大断面浅埋黄土隧道双侧壁开挖技术应用

李济辉

（江西省嘉和工程咨询监理有限公司，江西南昌 330000）

1 工程概况

G109 小峡口（王家庄至昆仑路段）改建工程位于西宁市与海东市交界处，起点位于海东市河湟新区唐蕃大道与既有G109 线接线处，大南山隧道全长3849.7m，双向六车道，该隧道为一级公路设计标准。大南山隧道出口段，隧道出口位于斜坡上，表层植被发育，主要为人工种植的松树和低矮灌木，固坡能力较差；出口段洞身范围内土体成分为黄土状土，为Ⅱ（中等）自重湿陷性黄土，以下为第四系上更新统冲洪积卵石、白垩系强风化砂岩、加里东期花岗闪长岩。

卵石：稍密—中密，厚层构造；

砂岩：青灰色，节理裂隙极发育，岩体受风化作用影响大，岩芯呈碎块状、碎石状；

花岗闪长岩：褐红色，细粒结构，块状构造，岩石节理裂隙发育，岩芯呈短柱状、碎块状，完整性系数Kv=0.15，饱和抗压强度Rc=6.0MPa，BQ=155.5，[BQ]=55.5，围岩等级为Ⅴ级。

综合评价：隧道出口段围岩稳定性较差，施工时易发生坍塌。

2 前期准备

隧道进洞前，应先做好洞外防排水。

首先，做好洞口的防洪和排水措施，如洞口截水沟、浅埋段洞口地表压浆等。

其次，坚持“防、排、堵、截相结合，因地制宜，综合治理”的防排水原则，对与地下水有补给关系的水渠、管道等进行加固或改迁，洼地用黏土回填并夯实，按图纸及规范要求做好截流导排。

最后，进行边仰坡及套拱施工，施打大管棚时应严格按设计图纸及规范要求进行施工；须等套拱混凝土强度达到设计要求后，再进行洞身开挖。

3 洞身开挖

3.1 开挖、支护顺序说明

第一，主洞全断面长管棚超前注浆预支护。

第二，左（右）侧导坑上导洞开挖。

第三，左（右）侧导坑上导洞初期支护：初喷、安装钢拱架、挂钢筋网（如有两层钢筋网应分层挂设）、安装锚杆（为减少对土体的扰动建议采用自进式中空锚杆）、喷射混凝土。

第四，左（右）侧导坑下导洞开挖。

第五，左（右）侧导坑下导洞初期支护：初喷、安装钢拱架、挂钢筋网（如有两层钢筋网应分层挂设）、安装锚杆（为减少对土体的扰动建议采用自进式中空锚杆）、喷射混凝土。

第六，中隔壁上导洞开挖。

第七，中隔壁上导洞初期支护：初喷、安装钢拱架、挂钢筋网（如有两层钢筋网应分层挂设）、安装锚杆（为减少对土体的扰动建议采用自进式中空锚杆）、喷射混凝土。

第八，中隔壁下导洞开挖。

第九，中隔壁下导洞初期支护：初喷、安装钢拱架（安装仰拱底钢拱架前先拆除侧导坑临时支撑）、喷射混凝土。

第十，中隔壁初期支护稳定后，再将临时支撑重新安装，临时支撑落在仰拱底钢拱架上。

第十一，全断面浇筑仰拱及填充混凝土，临时支撑的拆除应根据监控量测数据决定，如不稳定则在二衬施工前再进行拆除，拆除后应及时进行二衬施工。

第十二，铺设防水板、绑扎钢筋等，采用二衬模板台车一次全断面浇筑二衬砌混凝土。

第十三，黄土隧道开挖时，应遵循“管超前、短进尺、少扰动、早喷锚、强支护、紧封闭、勤量测”的施工原则，做到随时开挖随时支护，各道工序衔接紧密、紧密相扣。为减少对土体的扰动，在施工过程中实施短开挖和快循环，是目前黄土隧道施工中通常使用的施工方法。按开挖作业线、装渣运输作业线、喷锚支护作业线和衬砌作业线四条主作业施工作业线和通风降尘作业线、注浆作业线和防排水作业线三条辅助施工作业线布置[1]。

