黄土隧道施工经验交流材料.docx

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黄土隧道施工经验交流材料

XX项目隧道施工经验交流材料

一、工程概况

秦安隧道位于甘肃省天水市秦安县，隧道地处天礼盆地低中山丘陵区西北部，地面高程一般为1228～1620m，相对高差300～400m，通过区地形起伏较大，沟深坡陡，宝兰客专甘肃段项目经理部三工区承建的秦安隧道划分为进口、1号斜井和2号横洞三个施工任务区，全长2.643公里，工期为2013.2.1～2017.7.31，总工期54个月。

隧道进口端DK813+500～DK814+430段下穿王家墩滑坡前缘。

隧道地质为黄土，施工组织难度大、工期长，是本标段高风险重点控制性工程。

秦安隧道施工平面布置图

二、施工方法与亮点

1、硬质黄土隧道开挖

秦安隧道DK813+500～DK814+430段下穿王家墩滑坡前缘，掌子面开挖揭示为硬质黄土，它具有易塌方，遇水产生湿陷性的特点，施工时预注浆困难，锚杆施作不成功。

为此我项目部结合施工现场实际情况进行了详细的分析，并采取以下措施保证了施工安全质量，并提前安全顺利的贯通。

（1）原施工方法（弱爆破开挖法）

施工流程：

扒断面-打钻-放炮-出渣-立架-喷浆。

此方法在打钻时很容易卡钻，且超欠挖不易控制，每天平均进尺约为1.2m，每循环时间约20-22h。

在施工过程中，掌子面开挖了15m后拱顶下沉接近20cm，且初支表面发现了裂缝。

（2）原因分析

结合监控量测数据结果和现场实际情况进行分析，下沉过大原因主要为爆破震动引起原岩扰动，最后造成拱顶下沉。

针对以上情况，经项目部研究决定采用松土器进行开挖，从而保证对原岩的扰动基本无影响。

（3）新施工方法（松土器开挖法）

图1松土爪图2松土器

施工流程：

松土器松土-挖机出渣-立架-喷浆。

此方法不用扒断面，边松土边出渣，这样能控制超挖情况，并能保证对原岩的扰动影响，每天平均进尺约为2.4m，每循环时间约12h。

掌子面在掘进过程中，经监控量测数据分析，拱顶沉降累计约≤4cm。

（4）优点

①超欠挖控制取得实效，保证了结构安全，减少了喷浆料的浪费，节约了成本；

②减小了对原岩的扰动，确保了施工安全；

③缩短循环时间，提高施工进度。

（5）缺点

利用松土器，增加了掌子面机械设备数量，使洞内温度升高，施工人员作业环境不理想。

2、黄土古滑坡堆积体滑动面穿越施工

施工开挖过程中在隧道洞身ⅢDK813+794—ⅢDK813+770段发现大的滑动面，滑动面横穿隧道洞身，沿隧道纵轴线延长约为25m。

同时开挖过程中滑动面附近出现了地下水渗出的现象且渗水量较大。

经过现场论证，该滑坡体属于古滑坡体，滑坡体滑动的痕迹清晰可见，滑坡体有复活的可能。

另外由于隧道进口段第四系全新统冲积黏质黄土属于Ⅲ级（严重）自重湿陷性场地，湿陷土层厚度15～20m，这更是加剧了古滑坡体复活的可能性。

滑动面示意图

针对上述发现的问题，项目部立即调整施工方案，从施工进度、隧道洞身支护、开挖方式、拱顶预留变形量、安全步距、地下水及时抽排、监控量测监测频率等几个方面着手，确保了隧道穿越滑坡体部位施工的安全，从而成功穿越古滑坡体。

（1）施工方案调整

a、施工进度调整

隧道洞身开挖时应根据围岩情况、断面大小、埋深、地表沉降等选择适宜的施工进度。

本次隧道穿越滑动面的部位先前制定的开挖进尺为每循环1.2m，施工中发现滑动面以后，为降低古滑坡体对隧道洞身稳定产生的影响就缩短开挖进尺从而减小对围岩的扰动，所以实际开挖进尺调整为每循环60cm。

