复杂地质长大黄土隧道施工技术研究

2011-08-20刘伟

山西建筑 2011年24期

刘伟

1 工程概况

西平铁路1标位于陕西省咸阳市境内，黄土隧道大小共3座，其中丁家山隧道长5 774 m，为西平铁路1标最长的黄土隧道，隧道在洞身中部设斜井一座。丁家山隧道地貌上属于黄土残塬区，主要地层为第四系全新统冲积粘质黄土、上更新统风积粘质黄土、中更新统风积粘质黄土。粘质黄土以粘粒为主，多孔隙，直立性强，上部具有湿陷性。柱状节理发育，易坍塌、掉块，成洞性差。

2 具体施工技术

2.1 洞口开挖及边仰坡临时防护

黄土隧道施工首先要考虑确保进洞施工的安全，因此，洞口开挖边仰坡坡度的选择、临时防护及超前支护参数的选定相当重要。以丁家山隧道出口为例，丁家山隧道出口位于一凸出黄土梁咀上。洞口里程为DK55+679，洞口仰坡坡率为1∶1，采用分级开挖，每级边坡高8 m。经现场核实地形情况，洞门挖方作业场地狭小，且高陡，洞口段隧道线路左侧覆盖土体较薄，局部有松散堆积土，且存在偏压，影响洞门及洞口段隧道结构安全。依据实际地形条件，洞口里程变更为DK55+657，即洞口里程向小里程方向移22 m，洞口仰坡高，仰坡坡率变更为1∶1.25，采用分级开挖，每级边坡高8 m，边仰坡采用骨架护坡防护。

2.2 超前支护

超前支护参数根据黄土类别的不同进行选定，洞口土质为松散的新黄土，采用超前大管棚进行支护，洞身地段超前支护采用φ42超前小导管，而且注浆固结效果好，其参数:水泥浆水灰比1∶1，最大注浆压力均为1.0 MPa，试验发现新黄土中浆液扩散半径大于50 cm，老黄土中仅为2 cm。超前大管棚施工时，其联结部位必须确保有足够强度及刚度，施工中优先考虑丝扣连接，也可以套管焊接，不允许两钢管直接对焊使用。

2.3 洞身开挖

丁家山隧道原设计为单一黄土隧道，施工中出现了灰岩地层，并存在大量的土石分界地层。考虑到黄土隧道的特殊性，结合现场施工实际情况，从黄土隧道过渡至石质隧道围岩共出现四种情况:纯黄土断面;土石分界断面;灰岩断面;灰岩断面。根据以上四种情况开挖方法对应四种方法:上下台阶预留核心土法;土石分界施工法;台阶爆破法;全断面爆破法。

2.3.1 纯黄土断面

由于黄土隧道属于软质围岩，多为Ⅳ，Ⅴ级围岩，最忌扰动，尤其围岩柱状节理发育时，极易坍塌、掉块，成洞性差，故严禁爆破开挖，施工中一般采取短台阶法、弧形导坑预留核心土的方式进行，核心土的留设可对掌子面土体处于三向应力状态，从而对掌子面土体起加固作用，如图1所示，以丁家山隧道为例，开挖中先以挖掘机挖除核心土周边的土体，然后人工修整轮廓线周边20 cm～30 cm土体，以避免出现大的超欠挖，当局部夹含少量钙质结构、土质较为坚硬时，以风镐辅助作业。

图1 上下台阶预留核心土法

图2 土石分界断面示意图

2.3.2 土石分界施工法

土石分界施工法主要适用于隧道断面上部为黄土，下部为灰岩地段(见图2)。上部采用人工配合挖掘机的方法开挖。下部施工时采用弱爆破的方法，下部左右两侧分开爆破，最大程度减小爆破震动。上台阶控制在5 m左右。下部左右两侧分开爆破的间距控制在2榀拱架间距以内。为保证拱顶不易产生失稳、坍塌现象，爆破时严格控制好炮眼的深度、数目以及装药量等。

