大断面黄土隧道开挖施工技术要点分析

GXF360 2017-06-21

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大断面黄土隧道开挖施工技术要点分析

□ 山西路桥第一工程有限责任公司寇文亮

摘要：对大断面黄土隧道而言，施工环境往往较差，并且岩体稳定性差，对施工造成较大的安全隐患。结合工程实例，本文对大断面黄土隧道开挖施工技术及要点做出了分析，旨在为相关工程施工提供参考。

关键词：大断面；黄土隧道；施工技术要点

一、工程背景

本文以国道209深沟子隧道工程为例，对地处黄土高原大断面黄土隧道开挖施工技术进行了分析。该隧道正常段建筑界限为净宽13m,行车道3.5×2，限高5m。进口里程为K252+990,出口里程K253+360,长370m，其中Ⅴ级围岩占65.7%，Ⅳ级围岩占34.3%；隧道位于直线段，隧道纵坡左右线均为-2%的单向坡。隧道穿越地表层主要是粉质粘性土、白云质泥岩组成。岩性为第四系中更新统硬塑粉质粘土，土质呈坚硬～硬塑状，围岩稳定性差。

由于该隧道工程水文地质情况较差，存在多种黄土隧道特有的不良地质现象开挖过程中支护体系也易出现变形，施工难度大易发生安全事故，为了确保施工及人员安全，隧道开挖采用了三台阶七步开挖技术，支护过程中要步步、部部紧跟，空间要小，时间要短，决不延迟。喷射混凝土要及时密实充填，金属网和钢拱架支撑与围岩紧密贴合且背后不留空隙，拱架拱脚必须置于牢固的基础上，并用锁脚锚杆锁牢。施工过程中还要综合应用各种探测技术，对地表沉降情况、围岩变化情况等进行准确的监测，加深地质预报工作，根据地质情况多种辅助措施联合应用。

二、施工技术及要点

（一）开挖前施工要点

1、套拱施工

洞口段套拱纵向长度为2米，厚度为60cm,套拱内预埋?127导向管和套拱内预埋的钢拱架焊成整体，导向管安设的平面位置，倾角都准备严格控制。

2、超前大管棚

对于本隧道竖直节理发育易出现洞口坍塌特点，洞口采用了30米超前大管棚注浆支护，以确保进洞安全。管棚采用?108热扎无缝钢管，壁厚4mm，关节为5--8米，采用焊接连接，管内注入1:1稠度的水泥浆。

3、小导管注

为了有效地加强隧道拱部围岩的稳固性，施工段采用了小导管注浆技术，防止坍塌事故的发生。采用注浆施工能够对拱部围岩完成加固，进而减少在施工过程中对围岩产生的扰动，保障隧道施工各项作业的安全。本施工段小导管注浆无缝钢管壁厚4毫米，直径为42毫米，以倾尾15°，交替布置，水灰比例为1:1，注浆压力设置为0.5---1.0MP。

（二）三台阶七步开挖技术特点和施工要点

深沟子隧道三台阶预留核心土开挖法是以弧形导坑开挖留核心土为基本模式，分上、中、下三个台阶七个开挖面，各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开、平行推进的隧道施工方法。

1、技术特点：

⑴ 施工空间大，方便机械化施工，可以多作业面平行作业。部分软岩或土质地段可以采用挖掘机直接开挖，工效较高；

⑵ 在地质条件发生变化时，便于灵活、及时地转换施工工序，调整施工方法；

⑶ 适应不同跨度和多种断面形式，初期支护工序操作便捷；

⑷ 在台阶法开挖的基础上，预留核心土，左右错开开挖，利于开挖工作面稳定；

⑸ 当围岩变形较大或突变时，在保证安全和满足净空要求的前提下，可尽快调整闭合时间。

图1 三台阶七步开挖技术施工工序图

图2 三台阶七步开挖技术施工透视图

2、三台阶预留核心土法开挖方法

第1步，上部弧形导坑开挖：在拱部超前支护后进行，环向开挖上部弧形导坑，预留核心土，核心土长度宜为3～5米，宽度宜为隧道开挖宽度的1/3～1/2。开挖循环进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1米，开挖后立即初喷3～5cm砼。开挖后应及时进行喷、锚、网系统支护，架设钢架，在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角45°打设锁脚锚杆，拱脚锚杆和钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度。

