黃土雙連拱隧道施工技術(shù)要點(diǎn)淺析

1、黃土雙連拱隧道施工技術(shù)要點(diǎn)淺析中鐵十一局集團(tuán)四公司 夏偉云摘要：雙連拱隧道因具有其不可替代的優(yōu)點(diǎn)而越來(lái)越普遍，但雙連拱隧道的施工技術(shù)還很不完善。本文闡述了黃土雙連拱隧道的一些重要施工工序，分析了黃土雙連拱隧道在施工過(guò)程中應(yīng)特別注意的諸如施工用水的控制、開(kāi)挖方式及開(kāi)挖機(jī)具的選擇、中隔墻施工、監(jiān)控量測(cè)等施工技術(shù)要點(diǎn)。關(guān)鍵詞黃土 雙連拱隧道 施工技術(shù)要點(diǎn) 淺析1 概述1.1 工程概況王家會(huì)連拱隧道位于山西省柳林縣境內(nèi)，是青島至銀川國(guó)道主干線山西省離石軍渡段高速公路的一項(xiàng)重點(diǎn)工程，起訖里程K3+590K3+802.5，全長(zhǎng)212.5m，屬雙連拱隧道，是目前國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的黃土雙連拱隧道之一，設(shè)計(jì)車速80Km

2、/h，隧道建筑限界凈高為10.25m，行車道寬為7.5m，限高5m。中隔墻的斷面結(jié)構(gòu)形式采用經(jīng)改進(jìn)和優(yōu)化的復(fù)合式曲中墻，中隔墻厚2.6m；隧道襯砌為曲墻式復(fù)合襯砌，初期支護(hù)采用噴、錨、網(wǎng)、鋼拱架支撐、格柵鋼架支撐；并增加超前小導(dǎo)管或超前錨桿預(yù)加固措施，隧道洞口淺埋段采用108長(zhǎng)管棚超前支護(hù)（見(jiàn)復(fù)合襯砌支護(hù)參數(shù)表）。復(fù)合襯砌支護(hù)參數(shù)表1.2 地質(zhì)概況 隧址區(qū)位于晉陜黃土高原呂梁山脈中低山區(qū)，基巖全被黃土覆蓋，隧址區(qū)地層主要為第四系上更新統(tǒng)馬蘭組（Q3m），淺灰黃色黃土（亞砂土），中更新統(tǒng)離石組（Q2L ），淺棕紅色黃土（亞粘土、亞砂土）組成，硬塑堅(jiān)硬狀，柱狀節(jié)理發(fā)育，夾古土壤層及鈣質(zhì)結(jié)核層；微地

3、貌為黃土梁、陡坎、沖溝，沖溝多呈“V”字型；地表水主要為大氣降水，地下水埋藏較深。1.3 施工工序簡(jiǎn)介本隧道采用最為安全的三導(dǎo)洞法施工方案，即中導(dǎo)洞先行，進(jìn)行超前開(kāi)挖，雙側(cè)導(dǎo)洞隨后跟進(jìn)的方案。主要施工工序如下（見(jiàn)施工工序示意圖）：（1）中導(dǎo)洞施工：開(kāi)挖中導(dǎo)洞；施工中導(dǎo)洞初期支護(hù)；澆筑中隔墻；（2）左側(cè)主洞施工：開(kāi)挖左側(cè)導(dǎo)洞；施工左側(cè)導(dǎo)洞初期支護(hù)；回填中隔墻右側(cè)；開(kāi)挖左側(cè)主洞上半斷面；施工左側(cè)主洞頂部初期支護(hù)；開(kāi)挖左側(cè)主洞下半斷面；澆筑仰拱及二次襯砌；（3）右側(cè)主洞施工：開(kāi)挖右側(cè)導(dǎo)洞；施工右側(cè)導(dǎo)洞初期支護(hù)；開(kāi)挖右側(cè)主洞上半斷面；施工右側(cè)主洞頂部初期支護(hù)；開(kāi)挖右側(cè)主洞下半斷面；澆筑仰拱及二次襯砌；

4、2 施工技術(shù)要點(diǎn)2.1 施工用水的控制施工用水的控制貫穿在施工的全過(guò)程，對(duì)黃土隧道而言，黃土的含水量大小對(duì)施工的影響很大，直接影響圍巖穩(wěn)定、開(kāi)挖安全、初期支護(hù)穩(wěn)定以及二次襯砌的變形。本隧址區(qū)的黃土主要是亞砂土和亞粘土組成，當(dāng)受水浸濕后黃土的結(jié)構(gòu)迅速破壞而發(fā)生顯著附加下沉，這是黃土的濕陷特性。一般而言，隧道工程的受力特點(diǎn)是以支護(hù)結(jié)構(gòu)作為承載主體，圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形起約束作用，或者是以圍巖為承載主體，支護(hù)結(jié)構(gòu)限制圍巖向隧道內(nèi)變形。由于本隧道的圍巖類別屬類、類的黃土，受力特點(diǎn)要復(fù)雜得多。但是圍巖的承載能力越高，它給予支護(hù)結(jié)構(gòu)的主動(dòng)壓力越小，這是無(wú)庸置疑。這就要求我們?cè)谑┕み^(guò)程中盡量保護(hù)好圍巖的原有

