大跨度黄土隧道施工技术

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1、概况
    隧道分上下行线，上行线长1455m，下行线长1422m，设计为单心圆断面，VI级围岩开挖宽度为13.2m，高度9.5m，横断面面积106.7m2；V级围岩开挖宽度13.1m，高度9.4m，横断面面积101.1 m2。衬砌采用复合式，分两次模筑混凝土，一次衬砌为变截面结构，厚度为50－70cm（VI级围岩段）、45～65cm（V级围岩段），二次衬砌为等截面结构，厚度为35cm。
    隧道穿越地层为第四系中更新统冲积老黄土，灰黄、褐黄色，为粉质亚粘土，Ip=9.5，土质均匀，局部较疏松，层理和柱状节理发育，含水量为11%－18%。山顶为水浇地，隧道洞身土体含水量较大，结构稳定性较差。洞口浅埋段覆盖层为第四系上更新统风积黄土，层厚4.6－40m，浅黄色，土质较松散，大孔隙、垂直节理发育，其中自重湿陷性黄土层厚24m，黄土陷穴顺沟发育，呈串珠状。
    2、开挖方案
    遵循“短开挖，强支护，勤量测，紧封闭”的原则，上下行线进出口共4个工作面同时作业，针对不同地质条件采取不同的开挖方法。
    洞口VI级围岩浅埋段采用双侧壁导坑http://www.gongcheng.org先墙后拱法施工。
    VI级围岩深埋段及V级围岩采用矿山法正台阶先拱后墙法施工，拱部开挖宽1.8m环形带保留核心土，开挖后即施行一次模筑衬砌，侧墙马口采用四步跳跃法施工，中间4m宽修成斜坡道，以保证上半断面同时施工。
    3、V级围岩施工
    采用正台阶先拱墙、拱部环形法开挖，工作面多，进度快，保留核心土便于支撑，能保证围岩稳定，避免塌方，施工安全。
    根据黄土地质特性和施工工期要求，为避免塌方，贯彻短开挖原则，上导坑掘进每循环2.4m，并根据围岩状况，随时进行调整。每个掌子面配备10榀钢拱架，640块120cm×30cm钢模板，1台挖掘机，1台装载机，6台出碴运输车。
    3.1先开挖拱顶环形Ⅰ部
    用洋镐沿开挖轮廓线由上向下开挖，配合铁耙将松土扒离掌子面，每次掘进2.4m。拱顶中心处掌子面要向前多掘进0.5m，以备混凝土一次支护封顶。
    如果开挖时发现顶部土体有裂纹或疏松现象，应边开挖边支撑，支撑用杨木背板加φ40钢管，钢管底部撑在核心土上。
    3.2管棚超前支护
    黄土隧道土质比较松散，且层厚一般为20－60cm，开挖后易形成分层坍塌，故需较强的初期支护，采用管棚方案较适宜。钢管直径大，与土体接触面积大，接触密贴，没有空隙，有利于力的传递。而注浆锚杆直径和刚性都较小，当注浆时，由于水泥浆内的水分对锚杆周围的土体侵蚀，使土体湿陷，周围易形成空洞，起不到对土体的有效支撑。
    管棚支护纵向布置如图2所示。棚管用φ40钢管，长3.4m。先用煤电钻沿开挖轮廓线在掌子面上打眼（孔眼间距35cm，深度240cm），然后用大锤将钢管沿孔眼打入前方土体中，钢管外倾角约16°。
    3.3开挖II部
    II部一次掘进2.4m。人工配合机械开挖。出碴采用无轨式运输。柳州产ZL50装载机装碴，小松山推PC200挖掘机配合。
    首先用挖掘机将一侧II部的土体由上至下开挖1.0m，并将土扒出核心土范围以外，便于装载机装碴。开挖时侧面开挖轮廓线处预留厚50 cm土体，原因是挖掘机开挖时对土体的振动比较大，如果直接按轮廓线开挖易造成土体坍方，形成超挖。然后人工用洋镐将预留的50 cm土体沿轮廓线开挖，边开挖边支撑，同时出碴，而此时，挖掘机则换至另一侧II部进行开挖，如此左右侧交替。注意开挖时，拱脚处至少留深20 cm土用人工开挖，严禁拱脚超挖，防止因拱脚原状土被破坏造成混凝土衬砌时拱架下沉。
    黄土隧道拱腰处土体最易发生坍方，所以在进行II部开挖时，应边开挖边加固，加固方法为简易支撑，即用杨木板紧贴开挖轮廓表面，用φ40钢管支撑在核心上。支撑间距1.0 m，交错布置。待进行一次模筑混凝土支护时边浇筑混凝土边将木板取出。
    3.4格栅支撑
    黄土隧道土体松散，超前管棚打入前方土体中时，需在管棚尾部加设格栅支撑，加强初期支护。格栅采用20cm×20cm断面的钢花拱，分3段组装，通过钢垫板用φ16螺栓将3段连成整体。安装钢花拱时应紧贴开挖轮廓表面，并将管棚的管尾与之焊接，使棚管尾端担在钢花拱上，最大限度地发挥管棚的作用。钢花拱之间每隔1m设1根φ25纵向连接筋。
    3.5开挖III部，核心土整形
