黄土隧道综合机械化快速施工技术应用

穆伟强/MU Wei-qiang

（中铁七局集团西安铁路工程有限公司，陕西 西安 710000）

随着西部大开发战略的逐步开展，西北地区的公路、铁路、地铁等交通工程迅速增加。黄土广泛分布于西北地区，其湿陷性是困扰黄土地区各类岩土工程项目的主要因素，其中黄土地区隧道的快速施工是其中的难点之一。李建伟对黄土地区机械化快速施工技术进行了系统论述[1]。杜强进行了浅埋富水黄土隧道快速施工技术相关研究[2]。王新东探讨了浅埋大断面黄土隧道安全快速施工方案[3]。刘建友等对软弱围岩下的隧道快速施工进行了研究[4]。范森对黄土隧道微台阶法快速施工技术进行了总结[5]。黄土隧道综合机械化快速施工技术是建立在合理的机械配置、科学的施工管理基础上的一种高效施工方法。

依托新乔隧道工程，结合工程实践，总结分析了成套化机械设备和工法配合施工组织技术，在此基础上分析了隧道安全快速施工的原则及方法。

1 工程概况

蒙华铁路新乔隧道位于桥头村，隧道进口里程DIIK647+734.32，出口里程DIIK648+757，隧道全长1 022.68m，为单洞双线隧道，最大埋深100m。隧道进口左线DIIK647+734.32～DIIK648+195.01位于R=1 200m的右偏曲线上，DIIK648+325.5～DIIK648+752.01位于R=1 200m的左偏曲线上，其余段位于直线上。线间距4.00～5.01m。隧道纵坡为上坡，坡度、坡长依次为2.5‰/900m、5‰/1550m。隧道进口与下穿陇海线框构中桥对接，桥梁台尾里程DIIK647+734.30，隧道洞口里程DIIK647+734.32。

新乔隧道位于黄土梁峁区，地形起伏较大。隧址区地层主要为第四系上更新统风积（Qeol3）砂质新黄土，中更新统洪积（Qpl2）砂质老黄土、黏质老黄土。隧道洞身地层：砂质新黄土（褐红色，密实，稍湿，含少量白色菌丝及姜石，具湿陷性，湿陷系数δs=0.016～0.191，呈松软结构）、砂质老黄土（褐红色，密实，稍湿，土质较均，含少量钙质结核，呈松软结构）、黏质老黄土（褐红色，硬塑～坚硬，土质较均，含少量钙质结核，呈松软结构），隧道全段无地下水及地表水。

2 隧道施工方法及工艺

2.1 隧道开挖方法

隧道全段为Ⅴ级围岩，结合隧道地质实际情况和隧道施工方法的确定原则[6]，确立了以下施工方案：隧道通过超前小导管预加固支护加固围岩后，采用三台法施工，人工配合挖掘机挖土，挖掘机配合装载机装碴，自卸汽车无轨运输。三台阶施工实现了快挖、快支、快封闭以及机械化施工。

2.1.1 隧道三台阶法施工工序

三台阶法施工工序示意图见图1，三台阶法施工工艺流程图见图2。

图1 三台阶法施工工序示意图

图2 三台阶法施工工艺流程图

2.1.2 隧道三台阶法施工步骤

三台阶法隧道开挖支护施工步骤：

第一步：挖掘机开挖1部（上台阶），人工配合整修周边断面。

第二步：挖掘机开挖3部（中台阶），人工配合整修周边断面。上台阶安装钢架及钢筋网片、连接筋、锁脚锚管等。

第三步：挖掘机开挖5部（下台阶及仰拱），人工配合整修周边断面。中台阶安装钢架及钢筋网片、连接筋、锁脚锚管等。上台阶钢架安装完成后在需要施作超前小导管位置结合钢架施作拱部超前小导管。

第四步：下台阶及仰拱安装钢架及钢筋网片、连接筋、锁脚锚管等。

第五步：湿喷机喷射混凝土作业。

2.2 初期支护施工

隧道全段采用格栅钢架、钢筋网及喷射混凝土组成的联合支护体系。格栅钢架、钢筋网、连接筋、锁脚锚管等在钢结构加工厂集中加工制作，汽车运至工作面，机械配合人工架立。喷射混凝土采用湿喷机械手进行湿喷工艺作业。须在开挖后4h以内完成喷射混凝土，以防黄土失水风化而造成收敛变形过大。