5、結(jié)構(gòu)，提高圍巖的自穩(wěn)能力（即承載能力），這也是新奧法施工的精髓。對(duì)于黃土圍巖而言，水的控制對(duì)提高圍巖的自穩(wěn)能力是至關(guān)重要的。有經(jīng)驗(yàn)表明，如果在開(kāi)挖中（未初期支護(hù)）沒(méi)有控制好施工用水，使其肆意橫流，輕者使工作面的地面黃土浸水成淤，不利于施工作業(yè)；甚者是圍巖因浸濕而濕陷失穩(wěn)，導(dǎo)致局部坍塌；更有甚者圍巖因水浸泡自穩(wěn)能力不斷喪失，導(dǎo)致大坍方直至冒頂；即使隧道在開(kāi)挖后已施作初期支護(hù)，如果沒(méi)有控制好施工用水，使水浸入邊墻或隧底，初期支護(hù)兩側(cè)拱腳的基礎(chǔ)就會(huì)因水濕陷，承載能力不斷下降直到完全喪失，最終會(huì)導(dǎo)致初期支護(hù)拱墻豉漲、拱頂下沉、周邊開(kāi)裂等危害。施工中對(duì)水的控制應(yīng)該在每道工序中加以注意，開(kāi)挖施工中要少用水

6、甚至不用水，這只要改變開(kāi)挖機(jī)具即可做到；開(kāi)挖后在初噴混凝土施工時(shí)，為了清潔巖面，我們往往是用高壓水和高壓風(fēng)吹洗巖面，但對(duì)于黃土圍巖而言，用高壓水來(lái)清洗巖面會(huì)使圍巖初噴面軟化，初噴混凝土與圍巖的粘結(jié)極為薄弱，因此要避免用水來(lái)清洗巖面；在施作注漿錨桿、砂漿錨桿、中空錨桿或超前小導(dǎo)管時(shí)需對(duì)孔眼注漿（或砂漿），為減少漿液中水對(duì)圍巖的破壞作用應(yīng)該盡量降低漿液（或砂漿）的水灰比，在澆筑仰拱混凝土?xí)r也應(yīng)該嚴(yán)格控制混凝土的坍落度（即控制水灰比），加強(qiáng)對(duì)混凝土的搗固，避免隧底圍巖因水濕陷而沉降。還有一點(diǎn)必須提醒的是，洞室開(kāi)挖前務(wù)必做好洞口的防排水措施，以防雨季的雨水流入洞內(nèi)，造成不可挽回的損失。2.2開(kāi)挖方式及

7、開(kāi)挖機(jī)具的選擇雙連拱隧道與分離式隧道相比較，雙連拱隧道開(kāi)挖跨度大，本隧道的跨度就大于22m；隧道埋深淺，多次開(kāi)挖必然導(dǎo)致圍巖受多次擾動(dòng)，尤其是中隔墻頂部，多次擾動(dòng)后在施工后期承載著巨大的圍巖壓力，稍有不慎易引起隧道圍巖坍方；雙連拱隧道施工工序較多，結(jié)構(gòu)特殊又復(fù)雜，且結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)變化頻繁，施工技術(shù)難度大；但雙連拱隧道有著一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)是：它避免了隧道洞口橋隧或路隧分幅即避免了線路從整體到分離再到整體的復(fù)雜轉(zhuǎn)換。因此，雖然雙連拱隧道施工風(fēng)險(xiǎn)大，技術(shù)難度高，但它有著不可替代的優(yōu)點(diǎn)，所以我們?cè)谑┕み^(guò)程中要高度重視、精心組織，重視本隧道施工的每一道工序，尤其要重視“開(kāi)挖”這道走在隧道施工前頭的工序。中導(dǎo)

