浅谈大断面湿陷性黄土隧道施工技术

苏杰

【摘要】本文结合郑西客运专线凤凰岭隧道和高桥隧道的施工，通过对现场监控量测数据分析，总结了大断面湿陷性黄土隧道施工中弧形导坑法、CRD法、双侧壁导坑法的不同适用范围，指出其具体施工工艺步骤、质量控制要点及围岩的变形规律，同时指出隧道洞内基底湿陷性处理的措施。

【关键词】大断面；湿陷性；黄土隧道；施工技术

On The Construction Technology of Large Section collapsible loess tunnel

Su Jie

（China Railway 23th Bureau Group Co. Ltd. ， Chengdu 610072，China）

Abstract Combining the construction of Fenghuangling tunnel with Gaoqiao tunnel PDL， through analysis of scene monitor and measure data， the thesis concludes different range of application of curve excavation method、CRD method and twin-side heading method in the large section collapsible loess tunnel construction， but also points out the detailed technology process、the key points of quality control and regular deformation of adjoining rock， and the measures how to deal with collapsible foundation in tunnel.

Keywords large section； collapsible； loess tunnel； construction technology

1 引言

黄土是我国北方地區常见的一种特殊土，是第四纪干旱、半干旱气候条件下形成的，其基本色调是黄色，黄土具空隙，垂直节理发育，直立性强，新黄土多具湿陷性。

在湿陷性黄土地区修建大断面黄土隧道有两个显著的特点：（1）湿陷性黄土地基的处理；（2）大断面黄土隧道开挖后拱顶及局部应力集中过大，拱顶沉降较大，造成隧道结构易失稳。因此在不同的地质情况下研究适宜的开挖方法，减小隧道拱顶沉降，有效抑制隧道围岩变形，在保证隧道施工安全的基础上加快施工进度，寻求一种克服洞内空间受限消除地基湿陷性的方法对大断面湿陷性黄土隧道施工有重要意义。

2 开挖方法的选择

大断面黄土隧道施工控制重点主要是要有效地控制围岩变形，因此围岩的情况决定了隧道施工方法的选择。

大断面隧道开挖控制变形，保证围岩稳定的原则就是化大为小，采用分部开挖支护 ，仰拱二衬紧跟。

对于埋深较大的IV级老黄土围岩，由于黄土具有直立性好、宜成型的特点，在适用短进尺的条件下，有一定的围岩稳定时间，保证在围岩未有大的变形掉块的情况下有足够的立架和喷锚作业时间，从而保证施工安全，采用弧形导坑法；

Ⅳ级围岩深埋软质岩、浅埋段以及Ⅴ级围岩深埋地段，围岩自稳能力差，土体受扰动后产生应力重分布，上部土体宜沿破裂面形成楔形漏斗，造成拱顶失稳，为了保证安全开挖断面应尽量缩小，采用CRD法。

Ⅴ级围岩浅埋、偏压等要求地表沉降小的地段，采取双侧壁导坑法施工。

3 几种主要开挖方法

3.1 弧形导坑法

3.1.1 工艺原理

弧形导坑预留核心土施工是将整个隧道断面划分为上中下和仰拱四部分，以前后六个不同的开挖面相互错开开挖，然后分部进行支护，形成支护整体，缩短作业循环时间，逐步向纵深推进的作业方法。拱部采用环形导坑开挖，利用核心土施压掌子面。施工工序横断面图见图1。

3.1.2 优缺点

1、优点

1）充分利用开挖空间，机械利用率高，施工速度快；

2）工序简单，初期支护和二衬闭合成环时间早。

2、缺点

隧道围岩扰动大，应力集中、拱顶沉降大，造成结构易失稳。

3.1.3 主要施工方法

1、测量人员对掌子面进行测量放样，根据隧道施工监控量测分析预留沉降量控制在10～15cm。

2、上弧导开挖支护

拱部120°范围内施作超前小导管，待浆液达到一定强度后，采用机械开挖。上弧导核心土顶面距拱顶1.5～2.0m，核心土两侧距开挖面约2m，上导坑开挖高度约4.9m，每循环进尺控制在一榀钢拱架的间距，上台阶长度控制在3～5m，开挖后及时初喷，架设钢架、施作系统锚杆及钢筋网片，复喷混凝土至设计厚度。