如此一来最大层次的减小了开挖对围岩稳定的影响，削弱了古滑坡体对隧道开挖的产生的负面作用，保证了隧道洞身及现场施工人员的安全。

b、隧道洞身支护加强

钢拱架及钢筋网调整

钢拱架是软弱围岩隧道支护中较好的支护措施，它可以有效的加强支护刚度,此外钢拱架还可以向围岩提供一定的支护抗力,通过调整其受力情况可以使之与围岩变形相适应。

施工中发现滑动面以后，我项目积极采取了隧道洞身支护加强的措施。

原来设计要求拱架采用I22a工字钢，间距为60cm/榀，钢筋网为φ820cm×20cm，调整后钢架仍采用I22a工字钢，间距调整为40cm/榀，钢筋网为φ815cm×15cm。

锚杆调整

秦安隧道穿越黄土滑坡堆积体地段，围岩等级较差，锚杆加强可以有效地提高拱脚的稳定性，保证掌子面开挖过程的安全。

施工现场发现滑动面以后，我项目积极采取了锚杆加强的措施，具体为：

拱部锚杆设计为Φ25×7中空锚杆，长度L=4m,调整后采用L=5m;边墙锚杆设计为Φ22砂浆锚杆，长度L=4m，调整后采用L=5m，锁脚锚杆先前设计为Φ42无缝钢管，长度L=4m，每节点布置2个，调整后采用L=4m，每节点布置4个。

c、拱顶预留变形量调整

大型黄土隧道拱顶沉降的规律为：

在初期支护封闭前拱顶下沉发展较快，当断面初期支护全部封闭后，仍有小幅度增大，并逐渐趋于稳定。

我项目发现隧道开挖正在穿越黄土古滑坡体滑动面地段时，考虑到古滑坡体可能导致拱顶下沉加剧，采取了调整拱顶预留变形量的措施。

具体为：

将先前设计的拱顶预留变形量15cm调整为30cm。

d、开挖方式调整

本隧道的开挖方式为三台阶七步法。

三台阶法开挖中，上台阶拱部开挖对地层变形的影响较大，是对地层扰动很大的开挖阶段，当工程条件较差时应考虑进行必要的超前预支护等综合措施有效地控制地层沉降和保证施工安全；中台阶开挖是整个施工过程中最为关键的一步，也是对地层扰动最大的阶段，因此在施工中台阶应该左右两侧交错开挖，支护应该及时跟上，才能有效的控制地层变形；下台阶开挖对地层的扰动相对较小，但是仰拱的施做要紧跟下台阶，如果仰拱施做不及时也会引起地层较大的变形或下沉。

施工现场在开挖上台阶发现滑动面以后，经中铁西北院相关专家论证认为开挖中应尽量减小对上台阶土体的扰动以防止古滑坡体复活。

我项目当即决定保持原有的开挖方式不变，但是要尽量减小开挖对上台阶围岩造成的扰动，所以对三台阶开挖中的台阶高度进行了调整，具体为：

上台阶高度先前设计为390cm，后调整为280cm；中台阶高度先前设计为341cm，后调整为360cm；下台阶高度先前设计为305cm后调整为396cm。

e、安全步距调整

施工安全步距对隧道施工进度和安全起到关键性作用，本施工项目中秦安隧道穿越黄土滑坡堆积体地段，因此必须采取科学的施工方法，有效的技术措施，合理的安全步距，才能确保黄土隧道的施工安全和施工进度，控制拱顶沉降及地表下沉以及周边收敛等，从而达到防止隧道坍塌等事故的发生。