8、洞、側(cè)導(dǎo)洞的開(kāi)挖我們均選擇全斷面開(kāi)挖，因?yàn)樗鼈兊拈_(kāi)挖斷面較小，作業(yè)面狹小，單洞內(nèi)的各道工序幾乎無(wú)法平行作業(yè)。而且黃土隧道的掘進(jìn)必須遵循“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)”的原則，施工中應(yīng)嚴(yán)格控制每次開(kāi)挖的進(jìn)尺量：類圍巖控制在1米之內(nèi)，類圍巖控制在1.5米之內(nèi)，同時(shí)開(kāi)挖工序必須盡快完成以便進(jìn)行下一步工序初期支護(hù)施工，經(jīng)驗(yàn)表明，這樣的全斷面開(kāi)挖施工是可行的。雖然單洞內(nèi)的各道工序無(wú)法平行作業(yè)，但各個(gè)導(dǎo)洞的施工卻互不干擾，在實(shí)際施工中，可以先行開(kāi)挖掘進(jìn)中導(dǎo)洞，滯后一定距離后再開(kāi)挖左、右側(cè)導(dǎo)洞，從整體施工上實(shí)現(xiàn)交叉施工、平行作業(yè)。主洞的開(kāi)挖必須在中隔墻澆筑好之后方可進(jìn)行，這是因?yàn)橹懈魤κ侵鞫撮_(kāi)挖后最重要的受力承載部位。開(kāi)

9、挖分上、下斷面依次開(kāi)挖，上斷面我們選擇弧形開(kāi)挖法，保留核心土（見(jiàn)主洞施工工序示意圖），滯后一定距離開(kāi)挖下斷面。由于上斷面空間狹小，不利于機(jī)械作業(yè)，為了方便施工，下斷面的開(kāi)挖必須緊跟上斷面（見(jiàn)主洞施工工序示意圖），根據(jù)我們的施工經(jīng)驗(yàn)，上下斷面的開(kāi)挖距離選擇為米時(shí)即能保證安全又利于機(jī)械開(kāi)挖作業(yè)，圍巖較好時(shí)取較小值，反之取較大值。左、右主洞的開(kāi)挖必須錯(cuò)開(kāi)一定距離，這是由于左右主洞開(kāi)挖后，隧道拱部的圍巖壓力主要由中隔墻來(lái)承載，當(dāng)左（或右）主洞超前開(kāi)挖后，圍巖對(duì)中隔墻的產(chǎn)生偏壓力，且這個(gè)偏壓力是較復(fù)雜的，但我們可以簡(jiǎn)單的認(rèn)為是一個(gè)向右（或左）水平分力和一個(gè)向下垂直分力的合力，水平分力由右（或左）主洞未開(kāi)

10、挖的圍巖和中隔墻共同抵抗，而垂直分力基本上全部由中隔墻承載，在這個(gè)圍巖壓力未趨于穩(wěn)定之前開(kāi)挖右（或左）主洞，使大部分向左（或右）抵抗力消失，則橫向水平分力會(huì)引起中隔墻向右（或左）位移、傾斜、開(kāi)裂等危害，這將會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果。因此當(dāng)左（或右）主洞開(kāi)挖并初期支護(hù)完成、圍巖壓力趨于穩(wěn)定后方可開(kāi)挖右（或左）主洞。洞口淺埋段或偏壓段主洞的開(kāi)挖更值得提高注意，只有在左（或右）主洞二次襯砌好之后才能進(jìn)行右（或左）主洞的開(kāi)挖。從上面的分析我們可以看出，在左（或右）主洞開(kāi)挖過(guò)程中，中隔墻受到了一個(gè)橫向水平分力的影響，為抵抗這個(gè)橫向水平分力，我們?cè)陂_(kāi)挖主洞之前，在中隔墻右（或左）側(cè)施作一個(gè)反向支撐（見(jiàn)施工工序

11、示意圖中第道工序），反向支撐由下層夯填土和上層漿砌片石構(gòu)成，或由桁架結(jié)構(gòu)（可用直徑25cm以上的圓木）橫向支撐在中隔墻和中導(dǎo)洞側(cè)墻上作為反向支撐物。雙連拱隧道的開(kāi)挖比分離式隧道的開(kāi)挖還多了一道重要的工序，那就是臨時(shí)支護(hù)的拆除：側(cè)導(dǎo)洞內(nèi)側(cè)和中導(dǎo)洞兩側(cè)的初期支護(hù)在主洞仰拱開(kāi)挖前必須拆除。臨時(shí)支護(hù)的拆除必須以主洞監(jiān)控量測(cè)的結(jié)果為指導(dǎo)，因?yàn)橹鞫吹拈_(kāi)挖使隧道結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)發(fā)生變化，臨時(shí)支護(hù)還是一個(gè)重要的受力結(jié)構(gòu)，必須在受力狀態(tài)趨于穩(wěn)定之后方可拆除，如盲目施工，就會(huì)使開(kāi)挖過(guò)程中隧道結(jié)構(gòu)受力頻繁發(fā)生變化，這將成為雙連拱隧道坍方最嚴(yán)重的安全隱患。開(kāi)挖施工我們選用挖掘機(jī)開(kāi)挖作業(yè)（較小斷面采用PC220，較大斷面采

