浅埋黄土隧道双侧壁导坑法施工技术

蒲文奎

摘 要：本文以兰新铁路第二双线西宁隧道浅埋段2#竖井为例，简略介绍了浅埋段工程概况、双侧壁导坑法的施工特点及适用范围、施工工艺原理、施工方法、工序循环时间和月进度、监控量测变形规律、施工步距及施工中的注意事项，为类似工程的设计和施工提供了可靠的实践经验。

关键词：浅埋黄土隧道；双侧壁导坑法；施工技术

中图分类号： TU74 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）34-169-2

1 工程概况

1.1 工程简介

西宁隧道为兰新铁路第二双线的重难点工程。位于青海省西宁市，全长5750m，全隧围岩软弱，被铁路总公司列为一级风险隧道。DK192+120～DK193+490段共1370m为Ⅵ级围岩浅埋段，全部为双侧壁导坑法施工，开创了全国在同一隧道双侧壁施工长度之最，实际开挖断面面积约为170㎡。浅埋段为全隧施工重难点段落，分别下穿兰西高速公路、城东区新村、林家崖村、中庄灌溉水渠、小北川河等，洞顶覆土厚度为6～27m；浅埋段上方有学校、厂矿、密集的回族居住区等建筑物，需拆迁住户1400多户、厂矿企业8家、改移水渠约500m，施工难度极大。

1.2 地质情况

浅埋段地质主要为第四系新统冲积砂质黄土、细圆砾土、粗圆砾土、卵石土。冲积砂质黄土具有湿陷性，湿陷土层厚度约5～10m。该段位于湟水河阶地，地下水埋深一般为2.8～24.9m，水量较丰富，地下水具有侵蚀性。该段地质条件差，全部由Ⅵ级围岩组成，隧道上半断面处于湿陷性黄土中，下半断面处于砂卵石层中，砂卵石层厚度3～5m。仰拱处于泥岩中。地下水水位处于内轨顶位置，水量丰富。

2 双侧壁导坑法的施工特点及适用范围

2.1 双侧壁导坑法的施工特点

①浅埋黄土隧道采用双侧壁导坑法施工，主要特点就是能很好地解决大断面双线隧道开挖的安全性问题。在初期支护施工过程中，采用临时支护将初期支护牢牢地撑住，待仰拱封闭成环后再进行临时支护拆除，有效防止开挖过程中初期支护发生突变而影响二衬的净空。

②浅埋黄土隧道采用双侧壁导坑法施工，可以有效控制洞内初期支护的沉降及侧向位移，避免因洞内沉降突变导致地表下沉而影响地表建筑物的稳定。对于下穿人员居住密集的居民区、对地表沉降要求较高的高速公路等尤为重要。

2.2 适用范围

①适合于大断面，主要为砂质黄土、砂砾石层等掌子面长时间不能自稳的地质的隧道。

②适合于浅埋、暗挖、偏压地段V～VI级围岩地层的隧道。

③适合于地下水较丰富的隧道。

3 双侧壁导坑法施工工艺原理

双侧壁导坑法原理是把整个隧道大断面分成左右上下若干个小断面施工，每一个小断面单独掘进，最后形成一个大的隧道。掌子面在开挖过程中短时间具有自稳能力，采用中隔壁临时竖撑及横撑及时封闭成环、承担部分受力。

4 双侧壁导坑法施工方法

在导坑开挖之前，为防止坍塌，需先进行大管棚超前支护。

以西宁隧道浅埋段2#竖井为例，双侧壁导坑法将整个大断面划分为左、右侧壁上下导坑、中部上、下导坑共6个小断面。开挖及支护方法如下：

4.1 侧壁导坑上部开挖及支护

4.1.1 侧壁上部开挖

侧壁上导坑首先采用中空玻纤锚杆对掌子面预加固后进行人工开挖。每循环进尺1榀0.5m，由测量人员逐榀控制隧道中线、标高、法线方向及钢架垂直度等，施工时保证不侵限并控制超挖量，开挖轮廓尽可能平顺。开挖步距要求左右侧壁导坑错开3～5m。开挖时人工手持铁锹开挖土方，采用手推车将土方短距离运输后翻入下导坑，最后由装载机从下导坑铲出后由运输汽车运走。

