大跨度黃土隧道施工技術(shù)

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1、概況
    隧道分上下行線，上行線長(zhǎng)1455m，下行線長(zhǎng)1422m，設(shè)計(jì)為單心圓斷面，VI級(jí)圍巖開挖寬度為13.2m，高度9.5m，橫斷面面積106.7m2；V級(jí)圍巖開挖寬度13.1m，高度9.4m，橫斷面面積101.1 m2。襯砌采用復(fù)合式，分兩次模筑混凝土，一次襯砌為變截面結(jié)構(gòu)，厚度為50－70cm（VI級(jí)圍巖段）、45～65cm（V級(jí)圍巖段），二次襯砌為等截面結(jié)構(gòu)，厚度為35cm。
    隧道穿越地層為第四系中更新統(tǒng)沖積老黃土，灰黃、褐黃色，為粉質(zhì)亞粘土，Ip=9.5，土質(zhì)均勻，局部較疏松，層理和柱狀節(jié)理發(fā)育，含水量為11%－18%。山頂為水澆地，隧道洞身土體含水量較大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。洞口淺埋段覆蓋層為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土，層厚4.6－40m，淺黃色，土質(zhì)較松散，大孔隙、垂直節(jié)理發(fā)育，其中自重濕陷性黃土層厚24m，黃土陷穴順溝發(fā)育，呈串珠狀。
    2、開挖方案
    遵循“短開挖，強(qiáng)支護(hù)，勤量測(cè)，緊封閉”的原則，上下行線進(jìn)出口共4個(gè)工作面同時(shí)作業(yè)，針對(duì)不同地質(zhì)條件采取不同的開挖方法。
    洞口VI級(jí)圍巖淺埋段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑http://www.gongcheng.org先墻后拱法施工。
    VI級(jí)圍巖深埋段及V級(jí)圍巖采用礦山法正臺(tái)階先拱后墻法施工，拱部開挖寬1.8m環(huán)形帶保留核心土，開挖后即施行一次模筑襯砌，側(cè)墻馬口采用四步跳躍法施工，中間4m寬修成斜坡道，以保證上半斷面同時(shí)施工。
    3、V級(jí)圍巖施工
    采用正臺(tái)階先拱墻、拱部環(huán)形法開挖，工作面多，進(jìn)度快，保留核心土便于支撐，能保證圍巖穩(wěn)定，避免塌方，施工安全。
    根據(jù)黃土地質(zhì)特性和施工工期要求，為避免塌方，貫徹短開挖原則，上導(dǎo)坑掘進(jìn)每循環(huán)2.4m，并根據(jù)圍巖狀況，隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。每個(gè)掌子面配備10榀鋼拱架，640塊120cm×30cm鋼模板，1臺(tái)挖掘機(jī)，1臺(tái)裝載機(jī)，6臺(tái)出碴運(yùn)輸車。
    3.1先開挖拱頂環(huán)形Ⅰ部
    用洋鎬沿開挖輪廓線由上向下開挖，配合鐵耙將松土扒離掌子面，每次掘進(jìn)2.4m。拱頂中心處掌子面要向前多掘進(jìn)0.5m，以備混凝土一次支護(hù)封頂。
    如果開挖時(shí)發(fā)現(xiàn)頂部土體有裂紋或疏松現(xiàn)象，應(yīng)邊開挖邊支撐，支撐用楊木背板加φ40鋼管，鋼管底部撐在核心土上。
    3.2管棚超前支護(hù)
    黃土隧道土質(zhì)比較松散，且層厚一般為20－60cm，開挖后易形成分層坍塌，故需較強(qiáng)的初期支護(hù)，采用管棚方案較適宜。鋼管直徑大，與土體接觸面積大，接觸密貼，沒(méi)有空隙，有利于力的傳遞。而注漿錨桿直徑和剛性都較小，當(dāng)注漿時(shí)，由于水泥漿內(nèi)的水分對(duì)錨桿周圍的土體侵蝕，使土體濕陷，周圍易形成空洞，起不到對(duì)土體的有效支撐。
    管棚支護(hù)縱向布置如圖2所示。棚管用φ40鋼管，長(zhǎng)3.4m。先用煤電鉆沿開挖輪廓線在掌子面上打眼（孔眼間距35cm，深度240cm），然后用大錘將鋼管沿孔眼打入前方土體中，鋼管外傾角約16°。
    3.3開挖II部
    II部一次掘進(jìn)2.4m。人工配合機(jī)械開挖。出碴采用無(wú)軌式運(yùn)輸。柳州產(chǎn)ZL50裝載機(jī)裝碴，小松山推PC200挖掘機(jī)配合。