第2、3步，左右侧中台阶开挖：开挖进尺根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1m，开挖高度一般为3～3.5m，左右侧台阶错开2～3m，开挖后立即初喷3～5cm砼，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角45°打设锁脚锚杆，拱脚锚杆和钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度。

第4、5步，左右侧下台阶开挖：开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1m，开挖高度一般为3～3.5m，左右侧台阶错开2～3m，开挖后立即初喷3～5cm砼，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，如有必要可在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角45°打设锁脚锚杆，拱脚锚杆和钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度。

第6步，上中下台阶预留核心土开挖。

第7步，隧底开挖：每循环开挖进尺长度宜为2～3m开挖后及时施作仰拱初期支护，完成两个隧底开挖、支护循环后，及时施作仰拱，仰拱分段长度宜为4～6m。

3、施工控制要点

⑴ 三台阶预留核心土开挖法施工应做好工序衔接。工序安排应紧凑，尽量减少围岩暴露时间，避免因长时间暴露引起围岩失稳。

① 初期支护应及时封闭成环；

② 仰拱应超前施做，仰拱距上台阶开挖工作面宜控制在30～40m，铺设防水板、二次衬砌等后续工作应及时进行；

③ 二次衬砌距仰拱宜保持2倍以上衬砌循环作业长度，但不得大于50m。

⑵ 在满足作业空间和台阶稳定的前提下，应尽量缩短台阶长度，核心土长度应控制在3～5 m，宽度宜为隧道开挖宽度的l／3～l／2。

⑶ 三台阶预留核心土开挖法施工应严格控制开挖长度，根据围岩地质情况环进尺，每次开挖长度不得超过1.0m；开挖后立即初喷3～5cm混凝土，以减少围岩暴露时间。

⑷ 严格按设计要求施做超前支护，控制好超前支护外插角，严格按注浆工艺加固地层，保证隧道开挖在超前支护的保护下施工。

⑸ 隧道周边部位应预留30cm人工开挖，其余部位宜采用机械开挖，局部需要爆破时，必须采用弱爆破，不得超挖。施工时应严格控制装药量，减少对围岩的扰动。

⑹ 中、下台阶左、右侧开挖应错开，严禁对开，左右侧错开距离宜为2～3m。

⑺ 钢架应严格按设计及规范要求加工制作和架设。钢架应架设在坚实基面上，严禁拱(墙)脚悬空或采用虚渣回填。钢架应与锁脚锚杆(管)焊接牢固。

⑻ 隧道超挖部位必须回填密实，严禁初期支护背后存在空洞。必要时初期支护背后应进行充填注浆，保证初期支护与围岩密贴。

⑼ 施工过程中可采用增加拱(墙)脚锁脚锚杆(管)、增设钢架拱(墙)脚部位纵向连接筋、扩大拱(墙)脚初期支护基础及增设拱(墙)脚槽钢垫板等增强拱(墙)脚承载力等措施控制变形。

（三）二次衬砌施工

隧道二衬在围岩及初期支护变形基本稳定后进行施工。本隧道二衬采用全断面模板台车整体浇筑工艺施工。模板台车每循环长度10.5m,混凝土采用混凝土输送泵入模，插入式捣固器捣固。

仰拱开挖采用分半幅面开挖、单线行车，施工长度以 5 m～10 m 为宜。开挖采用挖机和人工配合实施开挖。仰供及回填混凝土均在拌合场拌和，然后经混凝土罐车运到现场，混凝土输送泵泵送入模，然后实施插入式振捣器捣固。仰拱填充在仰拱施工完成后进行，禁止仰拱与填充混合施工。

（四）变形监测

在大断面黄土隧道施工中，务必要做到勤监测，进而为隧道施工提供可靠的数据，确保工程的安全顺利进行，同时保证工程质量在隧道施工过程中，从第一组衬砌开始，一个断面内在拱顶和两个拱脚处埋设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。随着隧道施工前进，每隔10米作一个观测断面，最前端的一个断面紧跟掌子面。前7天每天观测1次，以后一个月内3天观测一次，通过观测发现下沉和收敛基本稳定，有效地保证了二次衬砌的厚度，一旦出现数据异常则及时汇报并做出解决。洞外监测要有专业技术人员对施工段的地形、地貌等进行监测并做出详细的记录，同时对纵横断面进行测量，根据施工情况及需要设置观测点并按照要去观测与收集数据，确保施工的安全。