黄土隧道施工技术

黄土隧道施工技术

作者：刘君强

来源：《数码设计》2018年第02期

摘要：结合兰渝铁路兰州枢纽长寿山隧道的施工，重点论述为了预防在黄土中开挖隧道的大变形和坍塌问题，采用台阶分布开挖法（又称环形开挖留核心土法），结合喷射砼及时封闭开挖面，用超前管棚或超前小导管预注浆支护、钢拱架支撑、挂网、打锚杆等来加强土体强度及限制围岩应力重新分布，实施短进尺，快循环来减少对土体的扰动，是目前黄土隧道施工的较完整的方法。

关键词：预防；变形；坍塌；台阶分布开挖法

中图分类号：U455.4 文献标识码：A 文章编号：1672-9129（2018）02-0186-02 Construction Technology of Loess Tunnel LIU Junqiang*

（Beijing huajing transportation new technology development co.， LTD.， Beijing， 100078， China）

Abstract： combining the lanzhou-chongqing railway hub in lanzhou long shou tunnel construction， elaborated in order to prevent the large deformation of the tunnel and the collapse in loess excavation， excavation steps distribution method is used （also called circular excavation core） method， combined with spraying concrete closed excavation surface in time， with advanced pipe roof or small duct grouting in advance support， steel arch support， hanging net， anchor， etc to strengthen the soil strength and the limit of surrounding rock stress redistribution， the implementation of short footage， fast cycle to reduce the disturbance of soil， loess tunnel construction is the method of relatively complete.

Keywords： prevention， deformation， collapse， step distribution and excavation method 引用：刘君强. 黄土隧道施工工艺工法[J]. 数码设计， 2018， 7（2）： 186-187.

Cite：LIU Junqiang.Construction Technology of Loess Tunnel[J]. Peak Data Science， 2018， 7（2）： 186-187. 引言

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我国黄土分布地域较广，主要集中在西北、华北、东北的广大地区，近年来在公路、铁路工程建设中黄土隧道的施工份额也不断增加，其设计与施工难度也渐趋复杂。黄土隧道有其自身的特点，如易塌方，遇水产生湿陷性，预注浆困难，锚杆施作不成功等，同时，黄土隧道造价高昂，修建小净距和连拱隧道的经验非常少，这些都制约着黄土隧道向更高层次大规模发展。

1 工程概况

长寿山隧道双线双层集装箱喇叭口隧道，位于黄河北岸的大砂坪区与富民村之间，进口位于大砂坪西侧，出口位于富民村，隧道全长12625m。HDK41+900～HDK42+074、

HDYK41+901.5～HDYK42+074段为左、右线单线隧道，左、右单线长度均为174m，以喇叭口形式过渡为双线单洞隧道，HDK42+074～HDK54+188为双线单洞隧道，长度12114m，HDK54+188～HDK54+426、HDYK54+188～HDYK54+525段为左、右线单线隧道，左、右线长度分别为238m、337m，以喇叭口形式过渡为左、右线单线隧道。

隧道穿越地层为第四系中更新统冲积老黄土，灰黄、褐黄色，为粉质亚粘土，土质均匀，局部较疏松，层理和柱状节理发育，隧道洞身土体含水量较大，结构稳定性较差。洞口浅埋段覆盖层为第四系上更新统风积黄土，层厚4.6-40m，浅黄色，土质较松散，大孔隙、垂直节理发育，其中自重湿陷性黄土层厚24m，黄土陷穴顺沟发育，呈串珠状。 2 施工方案 2.1 开挖方案

遵循“短开挖，强支护，勤量测，紧封闭”的原则，采用正台阶先拱墙、拱部环形法开挖，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。 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0.8m，并根据围岩状况，随时进行调整。（见图1） 2.1.1 先开挖拱顶环形Ⅰ部

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0.8m。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，支撑用杨木背板加φ40钢管，钢管底部撑在核心土上。 2.1.2 管棚超前或小导管超前支护

