談“淺埋黃土隧道施工方法”
2010-12-31 00:00:00劉勇
中華建設科技 2010年12期
【摘 要】為解決淺埋黃土隧道的施工技術，官莊垣隧道曾進行多項專題研究，本文通過超前小導管實施及分臺階開挖，及時進行噴射混凝土和二襯的施工工藝。節省了資金，保證了進度，避免了塌方。其施工方法是研究成果的一部分在施工中的具體應用。
【關鍵詞】淺埋；黃土隧道；施工；方法
Talk “shallow cover up the construction method of the loess tunnel”
Liu Yong
(Lvliang city Transportation bureau Lvliang Shanxi 033000)
【Abstract】For solve shallow cover up the construction technique of loess tunnel， officer Yuan tunnel in the Chuang once carried on several special subject research， this text pass to run before small pipe implement and cent the step open to dig and carry on jet concrete and two Chens in time of construction craft.Economical funds， assurance progress， avoided landslide.Its construction's method is research result of a part at under construction concrete application.
【Key words】Shallow cover up;Loess tunnel;Construction;Method
1. 施工方法機理及適用范圍
本工法采用非爆破的大斷面開挖、復合式襯砌。拱部在開挖前采用超前管棚（必要時注漿）加固地層，以減少尚未形成初期支護前的地層壓力，用鋼架、鋼筋網、噴混凝土和錨桿形成聯合初期支護體系，為圍巖提供主動抗力、抑制圍巖有害變形，使圍巖充分發揮自承能力，是主要的受力結構，襯砌僅承受部分地層壓力，在整個施工過程中通過對圍巖的量測、監控來指導施工。
本工法適用于開挖洞徑在12m以內，拱頂復土厚大于0.3倍洞徑的黃土、粘土、砂、礫石等隧道工程。有地下水時應另行采取有效的排、降水措施。
圖1 三層臺階開挖順序圖單位：m
注： l一拱部環形開挖； 2一鋼架和超前管棚；Ⅲ一拱部鋼筋網和噴混凝土； 4一核心開挖，5-V拱部錨桿；6、Ⅵ、7、Ⅶ-中臺階左、右側開挖及初期支護；L1-中臺階長；8、Ⅷ、9、Ⅸ-下中臺階左右側開挖及初期支護； L2-中、下臺階間的順坡長；10、X、11、Ⅺ-仰拱左右側開挖及初期支護、二次襯砌、充填；Ⅻ-鋪設防水板及拱、墻二次襯砌。
2. 施工方法特點。
2.1 采取非爆破的大斷面開挖、噴錨支護，不僅節約了木料，同時也為使用大型機械創造了條件，提高了施工進度，使用勞力少。
2.2 拱部開挖前采用超前小導管，自上而下的分層開挖和用量測結果指導施工，能有效地控制塌方，施工較安全。
2.3 全斷面開挖完成后，拱墻模筑混凝土一次完成。
2.4 本工法適應性強，可使用大型機械，也可以使用小型機械。
3. 施工工藝
3.1 施工順序。
斷面分為上、中、下三層臺階，自上而下地開挖。施工順序如圖1所示。上、中層臺階開挖時，可平行作業。上臺階挖下的土經水平運輸后從上而下地倒在中臺階上，連同中臺階挖下的土在中臺階上裝車運出洞外。下臺階的開挖和上、中臺階開挖采用交替作業。即在開挖下臺階時停止上、中臺階開挖，待下臺階開挖至一定長度后才停止開挖，作臨時順坡段L2再開挖上、中臺階。
