铁路大跨黄土隧道仰拱初支成环技术

朱义嘉

(中铁隧道集团二处有限公司，河北 三河 065201)

1 工程概况

宝兰客运专线兰山隧道起止里程为DK1022+880～IDK1028+332，全长5 452.8 m，为双线大跨隧道。隧道洞身最大埋深470 m，进口段2 540 m 位于直线上，其余段落位于半径为8 000 m 的曲线上。洞身纵坡依次为-23.0‰，-3.0‰，-20‰的单面下坡。

兰山隧道出口端为第四系上更新统冲积粉质黏土、细砂及粗圆砾土;隧道洞身局部为第四系中更新统风积砂质黄土、冲积砂质黄土、细圆砾土;第四系下更新统风积—冲积黏质黄土及冲积细砂、砾砂、细圆砾土、粗圆砾土;隧道洞身大部分位于第三系泥岩、砂岩、砾岩。隧道通过处地处“祁吕贺兰山字形构造体系”西翼“盾地”，同时受到“陇西旋卷构造”的改造。祁吕贺兰山字形构造体系在区内表现为兴隆山隆起和皋兰山隆起。陇西旋卷构造则相对简单。晚第三纪以来，区内新构造运动极为活跃，表现为河谷阶地上升显著，现代河流侵蚀、下切明显，构成河谷阶地地貌。隧道洞身地段没有大的构造地形，只是受新构造运动上升的影响，形成了沟壑、梁、峁相间的黄土山地地貌形态。特殊岩土主要为湿陷性黄土、松软土及膨胀土，湿陷土层厚度50 m～80 m 不等;砂(黏)质黄土属松软土，层厚10 m～15 m。

2 洞口段总体施工方案

兰山隧道出口岩层为风积、冲积砂质黄土，质地较均一，垂直节理发育，具针孔状大孔隙，成分以粉粒为主，砂感明显，多能形成陡立边坡，具有Ⅳ级(很严重)自重湿陷性，中高压缩性，稍湿，中密，Ⅱ级普通土，σ0=150 kPa，地表呈台阶形式，埋深浅。兰山隧道出口原设计设置23 m 明洞，明暗交界处设置超前大管棚，隧道开挖采用三台阶临时仰拱法。洞口段施工按照明挖段边仰坡开挖防护、管棚施作、明挖段落底，明洞反压墙施作、洞口段形成三台阶形态、明洞施作、暗洞开挖的总体步骤进行。

3 大跨黄土隧道受力特点

大跨隧道指的是开挖宽度在14 m～18 m 之间的隧道。以兰山隧道Ⅴ级围岩为例，开挖跨度为15.3 m、开挖高度为12.9 m、扁平率为0.84、开挖面积为160 m2。由此可见，兰山隧道为典型的大跨度黄土隧道。扁平、大断面黄土隧道具有以下特点:开挖引起的应力重分布变得更加不利，其从量值到范围的增幅都很激烈，围岩可能出现的塑性流动区域会较常规隧道以倍数增加;底脚处的应力集中较大，要求地基承载力较高;拱顶稳定性降低;会产生较大的松动围岩压力;支护结构的承载力相对较小;黄土围岩地层自稳能力差，承载力低。研究结果表明大跨隧道开挖后围岩压力分布不是很均匀，最大压力值发生在仰拱拱顶处，其与喷射混凝土应力、型钢拱架应力在初期支护成环封闭前增长较快，但在初期支护封闭后逐渐趋于稳定。据此，大跨黄土隧道施工初期支护及时提早封闭成环，是其安全生产的重要保障。

