳性能的基础上，采取针对性措施，有效控制围岩过大变形。

［1］ 张爱军，白名洲，许兆义，等.郑西客运专线铁路张茅隧道近饱和黄土体初期支护应力变形特征研究［J］.岩石力学与工程学报，2011，30(S2):348－354.(ZHANG Aijun，BAI Mingzhou，XU Zhaoyi，et al.Study of stress and deformation characteristics of Zhangmao nearly saturated loess tunnel initial support of Zhengzhou—Xi’an passenger railway［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30(S2):348 －354.(in Chinese))

［2］ 熊江陵，李建华.膏溶角砾岩地层大断面隧道快速施工技术［J］.隧道建设，2010，30(1):50 －53，68.(XIONG Jiangling，LI Jianhua.Technology for rapid construction of large cross-section tunnel in gypsum breccia ground［J］.Tunnel Construction，2010，30(1):50 －53，68.(in Chinese))

［3］ 柴江.黄土公路隧道施工方法对比分析［D］.兰州:兰州理工大学结构工程专业，2011.(CHAI Jiang.Comparison of construction methods of loess highway tunnel［D］.Lanzhou:Structural Engineering，Lanzhou Universityof Technology，2011.(in Chinese))

［4］ 何凯波.隧道围岩在开挖应力下的弹塑性损伤演化机理研究［D］.重庆:重庆交通大学港口、海岸及近海工程专业，2009.(HE Kaibo.The elasto-plasticity damage evolution mechanism on surrounding rock of tunnel with excavation stress［D］.Chongqing:Harbor，Coastal and Offshore Engineering，Chongqing Jiaotong University，2009.(in Chinese))

［5］ 林宝龙，马祥旺.大断面公路隧道施工围岩稳定性数值分析［J］.石家庄铁路职业技术学院学报，2007，6(1):13 －17.(LIN Baolong，MA Xiangwang.Numerical analysis on stability of surrounding rock during construction of largespan highway tunnel［J］.Journal of Shijiazhuang Institute of Railway Technology，2007，6(1):13 －17.(in Chinese))

［6］ 刘大园.软岩三线车站隧道开挖围岩力学响应分析［D］.成都:西南交通大学桥梁与隧道工程专业，2007.(LIU Dayuan.Mechanics response anslysis of surrounding rock on weak rock station tunnel with large span［D］.Chengdu:Bridge and Tunnel Engineering，Southwest Jiaotong University，2007.(in Chinese))

［7］ 何满潮，李春华，王树仁.大断面软岩硐室开挖非线性力学特性数值模拟研究［J］.岩土工程学报，2002，24(4):76 －79.(HE Manchao，Li Chunhua，WANG Shuren.Research on the non-linear mechanics characters of large section cavern excavating within soft rock by numerical simulation［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2002，24(4):76 －79.(in Chinese))

［8］ 黄达.大型地下洞室开挖围岩卸荷变形机理及其稳定性研究［D］.成都:成都理工大学岩土工程专业，2007.(HUANG Da.Study on unloading deformation mechanism and stability of excavating surrounding rock mass of large underground caverns［D］.Chengdu:Rock and Soil Engineering，Chengdu University of Technology，2007.(in Chinese))

［9］ 张显书，刘新喜，刘贵应，等.襄武段联拱隧道动态施工力学技术实现［J］.湖南科技大学学报:自然科学版，2004，19(4):33 －36.(ZHANG Xianshu，LIU Xinxi，LIU Guiying，et al.Realization about dynamic construction mechanics in Xiang-Wu section twin-arch tunnel engineering［J］.Journal of Hunan University of Science ＆ Technology:Natural Science Edition，2004，19(4):33 －36.(in Chinese))

［10］ 周烨，刘仲仁，刘兴平，等.湿陷性黄土隧道三台阶法施工时间应变规律［J］.隧道建设，2010，30(2):20－22，81.(ZHOU Ye，LIU Zhongren，LIU Xingping，et al.Rule of time dependent stress of tunnels in wet subsidence loess constructed by 3 bench excavation method［J］.Tunnel Construction，2010，30(2):20 － 22，81.(in Chinese))