洛川黃土隧道三臺階施工穩定性分析及變形控制

摘要 文章以洛川黃土地區隧道工程為研究對象，圍繞施工工藝和變形控制展開研究。首先介紹了隧道工程的背景情況，包括地理位置、長度和地質特點等。隨后詳細探討了采用三臺階法施工的優勢以及施工工藝的具體步驟和注意事項。針對地質變形問題，強調了變形監測的重要性，闡述了觀測點位設置原則和監測方法。最后，討論了變形的控制措施，包括支護結構設計、地質勘察、實時監測系統等。該文的研究成果可為黃土地區隧道工程的施工和管理提供了理論支持和實踐指導，對地區交通建設具有積極意義。

關鍵詞 洛川隧道工程；黃土地質；三臺階法施工；變形控制

中圖分類號 U455 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）21-0121-03

0 引言

隧道工程作為現代交通建設的重要組成部分，在連接和改善地區交通、促進經濟發展等方面發揮著至關重要的作用[1-3]。然而，在黃土地區等特殊地質條件下，隧道的施工與設計面臨著諸多挑戰，特別是在保證工程安全穩定性和控制地質變形方面[4-5]。該文以洛川黃土地區的隧道工程為背景，針對其地質條件和施工特點，進行了三臺階法施工工藝的研究以及變形控制的探討。通過該文的研究與分析，以期能夠為洛川黃土隧道工程的施工和管理提供理論支持和實踐指導，促進地區交通建設的健康發展。

1 工程背景

洛川隧道位于陜西省洛川縣境內，隧道起訖里程DK194+759.57～DK198+900，全長4 140.43 m，為單洞雙線隧道，最大埋深64 m。整座隧道為30‰的上坡，隧道進口左線3 133.924 m位于R?5 500 m的左偏曲線上，出口左線630.416 m位于R?9 000 m的右偏曲線上，其余均位于直線上，隧道設置一座雙車道無軌運輸斜井輔助施工。全隧V級圍巖1 240 m，占30%，V級圍巖2 531 m，占61.1%，V1級圍巖331 m，占8%，洞門38.43 m，占0.9%。

考慮隧道的地質條件和特點，采用三臺階法施工具有明顯的優勢。首先，洛川隧道穿越的地質層主要為黃土，具有含水量大、強度低等特點，容易發生塌方和地質變形。而三臺階法施工可以通過合理的分層開挖和支護措施，有效控制黃土的變形，減小施工風險，保證施工安全。其次，洛川隧道全長30‰的上坡設計，以及部分隧道段位于曲線區域，這些特點對施工提出了較高的要求。而三臺階法施工具有靈活性強、適應性好的特點，可以根據不同地段的實際情況進行調整，保證施工的連續性和穩定性。此外，洛川隧道的圍巖分類中，V級圍巖占比較大，采用三臺階法施工可以有效應對這種復雜的地質條件，提高施工效率和質量。

2 三臺階法施工工藝

2.1 三臺階法施工工序

（1）準備工作

對施工現場進行勘測，確定施工區域的地形、地質情況和施工限制條件。安排好施工人員、設備和材料，并制訂詳細的施工計劃。搭建施工現場的臨時設施，包括辦公室、倉庫、生活區等。

（2）第一臺階施工

開挖第一臺階的上部邊坡，根據設計要求進行合理的坡度和尺寸控制。進行土方開挖，根據實際情況采用機械挖掘或者手工挖掘。進行第一臺階的支護工程，包括噴射混凝土、錨桿、鋼架支撐等，以保證施工現場的安全和穩定。

（3）第二臺階施工

在第一臺階施工完成后，對第二臺階的邊坡進行開挖，同樣要控制坡度和尺寸。進行第二臺階的土方開挖，保證開挖面的平整和垂直度。進行第二臺階的支護工程，包括加固邊坡、設置支撐結構等，確保施工安全。