3、左侧中部和右侧下部开挖

待上弧导超前中台阶3～5m时，在承载拱的支护下，交错开挖左侧中部和右侧下部马口，左右错开1～2m，先后按同样方法进行支护，使同一断面处暴露开挖面仅限于单侧。

4、右侧中部和左侧下部开挖（方法同上）。

5、仰拱开挖长度一次不能超过5m，施作仰拱支护，及时进行仰拱及填充施作。

6、仰拱及混凝土。填充长度达到一组衬砌长度，利用衬砌模板台车一次性灌注衬砌

3.2 双侧壁导坑法

3.2.1 工艺原理

双侧壁导坑法施工采用化整为零的原理，利用临时中隔壁和横撑把整个隧道断面分割成9个小洞室分部施工，每个小洞室分别形成封闭的环形结构支护体系，施工工序横断面图见图2。

3.2.2 优缺点

1、优点

1）各部开挖及支护自上而下，步步成环，及时封闭，各分部封闭成环时间短；

2）隧道围岩扰动较小，沉降较小，是开挖方法中最安全的一种开挖方法；

2、缺点

1）施工工序分部较多，施工速度慢，不利机械化作业；同时作业面多施工干扰大；

2）拆除临时支护时存在安全隐患；

3）工程造价高。

3.2.3 主要施工方法

1、测量人员对掌子面进行测量放样，根据黄土隧道施工监控量测分析预留沉降量控制在20～25cm。

2、施做两侧上台阶超前小导管，预留核心土，人工开挖两侧上台阶，即①部，施做初期支护：初喷混凝土4cm，然后施做锚杆、挂设钢筋网，架立周边钢架及临时横撑钢架，施做锁脚锚管，周边（含底部）喷混凝土至设计厚度。

3、待①部超前一段距离后（3m左右），机械开挖两侧下台阶，即②部，施做初期支护：初喷混凝土4cm，然后施做锚杆、挂设钢筋网，架立周边钢架及临时横撑钢架，施做锁脚锚管，周边（不含底部）喷混凝土至设计厚度。

4、待②部超前一段距离后（3m左右），施做中部上台阶超前小导管，预留核心土，机械开挖中部上台阶，即③部，割除双侧壁导坑支护露出的锚杆，施做初期支护：初喷混凝土4cm，然后施做锚杆、挂设钢筋网，架立拱部钢架。喷射拱部混凝土至设计厚度。

5、待③部超前一段距离后（3m左右），开挖隧道中部下台阶，即④部。

6、待④部超前一段距离后（9m左右），拆除双侧导坑底部的临时横撑，开挖隧道两侧仰拱土体，即⑤部。施做初期支护：初喷混凝土4cm，架立仰拱钢架，接长临时钢架，喷混凝土至设计厚度。

7、开挖隧道中间剩余的土体，即⑥部施做初期支护：初喷混凝土4cm，架立仰拱钢架，喷混凝土至设计厚度。

8、及时绑扎仰拱钢筋，浇筑隧道仰拱，浇筑仰拱填充混凝土。

9、根据监控量测结果分析，待时机合适，拆除剩余临时支护及横撑。施作防排水、二衬钢筋，利用衬砌模板台车一次性灌注衬砌混凝土。

3.3 CRD导坑法

3.3.1 工艺原理

以岩体理论力学为基础，监控量测为依据，按“化整为零”的原则用中隔壁和横撑将整个隧道断面划分左右两侧共5部分，各部分开挖后及时初期支护，合理确定工序之间的关系，施工工序横断面图见图3。