施工中发现滑动面以后，为确保隧道施工过程的安全，我项目对隧道施工的安全步距进行了进一步的调整。

将先前的设计仰拱至掌子面安全步距30m调整为20m,安全布距调整后，隧道施工中人员及隧道洞身的安全得到了进一步保障。

f、地下水及时抽排

隧道施工在发现滑动面的断面，有大量地下水涌出。

发现滑动面以后经论证，古滑坡体有复活的的可能性，又由于水的渗透是造成古滑坡体复活相当重要的因素，我项目立即对隧道洞身涌出的地下水抽排，增加洞内抽水机的数量，增加运水车的数量。

从而保证了隧道内涌出的地下水及时抽排，尽可能地减小了地下水在隧道土体内的渗透，降低了古滑坡体复活的概率。

g、监控量测调整

在隧道施工中监控量测是一项很重要的任务，它关乎到隧道洞身及施工人员的安全。

通过监控量测可以清晰地了解到隧道各施工阶段地层与支护结构的动态变化，把握施工过程中地层和支护结构的稳定性状态。

隧道洞身开挖中发现滑动面以后，我项目决定加强隧道洞身的监控量测，增加了拱顶、左右边墙及仰拱监控点的数量，由原来的5个点增加为7个点，并且将先前每天监控量测一次改为每天早、中、晚各监控量测一次。

并将监控量测的数据及时分析，发现异常情况及时向技术主管通报。

（2）后期效果分析

秦安隧道施工中发现滑动面后，我项目从施工工艺、施工方法等多个方面着手采取措施，确保了隧道开挖过程中隧道洞身的稳定及施工人员的安全。

从后期中铁西北院及我方自身监控量测数据来分析，本项目中隧道穿越古滑坡体地段所采取的施工工艺、施工方法是有效的，这为隧道穿越滑坡地段的施工提供了宝贵的技术和经验。

a、隧道洞身土压力数据分析

隧道开挖穿越滑动面以后，我项目对中铁西北院监测的土压力盒数据进行了分析。

图3宝鸡方向ⅢDK813+784拱顶土压力随时间变化关系

图4宝鸡方向ⅢDK813+784左边墙中部土压力随时间变化关系

图5宝鸡方向ⅢDK813+784右边墙中部土压力随时间变化关系

图6宝鸡方向ⅢDK813+784仰拱土压力随时间变化关系

对秦安隧道断面ⅢDK813+784的土压力进行分析得：

拱顶和左边墙中部的土压力随时间的变化的规律为先期缓慢增大，中期突然减小，后期略微增加并趋于稳定；右边墙中部的土压力随时间的变化规律出为先期先缓慢减小后缓慢增大，中期突然减小，后期保持稳定；拱顶土压力随时间的变化规律为先期缓慢增加，中期突然增大，后期保持稳定。