（4）第三臺階施工

在第二臺階施工完成后，對第三臺階的邊坡進行開挖，同樣要控制坡度和尺寸。進行第三臺階的土方開挖，保證開挖面的平整和垂直度。進行第三臺階的支護工程，包括加固邊坡、設置支撐結構等，確保施工安全[6]。

2.2 三臺階法施工順序

在洛川隧道施工過程中主要施工順序如下：

（1）開挖臺階，開挖前，應做好超前支護。

（2）施作洞身結構的初期支護。

（3）鉆設系統錨桿后復噴混凝土至設計厚度。

（4）上臺階施工至適當距離后，開挖中部臺階，接長鋼架，施作洞身結構的初期支護。

（5）中臺階施工至適當距離后，開挖下部臺階，接長鋼架，施作洞身結構的初期支護。

（6）及時封閉初期支護，可參見工序（5）進行。

（7）灌筑該段內仰拱，下部臺階開挖后仰拱應緊跟。

（8）灌筑該段內I部隧底填充。

（9）利用襯砌模板臺車一次性灌筑二襯襯砌（拱墻襯砌一次施作）。

2.3 三臺階法施工注意事項

（1）安全管理：施工過程中必須嚴格遵守安全操作規程，確保施工現場的安全。特別是在土方開挖和支護工程過程中，要時刻關注邊坡穩定性和施工人員的安全。

（2）質量控制：支護工程是保證施工安全的關鍵環節，必須嚴格按照設計要求進行施工，并確保支護結構的穩固和可靠。施工過程中要進行質量監控，及時發現和解決問題，保證施工質量。

（3）施工順序：按照施工順序進行作業，確保每個臺階的施工順利進行。在進行下一臺階的施工前，要對前一臺階的支護工程進行檢查和驗收，確保施工進度和質量。

（4）材料和設備準備：提前準備好所需的材料和設備，確保施工過程中的連續性和效率。材料和設備的質量要進行嚴格檢查和調試，確保施工質量。

（5）環境保護：施工過程中要注意環境保護，采取措施防止土方開挖和支護工程對周邊環境造成污染或者破壞，保護生態環境。

（6）協調與溝通：三臺階法施工通常是一個較大的工程系統中的一個環節，要與其他工序進行良好的協調與溝通，確保施工進度和質量符合整體要求。

3 隧道施工中變形監測研究

洛川隧道施工中的變形監測研究是確保該隧道工程安全、穩定的關鍵環節。通過監測拱頂沉降和圍巖水平收斂等指標，可以及時掌握隧道結構和周圍地層的受力、變形情況，防止事故發生。

3.1 觀測點位設置原則

在隧道施工中，正確設置拱頂沉降和圍巖水平收斂的觀測點位至關重要，以確保監測數據的代表性和準確性。觀測點應選擇在地質條件復雜或施工方法可能引起顯著變形的關鍵區域，如地質突變區和大跨度開挖區域。這些點位應均勻分布于隧道的全長，特別是在結構關鍵部位如拱頂、拱肩及側壁等。監測頻率應根據地質條件的變化和施工進度的關鍵階段來調整，以便及時捕捉到任何可能的變形趨勢。此外，應結合使用多種監測技術，如全站儀、水準儀等，以提高監測數據的可靠性和準確性。通過這種全面而細致的觀測點設置，可以有效監控并響應施工過程中的地質變形，確保隧道工程的施工安全和質量。最后，監測數據的定期分析和反饋對于指導施工調整和優化支護措施至關重要，這有助于實時調整施工策略，確保項目的順利進行。

3.2 觀測元件與埋設

（1）沉降觀測點

隧道主體完工后，每個觀察斷面在相應的隧道拱頂處布設一個拱頂沉降監測點；采用鉆機鉆眼，混凝土回填加固，標志略低于仰拱面。隧道觀測標埋設位置如圖1所示。

（2）水平收斂觀測點

圍巖水平收斂觀測點應在隧道全長范圍內均勻分布，確保對整個隧道斷面的變形情況進行全面監測。在隧道拐彎處、交匯點、結構復雜地段、地質條件突變區域以及施工難度大的段落，應重點布設觀測點。此外，根據隧道長度和地質條件，合理確定觀測點的間距。通常情況下，觀測點的間距為5～20 m。在洛川隧道施工時，觀測點間距取為20 m。