2.2.1 支护参数

隧道初期支护主要由钢筋网片、L型连接筋、锁脚锚管、纵向连接筋、定位系筋、格栅钢架、喷射混凝土等组成。新乔隧道初期支护参数见表1。

2.2.2 初期支护施工顺序

1）安装格栅钢架 钢架安装要快速。隧道开挖断面成形经断面检查满足要求后立即放线，紧跟着以人工安装钢架。钢架节间用螺栓连接牢固，拱脚置于牢固的基础上。

2）挂设钢筋网 钢架安设后及时进行挂网作业。人工铺网片时注意网片搭接宽度，搭接不得小于1个网格，并固定牢固。

3）钢架定位系筋 沿钢架环向左右侧间距1m布置∅16定位系筋，并与钢架焊接牢固。

4）纵向连接筋 相邻2榀钢架用纵向连接筋焊接连接，沿钢架环向间距1m布置∅22连接筋，并与钢架焊接牢固。

5）锁脚锚管 在各台阶施工的底脚部位设置锁脚锚管，每处2根，锚管角度斜向下45°，锁脚锚管与格栅钢架通过L形连接筋焊接连接成整体。

6）喷射C25混凝土 采用湿喷机械手喷射混凝土至设计厚度。

表1 新乔隧道初期支护参数表

2.3 防排水施工方法

2.3.1 防排水设计情况

隧道衬砌采用防水混凝土，抗渗等级P10。初期支护与二次衬砌之间拱墙铺设分离式防水层，防水层采用厚度1.5mm的EVA防水板，土工布重量350g/m2。隧道环向施工缝按8～12m一道设置，并不小于5m；纵向施工缝边墙两侧墙角处设置，设置于电缆槽盖板顶面下30cm处。环向施工缝采用中埋式橡胶止水带+背贴式橡胶止水带防水，并在仰拱环向施工缝是间预埋可维护注浆管。纵向施工缝间涂刷两层水泥基涌透结晶型防水涂料。双侧水沟施工缝表面涂刷2层水泥基渗透结晶型防水涂料防水，施工完成后在沟槽内侧沿接缝周边两侧各涂刷20cm宽水泥基渗透结晶型防水涂料2层，施工缝避开环、纵向排水管、拱墙及仰拱施工缝等。

变形缝采用中埋式钢边止水带+背贴式橡胶止水带防水，变形缝内缘以双组份聚硫密封胶封堵，其余空隙采用聚乙烯泡沫塑料板嵌缝密实。

隧道拱墙衬砌与初支之间设置纵向盲管和环向盲管。纵向盲管采用∅110/90HDPE双壁打孔波纹管，双侧墙设置于水沟底上方30cm处。环向盲管每8～12m设置一环。盲管均设置土工布包裹。

2.3.2 结构防排水

EVA防水板铺设采用专用台车且采用热合器热融塑料垫圈粘结固定铺设工艺。首先采用带热塑性圆垫圈的射钉将土工布平整顺直地固定在初期支护表面上。然后自隧道一侧自下而上环向铺设防水板至隧道另一侧，使用热合器将防水板与固定土工布的带热塑性圆垫圈焊接牢固。土工布一般仅设环向接缝，幅间搭接宽度5cm。两环防水板搭接部分采用双焊缝、调温、调速热楔式自动爬行热合机进行双焊缝焊接，局部部位采用热风枪手工补焊。防水板搭接宽度为15cm，单条焊缝宽度2cm。分段铺设的防水板边缘部位预留至少60cm的搭接余量，并对预留部位进行有效保护。防水板铺设要松紧适度，使之能与土工布充分接合并紧贴在喷射混凝土表面。

在混凝土变形缝、施工缝处环向均设背贴式止水带和中埋式止水带，背贴式止水带与防水板粘接，止水带之间接头采用热熔对接。混凝土浇筑前将中埋式止水带采用定型组合钢端模固定夹具来固定，防止止水带错位。

2.3.3 施工排水

隧道全段在施工期间无地下水及地表水，掌子面及周边围岩无渗水现象。施工中选用煤电钻代替风钻后减少了钢架锁脚锚管和超前小导管施工期间的施工用水。

2.4 二次衬砌混凝土施工

二次衬砌混凝土采用C45防水钢筋混凝土，Ⅴ级围岩依据衬砌类型及部位来划分综合确定衬砌厚度，见表2。

表2 隧道二次衬砌参数表

二次衬砌按照仰拱衬砌超前拱墙衬砌施作，超前距离保持4倍以上衬砌循环作业长度。

重载铁路重视隧道轨下基础质量，调整二次衬砌仰拱与填充界面，仰拱上部浇筑成平面，平面位置为双侧水沟内边墙与仰拱内轮廓交点处。平面以下采用同级标号一次浇筑，平面以上采用C20混凝土填充且与平面以下分开浇筑。

为保证轨下结构整体性，双线隧道不设置中心水沟（管）。为解决仰拱填充面排水，于隧道仰拱填充面中心位置设置一处直径为160mm的排水槽，排水槽纵向坡度同线路，末端引入检查井。

