黃土淺埋段超大跨度高速公路隧道開挖施工方法比選

摘 要:結合超大跨度淺埋黃土隧道的圍巖地質條件，從技術指標、施工工序、沉降控制和施工風險等方面分析了隧道開挖工法雙側壁導坑法、偏心導坑+環形開挖法和蓋挖法等各工法的適應范圍和優缺點，從而選擇合理的超大斷面黃土隧道開挖施工方法。突破了傳統的山嶺地區公路隧道的施工工藝，可為類似工程提供借鑒。

關鍵詞：大跨度 淺埋 黃土隧道 開挖方法 創新工藝 工法比選

中圖分類號:TP2文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)04(c)-0115-03

1 工程概況

1.1 隧道設計

陽曲1號隧道位于山西省太原市陽曲縣，穿越凌井小盆地，陽曲小盆地和太原盆地3大地質構造單元。隧道為分離式雙洞單向三車道高速公路特長隧道，隧道左線長4685m，右線長4711m。隧道建筑限界凈寬14.5m，凈高5.0m，為平定至陽曲高速公路的重點控制性工程。

隧道進口端黃土地質段全長1213m，土質圍巖分界里程K93+857～K95+070，區段內隧道最大埋深50.244m，普遍埋深為14～23m，覆蓋層厚較薄，K94+039～K94+126沖溝段埋深僅2.92m。隧道斷面大，主洞開挖跨度17.23m，開挖斷面面積160m2;加寬帶跨度19.87m，開挖面積202.3m2。

1.2 工程地質特征

本區段為黃土丘陵地區，普遍黃土厚度大，黃土地區普遍分布沖溝、陡坎、崩塌和陷穴，同時存在松軟土等特殊巖土。線路位于第四系全新統沖洪坡積層(Q4del)、上更新統(Q3eol+al)風積與沖積層的黃土和砂層、中更新統(Q2)黃土、砂層、礫石層中。隧道主要穿過新黃土地層，成分主要以粉粒為主，結構疏松，具大空隙，富白色鈣質菌絲及植物根須，偶含零星鈣質結核。土質純凈，滲透性強，豎向節理發育，具大孔性和直立性;土體含水率較高，重力濕陷性顯著，隧道開挖后圍巖塑性變形發育。

2 施工方法

2.1 雙側壁導坑法(傳統工藝)

隧道洞口區段存在淺埋和偏壓難題，在進洞施工試驗階段，設計文件建議采用雙側壁導坑法施工，支護參數:隧道黃土段設計Va級淺埋I22b型鋼鋼架，間距0.5m，Vb級深埋I20a型鋼鋼架，間距0.8m，VJ級加寬帶I22b型鋼鋼架，間距0.5m，側壁墻I18型鋼鋼架，間距同初支鋼架。開挖過程中分四個開挖面，左導坑、右導坑、中隔墻上半斷面和下半斷面相互錯開同時開挖，然后分部同時支護，形成支護整體(見圖1)。

在施工試點過程中發現雙側壁導坑法開挖存在諸多缺陷:(1)中隔墻上半斷面支護拱架合攏時，與左右側導坑拱架接頭對接困難，接合不嚴密，參與整體工作后支護體系徐變過程延長，結構受力形式薄弱;(2)側壁墻與初支鋼架連接處為相對薄弱環節，拆除中隔墻臨時支護后圍巖擾動顯著，拱頂嚴重下沉，部分地段侵入凈空達29cm;(3)若四個工作面同時組織施工，施工現場工序混亂;作業人員需求量大，施工進度緩慢。雙側壁導坑法最終因沉降控制不利而告失敗。

2.2 偏心導坑+環形開挖法(創新工藝)

根據隧道進口黃土段淺埋、偏壓的工程特性、圍巖地質條件和地形地貌要求，工程院多次組織相關專家評審，結合雙側壁導坑工法的技術難點，明確了淺埋暗挖分部施工的重要性，制定專項方案，最終確定V級黃土地質段采用偏心導坑+環形開挖法施工。開挖過程中，左側小導坑超前開挖支護，降低隧道相對圍巖級別，提前釋放圍巖應力。右導坑結合拱部環形同步跟進施工，快速閉合支護結構，減少對圍巖的擾動，分部支護，形成支護整體;縮短作業循環時間，逐步向縱深推進，形成開挖及施作初期支護，混凝土仰拱緊跟掌子面及時施作構成穩固的支護體系。

2．2．1 開挖

由于隧道開挖跨度大，為確保施工安全，Va級淺埋段每循環進尺50cm，Vb級深埋段80cm，VJ級加寬帶50cm，分左、右+中上兩個工作面同時進行(見圖2)，洞身采用人工風鎬配合挖掘機開挖，利于控制隧道超欠挖。