黄土隧道土质比较松散，且层厚一般为20-60cm，开挖后易形成分层坍塌，故需较强的初期支护，采用管棚或小导管方案较适宜。钢管直径大，与土体接触面积大，接触密贴，没有空

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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。 2.1.3 开挖II部

II部一次掘进0.8m。人工配合机械开挖。出碴采用无轨式运输。柳州产ZL50装载机装碴，小松山推PC200挖掘机配合。

首先用挖掘机将一侧II部的土体由上至下开挖1.0m，并将土扒出核心土范围以外，便于装载机装碴。开挖时侧面开挖轮廓线处预留厚50cm土体，原因是挖掘机开挖时对土体的振动比较大，如果直接按轮廓线开挖易造成土体坍方，形成超挖。然后人工用洋镐将预留的50cm土体沿轮廓线开挖，边开挖边支撑，同时出碴，而此时，挖掘机则换至另一侧II部进行开挖，如此左右侧交替。注意开挖时，拱脚处至少留深20cm土用人工开挖，严禁拱脚超挖，防止因拱脚原状土被破坏造成混凝土衬砌时拱架下沉。

黄土隧道拱腰处土体最易发生坍方，所以在进行II部开挖时，应边开挖边加固，加固方法为简易支撑，即用杨木板紧贴开挖轮廓表面，用φ40钢管支撑在核心上。支撑间距1.0m，交错布置。待进行一次模筑混凝土支护时边浇筑混凝土边将木板取出。 2.1.4 开挖III部，核心土整形

格栅支撑安设完毕后，用挖掘机将III部土挖除，核心土顶面修成平台，平台沿隧道纵向宽度3.6m，并在核心土的中间高度处再修一纵向宽度约为1.2m的二级平台，以备一次模筑混凝土时人工上料使用。这样核心土纵向长度约4.8m，可对前方掌子面土体起支撑作用。 2.1.5 立钢拱架和模板

拱部开挖完毕后，进行衬砌宽度和拱脚高程放样，然后立模工班按放样点位将钢拱架立好。钢拱架用工字钢制作。模板用120cm×30cm钢模。档头模板用木模。 2.1.6 初期支护

黄土隧道在开挖后30h内围岩变形较大，如不及时支护，极易发生塌方。故开挖结束后，应立即进行混凝土初期支护。混凝土施工采用拌合站拌合，运输车运输，人工上料，插入式振动棒捣固，左右侧交替浇筑。混凝土封顶时应注意将顶部捣固密实，并用自制小铲从挡头模板处将混凝土填塞密实。 2.1.7 开挖下导坑

下导坑边墙施工与上导坑之间的距离保持60～80m为宜，距离过短影响上导坑机械作业，距离过长，会使已施工的拱部下沉，造成二次衬砌厚度不够，影响下步工序施工。

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下导坑边墙施工采用四部跳跃法，左、右边墙错开，每个马口开挖长度为2.4m。先用挖掘机挖中槽，中槽宽4.0m，长20m，不宜过宽、过长。宽度原则上能保证上导坑施工机械通过即可，否则左、右拱脚下的土体由于受到拱圈的挤压，向中槽处靠拢，容易使拱圈下沉，严重者可使拱圈混凝土产生裂缝。中槽挖成斜坡形式，使上、下导坑连接。然后用人工左、右错开开挖马口。

边墙的格栅支撑应与拱部格栅上、下对正，并焊接牢。格栅安设完毕后，将拱脚表面的混凝土凿毛，用钢刷清理干净，之后模筑衬砌一次混凝土。封口用干硬性混凝土人工分次填满捣实。

2.2 施工方法及工艺要点

（1）根据工地实际情况，设计并施打超前管棚。钢管真径一般为ф90 mm，长4.5m，间距30cm，外插角21，首尾相接长度不少于1.5m。钢管内充填20号砼或者水泥砂浆。 （2）上半断面人工用风镐及电铲掏槽。掏槽宽度约1m，纵向掏槽深度每次约0.8m。 （3）开挖后立即射砼封闭断面。喷射4cm厚的20号砼，封闭开挖断面，以免孔隙水从断面处渗出，而使土体失稳。