下臺階和仰拱開挖平行作業。
表1 主要施工機械
施工項目機械名稱規格、型號主要性能
挖.裝.運上臺階裝載機ZLC-50C（柳州）3 m3
挖，裝中、下臺階，仰拱裝載機ZL-50F（廈工）3 m3挖掘機PC-200（日本）1.0 m3
運輸無軌自卸汽車XC-3260（重慶）載重15t
管棚、錨桿鑿孔風動鑿巖機YT-28（國產）
注漿注漿機CZJB(廣西)22KW
噴射混凝土噴漿機TK961（四川）1.5m3/h
3.2 施工機械。
可根據施工進度要求和現有設備選定。 官莊垣隧道使用的機械如下表，供作參考（見表1）。
3.3 開挖勞力組織。
勞力組織根據采用的機械設備而定。采用上述機械時，開挖及裝運全部由機械完成，其余施工人員負責配合機械施工，機械挖土后人工修整和初期支護。勞力組織采用綜合作業。
上、中臺階開挖每小班所須勞力：裝載機2臺司機4人、洞外拌噴料6人、上臺階15人、中臺階6人共31人。
下臺階、仰拱開挖時停止上、中臺階開挖，所需勞力基本同上：裝載機、反鏟挖掘機司機各2人，開挖中臺階的6人轉為開挖下臺階，開挖上臺階的15人負責仰拱的開挖、初期支護、二次襯砌和充填，洞外拌噴料6人不變。運輸人員根據運輸工具和運距遠近而定。仰拱二次襯砌及充填所需混凝土的拌和、運輸由拱墻二次襯砌人員負責。
3.4 工藝要點及注意事項。
在施工時除應符合國家和交通部現行的有關標準、規范及工藝要求外，工藝要點及應注意事項如下：
3.4.1 開挖。
3.4.1.1 每次開挖長度應經量測結果決定，一般情況不得大于以下長度：上臺階為—榀鋼架間距；中、下臺階為兩榀鋼架間距，仰拱為6m。
3.4.1.2 上臺階采用環形開挖留核心的開挖方法，核心長1.5～2.0m，核心的大小以工人在環形上操作方便為度。
3.4.1.3 開挖斷面應較設計外擴以下尺寸：考慮施工誤差襯砌內輪廓線外擴（一般為5cm）；預留圍巖變形量（一般為8～12cm，可根據量測結果進行調整）。
3.4.1.4 每層臺階每次開挖前均應進行測量放線，上一層臺階的初期支護未完成（如未打錨桿）不能進行下一層臺階的開挖。
3.4.1.5 中、下臺階均分左、右側開挖，開挖完一側后再挖另一側，開挖面應前后錯開7～8m。
圖2 短臺階開挖順序圖單位：m
注：l一拱部環形開挖； 2一鋼架和超前管棚；Ⅲ一拱部鋼筋網和噴混凝土；4一核心開挖，5一V拱部錨桿；6、Ⅵ—上邊墻左、右側開挖（每次開挖長為一榀鋼架間距）及初期支護；7、Ⅶ一斷面剩余部分開挖及下邊墻、仰拱初期支護；8—仰拱上臨時回填土；9、Ⅸ、10、X—仰拱左右側臨時回填土開挖及二次襯砌、充填；Ⅺ—鋪設防水板及拱、墻二次襯砌。
3.4.1.6 上臺階長度一般為20～25m。中臺階長L1在運輸時為30～90m，如量測允許可將黃土段的中臺階全部挖完后再開挖下臺階。為避免順坡的麻煩，也可采用圖2的施工順序。
3.4.1.7 中、下臺階間的臨時順坡長L2根據運輸設備的性能選定。
3.4.1.8 仰拱開挖亦分左，右側進行。仰拱開挖和下臺階開挖面距離L3為30～90m，如量測結果允許可適當加大。
3.4.1.9 機械開挖時，拱、墻腳至少要預留0.3m供人工修整。嚴禁拱、墻腳低于設計標高而采用回填土。
3.4.1.10 機械開挖時，防止機械擾動鋼架和碰傷初期支護。
3.4.1.11 在開挖時如發現向下掉塊或流砂，應立即用木板封口支擋，空隙用砂袋填塞，初期支護完成后在該部位進行壁后注漿。
3.4.2 超前小導管。
3.4.2.1 材料及規格。
采用公稱直徑為32mm的普通鋼管（外徑42.25mm）制作，長2.5～3.5m，一端作成尖形，另一端端部的外管壁上焊一圈直徑8mm的鋼筋加強。如果要注漿，在管壁上還要鉆上小孔。
3.4.2.2 布置。
一般布置在拱頂3／5長的拱弧范圍內，間距20～40cm，外插角5～7度，每隔一榀鋼架設一次管棚。