3.2 施工注意事项

第一，超前支护辅助措施施工，先利用上一循环架立的钢架施工完毕再开挖。超前支护应与钢架腹板开孔连接或焊接连接，形成棚架效应。第二，锁脚锚管应及时设置，以确保钢架基础稳定。第三，黄土隧道Ⅴ级围岩开挖一榀为一循环，在开挖过程中如遇到掌子面坍塌，切记不可增加进尺长度，应立即对掌子面坍塌处进行封闭，并加快拱架的安设工作，尽早封闭。为防止坍塌，每个导洞开挖时中间应留核心土，可改善掌子面坍塌的现象并及时进行初期支护，加强支护和临时支护，搭设系统锚杆。第四，施工过程中应采取减少下导洞开挖对上导洞围岩和支护扰动的措施，下导洞开挖时两侧应交错进行，即左右两侧应错开3～5m 为佳，下导洞开挖时应在上导洞喷混凝土达到一定强度后再进行开挖，在开挖工作结束后立即开展初期支护与临时支护，需及时封闭成环，保证有足够的安全间距满足施工要求。第五，现场施工阶段应按照设计方案的要求，落实规范和标准，落实监控与管控，及时掌握各项数据信息，调节支护参数。当拱顶下沉、水平收敛速率达5mm/d 或位移累计达100mm 时应暂停挖掘，并加强监控量测频率，通过监控测量数据及时分析原因，采取切实可行的处理措施进行加固处理。根据经验总结，黄土隧道施工时可通过增加锁脚锚管来降低拱脚及拱顶下沉的概率[2]。

3.3 支护作业

3.3.1 锚杆及钢筋网施工

（1）主要设计参数

大南山隧道STS 衬砌类型Ⅴ级围岩设锚杆及钢筋网片支护，拱部设置直径φ25mm 组合中空注浆锚杆，长度4.0m，间距0.6（环）×0.6m（纵）。钢筋网片采用HPB300 直径φ8mm 的钢筋，网格间距15cm×15cm。

（2）锚杆及钢筋网施工工艺

（a）锚杆施工工艺，锚杆采用自进式钻进，钻进完成后，安装注浆管和止浆塞，注浆后强度满足要求后锚固。

（b）锚杆安装前做好下述检查：第一，锚杆型号、规格以及种类都要达到要求，符合满足设计标准要求。第二，锚杆安装位置、尺寸、深度、形式都满足标准要求。第三，孔内没有任何杂质，如存在应及时清理。

（c）锚杆孔执行下述标准：第一，钻进锚杆孔前应根据设计方案以及围岩进行确定，并做好标记。第二，锚杆孔孔距的允许偏差为150mm。第三，孔深的允许偏差为+50mm，-0mm。第四，锚杆尾端的托板应紧贴壁面，用螺母拧紧，如果有围岩掉落到没有接触的部位应楔紧。锚杆外露长度应比混凝土厚度要小，并根据需要进行拉拔试验检测，性能参数符合标准要求。第五，钻孔作业时与岩层结构面保持垂直，并进行孔内清洁处理。第六，杆体插入深度超过设计方案的95%，安装后不能敲击或者扰动。

（d）注浆施工按照如下要求：第一，注浆应连续进行，如中间断开30min 以上，应用水或者稀水泥浆润滑处理，保持孔道的润滑性。第二，注浆时，注浆管出浆口应插入孔内并离孔底50～100mm，随着砂浆的注入缓慢匀速拔出，对孔口不饱满的应及时进行补注。第三，注浆孔口压力应符合设计及相关规范要求。

（e）钢筋网施工工艺：第一，钢筋网在钢筋加工场集中加工成型，由专门运输汽车运输进洞，现场采用人工安装，应按现场实际施工需求加工网片尺寸。为防止钢筋网片在喷射混凝土时掉落、晃动，网片应用电焊的方式连接，直接焊接在锚杆头部位置，搭接长度严格控制，需超过网格间隔距离。第二，钢筋焊接前需先对钢筋外观进行检查，对表面有削弱钢筋截面的伤痕的予以剔除，并对钢筋进行表面清洁，通过敲击等方式去除水泥浆、浮皮、油渍等，无任何杂物影响质量后再进行网片的平整处理。第三，为避免钢筋网被摔产生变形，制作成型的钢筋网片必须进行打包并轻抬轻放。钢筋网片成品应堆放在指定的成品存放仓库。存放时应按要求进行支垫，存放和运输过程中应避免受潮，防止锈蚀、污染和变形等。第四，按设计要求进行钢筋网片的悬挂，现场铺设施工应随时进行固定处理，并将之前铺设结束的钢筋通过焊接方式连接形成整体结构。相邻网片采取搭接方式，长度应超过单个网格的长度。

3.3.2 钢架施工

（1）主要设计参数

大南山隧道STS 衬砌类型Ⅴ级围岩加强支护采用全环工I22 型钢钢架，钢架纵向间距0.5m，钢架之间通过φ22mm 连接筋相连，连接筋长0.73m，H18 格栅拱架，排距0.5m。

（2）型钢钢架施工工艺

在初喷4cm 厚度的混凝土结构后开始安装钢架，同时与网架焊接连接形成整体，结束后再整体性喷射混凝土，表面覆盖1cm 以上。钢拱架纵向用φ22mm的钢筋连接，并采取分层喷平的方式处理。钢架拱脚有稳定的基础结构，标记好垂直隧道中线，中线、高程、垂直度加强检查，进行现场复核检测，合格后才能继续开展施工。