    首先用挖掘機(jī)將一側(cè)II部的土體由上至下開挖1.0m，并將土扒出核心土范圍以外，便于裝載機(jī)裝碴。開挖時(shí)側(cè)面開挖輪廓線處預(yù)留厚50 cm土體，原因是挖掘機(jī)開挖時(shí)對(duì)土體的振動(dòng)比較大，如果直接按輪廓線開挖易造成土體坍方，形成超挖。然后人工用洋鎬將預(yù)留的50 cm土體沿輪廓線開挖，邊開挖邊支撐，同時(shí)出碴，而此時(shí)，挖掘機(jī)則換至另一側(cè)II部進(jìn)行開挖，如此左右側(cè)交替。注意開挖時(shí)，拱腳處至少留深20 cm土用人工開挖，嚴(yán)禁拱腳超挖，防止因拱腳原狀土被破壞造成混凝土襯砌時(shí)拱架下沉。
    黃土隧道拱腰處土體最易發(fā)生坍方，所以在進(jìn)行II部開挖時(shí)，應(yīng)邊開挖邊加固，加固方法為簡(jiǎn)易支撐，即用楊木板緊貼開挖輪廓表面，用φ40鋼管支撐在核心上。支撐間距1.0 m，交錯(cuò)布置。待進(jìn)行一次模筑混凝土支護(hù)時(shí)邊澆筑混凝土邊將木板取出。
    3.4格柵支撐
    黃土隧道土體松散，超前管棚打入前方土體中時(shí)，需在管棚尾部加設(shè)格柵支撐，加強(qiáng)初期支護(hù)。格柵采用20cm×20cm斷面的鋼花拱，分3段組裝，通過(guò)鋼墊板用φ16螺栓將3段連成整體。安裝鋼花拱時(shí)應(yīng)緊貼開挖輪廓表面，并將管棚的管尾與之焊接，使棚管尾端擔(dān)在鋼花拱上，最大限度地發(fā)揮管棚的作用。鋼花拱之間每隔1m設(shè)1根φ25縱向連接筋。
    3.5開挖III部，核心土整形
    格柵支撐安設(shè)完畢后，用挖掘機(jī)將III部土挖除，核心土頂面修成平臺(tái)，平臺(tái)沿隧道縱向?qū)挾?.6m，并在核心土的中間高度處再修一縱向?qū)挾燃s為1.2m的二級(jí)平臺(tái)，以備一次模筑混凝土?xí)r人工上料使用。這樣核心土縱向長(zhǎng)度約4.8m，可對(duì)前方掌子面土體起支撐作用。
    3.6立鋼拱架和模板
    拱部開挖完畢后，進(jìn)行襯砌寬度和拱腳高程放樣，然后立模工班按放樣點(diǎn)位將鋼拱架立好。鋼拱架用工字鋼制作。模板用120cm×30cm鋼模。檔頭模板用木模。
    3.7初期支護(hù)
    黃土隧道在開挖后30h內(nèi)圍巖變形較大，如不及時(shí)支護(hù)，極易發(fā)生塌方。故開挖結(jié)束后，應(yīng)立即進(jìn)行混凝土初期支護(hù)?；炷潦┕げ捎冒韬险景韬希\(yùn)輸車運(yùn)輸，人工上料，插入式振動(dòng)棒搗固，左右側(cè)交替澆筑?；炷练忭敃r(shí)應(yīng)注意將頂部搗固密實(shí)，并用自制小鏟從擋頭模板處將混凝土填塞密實(shí)。
    3.8開挖下導(dǎo)坑
    下導(dǎo)坑邊墻施工與上導(dǎo)坑之間的距離保持60～80m為宜，距離過(guò)短影響上導(dǎo)坑機(jī)械作業(yè)，距離過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使已施工的拱部下沉，造成二次襯砌厚度不夠，影響下步工序施工。
    下導(dǎo)坑邊墻施工采用四部跳躍法，左、右邊墻錯(cuò)開，每個(gè)馬口開挖長(zhǎng)度為2.4m。先用挖掘機(jī)挖中槽，中槽寬4.0m，長(zhǎng)20m，不宜過(guò)寬、過(guò)長(zhǎng)。寬度原則上能保證上導(dǎo)坑施工機(jī)械通過(guò)即可，否則左、右拱腳下的土體由于受到拱圈的擠壓，向中槽處靠攏，容易使拱圈下沉，嚴(yán)重者可使拱圈混凝土產(chǎn)生裂縫。中槽挖成斜坡形式，使上、下導(dǎo)坑連接。然后用人工左、右錯(cuò)開開挖馬口。
    邊墻的格柵支撐應(yīng)與拱部格柵上、下對(duì)正，并焊接牢。格柵安設(shè)完畢后，將拱腳表面的混凝土鑿毛，用鋼刷清理干凈，之后模筑襯砌一次混凝土。封口用干硬性混凝土人工分次填滿搗實(shí)。
    4、V級(jí)圍巖淺埋段施工要點(diǎn)
    隧道上行進(jìn)口、下行出口段各10m均采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑先墻后拱法施工順序施工。