（4）架钢拱及挂网。钢拱规格为Ⅰ20a，按设计断面计算用量。拱架之间的间距依每次开挖长度约为0.8m，每榀钢拱纵向用ф20钢筋连接，钢筋间距1.2m。管棚尾端焊接于拱架腹部，以增强共同支护作用。ф8钢筋网格间距为20cm×20cm。

（5）喷射砼填充钢拱间空隙。拱架与开挖轮廓之间的所有间隙用20号砼喷射充填密实，先喷拱架与轮廓之间空隙，再喷拱架，然后再喷拱架之间，直至喷到规定的厚度。 （6）按上述1-5的方式开挖5m左右后，开挖支撑掌子面的核心土支持部分。

（7）在上半断面初期支护稳定的条件下，开始开挖下半断面：首先通过在上半断面的钢拱的拱脚打注浆锚杆，以防止拱架及围岩变形与下沉。钻进后进行注浆，两侧以等间距各打5根锚杆。经过做试验，这样的锚杆与黄土结合后，抗拨力可达8t以上。

（8）开挖出碴完成后立即喷射砼封闭围岩，然后架钢拱支撑和挂网，经分层喷射砼直到设计厚度。再铺设土工布防水板，做二次衬砌。 3 施工工艺流程图（图见2） 4 主要技术对策

4.1 拱部沉降和拱脚收敛的控制

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黄土隧道与石质隧道的最大不同点就是拱部沉降和拱脚收敛较大，针对这种情况我们采取了以下措施。 4.1.1 监控量测

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2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。随着隧道施工的前进，每隔10m作一个观测断面，最前端的一个断面紧跟掌子面。前7d每天观测1次，以后1个月内3d观测1次，之后每月观测1次。

通过观测发现在拱部一次衬砌施工完毕至边墙开挖前，拱顶下沉6-8cm，拱脚收敛1-2cm。在边墙开挖后拱部发生第二次下沉，下沉量为6-8cm，收敛量基本不变。

根据观测结果及时反馈至施工中去，将原有预留沉降量15cm变为17cm。有效地保证了二次衬砌的厚度。 4.1.2 及时封闭仰拱

据量测，在一次混凝土初期支护完成后，隧道拱顶下沉约12-16cm。为避免继续变形，应及时封闭仰拱混凝土。仰拱与马口之间的距离保持20cm为宜，不能偏大。仰拱采用半幅施工法，保证上下导坑作业的进行。当半幅施工30cm左右，再换至另外半幅。 4.1.3 及时封闭二次衬砌永久支护

一次衬砌封顶时，受工作面的限制，可能造成封顶混凝土不密实。而两侧拱腰处向内挤的压力很大。如果不及时施作二次衬砌永久支护，容易在拱顶造成裂缝。针对以上情况我们在施工中每个洞口配备了1台边顶拱式混凝土衬砌钢模台车，二次衬砌施工与上下洞口同时作业。 4.1.4 加设锁脚锚管

在拱脚处每侧加设2根锁脚锚管，锚杆为φ40钢管，长2m，垂直于拱脚外侧面打入土中1.5m。剩余0.5m与一次衬砌混凝土浇筑在一起。 4.2 预防塌方

在开挖过程中，应遵循短开挖、强支护的原则，随时观察土质情况，发现土质疏松、节理发育时，加设调整循环进尺，同时加密管棚钢管数量，及时跟进一次衬砌，缩短开挖与衬砌之间时间间隔。如发生塌方，必须用同强度等级的混凝土填塞密实。 5 结束语

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黄土隧道采用正台阶先拱后墙、拱部环形、保留核心土法开挖有以下优点： （1）与锚喷法施工比较，有施工速度快，安全，节约投资的优点。单口平均月进尺90m，最高单口月进尺120m。

（2）可以有效控制塌方、拱部沉降与收敛，使隧道各部的尺寸达到设计要求，保证永久支护混凝土厚度。 参考文献：

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[5] 李东平. 大断面黄土隧道施工技术探讨J 山西建筑，2008.34（5）：32923 30