为保证仰拱整体质量，仰拱衬砌采用长栈桥施工，24m长段落浇筑混凝土施做，确保仰拱与拱墙衬砌的接缝在同一个断面。仰拱浇筑利用栈桥维持洞内交通运输。

拱墙衬砌采用模筑衬砌台车施工，12m长段落整体浇筑混凝土施做，实现与仰拱施工缝对缝。衬砌钢筋由汽车运至洞内在仰拱填充面作业区域进行机械连接，利用防水板及钢筋绑扎台车进行安装。二次衬砌耐久性混凝土采用强制式搅拌机且自动计量的拌和站、搅拌输送车运输、混凝土泵送入模的机械化流水作业线。混凝土浇筑按照“三逐两孔两振”要求，即二衬混凝土从下至上利用灌注窗逐窗浇注，逐窗振捣，拱顶逐板带模注浆；拱顶混凝土采用2个孔浇注；边墙以下部分，采用插入式振捣为主、附着式振捣为辅，边墙以上部分，采用附着式振捣为主、插入式振捣为辅。

2.5 隧道控制沉降措施

1）开挖轮廓线拱部120°范围内打设超前小导管，与钢架结合使用，并与钢架主筋焊接。

2）仰拱紧跟下台阶施工，仰拱与下台阶同步开挖支护，一次到位。特殊情况下仰拱初支距掌子面极限距离按1.5倍洞径控制。

3）中、下台阶采用左右侧对称开挖及支护，以减少台阶长度及时封闭成环。

4）在各台阶底脚以上30cm处，每榀钢架设置2根锁脚锚管，采用∅42热轧无缝钢管。

5）钢架安装前清除接触面的虚渣及杂物。上台阶和中台阶钢架底部用预制块进行支垫加强底部承载力，保证底部基地硬实。下台阶钢架底部设置槽钢垫板。当底部土较松时，需人工夯实后再垫预制块或槽板垫板，保证下沉量尽可能小。

6）根据围岩实际情况缩短台阶长度（最短台阶长度3m），及早使初期支护封闭成环。

7）结合监控量测资料，及时进行数据分析，为调整施工方法，指导二衬施作机，进行动态设计提供参考。同时结合监控量测资料对预留变形量实行动态管理。监测频率见表3。

表3 变形趋于稳定时的监测频率

3 快速施工组织措施

3.1 机械配套

分8个作业线，相应的配套施工机械如表4。

3.2 人员配备

实行作业队队长负责制，按照专业班组来组建施工队伍。工作面人员配备情况详见表5。

3.3 其他管理措施

表4 作业线及配套施工机械

1）推行班组长工程质量责任制，经培训考核合格的班组长发挥作用突出，工序一检通过率基本保持在95%以上。

2）分级管理有效促进了技术、质量管理水平提升。工程技术、质量分级管理获得A级认可，授权范围内的自主变更和自检验收，使得工作效率均大大提升，施工安全得到保证。

3）积极开展劳动竞赛活动，大力调动参战人员积极性。在施工过程中积极开展劳动竞赛活动，采取经济激励机制。每月按照劳动竞赛考核办法对作业队的施工进度、安全质量、文明施工、内业资料、成本管理等方面进行考评，奖优罚劣。

4）加强班组人员操作技能培训，以工序质量确保工程质量。大断面黄土隧道施工经验少，技术标准高等特点，对参战班组人员进行全方位的培训，以提高职工的操作技能，实行标准化作业。

表5 作业队人员配备（单个工作面）

3.4 快速施工实施效果

通过选择合理的施工方法和行之有效的控制沉降措施、科学合理的施工组织，使用511成套机械设备（“511成套机械设备”是指五台车、一栈桥、一湿喷机，即开挖台车、防排水及钢筋绑扎台车、衬砌台车、喷淋养护台车、水沟电缆槽台车、仰拱自行式液压栈桥、湿喷机械手，简称511），该隧道施工月进度均超过设计图纸确定的施工进度指标。14.9个月实现隧道贯通，比设计要求的20.1个月提前了5.2个月，综合进度指标达到70m/月。

4 总 结

1）隧道施工方法的选择受多种因素影响，但宗旨都是要保证施工安全。现场采取超前支护加固、加强初期支护、控制台阶长度、“两紧跟”、仰拱初支及时封闭成环的措施，运用灵活、安全可靠。

2）通过新乔隧道大断面黄土隧道施工实践，可以得出黄土隧道实现快速施工的关键是安全可靠的施工方法，前提是科学合理的511成套机械设备配套，保证是熟练先进的施工工艺，途径是精细严密的施工管理。

3）蒙华铁路黄土隧道511成套机械设备和工法配合施工组织技术提高了工作效率，降低了施工成本，可节省建设投资；同时降低了工人劳动强度，有利于保护施工人员安全，具有显著的经济性和社会效益，可为类似工程施工组织提供借鉴，具有较高的推广及应用价值。