陕北地区富水黄土隧道施工工法新修改.docx
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陕北地区富水黄土隧道施工工法新修改
陕北地区富水黄土隧道施工工法
彭玉军
1、工程概括
我国幅员辽阔，地形多样，黄土主要分布在山西、陕西、甘肃、青海、宁夏、内蒙等西北地区。
随着社会的不断发展，在黄土地区修建铁路、公路工程已经越来越多。
青岛至兰州高速公路陕西境壶口至雷家角高速公路是国家高速公路网规划“7918”网中一条东西横向线，也是陕西省“三纵四横五辐射”高速公路网的重要组成部分，公路等级为四车道全封闭、全立交、控制出入的高速公路。
羊泉南隧道位于陕西省富县羊泉镇，隧道总长度为：
左线3110米，右线3076米，为分离式特长公路隧道，是全线的控制性工程。
本隧道分为LJ15、LJ16两个合同段，其中LJ16合同段单头施工左线长度为1550.5米，右线长度为1557米。
隧道建筑限界净空（宽X高）10.25X5.0，Ⅳ级围岩（黄土）占88.3%，Ⅴ级围岩（黄土）占11.7%。
隧道穿越区为黄土塬梁峁工程地质亚区，山体近南北走向，地势总体南低北高，隧道与山脊近于直交，垂直隧道轴向两侧低，中部高而平缓。
地层为第四系上更新统风积黄土（Q32eol）、中更新统风积黄土（Q2eol）。
隧道区地下水丰富是该隧道的显著特点，地下水主要为黄土孔隙、裂隙水，主要赋存于新黄土、老黄土空隙中。
天然含水量15．O％～28．0％，围岩呈潮湿状。
地下水主要以潮湿滴水为主，少数地段有小股流水现象。
通过现场测试，每个洞口每昼夜流水量约220m3。
黄土在地下水的作用下逐渐由硬脆状变为疏松泥状，承载力急剧下降。
隧道结构按新奥法原理进行施工，采用复合式衬砌，以锚杆、湿喷混凝土（钢筋挂网）、钢拱架等为初期支护，大管棚、超前注浆小导管、超前锚杆等为施工辅助措施，充分调动和发挥围岩的自承能力，在监控量测信息的指导下施作初期支护和二次模筑衬砌。
复合式衬砌支护参数表
项目
单位
衬砌形式
洞口加强
SV-1
SIV-1
超前支护
类型
mm
ф89×6管棚
ф42×4小导管
ф25
间距
cm
40
40
40
数量/长度
m
29/30
25/4.5
17/4.0
初期支护
喷射混凝土厚度
C25混凝土
cm
26
26
22
径向系统锚杆
直径
mm
ф22
ф22
ф22
长度
cm
400
400
300
锚杆布置
cm
100×60
100×75
100×100
钢筋网
直径
mm
ф8
ф8
ф8
钢筋布置
cm
20×20
20×20
20×20
型钢拱架
钢拱
mm
I20a
I20a
I16
间距
cm
60
75
100
二次衬砌
C25
cm
50钢筋混凝土
50钢筋混凝土
45
仰拱
cm
50
50
45
2、施工方法
坚持“管超前、少扰动、早喷锚、强支护、紧封闭、勤量测”的原则，严格按新奥法原理，加大设备投入，组织机械化、专业化施工。
严格控制隧道内施工用水，并做好施工用水的排放管理。
依据信息反馈，实行信息化作业。
羊泉南隧道正常段（相对应急停车带而言）设计净宽10．5m，净高7．06m，开挖半径Ⅵ级R=638cm，Ⅴ级R=636cm，同国内其他公路隧道开挖尺寸大同小异。
隧道开挖及支护方式是否合理，取决于以下几个决定因素：
（1）分部开挖各部分结构是否稳定；
（2）是否便于机械开挖及支护结构的安装；（3）支护结束后是否存在隐患。
2.1Ⅳ级围岩施工
采用正台阶预留核心土法开挖，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。
正台阶预留核心土法如图１所示。
图1正台阶预留核心土法正面示意
图2正台阶预留核心土法纵向示意