4.1.2 上部初期支护

开挖后首先对开挖面初喷4～5cm厚混凝土，尽早封闭暴露面。永久侧钢架采用I25a工字钢，临时侧及横支撑采用I18轻型工字钢。钢架安设时，拱脚应夯实垫稳，地质较差时可采用槽钢固定。型钢钢架纵向间距0.5m/榀，钢架间纵向设Φ22连接筋，永久侧环向间距1m，临时侧环向间距1.2m。初期支护永久侧背后铺设φ8钢筋网片，网格间距20×20 cm，网片大小2.0m×0.7m。钢拱架焊接完成后永久侧打设R32N自进式锁脚锚杆，L=4m；临时侧打设Ф42锁脚锚杆，L=4m。锁脚锚杆每榀每侧各设置2根，尾部采用“7”字钩与工字钢焊接牢固。边墙采用系统自进式R32N锚杆L=4m，间距（环向×纵向） 1.0×1.0 m。永久侧喷C25喷射混凝土35cm厚，临时侧喷C25喷射混凝土18cm厚。

4.2 侧壁导坑下部开挖

侧壁下导坑每循环进尺2榀，开挖步距要求同侧壁上下导坑错开2～3m。下导坑为PC-60小挖机开挖，人工修边，856装载机出碴。同侧壁上下导坑台阶长度应严格控制，杜绝施工中图省事而长距离推进上导坑后再长距离推进下导坑。开挖时掌子面若水流较大，则在掌子面至仰拱之间设集水坑，将掌子面流水引排至集水坑并及时将水抽至洞外。若监控量测数据过大或下导坑较长时间不施工时需增设临时横支撑，可有效抑制拱顶下沉及水平收敛速度。

4.3 中部导坑开挖

中部上导坑每循环进尺1榀，开挖步距要求距侧壁最前方掌子面8～10m，不宜超过15m，距下导坑靠后掌子面1m以上，忌讳中部上导坑超前侧壁下导坑，超前后将引起拱顶快速沉降。中部上导坑开挖采用PC-220大挖机，人工修边，856装载机出碴。开挖时预留核心土，坡比以适合挖机上下为宜。

中部下导坑土体直接采用装载机装至运输汽车运走。

4.4 仰拱施工及临时钢架拆除

仰拱分左、中、右仰拱三步开挖及初支，与中隔壁竖撑快速封闭成环；二衬仰拱采用自制仰拱模板，一次浇筑成型。待二衬仰拱达到条件后进行仰拱填充施工，每环仰拱填充施工完毕后根据监控量测情况及时拆除临时支撑钢架。临时支撑钢架拆除前先行切割填充面以上的临时竖撑底部及与初期支护永久侧连接处钢架，PC220挖机配合拆除，拆除时注意采用钢板及钢管槽保护矮边墙处仰拱钢筋及中埋钢边止水带。

5 各工序循环时间统计及月进度

西宁隧道浅埋段双侧壁导坑每延米设计开挖方量为侧壁上导坑20.09m2，侧壁下导坑15.01m2，中部上导坑48.6m2，中部下导坑20.99m2，仰拱20.18m2，合计开挖方量159.97m2，根据施工以来总结的各导坑工序循环时间，按如下时间指标考核（见表1）：

因围岩、地质情况较差，地下水丰富，掌子面开挖过程中不能自稳，对于开挖过程中容易发生溜塌地段，侧壁上导坑加45min，中上导坑加60min打超前导管时间；考虑到上导坑的弃碴堆积于下导坑，如刚切换为下导坑施工，可另加4小时的出碴时间。对工班时间考核梯度单位为30min，时间考核指标可根据具体情况及执行情况适当调整；为了鼓励工班人员的积极性，对于平均单口月成洞米达到20m，免除所有循环考核罚款（安全质量罚款除外），即只奖不罚。

在实际施工中，各导坑交叉作业存在一定的干扰性；只有通过加强工序衔接，减少循环时间加快施工进度。另外，受竖井提升设备的限制，双侧壁导坑法施工进度相对缓慢，西宁隧道浅埋段最高双向月成洞30.2m，单口记录20.1m。

