黄土隧道开挖施工技术

黄土隧道开挖施工技术

肖祖芳

肖祖芳中铁二十一局集团第三工程有限公司陕西咸阳712000

摘要：黄土隧道施工时一项复杂的施工工艺，黄土隧道的开挖方法主要有弧形导坑法、双侧壁导坑法、CRD导坑法。针对于黄土性质和地质的不同，选择不同的施工方法，不但能保证施工工期和施工质量，更能保证施工的安全。本文就针对于湿陷性黄土隧道的施工方法的选择及施工工艺和影响因素，并以郑西铁路客运上的几个隧道为例进行了详细的阐述。

关键词：施工方法的选择湿陷性黄土隧道初期支护影响因素

在我国的北方地区黄土是一种比较常见的特殊土，它的形成条件是不因为在第四纪半干旱和干旱的气候条件，基本都是以黄色为主色调，黄土一般具有着空隙、有着较强的直立性、垂直节理发育。而新的黄土一般都具有着湿陷性。而对于在具有湿陷性的黄土地段修挖隧道会具有两个显著特点，①。对于湿陷性地段的地基处理问题。②.在开挖湿陷性黄土隧道的时候，因为拱顶和局部的应力集中过大，容易造成隧道结构的失稳，所以在开挖这类隧道的时候，应该根据地形来选择合适的开挖方法，从而来有效的控制隧道围岩的形变及减小隧道拱顶的沉降。保证在安全的前提下来加快工期。

一、开挖的几种办法

1.开挖方法的选择

对于黄土隧道的施工开挖技术重点控制的地方时能够有效的控制围岩的变形。从而知道围岩的控制情况就决定了选择何种的隧道施工方法：

对于那些IV级的老黄土围岩来说，因为它们的埋深较大并且还存在着直立性好和宜成型的特点，在一定的时间之内能够保证围岩的稳定，从而可以给与足够的时间完成立架和喷锚作业。可以保证施工的安全，对于这种情况采用最多的是弧形导坑法。

而对于那些V级围岩的深埋地段和深埋的软质岩、浅埋段来说，这些围岩的自稳能力比较差。土体一旦受到了扰动之后就会产生应力而重新分布，而上部的土岩就会沿着破裂面而形成锲形漏斗，易出现拱顶的失稳，对于这种围岩，为了保证能够安全的开挖，开挖的断面应该要尽量的缩小，一般采用CRD法。对于湿陷性黄土隧道开挖的方法还有双侧壁导坑法等。

2.弧形导坑法

弧形导坑的施工方法是将隧道划分为仰拱和上中下四个部分，然后以前后六个不相同的面来进行相互错开的开挖，在来进行支护使其形成一个支护的整体，可以减少循环作业的时间，在来采取由浅至深的纵深推荐作业方法，采取环形导坑对拱部进行开挖，掌子面在用核心土来进行施压。这种开挖的方法它能够把开挖的空间充分的利用上去，施工的工序也比较简单，机械的利用率也比较高，初期支护及二衬闭合成型时间早，施工的速度比较快。但这种施工方法对周围岩石的扰动很大，应力集中，易造成拱顶的沉降而使得结构失稳。

弧形导坑法的施工步骤有下列几步：

⑴.首先通过测量人员进行测量放样，通过对隧道的监测把预留的沉降控制在10~15厘米左右。

⑵.上弧导进行开挖支护。需要在拱部大约是120°的范围内施做超前小导管，当浆液到达一定强度时，在来用机械（人工）进行开挖，上导坑开挖的高度大约为4.9米，拱顶距离弧导土面核心约为1.5~2.0米。土侧核心距开挖面约为2米。而上台阶的长度应该控制在3到5米之间。开挖的时候应该要及时的进行施做系统锚杆、初喷、钢筋网片、架设钢架、复喷混凝土和设计厚度。

⑶.右侧下部和左侧中部的开挖。当上弧导中的台阶为3~5米的时候，因为受到了承载拱的作用，可以对右侧下部和左侧中部马口进行交错开挖。对于左右错开的距离大约为1~2米。然后再按照同样的步骤进行支护，使得暴露的开挖面仅仅只限于单侧。仰拱的开挖长度每次不宜超过5米，支护完成之后应该要进行及时的用衬砌模版台车进行一次性的灌注衬砌。