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，上导坑掘进每循环进尺不超过1.5米，并根据围岩状况，随时进行调整。
每个掌子面配备1台挖掘机，1台装载机，6台出碴运输车。
2.1.1管棚超前支护
黄土隧道土质比较松散，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。
棚管用φ42×4无缝钢管，长4.5m，与上一循环搭接不小于1米。
先用煤电钻沿开挖轮廓线在掌子面上打眼（孔眼间距40cm，深度470cm），然后用风动凿岩机将钢管沿孔眼顶入前方土体中，钢管外倾角约7°。
2.1.2环形拱部开挖
由于黄土隧道自稳能力差，必须严格控制循环进尺，最大不能超过1m。
环形导坑开挖时，必须考虑预留核心土的尺寸和线形。
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，每次掘进不大于0.6～1.5m（视围岩含水量不同而定）。
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，支撑用钢模版背板加φ40钢管，钢管底部撑在核心土上。
2.1.3环形拱部初期支护
在环形拱部开挖出渣后，要及时进行初期支护施工，初期支护施工内容包括：
挂设钢筋网；架设钢支撑；打设系统锚杆和锁脚锚杆；复喷混凝土。
环形拱部初期支护的质量和稳定性，对下部施工和永久性安全至关重要，在隧道开挖和施工过程中，根据对地层岩性的不断认识，在大的支护原则不变的情况下，对初期支护方式进行了适当调整。
支护方式调整的原则：
第一，根据新奥法支护的原则，在软弱围岩中，应采用有足够强度和刚度的高强度柔性为主的联合支护。
支护的强度要能承受开挖引起的山岩压力变化所产生的附加应力，且韧性方面须适应围岩长期收敛变形的特性，在较长时间和较大幅度收敛变形中自身结构不受破坏。
第二，支护必须及时和方便操作，尽快实现对围岩的闭合支护。
为避免环形拱部形成薄弱面，工字钢支撑在环形拱部，分三节进行安装，在安装成型的钢支撑上形成对称的四个脚部，在每个脚部打设四根锁脚锚管，且锚管末端打折与工字钢焊接牢固，使锁脚锚管与工字钢支撑处于“抱死”状态。
系统锚杆沿工字钢均匀布设并与工字钢焊接，且角度在拱部可适当放平，使系统锚杆处于弯拉受力状态。
在软弱围岩中，这样更有利于保证初期支护的稳定，用φ22的钢筋沿隧道纵向将钢支撑均匀焊接成整体。
如果因水风钻施工对泥岩冲刷造成软化或超挖时，可对施工工序进行调整，即钢支撑架设完后先喷射一定厚度的混凝土，待喷射混凝土初凝后，再打设系统锚杆和锁脚锚杆，并与钢支撑焊接牢固，再复喷混凝土至设计厚度。
2.1.4核心土的开挖与预留
预留核心土的作用除了可稳定掌子面和拱部围岩、减少环形拱部开挖的工作量以及缩短开挖工序用时外，还可作为施工初期支护的人工操作平台。
所以核心土的预留必须有一定的长度和宽度，核心土到拱顶的尺寸以满足人工作业面为准，高度一般为2～2．5m，核心土长度一般留6m，上顶面宽度留5～6m，便于人工对边部工字钢的架设。
核心土的刷坡坡率取1：
o．5～o．75，以保证核心土体稳定，如果核心土体有滑动面或破碎时，可对土体进行临时支护和喷射混凝土封闭处理，以确保人工在平台上作业时的安全。
2.1.5下台阶的开挖与支护
下部开挖后，围岩的压力和上部初期支护的受力会进行重分布和二次分配，受力转换过程较为复杂，所以下部开挖进尺和工序安排对保证施工安全特别重要。
根据施工经验和现场黄土特性，每次进尺不超过2m，上部钢支撑拱脚处最多只能悬空3榀。
下部开挖时必须顺帮打眼，减少超挖，开挖后及时接下部钢支撑，打设系统锚杆与钢支撑焊接，挂网喷射混凝土。
下部开挖与支护左右沿隧道纵向必须跳槽施工，跳槽的间距不得小于5m，严禁在同一断面上使左右钢支撑同时处于悬空状态，以保证安全。