如在拱部出現砂、礫石層，則應在其范圍內布管，此時外插角為20～30度，并應在鋼管內注漿。
如在拱腳或中層墻腳有砂、礫石層，則應在其拱、墻腳布置一排注漿管，管長為2.5m，縱向間距0.4m，向下傾角45度。
3.4.2.3 施工。
超前小導管從鋼架的腰部向前穿出。當鋼架用工字鋼制作時，在其腰部應按管棚間距用電焊燒孔。安裝時先用吹風電鉆或手持風動鑿巖機引孔，然后用風動鑿巖機將鋼管送入土中。
若鋼管和管壁間有空隙，應采用注漿填滿。
3.4.2.4 注漿。
將漿液裝入特制的CZJB牛角泵內（比安裝砂漿錨桿的牛角泵大），用風壓注漿，風壓一般小于0.6MPa。
3.4.3 鋼架。
3.4.3.1 制作應符合設計，尺寸正確，質量符合標準（要重點檢查焊縫尺寸及質量），每批產品必須抽樣試拼。
3.4.3.2 架設鋼架前應仔細檢查開挖斷面，要保證鋼架和圍巖間至少有2～3 cm的保護層。
3.4.3.3 鋼架架設誤差不得超過以下允許值：在拱墻腳以上1m內鋼架安裝誤差不得有負值。其它部位，個別突出部分（每平方米內不大于0.1m2）侵入襯砌斷面不大于5cm，鋼架的正誤差不得大于10cm，并滿足鋼架的保護層厚；間距誤差不得大于間距的10％，垂直度允許誤差±2°。
3.4.3.4 兩段鋼架間的連接必須符合設計要求，上齊并擰緊螺栓。
3.4.3.5 按設計要求，安裝兩榀鋼架間的連接拉桿，拉桿和鋼架間連接若設計為焊接，則應保證焊縫長度和焊接質量。
3.4.4 鋼筋網。
按鋼架間距預制并點焊成網，安裝時兩片鋼筋網之間在橫向要搭接一個鋼筋間距。
3.4.5 噴混凝土。
3.4.5.1 超前小導管安裝后在噴混凝土前完成，以免安裝超前小導管時擾動已噴好的混凝土。超前小導管的注漿則在噴混凝土后進行。
3.4.5.2 先檢查鋼架架設尺寸無誤后方可噴混凝土。
3.4.5.3 在噴混凝土以前應用高壓風將鋼架、鋼筋和受噴面上的粉塵和雜物請理干凈。拱、墻腳和隧底的浮碴，積水必須清理干凈。
3.4.5.4 噴混凝土應保證設計厚度，超挖部分全部用噴混凝土回填，嚴禁在超挖部分回填片石。
3.4.5.5 鋼架和鋼筋必須全部被噴混凝土包住，四周至少應有2cm的保護層。鋼架和圍巖間的空隙要用噴混凝土充填密實。
3.4.5.6 噴混凝土順序由下而上，拱部噴混凝土應先噴完左、右側拱腰以下部分再噴拱頂。
3.4.5.7 粘附在拱、墻腳的回彈物必須及時請理干凈。
3.4.5.8 為便于鋼架上、下兩片的連接，鋼架的拱、墻腳連接板在噴混凝土時可臨時用紙袋包纏，以防噴上混凝土。
3.4.6 二次襯砌。
3.4.6.1 初期支護變形穩定后方可進行第二次襯砌，否則應對第二次襯砌采取加強措施。
3.4.6.2 宜先作仰拱及充填，后作拱、墻第二次襯砌。此時應保證其橫向工作縫均在同一橫斷面上，以免仰拱及充填部分的混凝土收縮時拉裂拱墻混凝上，否則應待仰拱及充填部分的混凝土收縮至一定程度后方可在上作拱、墻第二次襯砌。
4.監控量測。
本工法量測工作是施工管理中不可缺少的環節。它不僅監視圍巖在開挖過程中的動態，確保施工安全。而且為調整初期支護參數，確定二次襯砌和仰拱施作時間等提供信息依據。
4.1 量測項目。
4.1.1 隧道初期支護拱腳、曲邊墻、大跨處水平收斂量測。
4.1.2 拱頂下沉量測。
4.1.3 地表下沉量測。
4.1.4 洞內狀態觀察。
4.2 量測斷面間距。
4.2.1 隧道水平收斂和拱頂下沉量測間距10～20m。
4.2.2 地表下沉量測沿隧道縱向間距20～30m。
4.3 量測頻率。
4.3.1 隧道水平收斂和拱頂下沉量測頻率。
開挖后1～15天，量測頻率1次／天。
開挖后16～30天，量測頻率1／2天。
開挖后1～3個月，量測頻率1次／周。
開挖后3個月以后，量測頻率2次／月。
當下半斷面開挖接近量測斷面時，量測頻率應適當增加，以便掌握位移（下沉）的變化情況。
當日變形值增大時，或變形突變，位移速度加速時，應增加量測頻率。