    （1）人工挖2個(gè)側(cè)壁導(dǎo)坑，導(dǎo)坑寬4.0m，高3.0m拱形，導(dǎo)坑一次掘進(jìn)2.0m。
    （2）架立邊墻格柵支撐，立模澆筑一次混凝土襯砌。
    （3）人工開挖拱部環(huán)行部位，寬度1.8m，留核心土。
    （4）施作φ40超前管棚，鋼管長(zhǎng)3 m，間距35cm。
    （5）架立格柵支撐。格柵用20cm×20cm鋼花拱，間隔1m，設(shè)縱向連接筋。
    （6）立模澆筑拱部一次混凝土襯砌。
    5、主要技術(shù)對(duì)策
    5.1拱部沉降和拱腳收斂的控制
    黃土隧道與石質(zhì)隧道的最大不同點(diǎn)就是拱部沉降和拱腳收斂較大，針對(duì)這種情況我們采取了以下措施。
    5.1.1監(jiān)控量測(cè)
    在隧道施工過(guò)程中，從第一組襯砌開始，一個(gè)斷面內(nèi)在拱頂和2個(gè)拱腳處埋設(shè)3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，用收斂計(jì)和水平儀分別觀測(cè)拱腳水平收斂值和拱頂下沉值。隨著隧道施工的前進(jìn)，每隔10m作一個(gè)觀測(cè)斷面，最前端的一個(gè)斷面緊跟掌子面。前7d每天觀測(cè)1次，以后1個(gè)月內(nèi)3d觀測(cè)1次，之后每月觀測(cè)1次。
    通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)在拱部一次襯砌施工完畢至邊墻開挖前，拱頂下沉6－8cm，拱腳收斂1－2cm。在邊墻開挖后拱部發(fā)生第二次下沉，下沉量為6－8cm，收斂量基本不變。
    根據(jù)觀測(cè)結(jié)果及時(shí)反饋至施工中去，將原有預(yù)留沉降量15cm變?yōu)?7cm。有效地保證了二次襯砌的厚度。
    5.1.2及時(shí)封閉仰拱
    據(jù)量測(cè)，在一次混凝土初期支護(hù)完成后，隧道拱頂下沉約12－16cm。為避免繼續(xù)變形，應(yīng)及時(shí)封閉仰拱混凝土。仰拱與馬口之間的距離保持20cm為宜，不能偏大。仰拱采用半幅施工法，保證上下導(dǎo)坑作業(yè)的進(jìn)行。當(dāng)半幅施工30cm左右，再換至另外半幅。
    5.1.3及時(shí)封閉二次襯砌永久支護(hù)
    一次襯砌封頂時(shí)，受工作面的限制，可能造成封頂混凝土不密實(shí)。而兩側(cè)拱腰處向內(nèi)擠的壓力很大。如果不及時(shí)施作二次襯砌永久支護(hù)，容易在拱頂造成裂縫。針對(duì)以上情況我們?cè)谑┕ぶ忻總€(gè)洞口配備了1臺(tái)邊頂拱式混凝土襯砌鋼模臺(tái)車，二次襯砌施工與上下洞口同時(shí)作業(yè)。
    5.1.4加設(shè)鎖腳錨桿
    在拱腳處每側(cè)加設(shè)2根鎖腳錨桿，錨桿為φ40鋼管，長(zhǎng)2m，垂直于拱腳外側(cè)面打入土中1.5m。剩余0.5m與一次襯砌混凝土澆筑在一起。
    5.2預(yù)防塌方
    在開挖過(guò)程中，應(yīng)遵循短開挖、強(qiáng)支護(hù)的原則，隨時(shí)觀察土質(zhì)情況，發(fā)現(xiàn)土質(zhì)疏松、節(jié)理發(fā)育時(shí)，加設(shè)調(diào)整循環(huán)進(jìn)尺，同時(shí)加密管棚鋼管數(shù)量，及時(shí)跟進(jìn)一次襯砌，縮短開挖與襯砌之間時(shí)間間隔。如發(fā)生塌方，必須用同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土填塞密實(shí)。
    6、結(jié)論
    黃土隧道采用正臺(tái)階先拱后墻、拱部環(huán)形、保留核心土法開挖有以下優(yōu)點(diǎn)：
    （1）與錨噴法施工比較，有施工速度快，安全，節(jié)約投資的優(yōu)點(diǎn)。單口平均月進(jìn)尺90m，最高單口月進(jìn)尺120m。
    （2）可以有效控制塌方、拱部沉降與收斂，使隧道各部的尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)要求，保證永久支護(hù)混凝土厚度。