12、用CAT320B），而放棄采用爆破作業(yè)，一是因?yàn)橐刂剖┕び盟?，不宜使用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)等需要用水的機(jī)具，避免黃土圍巖因水濕陷、失穩(wěn)；二是因?yàn)楸谱鳂I(yè)對(duì)圍巖擾動(dòng)大，易產(chǎn)生超挖、圍巖掉塊等現(xiàn)象，極不利于圍巖穩(wěn)定，而機(jī)械開(kāi)挖作業(yè)對(duì)圍巖擾動(dòng)極小，開(kāi)挖后由人工用風(fēng)鎬或十字鎬對(duì)開(kāi)挖面稍做處理，即可使開(kāi)挖面圓順，大大提高了圍巖的自穩(wěn)能力。注漿（砂漿）錨桿、超前小導(dǎo)管等孔眼的鉆孔機(jī)具，我們采用ZM-15T巖石電鉆，避免施工用水。2.3 中隔墻的施工中隔墻是整個(gè)雙連拱隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵，是雙連拱隧道最重要的結(jié)構(gòu)體。中隔墻在左右主洞施工過(guò)程中，將受到壓、拉、彎、剪應(yīng)力等復(fù)雜的作用力，承載著隧道拱部的荷載。因此對(duì)中隔墻

13、的施工必須引起高度重視，特別要注意施工質(zhì)量。本隧道的中隔墻對(duì)稱居中于中導(dǎo)洞，是對(duì)稱斷面的曲中墻。中隔墻的位置和斷面大小確定了中隔墻在施工中作業(yè)空間非常狹小，由于作業(yè)空間的限制，中隔墻的施工只能由中導(dǎo)洞的中間向兩端或由中導(dǎo)洞出口向進(jìn)口進(jìn)行倒退式的施工。同時(shí)，中隔墻混凝土也因空間的限制無(wú)法整體澆筑，分為基礎(chǔ)和墻身兩部分，但中隔墻鋼筋由于起著十分重要的作用，務(wù)必整體綁扎，以增強(qiáng)中隔墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抵抗能力。在施工中我們采用彎制的弧形工字鋼作為模板支架、鋼制小模板立模，輸送泵泵送混凝土入模。但由于中隔墻頂部呈弧形，作業(yè)空間又極其狹小，澆筑混凝土?xí)r通常無(wú)法使中隔墻頂部密實(shí)，往往在弧形頂部留有空洞。因此我

14、們?cè)谥懈魤敳款A(yù)先埋設(shè)注漿管，當(dāng)混凝土澆筑后及時(shí)注漿回填空腔，使中隔墻頂部頂緊巖面。在處理較大的頂部空腔時(shí)，我們先采用易于操作的噴射混凝土回填，然后再注漿，即提高了中隔墻頂部混凝土的密實(shí)度又提了混凝土的強(qiáng)度，這在實(shí)際施工中取得了良好的效果。中隔墻頂部回填是至關(guān)重要的一道工序，務(wù)必嚴(yán)格要求、加以高度重視，因?yàn)橹懈魤κ侵饕芰Y(jié)構(gòu)，如果中隔墻頂部回填不密實(shí)，無(wú)法承受圍巖壓力和初期支護(hù)施工后帶來(lái)的不對(duì)稱作用力，極易引起中隔墻頂部圍巖失穩(wěn)、坍塌，甚至?xí)怪懈魤A斜、開(kāi)裂等嚴(yán)重后果，從而引起主洞坍塌。2.4 監(jiān)控量測(cè)眾所周知,隧道開(kāi)挖前圍巖處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，隧道開(kāi)挖后，洞壁形成臨空面，原始的應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，引起應(yīng)力重分布，在開(kāi)挖施工過(guò)程中隨著圍巖應(yīng)力的變化，同時(shí)伴隨著圍巖位移（變形）的變化。因此在施工過(guò)程中，我們要使用各種儀器設(shè)備和量測(cè)元件對(duì)地表沉降、圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行量測(cè)，據(jù)此來(lái)判斷隧道開(kāi)挖對(duì)地表環(huán)境的影響范圍和程度、圍巖和穩(wěn)定性和支護(hù)的工作狀態(tài)，并預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)圍巖穩(wěn)定性、檢驗(yàn)施工方案、修正支護(hù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式、指導(dǎo)實(shí)際施工。黃土隧道其變形具有“蠕變特性”，它有一個(gè)發(fā)展過(guò)程，必須在施工過(guò)程中密切注意。本隧道施工中我們通過(guò)對(duì)中導(dǎo)洞拱頂下沉和凈空收斂量測(cè)，判斷和預(yù)報(bào)了圍巖的穩(wěn)定性、修正了支護(hù)結(jié)構(gòu)形式、指導(dǎo)著中導(dǎo)洞每循環(huán)開(kāi)挖的進(jìn)度；通過(guò)對(duì)主