四个断面的土压力随时间的变化关系都具有中期突然变化，后期趋于稳定的变化规律。

土压力中期突然变化的规律呈现了隧道开挖过程中围岩应力释放的突然性，后期趋于稳定的规律表明开挖后隧道洞身是稳定的，围压的土压力是恒定。

同时这也证明我项目在该断面所采用的施工工法，施工工艺是正确有效的。

b、隧道净空收敛数据分析

我项目提取了隧道洞身ⅢDK813+790断面的隧道净空收敛数据，并对该数据进行了分析。

图7宝鸡方向ⅢDK813+790拱顶累计值随时间变化关系

图8宝鸡方向ⅢDK813+790拱顶差值随时间变化关系

图9宝鸡方向ⅢDK813+790周边测点1累计值随时间变化关系

图10宝鸡方向ⅢDK813+790周边测点1差值随时间变化关系

图11宝鸡方向ⅢDK813+790周边测点2累积值随时间变化关系

图12宝鸡方向ⅢDK813+790周边测点2差值随时间变化关系

对秦安隧道断面ⅢDK813+790的收敛数据进行分析得：

拱顶、周边的的累积值呈现逐渐增大的趋势，但是增大的幅度越来越小，累积值逐渐趋于稳定；拱顶、周边的差值呈现逐渐降低的趋势，中间偶有波动，但最终也是逐渐趋于稳定。

该断面净空收敛数据表明，隧道洞身的变形逐渐变小，隧道洞身逐渐趋于稳定。

同时进一步验证了我项目此次采取的调整施工方案的措施是切实有效的，保证了隧道施工的安全及隧道洞身的稳定。

3、下穿天巉公路2号横洞施工

横洞下穿公路立面图

秦安隧道2号横洞下穿天巉高速公路段，埋深浅，横洞拱顶至公路路面埋深7m，掌子面施工至HK9+59，掌子面揭示未见地下水，拱部地层为黏质黄土夹碎石土，碎石呈尖棱状，潮湿状，中密，为确保天巉公路运营安全，减小横洞下穿施工对公路影响，根据原设计方案施工将存在掌子面塌方及公路下沉的隐患，为此根据现场揭示围岩和实际情况，我项目部及时对原方案进行相应的调整，同时采取在天巉公路路面增设防护措施等，通过此次方案调整，2号横洞安全顺利下穿天巉公路。

（1）原设计方案

秦安隧道2号横洞于HK9+25-HK9+61段下穿天巉公路，横洞拱顶至公路路面埋深7m，横洞与天巉高速公路交角为89°，横洞洞身断面尺寸为7.26m宽、7.77m高，下穿公路段地质为第四系上更新统风积黏质黄土，硬塑；下穿公路影响范围为K1499+486-K1499+494。

设计主要衬砌支护措施，拱部设Φ89管棚+Φ42小导管超前预加固，Φ89管棚长12m，纵向9m/环，搭接3m，环向间距60cm，每环13根，共4环长36m；Φ42小导管长4m，纵向2.4m/环，环向间距60cm，每环12根，与管棚交错布置，初期支护采用I16工字钢，每榀间距100cm，初期支护采用C25喷射混凝土，厚度23cm，二衬采用C35模筑钢筋混凝土衬砌，厚度35cm。

（2）调整后施工方案

a、横洞HK9+25-HK9+61下穿公路段，拱部设Φ89管棚+Φ42小导管超前预支护，Φ89管棚长9m，纵向6m/环，搭接3m，环向间距30cm，每环25根，共4环长36m；Φ42小导管长4m，纵向2.4m/环，环向间距30cm，每环25根，与管棚交错布置。

b、拱部采用Φ89管棚+Φ42小导管超前预注水泥浆，加固固结拱部地层，使公路与横洞拱部间地层密实固结。

c、采用双层初期支护结构，第一层支护采用网喷C25喷射混凝土，厚度29cm，全断面采用I22b型钢钢架，间距0.6m，其余支护参数按原设计不变；第二层支护采用网喷C25喷射混凝土，厚度29cm，全断面采用I22b型钢钢架，间距0.6m，钢架与第一层钢架交错布置。

d、二衬按原设计采用C35模筑钢筋混凝土衬砌，厚度35cm。

e、尽快施做下穿公路段二次衬砌。

f、与天巉高速公路产权单位协商在隧道下穿天巉高速公路时，为最大限度地减少公路上方车辆行驶产生的动载对洞身影响，可能引起公路沉降等安全隐患，公路设置半幅封闭，半幅满铺栈桥跨越洞身，栈桥长18米，高50cm，宽度5m满足车辆通过，栈桥两侧增加4cm厚垫块，垫块下路面铺设双层2cm厚钢板保证受力均匀和中部受到车辆重载后刚度满足要求且不与地面接触，同时两侧延长，保证车辆上下栈桥坡度不大于10%，并对栈桥周边进行锚固，防止车辆行驶造成栈桥移动，下穿通过公路后撤除栈桥，恢复公路正常运营。

g、采取“管超前，短开挖，快支护，早成环，勤量测，紧衬砌”施工原则，每天定期进行公路的沉降观测，发现异常及时采取措施。

（3）效果分析

通过此次方案调整，2号横洞不仅安全顺利下穿了天巉公路，由于调整后方案为双层初期支护，这样二衬不用紧跟掌子面，比原设计计划施工时间提前了10天。

4、秦安隧道进口明洞段湿陷性黄土地基处理

秦安隧道进口为103m明洞施工，地基土存在湿陷性，尤其在9-13m处湿陷性最为严重，地基处理设计为水泥土挤密桩，采用柱锤冲扩成孔，填料为普通硅酸盐水泥与土的混合料，水泥掺量不小于黄土干质量的10%，其压缩模量不小于100MPa。