钢架安装工作结束后，及时进行混凝土的喷射施工，并且覆盖处理，形成整体的结构；采取分层方式喷射混凝土施工，单层5～6cm，首先从拱墙脚部喷射作业，保证结构的密实度与强度符合要求，不会发生失稳的情况，提高结构的整体性，并施打φ42mm、L=3m的锁脚锚管，锁脚锚管的施打角度严格按设计及规范要求进行施打，为防止钢架下沉，锁脚锚管应及时进行注浆施工[3]。

3.3.3 喷射混凝土施工

（1）主要设计参数

大南山隧道STS 衬砌类型Ⅴ级围岩采用C25 喷射混凝土，采用22 工字钢和18 钢筋格栅拱架，厚度分别为27cm 和21cm。

（2）喷射混凝土施工工艺

喷射混凝土采用湿喷法施工，分三阶段进行即初喷、复喷和终喷。喷射混凝土水泥用42.5 号普通硅酸盐水泥；选用洁净、硬度都符合要求的砂，采取中、粗砂；碎石符合耐久性要求，粒径在12mm 以内；选用合适的添加剂，通常为速凝剂、减水剂等。在投入使用前应进行检测试验，速凝剂的性能达到要求，加入后混凝土初凝时间在5min 以内，终凝不超过10min。

混凝土喷射前应做好岩面的清理工作，去除松动的岩层，凹陷部位应及时进行补充填平；黄土隧道表面应用高压风清洁处理；现场施工前对湿喷机进行全面检查，性能和质量合格并进行试喷作业，各项参数检验合格后才能继续开展喷射施工。

现场混凝土喷射施工的厚度需符合标准，超过90%的部位须达到设计要求，通常间隔3～5m 进行断面检测，全断面循环断面检测使用埋钉法施工，断面间距在2m 以内。

混凝土喷射结束后，应加强强度检测，并根据现场施工的需要制作试块，通常来说每个部位试块有3组，拱部与边墙都有试块。对受喷面进行切割法施工，制作现场施工模型，在施工结束后强度达到要求时切割试块，以100mm3为标准，在合格的条件下养护28d 进行试验检测。

3.4 控制要点

第一，两侧的导坑形状几乎是椭圆形，断面的宽度为整个断面的1/3。第二，两侧导坑、中槽部位应采用短台阶法开挖施工作业，各部位的间距、埋深、断面尺寸均需符合要求。为了保持掌子面结构的稳定性，各部位需预留核心土，经过开挖后再进行临时支护处理，制作成封闭的结构。第三，两侧导坑的前中槽部位10～15m 的位置上同时开挖与支护施工。中槽应用台阶法施工，步距合格的条件下进行两侧平行施工，满足现场施工标准。第四，中槽开挖后，再进行拱部与两侧的钢架连接的环节，两侧导坑施工过程中钢架部位需精准，且各个部位应在同一垂面进行连接。为了预防发生变形的问题，中槽部位在导坑部位上设置横撑结构。第五，现场进行监控量测，达到稳定性标准后才可开始临时支护施工，单次拆除作业的长度在15m 以内，确保数据精度合格。第六，拆除临时支护后，即可进行二次衬砌、仰拱的施工。

4 仰拱及填充混凝土施工

隧道仰拱需及时进行，并尽早完成支护与闭合施工，保证结构的受力符合要求，围岩变形控制在合理范围内，以达到结构的安全性。单次开挖仰拱的长度控制在3m 以内，开挖后及时开展浇筑作业，且一次性完成断面的施工，不能分两次施工。填筑混凝土可采取半幅施工的方式，接缝达到平整性要求，然后开始混凝土的施工。仰拱、填充混凝土应保持内部交通正常通行，并采取搭设过梁或者栈桥的方法，以满足现场运输正常进行。

5 二衬施工

黄土隧道现场施工稳定性较差，施工结束后应立即开始二次衬砌施工。在刚进洞环节应及时浇筑二衬的结构，保持洞口的稳定性合格。在含水量超过24%的黄土隧道、膨胀岩隧道等，二次衬砌施工中掌子面的间距应在40m 以上。二次衬砌现场施工前，应做好现场的防排水处理工作，以确保不会对施工的稳定性产生影响。加强现场施工检测工作，保证二衬施工性能和质量合格、隧道内部稳定性合格。

6 结语

综上所述，大断面浅埋黄土隧道双侧壁开挖是一项关系到建筑安全和稳定的重要环节，在开挖过程中，须严格按施工方案进行控制，通过加大巡查力度和监控量测等手段促进施工顺利进行，从而为后续施工奠定坚实的基础。