2.2.2 第一步施工

人工風鎬配合挖掘機沿開挖輪廓線自下而上開挖左導坑，開挖后及時噴射4cm混凝土，封閉作業面，特別做好右側墻的支護工作，避免側墻向導坑內崩塌。高含水量地段易掉塊，應先鋪設鋼筋網，再進行初噴，確保開挖面圓順并防止拱頂剝落出現脫空現象。Va，Vb，VJ類圍巖分別采用I22b，I20a，I22b鋼架，拱架間距分別為50cm，80cm和50cm，側壁墻采用I18鋼架。左導坑初支拱架分2節安裝，環向為法蘭盤連接，縱向采用φ22連接筋連接，間距1.0米。安裝完畢后即施作φ42鎖腳小導管及拱部超前導管，長度3.0m，間距40cm;邊墻采用3.5mφ25藥包錨桿，間距80cm;拱部3.5mφ25脹殼式錨桿，側墻2.0mφ22藥包錨桿，間距均為1.0 m;掛設雙層鋼筋網，噴29cm C25噴射混凝土支護。

2.2.3 第二步施工

左導坑超前施工后3～5m后，同時開挖右導坑及中上半斷面，預留核心土，形成環形導坑，按照同樣的方法進行支護。不良地質段應避免左右側兩個工作面同時施工，根據實際情況可增設右導坑側壁墻臨時支護。

2.2.4 仰拱施工

黃土隧道在開挖后受各種地質和施工因素的影響，在施工前期圍巖變化較大，支護體系應快速封閉成環，根據掌子面的空間效應，掌子面距仰拱最大距離以不超過25m為宜，仰拱采用半幅施工，開挖長度以3～4m最為安全，防止邊墻拱腳處收斂，造成噴射混凝土開裂和拱架下沉。仰拱開挖后，應及時施作仰拱鋼架及噴混凝土支護。

2.2.5 施工要點

(1)黃土類隧道工程，應嚴格控制現場施工用水并重視防排水工作，防止黃土發生濕陷性病害，導致初支體系整體下沉。(2)左右側兩個工作面前后距離不宜過大，開挖過程中應注意將核心土保留完好，導坑開挖后根據圍巖情況噴砼封閉開挖面和側墻。(3)超前小管棚支護較一般設計應加密，可每循環施作超前短管棚支護，消除掉塊及小型冒頂等拱頂脫空病害。(4)初支鋼架拱腳處加墊砼預制塊或鋼板，拱架背后噴填密實，鎖腳鋼管及邊墻錨桿應加密布置。(5)通過監控量測及時取得實測數據分析反饋用以修正設計參數和調整施工作業方法。(6)及時閉合初支結構并施作仰拱襯砌，嚴格控制二襯距離。

2.3 蓋挖(明挖)法施工(創新工藝)

根據地表原地貌復測數據分析，隧道右線K94+039～K94+126沖溝段拱頂覆蓋層厚僅2.92m，若采用當前的山嶺地區隧道暗挖法施工將無法安全通過。我部結合當前城市地鐵的施工方法，建議該里程段采用拱部明挖邊墻暗做的施工方法(蓋挖法)，確保隧道安全、順利通過。(見圖3)

2.3.1 邊坡開挖及防護

(1)蓋挖挖方施工工序:

測量放樣→設置邊坡隔離帶→修筑臨時截水天溝→拉槽開挖→邊坡防護→布設高邊坡監控量測點。

(2)邊坡開挖及防護

采用敞口放坡基坑法分層開挖至隧道拱頂，開挖過程中及時清理坡面虛土，初噴5cm噴射混凝土支護。

邊坡:為確保施工安全，開口邊坡坡率為1∶0.75，下臺階邊坡坡率為1∶0.5，當邊坡高度小于等于10m時不設平臺，一坡到頂;當邊坡高度大于10m小于等于32m時，每8m高度設2m寬平臺一處。拱腳兩側向外各加寬0.5m。

邊坡開挖到位后，搭設腳手架鉆孔平臺，鉆設錨桿孔，錨桿間距為100cm×100cm梅花形布置，錨桿采用3.5m長φ22早強砂漿錨桿;掛設φ8單層鋼筋網片，噴10cm C25噴射混凝土支護。

2.3.2 初期支護

(1)施工工序:

預留核心土開挖拱腳→測量放樣→架設鋼拱架→打設鎖腳鋼管→掛設鋼筋網片→掛板噴混凝土支護。

(2)施工方法:

a．開挖:隧道明挖采用機械分層分部開挖作業，采取自上而下，分層開挖，自卸汽車出碴。

b．立架:采用預留核心土法開挖至預定拱腳，經測量放樣后，開始架設拱部鋼架，間距50cm，縱向采用φ22連接筋連接。拱腳處墊砼預制塊或鋼板，嚴禁拱腳回填松散土或拱架懸空。為方便下臺階拱架與上部拱架螺栓連接，拱腳處法蘭盤可采用少量泥土掩埋。