3.双侧壁导坑法

双侧壁导坑法采用的原理是化整为零，利用了临时的横掌和隔壁把整个隧道9个分布施工的小洞室。并通过小洞室而形成了一个封闭的环形支护体系。

双侧壁导坑法施工工序横断面

双侧壁施工它是从上而下的进行支护，步步成环的进行封闭，并且对隧道周围岩石的扰动和沉降小，是一种最为安全的开挖方法，但由于施工的步骤繁琐，施工的速度很慢，作业面多对施工的影响很大，并且不利于机械化的作业。在拆除支护时也存在着一定的安全隐患，工程的造价也比较高。

双侧壁导坑法的施工步骤：

⑴．双侧壁导坑法首先也是进行测量放样，在来根据测量分析的数据把沉降控制在20~25厘米。

⑵．在图中①处的位置预留核心土，对台阶上的两侧进行开挖，初喷4厘米厚的混凝土，然后架立临时钢架、挂设钢筋网、施做锚杆、锁脚锚杆等。

⑶．在①的地方往前后大概三米左右，通过机械对台阶的两侧进行开挖。看做是②处，这里初喷的混凝土也是4厘米，在来架设钢架、钢筋网、施做锚杆等。

⑷．其它几处的施工方法和前面几处都差不多，都是用机械来对台阶两侧进行开挖，初喷混凝土都为4厘米，在来进行支护工作。

⑸．完成这些之后再来进行仰拱钢筋的绑扎和仰拱隧道用混凝土的浇筑和填充。通过监测的数据来进行分析，等到合适的时机在来对临时支护和横撑的拆除。用衬砌模版车进行一次性的衬砌混凝土灌注。

4.CRD导坑法

CRD的施工原理是以岩体理论学为基础、监控测量作为依据、在用化整为零的原则将隧道划分为左右两侧五个部分，确定合理的施工关系后进行支护。它的特点及介于双侧壁导坑法和弧形导坑法的特点之间，预留的沉降量为15~20厘米之间。施工的方法主要是参照双侧壁导坑法。

质量控制点：

⑴．对于那些含水量比较大和浅埋段的位置应该要施做超前的小导管，依据实际的开挖情况来减小环向设置的间距，直到能够消除拱部掉块的情况，对于地质情况较好或深埋的位置如果没有掉块的现象可以不需要设置。

⑵．为了能够保证施工的安全，锁脚锚管是初期支护的重要措施，通过试验和数据表明，墙角位置和断面拱脚的位置承受了较大的侧压力，在这些位置锁脚锚管就相当于拉杆作用，保证在受到侧压力的时候不必会向洞内发生位移的变换和变形。并且还能够对拱架整体起到抑制下降的作用。保证在施工的过程中能够稳定的受力。

⑶．仰拱紧跟是初期安全支护的根本措施，一般是把仰拱距离掌子面的距离控制在30米之内，这样有助于能够尽快的形成完成筒形封闭环，根据监测的数据和隧道的受力结构分析，一般把衬砌距离掌子面的控制在50米之内，如果有特殊的原因和地段则需进行单独的考虑。

⑷．合理的控制步长，一般把步长控制在3到5米之间。上弧导开挖了一个钢架的距离，那么在中下部需要根据实际的地质情况可开挖1~2个钢架的距离，并对仰拱开挖控制在3~5米之间。及上下台阶控制在3~5米之间、掌子与二衬距离控制在60~65米之间、掌子面和仰拱的距离控制在40~45米之间等。

二、湿陷性地基处理

湿陷性地基的处理是利用了分层水泥土和成孔的侧向挤压的作用，使得每一个桩间变的密实以提高工程的性能。并使得其有一定的承载能力，最终成为成为了共同作用的复合桩体。

1.主要的施工方法

⑴．在施工之前应根据当地的土质的实际情况进行试桩，以确定合理的参数，并找出准确出桩的位置。

⑵．当把桩机移动到打孔位置的时候，应保持机身的平稳，在施工中不应出现倾斜现象，把偏差的范围控制在1.5%之内。在冲击钻机应该要设立醒目尺度标志，一般间隔为0.5米。

⑶．材料到达之后进行准确的计量，达到施工要求之后才能施工，并且用滴定法检测石灰的剂量，严格进行配比施工。当成孔后进行按照试桩时所确定的参数，每个桩孔一次性回填，虚填的厚度大概在40~50厘米之间。