4 前期施工情况

依据《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》，软弱围岩隧道开挖采用台阶法施工时应符合以下要求:上台阶每循环开挖支护进尺Ⅴ级围岩不应大于1 榀钢架间距，边墙每循环开挖支护进尺不得大于2 榀;仰拱开挖前必须完成钢架锁脚锚杆，每循环开挖进尺不得大于3 m;隧道开挖后初期支护应及时施作封闭成环，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ级围岩封闭位置距离掌子面不得大于35 m。前期即按此要求进行施工。隧道开挖施工共设置五个班组即两个开挖班、两个喷浆班及一个仰拱初支综合班。第一循环A 开挖班进行开挖施工，拱架架设完毕具备喷浆条件后A 喷浆班进行混凝土喷射施工;B 开挖班及B 喷浆班开始第二循环施工。正常情况下每天完成四个循环，每循环60 cm，即日进尺2.4 m。为满足步距要求并避免互相干扰，仰拱初支班每天上班一次，完成仰拱初支拱架4榀进尺2.4 m，且初支端头距掌子面距离约为35 m。由于黄土隧道土质松散、承载力不足，在打设锁脚、拱脚垫设混凝土预制块之后，沉降量仍较大，沉降速率达到10 mm/d 以上。按照2.4 m 日进尺量，初期支护封闭成环需要15 d，累计沉降量达15 cm 左右。上述施工方法虽然满足规范要求，但初支成环时间过长，沉降变形量大，存在极大安全隐患，不能适应黄土隧道施工特点。满足规范要求步距示意图如图1 所示。

图1 三台阶法施工步距示意图（单位：m）

5 改进后施工情况

为达到仰拱初支尽快成环减少沉降变形的目的，在满足规范要求的前提下对施工工序进行改进调整:采用仰拱初支紧跟下台阶的办法。隧道开挖施工共设置六个班组即在原五个班组的基础上增加一个渣土清理班。具体施工操作如下:步骤一:A 开挖班人员指挥挖机对上台阶进行开挖，经过40 min 基本开挖完毕并将渣土扒至中台阶;步骤二:领工员指挥挖机开挖中台阶、班组部分人员开始人工开挖修整上台阶，另一部分人员洞外运转拱架、锚杆、导管、连接筋、网片及垫块等，约40 min 后上台阶修整完毕且拱架等运输到位，同时中台阶挖机开挖完毕;步骤三:上台阶拱架安装、中台阶人工修整、下台阶开始挖机开挖，约30 min 后开挖完毕;步骤四:挖机开挖紧邻下台阶仰拱初支，进尺2.4 m(等于掌子面1 d 进尺量)，同时下台阶拱架安装，约40 min 后三台阶拱架均已安装完毕;步骤五:仰拱初支综合班到位进行初支拱架安装，喷浆班已将喷浆准备工作完毕，开始喷浆;步骤六:约150 min 后喷浆完毕，同时仰拱初支进尺2.4 m 安装4 榀拱架完毕;步骤七:仰拱初支综合班进行初支喷射混凝土施工;步骤八:开挖下一循环前首先扒渣将仰拱初支回填，然后开始正常开挖;步骤九:施作仰拱混凝土时使用挖机将回填渣土挖出，然后渣土清理班进行人工清理。上述方法大大缩短了仰拱初支成环时间，按照三台阶总长15 m 计算，成环时间仅为7 d，比前期缩短8 d，有效的减小了沉降变形。尽管在施作仰拱初支时对掌子面开挖造成了一定干扰，但掌子面每天开挖四循环，而仰拱初支仅为一次，其干扰仅局限于一循环内，影响较小;另仰拱混凝土为与拱墙衬砌对缝施工，每次需浇筑6 m，原施工方法仰拱初支需分两次进行开挖(规范规定仰拱初支开挖每循环不得大于3 m)，而现施工方法由于仰拱初支已经成环，在施作仰拱混凝土前清渣时可一次6 m 开挖到位。改进后步距示意图如图2 所示。

通过一段时间运行，沉降变形得到有效控制，施工进度大大提高，且施工步距等各方面完全满足规范要求。

图2 改进后三台阶法施工步距示意图（单位：m）

6 结语

大跨黄土隧道具有其独特的工程性质，施工中存在沉降大、变形速率快、易发生坍塌等问题，困难较大。施工时应根据其特点采取有效的施工方法，循序渐进稳扎稳打，保证施工安全。兰山隧道在采取了初期支护及时封闭成环等方法后，隧道施工趋于正常。

［1］夏 鹏.大跨度黄土隧道洞口浅埋段支护效果研究［D］.西安:长安大学，2010.

［2］梁建中.浅埋黄土隧道洞口段施工技术探讨［J］.山西建筑，2012，38(9) :193-195.

［3］TB 10753—2010，高速铁路隧道工程施工质量验收标准［S］.