復雜地質長大黃土隧道施工技術研究

劉 偉

1 工程概況

西平鐵路1標位于陜西省咸陽市境內，黃土隧道大小共3座，其中丁家山隧道長5 774 m，為西平鐵路1標最長的黃土隧道，隧道在洞身中部設斜井一座。丁家山隧道地貌上屬于黃土殘塬區，主要地層為第四系全新統沖積粘質黃土、上更新統風積粘質黃土、中更新統風積粘質黃土。粘質黃土以粘粒為主，多孔隙，直立性強，上部具有濕陷性。柱狀節理發育，易坍塌、掉塊，成洞性差。

2 具體施工技術

2.1 洞口開挖及邊仰坡臨時防護

黃土隧道施工首先要考慮確保進洞施工的安全，因此，洞口開挖邊仰坡坡度的選擇、臨時防護及超前支護參數的選定相當重要。以丁家山隧道出口為例，丁家山隧道出口位于一凸出黃土梁咀上。洞口里程為DK55+679，洞口仰坡坡率為1∶1，采用分級開挖，每級邊坡高8 m。經現場核實地形情況，洞門挖方作業場地狹小，且高陡，洞口段隧道線路左側覆蓋土體較薄，局部有松散堆積土，且存在偏壓，影響洞門及洞口段隧道結構安全。依據實際地形條件，洞口里程變更為DK55+657，即洞口里程向小里程方向移22 m，洞口仰坡高，仰坡坡率變更為1∶1.25，采用分級開挖，每級邊坡高8 m，邊仰坡采用骨架護坡防護。

2.2 超前支護

超前支護參數根據黃土類別的不同進行選定，洞口土質為松散的新黃土，采用超前大管棚進行支護，洞身地段超前支護采用φ42超前小導管，而且注漿固結效果好，其參數:水泥漿水灰比1∶1，最大注漿壓力均為1.0 MPa，試驗發現新黃土中漿液擴散半徑大于50 cm，老黃土中僅為2 cm。超前大管棚施工時，其聯結部位必須確保有足夠強度及剛度，施工中優先考慮絲扣連接，也可以套管焊接，不允許兩鋼管直接對焊使用。

2.3 洞身開挖

丁家山隧道原設計為單一黃土隧道，施工中出現了灰巖地層，并存在大量的土石分界地層。考慮到黃土隧道的特殊性，結合現場施工實際情況，從黃土隧道過渡至石質隧道圍巖共出現四種情況:純黃土斷面;土石分界斷面;灰巖斷面;灰巖斷面。根據以上四種情況開挖方法對應四種方法:上下臺階預留核心土法;土石分界施工法;臺階爆破法;全斷面爆破法。

2.3.1 純黃土斷面

由于黃土隧道屬于軟質圍巖，多為Ⅳ，Ⅴ級圍巖，最忌擾動，尤其圍巖柱狀節理發育時，極易坍塌、掉塊，成洞性差，故嚴禁爆破開挖，施工中一般采取短臺階法、弧形導坑預留核心土的方式進行，核心土的留設可對掌子面土體處于三向應力狀態，從而對掌子面土體起加固作用，如圖1所示，以丁家山隧道為例，開挖中先以挖掘機挖除核心土周邊的土體，然后人工修整輪廓線周邊20 cm～30 cm土體，以避免出現大的超欠挖，當局部夾含少量鈣質結構、土質較為堅硬時，以風鎬輔助作業。

圖1 上下臺階預留核心土法

圖2 土石分界斷面示意圖

2.3.2 土石分界施工法

土石分界施工法主要適用于隧道斷面上部為黃土，下部為灰巖地段(見圖2)。上部采用人工配合挖掘機的方法開挖。下部施工時采用弱爆破的方法，下部左右兩側分開爆破，最大程度減小爆破震動。上臺階控制在5 m左右。下部左右兩側分開爆破的間距控制在2榀拱架間距以內。為保證拱頂不易產生失穩、坍塌現象，爆破時嚴格控制好炮眼的深度、數目以及裝藥量等。

2.3.3 臺階爆破法

臺階爆破法適用于拱部覆蓋層小于10 m的全斷面灰巖地段。

圖3 臺階法炮眼布置圖

因受強風化灰巖地層影響，拱部灰巖覆蓋層穩定性較差，采用臺階法爆破(見圖3)。開挖時先爆破上臺階，之后再爆破下臺階。上下臺階錯開5 m左右。為控制隧道斷面爆破掏槽時產生的垂直震動速度，選擇先引爆掏槽眼，再進行上半斷面爆破的方法。下部施工時采用弱爆破的方法，左右兩側分開爆破。

2.3.4 全斷面爆破法

全斷面爆破法適用于拱頂覆蓋層大于10 m的灰巖地段。

全斷面爆破法是整個斷面按設計爆破參數同時爆破的方法。爆破完成后為消除圍巖應力集中和掉塊現象，及時初噴。嚴格按照設計參數安裝藥包錨桿。不需要安裝超前支護和初支鋼架。