三、湿陷性隧道施工

兰新第二双线平安到西宁段有两个隧道就是典型的黄土隧道。隧道内行车的速度设计为两百千米每小时或以上，轨道的高度约为55厘米，是客运专线的隧道。

1.这项工程的隧道，隧道的进口是湿陷性、无水、偏压、浅埋的黄土段。该工程隧道进口采用的施工方法主要是采用CRD的方法开挖。

V级围岩的复合式衬砌断面

1.湿陷性黄土隧道洞口施工方法

对于这段施工隧道应该保持着强支护、严控水、短支护、早封闭、勤测量、紧仰拱、速反馈、留核心的原则组织施工，而采用CRD施工开挖的工序如下图：

V级围岩CRD法施工开挖

3.机械设备和人员的配置

根据这段黄土隧道的地质条件。依据CRD的施工方法，依据各部分导坑断面的尺寸进行流水施工作业，安排的施工人员和是被如下：

施工人员：挂网和架立钢型钢架的为13人，机械手和钢筋工各10人、开挖人员20、喷混凝土和锚杆安装各8人、焊工6人、电工2人、防水板铺挂、钢筋安装、混凝土工各15人、辅助及管理人员各10人。

施工机械：冷弯机和挖掘机各1台、输送泵和装载机各2台、混凝土输送搅拌车和20立方米的空压机各3台、风枪、出砟自卸车、喷湿机各4台、风镐8把及60m3/h混凝土拌合站1座。

⑴防排水措施：要充分的利用衬砌结构中混凝土的自防水能力对隧道进行防水，而混凝土的选取一般使用的是抗渗的等级不的低于p10的高性能混凝土，若发下地下水有弱腐蚀性的时候，那混凝土的抗渗等级不的低于p12。在初期支护和二次衬砌之间需要铺设一个厚度大概为1.5厘米厚的EVA塑料板进行防水，环向施工缝中采用的是外贴止水带加中埋橡胶止水带进行复合防水，变形缝采用的是嵌缝材料加外贴止水带和中埋橡胶止水带进行防水，在隧道里面需要设置中心水沟加双侧水沟进行排水。二次衬砌的防水层应该在背后设置纵向和环向的盲沟，依靠边墙上的积水孔把积水引向洞内的侧沟。还需要沿着隧道的两侧进行交错布置辅助坑道。

⑵对于这段黄土隧道，采用了机械与人工共同开挖的办法，CRD开挖的方法首先是将断面分割成左右两侧，在用机械对①部进行开挖，并用人工修边直到符合设计的要求，初喷混凝土的厚度为4厘米，在进行架立钢格栅和挂网等，并对它们的高程和水平进行控制，使钢格栅等能够准确的就位。

⑶底脚的锁脚锚杆和格栅施工完成之后，在拱部的锁脚锚杆、拱砂浆锚杆与格栅也要焊接牢固，把临时的仰拱形成一个密闭的环，墙和拱用湿喷微纤维混凝土达到施工设计的厚度需求。

⑷①、②、③的开挖与①部的开挖基本相同，一般开挖数榀不得多于2榀，在下部开挖的时候尤其需要注意，若底脚的悬空时间过长会引起初期支护的受力不利而引起支护开裂，更甚者可能会出现掉拱，因此开挖时各部分焊接牢固，形成稳定支护体系。

⑸运用CRD的施工方法最关键的地方时在中隔壁的拆除，在实际施工的时候中隔壁的拆除需要考虑两个两面，一是从安全施工的角度去考虑，中隔壁的拆除即不能早也不能晚，从施工方面考虑在有限的施工隧道空间内中隔壁的存在会占用很大一部分。

二、湿陷性黄土隧道在施工中应需要控制的因素

1.地表变形、裂缝规律

湿陷性黄土隧道在浅埋段的变形规律：当隧道开挖了约15天，在隧道的洞口外侧喷混凝土面易出现纵向的裂缝，而洞顶平坦没有偏压的会在30~40天左右在地表中线两端出现于隧道中心线的横向裂缝，并易随着开挖的推进裂缝随之加大，如果停止开挖，也会出现在掌子面出现一条横向的裂缝，并与纵向裂缝形成交错，如果是在偏压的地段，那些IV级深埋的围岩段开挖之后也会出现纵向的裂缝，地表仍然会出现错台与开裂。