隧道變形觀測標采用直徑為20 mm、長為110 mm的SUS304不銹鋼制作，頂端帶十字刻絲。

3.3 沉降監測結果

以DK195+510監測斷面為例，其沉降變形規律和沉降變化速率分別如圖2所示。從監測結果來看，隨著時間的推移，各監測點位的沉降量逐漸增加。沉降值在初期快速增加，隨后增速逐漸放緩。原因是監測初期，開挖擾動對圍巖頂部沉降變形影響較大，而當圍巖自我穩定后，位移變化趨勢趨于平穩。通過擬合函數發現，洛川隧道DK195+510監測斷面的拱頂沉降變形規律符合二次函數y=0.008 33x2?0.655 25x+0.96 194的變化規律，擬合優度R2為0.97。在45 d時，拱頂變形最大值達到11.6 mm。

3.4 水平收斂監測結果

圖3為水平收斂位移變形曲線，由圖3可知，水平收斂變形共分為3個階段。階段1：觀察到在施工初期，水平收斂速率較快，這可能與初期開挖造成的圍巖松動有關。階段2：隨著時間的推移，水平收斂速率增長放緩，曲線開始趨于線性，這可能是因為圍巖逐漸適應了新的應力狀態，或是施工支護措施開始發揮作用。階段3：隨著施工的持續進行和圍巖穩定性的提高，水平收斂的增長趨勢進一步放緩，接近于一個常數值，顯示出一種趨于穩定的變形行為。通過函數擬合可知，變形滿足y=?0.000 24x3?0.012x2+0.11x+0.099。

綜上所述，在施工初期采取必要的支護措施來對抗可能的快速變形。如果在某個時間點后沉降量或收斂量顯著增加，可能需要重新評估現場條件，調整或加強施工支護措施。

4 隧道圍巖變形控制措施

隧道拱頂沉降變形控制是確保隧道施工過程中拱頂沉降和變形在可接受范圍內的關鍵措施。針對該工程中的拱頂沉降變形控制措施方法如下：

（1）合理的支護結構設計：根據隧道的地質情況和工程要求，設計合適的支護結構，包括拱頂襯砌、鋼拱架、錨桿等，以提供足夠的支撐和穩定性。

（2）預防性地質勘察：在施工前進行充分的地質勘察和分析，了解隧道圍巖的地質特征、變形規律和地下水情況，為沉降變形控制措施的制定提供依據。

（3）實時監測系統：建立實時的拱頂沉降變形監測系統，利用全站儀、傾斜儀等設備對拱頂沉降和變形進行實時監測，及時發現變形情況并采取應對措施。

（4）施工方法優化：采用合適的施工方法和工序，如分段開挖、適時的拱頂支護措施等，減少拱頂沉降和變形對隧道穩定性的影響。

（5）土體加固與加固措施：對易發生沉降和變形的土體進行加固處理，如灌漿加固、土釘加固等，增強土體的穩定性和承載能力。

（6）定期評估與調整：定期對拱頂沉降和變形進行評估和調整，根據監測數據對控制措施進行優化和改進，確保施工過程中的拱頂沉降變形處于可控范圍內。

5 結語

該文圍繞洛川黃土地區隧道工程的施工特點和地質條件，深入探討了三臺階法施工工藝及變形控制的相關內容。通過對該項目工程背景、施工工藝、變形監測及控制的研究和分析，深刻認識到了在特殊地質條件下隧道工程所面臨的挑戰，并提出了相應的解決方案和控制措施。隨著現代交通建設的不斷推進，地區交通基礎設施的建設將對地區經濟發展和人民生活水平的提高起到重要作用。該文的研究成果有望為類似地區的隧道工程施工提供理論支持和實踐指導，促進地區交通建設的健康發展，實現經濟社會效益的最大化。

參考文獻

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