２.２V级围岩浅埋段施工要点
隧道上行进口、下行出口段各20m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0.6m。
（2）架立边墙钢拱支撑，喷射混凝土支护。
（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4.5m，间距40cm。
（5）架立钢拱支撑。
钢拱用I20a工字钢，间隔0.6m，设纵向连接筋。
（6）拱部喷射混凝土支护。
３、实测数据的收集与分析
３.1监控量测
成立专门监控量测小组，下设测点埋设组、数据采集组、数据分析组三个小组。
测点埋设组负责测点埋设，做到有计划、及时无误埋设各种测点；数据采集组负责日常数据采集工作，做到及时、准确、规范；数据分析组负责量测数据处理，编制量测报告，按时向主管部门上报，实行信息化办公。
投入设备包括水准仪、周边收敛仪（JYY30A型数显钢尺收敛计），监控人员详细记录隧道地质和支护情况，监测变形量，及时绘制各类图表，及时进行信息反馈并提出合理建议。
３.2含水量检测
黄土含水量的大小直接影响到拱顶下沉量的大小，含水量过大而支护形式没有加强甚至会造成垮塌。
因此及时准确的测定土体含水量，对于黄土隧道预留沉降量，选择开挖进尺与支护形式至关重要。
根据本隧道特点，每周进行2次含水量检测，在雨季和地下水变化时每天测定一次含水量，及时反馈数据指导施工。
３.３实测数据的收集与分析
针对富水黄土隧道的施工，经过测量、试验收集了大量的数据，经过归纳整理，也逐渐摸清了富水黄土隧道的一些规律。
围岩含水率％
测点
1
2
3
4
平均
新开挖工作面
23．6
24．7
26
24．2
23．0—28，0
开挖1h后
28．7
31．6
30，1
29．7
25～32
上述数据分析出拱脚受水浸泡及仰拱开挖后土体的一些变化，说明要尽可能快地完成每个施工循环。
湿润黄土经过喷锚之后，会迅速形成硬壳状保护层，但黏结力非常差，通过目测，经过4—5h之后，薄壳就会大片脱落，如果拱部初喷混凝土较厚的话，混凝土由于致密性好没有脱落，而黄土会从喷射混凝土背后沿工作面方向剥落。
根据实测数据可见，初喷的几个小时之内，对抑制黄土隧道掉块现象有非常显著的作用。
作为软弱围岩隧道的施工，针对富水黄土隧道的特点，对隧道初期支护进行了严格及时的监控量测，由量测数据分析如下。
富水黄土隧道中初期支护拱顶下沉量比较大，正常段在10～15cm，紧急停车带在20cm左右，而围岩收敛值很小，仅有3cm左右。
从初期支护表面观察，初支混凝土表面没有开裂、起皮现象。
从开挖中、下导时暴露的拱脚看，该部位土质破碎，可推断拱脚部位松散土是经过黄土潜水浸泡所致。
而围岩开挖成型安装拱架后，只要拱架与围岩密贴，对初期支护产生的侧压力有限，从收敛值就能验证此点。
拱脚部位黄土在水的浸泡作用下，软化成泥，在初期支护自重作用下，导致拱架下沉，在初期支护迅速成环后，即施工完仰拱之后，初期支护拱脚变形被限制之后，初期支护趋于稳定。
３.４不同含水量施工工艺
通过一段时间的施工总结，不同的含水量对隧道开挖进尺有直接关系。
含水量越大，围岩自稳差，需要缩短围岩暴露时间，开挖后立即进行支护，必然缩短循环进尺，反之亦然。
含水量（%）
拱架间距（cm）
循环进尺（m）
循环时间（m）
每天进度（m）
每月进尺（m）
15～18％
75
1.5
10
3.6
108
18～23％
60
1.2
9.5
3.03
90.95
23～28％
60
0.6
6
2.4
72
4、施工要点
由于黄土隧道自稳性差，因此尽量减少开挖后围岩的暴露时间，及时进行初期支护，才是减少围岩掉快，控制施工质量，确保施工安全。
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