通过对原状土的冲击成孔后往孔内回填水泥土进行分层夯实，有效达到挤密目的。

设计桩长15m，孔径为30cm，桩间距60cm，梅花型布置。

由于实际施工过程中土层含水量、饱和度高导致施工过程中出现了较为普遍的缩颈现象，成孔难度增加，不能保证桩体质量。

为避免土体含水量过大对成桩的影响，经过分析对比，采用孔内深层强夯法（DDC法）进行挤密桩施工。

使用DDC法，是通过先成孔后夯扩成更大直径的桩从而达到对土的挤密，可有效避免直接冲扩成孔时，孔内的普遍缩颈现象，保证了桩体质量及施工的顺利进行。

（1）基本原理

湿陷性黄土地基处理的根本原则是：

破坏土的大孔结构，改善土的工程性质，消除或减少地基的湿陷变形，防止水浸入构筑物地基，提高结构刚度。

（2）施工方法对比

 a、夯击成孔法

采用起重设备将80～400kg的重锤起吊到10～40m高处，然后使重锤自由落下，对黄土地基进行冲击成孔，然后将水泥土分层回填夯实以消除其湿陷性，降低压缩变形，提高地基强度，但是此方法振动大，对周围房屋等结构扰动较大，机械体积大，在狭小空间内作业能力差，同时在地基含水量较大时容易出现缩颈现象。

b、孔内深层强夯法（DDC法）

“孔内深层强夯法”，是一种处理湿陷性黄土地基的新工艺。

该方法先成孔至预定深度，然后自下而上分层填料强夯或边填料边强夯，形成高承载力的密实桩体及强力挤密的桩间土。

在成孔方面有两种方法：

一种是采用长螺旋钻机成孔，另一种是采用洛阳铲成孔。

（3）现场施工总结及分析

秦安隧道进口地段挤密桩施工最初采用柱锤冲扩成孔，通过20根的施工发现，在成孔施工过程中，在距桩顶约3-4m处出现缩颈现象，出现频率为100%，孔洞缩颈造成的缩颈下方填料压实度不足，形成断桩，影响工程质量。

根据《湿陷性黄土地区建筑规范》GB50025-2004可知，挤密处理深度不超过12m时，不宜引孔，超过12m时可引孔。

故决定将进口挤密桩改为使用DDC工法施工，通过直径400mm洛阳铲取土后，然后用进行孔内填料冲击夯实，通过对填料的夯实，发现桩体直径扩大至600mm，形成对桩间土的挤密。

待做完试验段并对桩身、桩间土钻心取样，进行试验检测确定进口段明洞地基处理改用DDC法施工能满足设计挤密性要求和承载力要求。

通过工艺性实验确定：

桩径采用40cm，桩间距1m，梅花型布置，回填

夯实时每层虚填厚度不大于30cm，每层夯击次数不小于8次，重锤质量不小于1.6t。

通过工艺改变有效的解决了土体含水率过大对成孔的影响，保证了桩体质量及正常施工进度。

在试验段施工完毕后通过检测各项数据均满足规范要求。

采用DDC法施工解决了缩颈问题，同时由于取土机械的选择较多，在下穿公路段施工时，解决了深基坑内作业空间小，大型机械施做困难的难题。

洛阳铲体积小，灵活性强，在狭小空间内可以多工作面同时施工，大大提高了工效，减少了地基处理的施工时间，为后续的施工提供了充足的时间。

四、工期保障措施

1、实现无缝化工序衔接

工序衔接不紧凑是制约隧道施工进度的重要因素之一。

主要表现为三个方面，一是工序作业准备时间长（特别是喷锚班，准备时间有时长达1小时）；二是工序作业不平衡（上导坑的拱架安装与出碴工序不能实现同步开始、同步完成）；三是工序衔接不紧凑（上道工序完成，下道工序不能及时到位）。