4.3.2 地表下沉量測頻率。
在地表下沉量測區間內（距開挖面前方為2倍洞徑開始進行，到開挖面后方2～5倍洞徑處止），量測頻率1次／2天，
4.3.3 進行洞內狀態觀察時，對每個開挖面都要進行觀察，一般每天觀察一次。
4.4 圍巖變形控制標準。
4.4.1 當隧道水平位移速度為0.1～0.2mm／天。拱頂下沉速度為0.1mm／天以下時，一般可認為圍巖已基本穩定，模筑混凝土襯砌待圍巖達到基本穩定后澆筑。
4.4.2 隧道水平位移日收斂值控制在2mm，累計最大收斂值控制在30mm以下，拱頂下沉控制在每日4mm，累計最大值70mm以下，地表下沉控制在每日3mm，累計最大值控制在50mm以下。
4.5 加固措施。
當變形量超過上述控制值時，又無收斂趨勢或初期支護發生明顯變形時，則需對超標準段除加強監視外并及時采取加固措施。
4.5.1 一般情況增加噴混凝土厚度。
4.5.2 當變形段較長時，每隔8m作一網噴鋼筋混凝土加固圈，每圈長2m，如果變形仍得不到控制，則在8m的未加固段中，再設加固圈。
4.5.3 按上條辦法加固變形仍不能控制，則應分段加設臨時仰拱。
4.5.4 當圍巖仍達不到穩定，初期支護難以控制圍巖變形發展，可考慮提前施工模注混凝土或鋼筋混凝土襯砌。
4.6 修改初期支護參數。
當初期支護后圍巖位移很小，而且很快達到穩定時，可將下一段同類圍巖初期支護結構適當減弱。
5. 成果分析。
5.1 施工安全，速度比常規施工快。
5.2 節省投資。
5.3 運營安全可靠，無病害。
5.4 擴大了在淺埋軟弱地層中用暗挖法修建大斷面隧道施工技術領城。
6. 施工實例
官莊垣隧道在進口端340m長的黃土段為沖積、洪積的黃土質沙粘土，部分地段夾有碎石、角礫石和細沙層，有地下水。拱頂覆土厚3.6～23m。地表有民房和通行25t的汽車公路。
隧道設計采用復合式襯砌、蛋形橫斷面。開挖斷面120.26平方米，開挖斷面的高、寬分別為11.2m、11.46m。
初期支護參數為：
（1）噴混凝土厚25cm。
（2）直徑6mm鋼筋網，間距15×15cm。
（3）拱墻用直徑22，長3000mm的錨桿，間距1.0m，按梅花形布置，起拱2m以上范圍不設。
（4）鋼支撐用16號工字鋼和用直徑22mm鋼筋制作的格柵支撐。鋼支撐由分段組成，拱部3～4段；每側邊墻兩段，仰拱兩段。每段用螺栓連接（仰拱中間用鋼筋搭焊）。鋼支撐間的連接桿用直徑22mm園鋼，間距1m。
二次襯砌的模注混凝土厚40cm，在兩次支護之間設有1mm厚的聚氯乙烯軟塑料板以作防水層。在隧道開挖時采用了前述的主要機械。
由于有地下水，機械碾壓形成的泥漿使施工無法進行。開始，在洞內挖井降水，井深1.5m，左右交叉設置，間距10m，效果不佳。后來，對地下水較大地段采用地表深井降水，共鉆15口井，最大時的抽水量共43m3／h，取得了較好的效果。降水井的布置是：在每橫斷面上左右各布置一口井，井位縱向間距20m；井深為隧底下10～16m。終孔直徑130mm，采用的是100JD×24型深井泵。
后來，為了減少施工于擾和中、下臺階間作順坡段的麻煩，而且量測結果又允許，剩下的下臺階和仰拱的開挖是在整個黃土段的上、中臺階挖完后才進行的。此時下臺階和仰拱的開挖由挖掘機挖土，ZLC-50C裝載機裝車出碴。施工中，最終結果達到了預期的目的。
全段拱頂最大下沉值為71.8mm，拱腳最大收斂值為40.8mm，初期支護變形很小，僅個別處曾發生裂縫；
除開始由于經驗不足曾發生一次塌方外，以后杜絕了塌方；
單工作面，單工序開挖最高進尺：上層臺階開挖122m，中層臺階開挖84m，下層臺階開挖96m。
［文章編號］1619-2737（2010）12-15-265
［作者簡介］ 劉勇（1972.9-），男，工程師，工作單位：山西省呂梁市交通局，1991年參加工作，1995年畢業于北京交通管理干部學院，專業公路工程管理，2005年畢業于中央廣播電視大學，專業道路與橋梁。