3.3.2 优缺点

CRD导坑法开挖方法的特点介于弧形导坑法和双侧壁导坑法的特点之间。

3.3.3 主要施工方法

1、测量人员对掌子面进行测量放样，根据黄土隧道施工监控量测分析预留沉降量15～20cm。

2、各部施工方法参照双侧壁导坑法。

3.4 质量控制要点

1、浅埋段和含水量较大地段设置超前小导管，根据开挖情况可减小环向设置间距直到消除拱部开挖掉块现象为止，深埋和地质情况较好地段开挖无掉块现象可不设。

2、锁脚锚管是保证初期支护安全的重要措施，通过试验和量测表明断面拱脚和墙脚位置受到較大的侧压力，此处的锁脚锚管就充当了拉杆作用，以保证工字钢在受到侧向力时不发生向洞内的位移变形，同时可以起到抑制拱架整体下沉的作用，从而保证初支结构在施工过程中受力稳定。

3、仰拱紧跟是确保初期支护安全的根本措施，一般仰拱距离掌子面控制在30m以内，以利于尽早形成完整的筒形封闭环。根据监控量测数据分析及时跟进二衬的施工尽早形成完整的隧道受力结构，一般衬砌距离掌子面控制在50m以内，特殊地段单独考虑。

4、合理控制步长，每部步长控制在3～5m，上弧导每次开挖一榀钢架的距离，中下部根据地质情况可一次开挖1～2榀钢架的间距，仰拱开挖控制在3～5m。CRD开挖法施工时上下台阶控制在3-5 m，中隔壁左右侧掌子面错开10 m；仰拱与掌子面距离应控制在40～45m；掌子面与二衬距离控制在60～65m，双侧壁导坑法施工时上下台阶控制3m。

5、严格控制钢架的加工和安装质量，线性圆顺避免应力集中。

6、扩大拱脚、墙角采取人工开挖，确保其结构尺寸满足设计要求，钢拱架原则上应支承于原状土，开挖后隧底松散黄土清理彻底，并垫钢板或预制块，确保钢拱架不产生垂直位移，并及时施作锁脚锚管，避免早期沉降量过大。

7、钢拱架背后喷射混凝土不易喷密实，出现空隙后不及时回填，会引起围岩变形和破坏结构，应及时进行回填注浆。

8、开挖后钢拱架之前进行首次观测，初期之后及时进行复测，及时反馈信息，以调整支护参数施工。

9、机械开挖预留30cm进行人工修整，确保不出现超欠挖，必要时喷砼封闭掌子面。

10、对钢筋头、锚杆头、钢架凸出的地方进行割除并补喷混凝土，凹进去的地方补喷混凝土，然后才能铺设防水板和衬砌施作。

11、施工过程中派专职技术人员到施工现场值班，对工程中出现的问题及时处理，确保现场施工符合设计及验收要求。

12、临时支护应逐榀拆除，量测围岩变形满足设计要求方可拆除临时支护。临时支护喷射混凝土利用风镐拆除临时，其钢构件采用气焊烧断；当中隔壁拆除长度达到衬砌台车一次衬砌的长度，并预留一定的作业空间时停止拆除临时支护结构。

4 湿陷性地基处理

4.1 工艺原理

水泥土挤密桩是利用成孔和分层夯填水泥土时的侧向挤压作用，使桩间土得以挤密而提高工程性能，并形成具有一定承载能力的桩体，最终成为桩土共同作用的复合地基。

4.2 适用范围

水泥土挤密桩适用于处理加固地下水位以上，深5～15m的湿陷性黄土、素填土和杂填土地基，含水量12%～24%，饱和度小于65%的地基。

4.3 主要施工方法

4.3.1 施工准备

1、施工前应进行现场试桩，以确定合理的工艺参数；

2、场地平整后准确定位出桩的位置。

4.3.2 桩机就位

1、移动桩机至设计桩孔位置，机身应平稳，洛阳铲中心与桩孔对正，并确保施工中不发生倾斜，位移，控制偏差不大于1.5%。

2、冲击钻机钢丝绳上应设醒目牢固的尺度标志，标志点间隔0.5m。

4.3.3 成孔

成孔顺序：先外排后内排，同排桩间隔1～2个孔进行，卷扬机提升洛阳铲取土成孔，开始冲孔时应采用低冲程冲击，待洛阳铲全部入孔后再按正常冲程施工，一般不宜多用高冲程，以免引起坍孔、扩孔或卡锤等事故，成孔后进行孔位中心位移、垂直度、孔径及孔深的检查，并填写验收记录。