2.4 初期支護

黃土隧道拱部土體自穩性差，易坍塌及掉塊，故支護必須緊跟。根據“短進尺、強支護、勤量測、早成環”的施工原則，每循環開挖后應立即施作錨噴掛網聯合支護，認真進行初噴作業，初噴厚度為4 cm，特別對于黃土隧道施工而言，初噴混凝土能迅速封閉巖面，減少圍巖暴露時間，又能增強拱圈的自承能力。噴射混凝土時，分多次復噴至設計厚度，這樣可以保證噴射混凝土的施工質量，又能減少回彈，節約施工成本。

施工中在拱架底部增設混凝土墊塊塞實，以避免拱架及初期支護不必要的沉降;拱架連接螺栓必須上齊并擰緊，騎縫焊接飽滿，并且考慮預留沉落量及二襯凈空擴大量應加大拱架圓弧半徑，以確保二襯施工前初期支護凈空滿足規范要求。

2.5 落底成環

當掘進施工進尺達到5 m～10 m，必須進行落底成環施工。落底成環施工要謹慎、科學組織，左右側錯開一定距離分別落底，避免兩側同時落底，造成拱架懸空引起大的沉降。拱架落底時拱架底部要支立牢靠并及時回填。每次拱架落底不宜太長，洞口段每次1榀～2榀，其他段則按2榀～3榀進行控制。以丁家山隧道為例，上導坑、落底成環及仰拱施工均保持12 m～15 m的間距。

2.6 仰拱及二襯施工控制

仰拱采用挖掘機開挖，仰拱開挖時要隨時注意初支變形情況，距拱腳50 cm左右處采用人工開挖，防止機械碰撞初支鋼架。仰拱開挖后關鍵環節是“及早閉合成環”。仰拱混凝土采用全幅整體灌注，利用移動棧橋解決洞內出土進料與仰拱施工之間的干擾問題。在仰拱填充施工完畢后，立即施作拱墻防水和鋼筋綁扎，防水與鋼筋采用移動平臺進行，平臺長度10 m。鋼筋綁扎完畢，檢查合格后，臺車就位，立設堵頭模板，灌注混凝土。二次襯砌臺車距離掌子面距離不得超過70 m。

2.7 通風防塵

通風防塵的作用是稀釋和排出洞內空氣中的粉塵，隧道施工通風主要采用長管路獨頭壓入式通風方案。在隧道進出口每個工點洞口外設2×55 kW軸流通風機，施工初期采用單機通風，后期采用雙機通風。風筒采用φ1 500 mm柔性風筒。由于丁家山隧道斜井進入正洞后分別向兩個方向施工，在洞口設兩臺2×55 kW軸流通風機，風筒采用φ1 300 mm柔性風筒，前期斜井施工時采用一臺2×55 kW軸流通風機，進入正洞后兩臺風機分別向兩個方向進行送風。同時采取綜合防塵技術，洞內每天噴霧灑水，可顯著的減少產塵量和防止塵土飛揚。實踐證明，堅持適量的灑水，可減少粉塵，確保洞內空氣清新，創造良好的勞動環境。

2.8 施工運輸

丁家山隧道施工采用無軌運輸方案。開挖施工采用挖掘機或裝載機配合裝碴，由自卸汽車運輸至棄碴場;隧道混凝土襯砌施工采用混凝土攪拌運輸車向洞內運送混凝土。為了加快施工進度，保證隧道工期，在隧道內每300 m將大避車洞加寬、加大，在避車洞內錯車，解決了長大單線隧道在洞內的錯車問題。此處大避車洞及兩側正洞二襯待開挖貫通后統一施工。

3 施工中的監控措施

監控量測工作緊跟開挖、支護作業。丁家山隧道每組監控點共布設5個監控點，其中拱頂一個沉降觀測點，拱腰與拱腳各設一對收斂觀測點。布點采用Φ22鋼筋，鋼筋埋入圍巖深度不小于1 m，穿過初期支護時用塑料套筒隔絕與初期支護的所有聯系。施工中技術人員每天根據監測結果及監控點與掌子面關系，確定監控頻率。

4 確保黃土隧道施工安全關鍵要點

施工安全是隧道施工的靈魂，長大黃土隧道地質條件復雜，工期壓力大，確保其安全的壓力更加巨大。快速度、高質量完成初期支護和二次襯砌，嚴格控制步長關系，確保施工安全，是加快施工進度的關鍵。仰拱距掌子面距離不超過40 m，二襯距掌子面距離不超過70 m，作為一項紀律嚴格執行。

5 結語

復雜地質長大黃土隧道施工的首要問題是確保進洞安全，而進洞后施工安全的關鍵是早形成封閉環，成環方案要切實可行，并加強洞口地表沉降觀測及洞內監控量測，取得準確的數據，以便及時調整初期支護參數和預留沉降量。嚴格按照“短進尺、強支護、勤量測、早成環”的施工原則，科學組織施工，能確保長大黃土隧道施工安全。

[1]王曉州.大斷面黃土隧道建設技術[M］.北京:中國鐵道出版社，2009.

[2]杜永昌.高速與客運專線鐵路施工工藝手冊[M］.北京:科學技術文獻出版社，2006.

[3]趙 勇.高速鐵路隧道[M］.北京:中國鐵道出版社，2006.

[4]于 波.淺論濕陷性黃土隧道的施工方法[J］.山西建筑，2010，36(5):214-215.