    格栅支撑安设完毕后，用挖掘机将III部土挖除，核心土顶面修成平台，平台沿隧道纵向宽度3.6m，并在核心土的中间高度处再修一纵向宽度约为1.2m的二级平台，以备一次模筑混凝土时人工上料使用。这样核心土纵向长度约4.8m，可对前方掌子面土体起支撑作用。
    3.6立钢拱架和模板
    拱部开挖完毕后，进行衬砌宽度和拱脚高程放样，然后立模工班按放样点位将钢拱架立好。钢拱架用工字钢制作。模板用120cm×30cm钢模。档头模板用木模。
    3.7初期支护
    黄土隧道在开挖后30h内围岩变形较大，如不及时支护，极易发生塌方。故开挖结束后，应立即进行混凝土初期支护。混凝土施工采用拌合站拌合，运输车运输，人工上料，插入式振动棒捣固，左右侧交替浇筑。混凝土封顶时应注意将顶部捣固密实，并用自制小铲从挡头模板处将混凝土填塞密实。
    3.8开挖下导坑
    下导坑边墙施工与上导坑之间的距离保持60～80m为宜，距离过短影响上导坑机械作业，距离过长，会使已施工的拱部下沉，造成二次衬砌厚度不够，影响下步工序施工。
    下导坑边墙施工采用四部跳跃法，左、右边墙错开，每个马口开挖长度为2.4m。先用挖掘机挖中槽，中槽宽4.0m，长20m，不宜过宽、过长。宽度原则上能保证上导坑施工机械通过即可，否则左、右拱脚下的土体由于受到拱圈的挤压，向中槽处靠拢，容易使拱圈下沉，严重者可使拱圈混凝土产生裂缝。中槽挖成斜坡形式，使上、下导坑连接。然后用人工左、右错开开挖马口。
    边墙的格栅支撑应与拱部格栅上、下对正，并焊接牢。格栅安设完毕后，将拱脚表面的混凝土凿毛，用钢刷清理干净，之后模筑衬砌一次混凝土。封口用干硬性混凝土人工分次填满捣实。
    4、V级围岩浅埋段施工要点
    隧道上行进口、下行出口段各10m均采用双侧壁导坑先墙后拱法施工顺序施工。
    （1）人工挖2个侧壁导坑，导坑宽4.0m，高3.0m拱形，导坑一次掘进2.0m。
    （2）架立边墙格栅支撑，立模浇筑一次混凝土衬砌。
    （3）人工开挖拱部环行部位，宽度1.8m，留核心土。
    （4）施作φ40超前管棚，钢管长3 m，间距35cm。
    （5）架立格栅支撑。格栅用20cm×20cm钢花拱，间隔1m，设纵向连接筋。
    （6）立模浇筑拱部一次混凝土衬砌。
    5、主要技术对策
    5.1拱部沉降和拱脚收敛的控制
    黄土隧道与石质隧道的最大不同点就是拱部沉降和拱脚收敛较大，针对这种情况我们采取了以下措施。
    5.1.1监控量测
    在隧道施工过程中，从第一组衬砌开始，一个断面内在拱顶和2个拱脚处埋设3个观测点，用收敛计和水平仪分别观测拱脚水平收敛值和拱顶下沉值。随着隧道施工的前进，每隔10m作一个观测断面，最前端的一个断面紧跟掌子面。前7d每天观测1次，以后1个月内3d观测1次，之后每月观测1次。
    通过观测发现在拱部一次衬砌施工完毕至边墙开挖前，拱顶下沉6－8cm，拱脚收敛1－2cm。在边墙开挖后拱部发生第二次下沉，下沉量为6－8cm，收敛量基本不变。
    根据观测结果及时反馈至施工中去，将原有预留沉降量15cm变为17cm。有效地保证了二次衬砌的厚度。
    5.1.2及时封闭仰拱
    据量测，在一次混凝土初期支护完成后，隧道拱顶下沉约12－16cm。为避免继续变形，应及时封闭仰拱混凝土。仰拱与马口之间的距离保持20cm为宜，不能偏大。仰拱采用半幅施工法，保证上下导坑作业的进行。当半幅施工30cm左右，再换至另外半幅。
    5.1.3及时封闭二次衬砌永久支护
    一次衬砌封顶时，受工作面的限制，可能造成封顶混凝土不密实。而两侧拱腰处向内挤的压力很大。如果不及时施作二次衬砌永久支护，容易在拱顶造成裂缝。针对以上情况我们在施工中每个洞口配备了1台边顶拱式混凝土衬砌钢模台车，二次衬砌施工与上下洞口同时作业。
    5.1.4加设锁脚锚杆
    在拱脚处每侧加设2根锁脚锚杆，锚杆为φ40钢管，长2m，垂直于拱脚外侧面打入土中1.5m。剩余0.5m与一次衬砌混凝土浇筑在一起。
    5.2预防塌方
    在开挖过程中，应遵循短开挖、强支护的原则，随时观察土质情况，发现土质疏松、节理发育时，加设调整循环进尺，同时加密管棚钢管数量，及时跟进一次衬砌，缩短开挖与衬砌之间时间间隔。如发生塌方，必须用同强度等级的混凝土填塞密实。
    6、结论
    黄土隧道采用正台阶先拱后墙、拱部环形、保留核心土法开挖有以下优点：
    （1）与锚喷法施工比较，有施工速度快，安全，节约投资的优点。单口平均月进尺90m，最高单口月进尺120m。
    （2）可以有效控制塌方、拱部沉降与收敛，使隧道各部的尺寸达到设计要求，保证永久支护混凝土厚度。