4.3.4 填料的拌制和运输

1、水泥土采用机械拌制，各种用料要求必须经检验合格并计量准确。

2、填土先通过10mm筛并调整含水量，达到要求后方可施工，混合料按规定采用滴定法检测灰剂量，严格按照配比施工。

4.3.5 回填夯实

成孔后卷扬机提升夯锤夯实挤压，严格按试桩所确定的施工参数施工，每个桩孔一次性分层回填夯实，虚填厚度为40～45cm，每次重锤落距控制在3m左右，夯击次数为每层6次。

4.4 质量控制要点

1、桩孔最终填料应超出设计桩顶标高50cm，其上虚桩回填素土并轻夯至地面。

2、水泥土拌制根据回填要求随拌随用，已拌的水泥土不得超过6小时，被雨水淋湿、浸泡后水泥土严禁使用。

3、检测所用的探坑应回填水泥土并分层夯实。

4、含水量小于12%的土层宜对拟处理范围内的进行处理，使土的含水量接近最优含水量，处理应于地基处理前4～6天，将需增湿的水通过一定数量和一定深度的渗水孔，均匀地浸入拟处理范围内的土层中。

5 监控量测

施工须根据监控量测情况实行动态控制，通过分析量测数据判定围岩在开挖过程中的动态变化和支护结构的稳定状态，预测并据此确定相应的施工措施，确保支护体系的稳定及施工人员的安全。在施工过程中量测结果及时整理并汇制时态曲线图，出现异常情况要及时处理，严格控制拱顶下沉和地表下沉。

5.1 量测的项目及主要方法

5.1.1 量测的项目

隧道监控量测包括洞内外观察、地表沉降、水平净空收敛、拱顶下沉四个项目。

5.1.2 量测断面的布置

洞内外量测断面应布置在同一横断面内，量测断面间距为5～10m，测点布置示意图如下。

5.1.3 监控方法及要求

序号 量 测 项 目 测 点 布 置 量 测 方 法 与 要 求 备 注

1 洞内外观察 1、洞外观察包括地表情况、地表沉陷、边坡及仰坡的稳定、地表水渗透的观察。2.洞内观察a.掌子面观察b.支护结构观察 目测观察方法，对围岩和支护作以下观察：1.地质观察：隧道一次喷混凝土前进行，每次开挖后均应绘制地質素描图，用以核对围岩级别及判断支护的稳定性。2.检查喷射混凝土有无裂损及发展，锚杆有无松动，并做好相应记录。 地质素描应贯穿整个隧道施工过程，以便及时掌握围岩的工程性质，核对围岩分级，观察支护系统受力情况，为安全施工提供直观的、必要的信息。

2 净空水平收敛量测 隧道最大跨处及以上3.00m，左右两侧对称布置量测桩，每个量测断面设4个收敛桩，量测断面间距根据围岩类别确定：Ⅴ级围岩地段5～10m；Ⅳ级围岩地段10～30m。 采用全站仪进行量测，开挖后迅速安装苏光-RP30反射膜片并编号，初读数应在开挖后12小时内读取，最迟不得大于24小时，而且在下一循环开挖前读取初读数，测点应牢固可靠，易于识别并妥为保护，量测频率详见监控量测表。 本项量测是研究洞室变形规律，判断施工安全与否及确定二次衬砌施作时间的主要信息，是各项量测的重点。

3 拱顶下沉量测 正洞拱顶设一个下沉桩，量测断面间距与净空水平收敛量测一致。 喷射混凝土应迅速在测点设反射膜片，采用全站仪进行量测，在洞外设一水准点供洞内拱顶下沉量测用，量测频率及其它要求同净空水平收敛量测要求。 拱顶下沉量测的目的是了解围岩与结构共同作用情况，其量测结果与净空水平收敛量测结果具有同等重要的作用和意义。