6 监控量测变形规律

6.1 洞内拱顶下沉规律

拱顶下沉观测点每5m布设一组，分别布设在侧壁上导坑及中上导坑。侧壁上导坑拱顶下沉观测点采用焊接倒置三角形点通过水准仪观测，中上导坑采用40mm×40mm莱卡反射片通过全站仪观测。侧壁上导坑从掌子面开挖到临时仰拱封闭成环期间，下沉量比较明显，平均8～10mm/d，后期逐渐减少，平均2～3mm/d。侧壁下导坑开挖至观测点附近时，沉降明显加大，平均10～12mm/d，后期逐渐减少，为2～5mm/d。中导坑从开挖到隧底开挖之前，沉降较为均匀，仅开挖时沉降量最大8～12mm/d，后期平均为2～4mm。仰拱施做完成后至中隔壁拆除期间，整个初支形成了封闭成环的受力结构，拱顶沉降趋于稳定，平均2～3mm/d。中隔壁拆除后三四天左右时间下沉明显，为5～8mm/d，之后逐渐趋于稳定。

从现场积累的观察数据分析来看，从掌子面开挖到临时支护拆除趋于稳定后（一般需要45天左右时间），左右侧壁导坑拱顶沉降开累为20～25cm，中上导坑拱顶沉降开累为15～25cm。

设计图上钢架预留变形量为10～15cm，根据现场实际情况，不能满足拱顶下沉要求。在实际施工中需根据沉降情况合理预留变形量，并在测量放样时具体调整，以保证隧道初期支护稳定后不侵入二衬净空范围内。

6.2 洞内水平收敛规律

洞内水平收敛观测点每5m布设一组，分别布设在侧壁上、下导坑。以观测到的数据为例，在侧壁上、下导开挖时水平收敛较大，为2～3mm/d，其后逐渐变小。仰拱开挖时下导坑水平收敛数据变化明显，为4～7mm，待仰拱初支封闭完后变小并在填充施工完毕后慢慢趋于稳定。自开挖12小时之内埋点开始观测到准备拆除临时支护结束，水平收敛开累数据为侧壁上导坑40～50mm，侧壁下导坑50～70mm。若下导坑地下水丰富或较长时间不施工仰拱，必须增设临时横支撑。

6.3 地表沉降规律

地表沉降观测点超前隧道掌子面1h（h为隧道洞顶覆盖层厚度）即开始埋设，开挖掌子面对前方土体的影响范围一般为0.5～0.8h。从布点开始到仰拱穿过观测断面，一般下沉量为200～300mm，特殊地段最终沉降量甚至达到450mm以上，企业建筑物普遍会出现裂缝，居民自建型建筑物裂缝情况更为突出。地表沉降量一般为洞内沉降量的130%～180%。一般在隧道洞顶地表距隧道中线0.5～0.9h会出现几条纵向裂缝，裂缝宽度常见为10～20mm。

7 施工步距要求

控制施工步距是浅埋大跨富水黄土隧道双侧壁导坑法施工成败的关键之一。

①左右侧壁上导坑：两侧上导坑错开5m以内；②同侧壁上下导坑：上下导坑平均错开5m以内，以2～3m为宜；③中上导坑与最前方掌子面距离10～15m，并始终滞后于最后方下导坑1m以上；④仰拱距离最前方掌子面25m以内；⑤二衬距离最前方掌子面40m以内。

8 施工过程中的注意事项及建议

①必须按照设计要求做好超前支护，断面不得欠挖，预留值以拱部30cm，最大跨度处20cm，拱脚15cm为宜，待沉降及变形后能保证二衬厚度。②严格按照双侧壁导坑法调整各导坑步距。制定合理的循环时间，各个掌子面同步推进；仰拱、二衬及时跟进。③加强洞内外监控量测，尤其是建筑物位于隧道正洞顶上情况。提高观测频率，用监控量测数据指导施工，防止因隧道突变而冒顶及地面坍塌事件发生。在掌子面施工时，尽量将掌子面正上方的居民安置到妥当地方。④重视工程实体质量情况，对意外出现的超挖等情况必须采用喷射混凝土回填密实，并预埋注浆管进行初支背后注浆。⑤洞内施工至居民区前必须调查清楚地下管线，切断水源，提前阻止其渗入洞内。洞内做好降水、排水措施。⑥各导坑断面大小可以根据施工工艺、围岩条件、采用的机械设备等因素在设计断面大小上优化。

西宁隧道浅埋段采用双侧壁导坑法施工，施工中坚持“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”，保证了结构安全，成功解决了西宁隧道浅埋黄土隧道围岩稳定性要求、进洞安全性需求等难题，对以后大跨、浅埋、黄土隧道及有水地层的施工提供借鉴。