为实现工序衔接的无缝化，我们先后解决了三个问题。

一是合理确定工序作业时间，优化工序组合，强调各工序能平行作业的必须实行平行作业，最大程度利用时间空间。

二是针对掘进能力薄弱的问题，考虑在成本增加不大的前提下，增加人员和机具，特别是松土器的高效利用，加快循环速度。

三是压缩工序衔接时间，在工序衔接时，所有施工人员在指定位置等待，尽可能压缩工序转化时间，不能平行作业的下道工序的人员、设备必须提前30分钟就位。

2、实施专项激励考核

我们在资金十分紧张的情况下，通过公司筹措资金，并且出台了激励考核办法。

按照围岩级别的不同、钢架间距的不同制定了相应的进度指标，同时明确了安全质量应达到的标准，每月进行一次考核，这一考核办法极大地提升了广大职工和一线员工的积极性，施工进度得到了稳步提升。

五、技术创新

1、开挖方法

进正洞伊始秦安隧道采用松动弱爆破方法进行开挖，后来经过不断的摸索和试验，采用松土器进行松土，挖机进行排险，扒断面。

前期：

开挖掘进采用松动弱爆破开挖法，经过一个月时间后发现，这样的开挖方法会导致上台阶核心土预留不规范，超欠挖不易控制，且会造成洞内环境较差，安全隐患较大，开挖时间过长，施工进度达不到预期效果（V级围岩最快施工进度只达到40米/月），成本较高。

后期：

开挖掘进采用松土器松土，然后采用挖机排险出渣，经过一个多月的施工效果来看，这样的开挖方法很容易控制预留核心土的规范性及超欠挖，而且不因放炮原因使得洞内作业环境得到很大改善，同时缩短了开挖时间，加快了施工进度（V级围岩最快施工进度可以达到80米/月），缩短了工期，节约了成本。

2、监控量测

在施工过程中，监控量测技术不断完善，最后采用了隧道监控量测自动

预警管理系统和洞内土压力监测系统。

隧道监控量测自动预警管理系统是一种新型的监控量测技术，它是利用

手机，蓝牙，网络客户端等一系列网络设施以及测量仪器来监控隧道的围岩变形。

首先在隧道内架好仪器，对中整平，定向，打开仪器蓝牙，手机蓝牙，将仪器和手机连接起来，然后对着预埋好的监控量测点测存，测量数据就会显示在手机上，最后通过手机上传至网络平台。

通过全过程网络操作从而杜绝了提供虚假数据，监控的不及时和弄虚作假。

让管理人员通过手机客户端、电脑网络及时准确的了解隧道的变形数据，更好的指导现场施工。

土压力监测系统基本原理为当被测结构物内土应力发生变化时，土压力

计感应板同步感受应力的变化，感应板将会产生变形，变形传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。

电磁线圈激励振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构的压应力值。

通过引进中铁西北研究院的土压力监测系统，现场及时掌握了洞内围岩应力的变化，为施工顺利开展提供了依据，从而使秦安隧道安全的通过了古滑坡体。

3、下穿既有公路路面铺设栈桥法

在秦安隧道2号横洞下穿天巉公路时，为最大限度地减少公路上方车辆行驶产生的动载对洞身产成受力不均的影响，从而引起洞内因受力不均出现掉块、坍塌和引起公路沉降等安全隐患和事故，我项目结合现场实际情况，通过与天巉高速公路产权单位协商后，采取在公路路面设置半幅封闭，半幅满铺栈桥跨越洞身的方法，这样使得路面应力分散均匀，保证了公路路面沉降，且洞内施工安全得到了保障，从而安全顺利的下穿天巉公路。

图3路面铺设栈桥图4半幅封闭，半幅满铺栈桥