4 浅埋隧道地表下沉量测 断面布置宜与洞内水平净空变化和拱顶下沉在同一横断面内，在一个量测断面内应设7～11个测点。 地表下沉量测应在开挖工作面前方H+h（隧道埋置深度+隧道高度）处开始，直到开挖面后方约（3～5）B或该处衬砌结构封闭，下沉基本停止时为止。 必要时在浅埋段布点，防止隧道塌方冒顶。

5.1.4 量测频率

变形速度（mm/d） 量测断面距开挖面距离 量测频率

≥5 （0～1）B 1～2次/天

1～5 （1～2）B 1次/天

0.5～1 （1～2）B 1次/2天

0.2～0.5 （2～5）B 1次/2天

<0.2 >5B 1次/7天

B为隧道宽度

5.1.5 变形管理等级

管理等级 管理位移 施工状态

III U

II U0/3≥U≤2U0/3 应加强支护

I U>2U0/3 应采取特殊措施

注：U――实测位移值； U0――最大允许位移值

观测及量测发现异常时，应及时修改支护参数。一般正常状态必须同时满足一下条件：

①喷射砼表面无裂缝或仅有少量微裂缝。

②位移速率除在最初1～2天允许有加速外，应迅速减少。

③及早施作二次衬砌，并根据监控量测信息反馈，及时修正衬砌参数，保证施工安全和运营安全。

5.2 实际量测结论

根据凤凰岭隧道和高桥隧道大断面黄土隧道施工监控量测数据分析，隧道围岩变形规律表现如下：

5.2.1 时间性

在与时间相关的规律表现上，隧道较明显的变形主要发生在掌子面开挖后的3～5天，此后一周内逐渐趋于稳定，一周后只有微小的变形。

5.2.2 工序相关性

1、隧道变形情况，尤其是拱顶沉降和净空收敛这两项与施工工序有很强的相关性，大于75%的沉降量发生在隧道上部导坑和中部开挖的过程中，隧道封闭成环后隧道变形基本停止；

2、隧道水平净空收敛值相对拱顶沉降要小的多；

3、隧道埋深超过40m时，洞内外的变形没有太大的联系。

5.2.3 质量关键点影响性

扩大拱脚，钢拱架安装，锁脚锚管，钢拱架底部砼垫块、槽钢垫块，掌子面、仰拱、二衬间的安全距离等质量控制关键点的实际施工质量对隧道拱顶沉降变形影响明显，施工中应严格控制，必要时应予以加强处理。

5.3 围岩变形情况

1、弧形导坑法开挖监控量测，隧道拱顶最大沉降量为100mm，水平收敛最大值为18mm，地表沉降最大值为45mm；

2、CRD法隧道开挖经监控量测，隧道拱顶最大沉降量為60mm，水平收敛最大值为10mm，地表沉降最大值为40mm；

3、双侧壁导坑法开挖监控量测，隧道拱顶最大沉降量为30mm，水平收敛最大值为5mm，地表沉降最大值为35mm。

6 结束语

经过郑西客运专线的凤凰岭隧道进洞口浅埋V级围岩采用CRD法、高桥隧道出口偏压段采用双侧壁导坑法、深埋和IV级围岩采用弧形导坑法的实践，这些开挖方法均是是可行的，成功的解决了大断面黄土隧道施工中诸多技术难题，有效控制了围岩变形，保证隧道施工安全。

通过凤凰岭隧道进口和高桥隧道出口水泥土挤密桩的施工，验证了施工机具的适用性和工序的合理性，成功地解决了在洞内空间受限的情况下消除隧底湿陷性这一技术难题。

参考文献

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[2]《铁路混凝土工程施工技术指南》（TZ210—2005）；

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[4]渠巨华.黄土隧道的监测与信息化施工.甘肃科技[J]；

[5]杨建民.郑西客专超大断面黄土隧道支护参数研究.科学技术通讯[J]。