2．沉降与雨水的关系

湿陷性的黄土隧道浅埋段的地表覆盖一般在38米以内，是比较薄的地段，当隧道开挖之后，会出现横向与纵向的地表裂缝，且还会随着开挖而向前发展，所以在开挖隧道之后不可能形成自然地拱，那些覆盖的土层直接对初期支护进行施力，对施工的安全存在着一定的隐患。

通过有关的数据显示，当隧道在施工1~3天时在导坑掌子面上地表的沉降变化时比较大的，每天变化约为4~8毫米，之后随着时间约变为每天1~2毫米的速度下沉，而下导坑能够承受的最大沉降速率约为每天8毫米，最大沉降量14毫米，平均沉降速率为每天2毫米，平均的下沉量为10毫米，仰拱最大的沉降速率约为每天4毫米，最大的沉降量为9毫米，平均下沉速率为2毫米，最大的下沉量为6毫米，当仰拱完成之后基本是处于稳定的状态，而当下雨的时候，地表下降就会比较明显，平均下沉量在每天10毫米，及时在稳定的时间也会有着每天2~3毫米的下降速度，因此可以看出地表的沉降与雨水有着直接的关系，雨水会加大土层的重量，对初期支付的压力增大，加速隧道的下沉，所以要在浅埋段要进行全覆盖的防水处理。

2.拱顶下沉与地表沉降的关系

通过隧道的检测和相关数据表明，当完成掌子面2~3天之后，会出现比较显著地下沉，平均每天的下沉量为5毫米，之后才会慢慢减少。下导坑最大沉降速率是每天6毫米，最大的沉降量是20毫米，平均下沉量速率是每天2毫米，平均的下沉量是13毫米，仰拱开挖每天最大沉降的速率约为每天7毫米，最大的沉降是27毫米，每天的平均沉降速率是3毫米，平均的沉降量是10毫米，当施工完仰拱之后就会基本趋于稳定状态，因此隧道尽快施工时很有必要的，只有完成仰拱之后隧道才能形成封闭式的受力结构，才能使得拱顶的下沉变得稳定。

拱顶的下沉与地表下沉的情况及趋势基本一样，同过这些可以看出，在浅埋段隧道处，上面覆盖层的压力在整体的下降，在下雨天尤为明显，知道仰拱完成之后才会趋于稳定。

3.中隔壁的拆除规律

中隔壁的拆除在施工中的变形时很小的，每天最大的沉降量约为4毫米，沉降量最大累计为15毫米，每日沉降量约为0.47~0.78毫米之间，在拆除施工的前三天沉降量比较明显，之后会渐渐的趋于稳定。

三、湿陷性黄土隧道变形控制性措施

1.开挖进尺及步长的控制

依据湿陷性黄土的性质，并依据开挖的方法，开挖之后应该要进行及时的喷混凝土、立拱架、架设横掌形成一个封闭密环，底部每次掘进的长度约为4~6榀，不应该超过3米，在开挖和初期支护的时候要做好施工用水的管理，防止整体下降，保证安全。

2.防排水

加强隧道内施工用水的管理，在有渗水的地段应该要及时的用排水装置进行引排，并按照施工要求对止水带和防水板进行安装。而在隧道外出现暗沟、冲沟、人工洞穴等应该按照设计的要求及时的进行回填，并在高出地表35厘米处进行铺砌防水处理。对于浅埋段的位置要进行截排水沟的处理措施。

3.通过监测进行安全施工

在拱顶和拱脚及仰拱等周围进行沉降的观测，绘画出时态的曲线，并对它们做出及时的变形分析和施工距离的关系，并对围岩的初期支护稳定进行判断，在下雨天对施工的工序应该要加密和加强监测，对临时的横掌面开裂和初期支护的变形进行严密的检查，如出现开裂变形的现象应该要及时的停止施工，并对初期和临时的支护进行加强，保证隧道的施工安全。当施工中黄土的含量超过了18%的时候，应该对地基进行加固，减小沉降保证施工安全。

结束语：湿陷性黄土隧道施工应该要根据具体的地质情况选择合适的开挖方法，通过合适的施工方法来进行有效的施工，并对围岩的变形和沉降进行分析，保证了工期和施工质量，并对施工人员的安全进行了保证。

参考文献：

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