c．施作鎖腳鋼管:鋼架安裝后每拱腳處按45°斜向下單側打設2根4.5m長φ42鎖腳小導管。

d．噴錨支護采用掛φ8雙層網片噴混凝土支護，噴砼施工采用在拱架下側掛模板法施作并養護，噴錨過程中注意拱腳處噴填密實，拱腳外側0.5m范圍內宜采用噴射混凝土回填密實。

e.考慮到上臺階拱腳處土體松散，承載力差的特性，噴砼施工前在上臺階鋼架拱腳處沿拱架內外側布設4根Φ22通長鋼筋和Φ8箍筋@10cm，拱部噴砼施工時將其回填作為簡易加筋大拱腳(見圖3)。

f.下臺階施工:待拱部初支超前施工、大拱腳強度達到75%后開始下臺階施工，下臺階施工過程中嚴格控制開挖進尺，每循環開挖不大于2榀拱架間距，左右側應錯開施工，錯開距離為4m～6m，嚴禁兩側對開施工。

2.3.3 仰拱、二次襯砌施工

蓋挖法施工段襯砌作業應緊跟隧道掌子面施工，確保洞內施工人員的安全，襯砌施工應嚴格控制在安全距離內。

仰拱采用半幅短跨度開挖，最大跨度不宜超過5m，仰拱距離下臺階不宜超過15m，嚴禁仰拱施工滯后;明挖段內二襯混凝土應根據仰拱實際施工情況，結合邊坡監測資料，緊跟掌子面施工。

2.3.4 蓋挖回填

隧道二次襯砌施工后應及時進行明挖部分的回填工作，確保邊坡的安全和穩定。結合隧址的地形、地貌，填土高度在滿足排水通暢的情況下盡量少填。

2.3.5 邊坡監控方法

(1)基本水準點的布設

邊坡位移基準點在基坑邊坡位移變形影響不大的穩定地點，即在基坑開挖上口線的邊沿延長線上，一般距基坑開挖線5m以外，以確保觀測點數據的準確、可靠。沉降觀測基準點在邊坡高度2倍距離以外，穩定可靠不易被破壞處埋設三個基本水準點，構成基本水準網，作為沉降觀測的起算依據。

(2)位移觀測

為采用信息化施工和保證基坑邊坡安全，在本工程的隧道明挖和初支施工過程中必須進行邊坡位移觀測工作，以便根據邊坡位移情況及時進行施工指導和提前采取處理措施。

3 工法選擇

3.1 3種工法的資源配置

在雙側壁導坑法、偏心導坑+環形開挖法、蓋挖法施工時，為加快黃土隧道的施工進度，施工人員、機具設備配置必須科學合理，在施工中，應通過反復研究和實踐，各工法的資源配置如表1所示。

3.2 3種工法的進度

在上述資源配置情況下，通過科學組織，縮短工序時間和工序銜接時間，在保證安全質量的前提下，各工序可以達到一下進度指標。

(1)雙側壁導坑法施工每循環進尺0.5m，關鍵工序每天2個循環，全斷面開挖支護每天1.0m，每月最高進度指標為25m，平均每月進度23m。

(2)偏心導坑+環形開挖法每循環進尺0.5m，關鍵工序每天3個循環，全斷面開挖支護每天1.5m，每月最高進度指標78m，平均每月進度62m。

(3)蓋挖法施工，全斷面開挖支護每天5.5m，每月最高進度指標為81m，平均每月進度73m。

3.3 3種工法的監控量測結果

根據日常監控量測結果分析可知，砂質黃土隧道主要變形特點有以下幾個方面:

(1)各工法隧道變形主要集中在各部開挖支護工程中，仰拱施作完成后，變形趨于穩定。

(2)各工法在下部及仰拱開挖施工過程中，變形速率較大，在仰拱未封閉前，即使是停止施工，拱頂下沉仍然保持一定的下沉速率。

(3)大跨度黃土淺埋地層隧道，圍巖變形主要反映在拱頂下沉和拱腰處的收斂變形。

(4)在埋深較淺的松散地層中，地表下沉主要集中在隧道中線兩側15米范圍內，且有縱向裂縫。

4 結論

結合超大跨度淺埋黃土隧道的圍巖地質條件，研究了山嶺隧道傳統開挖工法雙側壁導坑法和創新工藝偏心導坑+環形開挖法、蓋挖法的技術指標、施工工序、變形收斂、資源配置、施工風險等方面的定性和定量指標，對傳統的隧道開挖工法進行了技術和工序方面的探討，并針對大跨度淺埋黃土隧道提出了新的開挖工藝，對今后類似工程合理選擇超大斷面黃土隧道開挖工法具有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1]李志業，曾艷華.地下結構設計原理與方法[M].西南交通大學出版社，2009.

[2]周曉軍，周佳媚.城市地下鐵道與輕軌交通[M].西南交通大學出版社，2008.

[3]王俊和.客運專線鐵路大斷面黃土隧道開挖施工技術[J].西部探礦工程，2007，(7)期[141]

“本文中所涉及到的圖表、公式、注解等請以PDF格式閱讀”