2.3.3 台阶爆破法

台阶爆破法适用于拱部覆盖层小于10 m的全断面灰岩地段。

图3 台阶法炮眼布置图

因受强风化灰岩地层影响，拱部灰岩覆盖层稳定性较差，采用台阶法爆破(见图3)。开挖时先爆破上台阶，之后再爆破下台阶。上下台阶错开5 m左右。为控制隧道断面爆破掏槽时产生的垂直震动速度，选择先引爆掏槽眼，再进行上半断面爆破的方法。下部施工时采用弱爆破的方法，左右两侧分开爆破。

2.3.4 全断面爆破法

全断面爆破法适用于拱顶覆盖层大于10 m的灰岩地段。

全断面爆破法是整个断面按设计爆破参数同时爆破的方法。爆破完成后为消除围岩应力集中和掉块现象，及时初喷。严格按照设计参数安装药包锚杆。不需要安装超前支护和初支钢架。

2.4 初期支护

黄土隧道拱部土体自稳性差，易坍塌及掉块，故支护必须紧跟。根据“短进尺、强支护、勤量测、早成环”的施工原则，每循环开挖后应立即施作锚喷挂网联合支护，认真进行初喷作业，初喷厚度为4 cm，特别对于黄土隧道施工而言，初喷混凝土能迅速封闭岩面，减少围岩暴露时间，又能增强拱圈的自承能力。喷射混凝土时，分多次复喷至设计厚度，这样可以保证喷射混凝土的施工质量，又能减少回弹，节约施工成本。

施工中在拱架底部增设混凝土垫块塞实，以避免拱架及初期支护不必要的沉降;拱架连接螺栓必须上齐并拧紧，骑缝焊接饱满，并且考虑预留沉落量及二衬净空扩大量应加大拱架圆弧半径，以确保二衬施工前初期支护净空满足规范要求。

2.5 落底成环

当掘进施工进尺达到5 m～10 m，必须进行落底成环施工。落底成环施工要谨慎、科学组织，左右侧错开一定距离分别落底，避免两侧同时落底，造成拱架悬空引起大的沉降。拱架落底时拱架底部要支立牢靠并及时回填。每次拱架落底不宜太长，洞口段每次1榀～2榀，其他段则按2榀～3榀进行控制。以丁家山隧道为例，上导坑、落底成环及仰拱施工均保持12 m～15 m的间距。

2.6 仰拱及二衬施工控制

仰拱采用挖掘机开挖，仰拱开挖时要随时注意初支变形情况，距拱脚50 cm左右处采用人工开挖，防止机械碰撞初支钢架。仰拱开挖后关键环节是“及早闭合成环”。仰拱混凝土采用全幅整体灌注，利用移动栈桥解决洞内出土进料与仰拱施工之间的干扰问题。在仰拱填充施工完毕后，立即施作拱墙防水和钢筋绑扎，防水与钢筋采用移动平台进行，平台长度10 m。钢筋绑扎完毕，检查合格后，台车就位，立设堵头模板，灌注混凝土。二次衬砌台车距离掌子面距离不得超过70 m。

2.7 通风防尘

通风防尘的作用是稀释和排出洞内空气中的粉尘，隧道施工通风主要采用长管路独头压入式通风方案。在隧道进出口每个工点洞口外设2×55 kW轴流通风机，施工初期采用单机通风，后期采用双机通风。风筒采用φ1 500 mm柔性风筒。由于丁家山隧道斜井进入正洞后分别向两个方向施工，在洞口设两台2×55 kW轴流通风机，风筒采用φ1 300 mm柔性风筒，前期斜井施工时采用一台2×55 kW轴流通风机，进入正洞后两台风机分别向两个方向进行送风。同时采取综合防尘技术，洞内每天喷雾洒水，可显著的减少产尘量和防止尘土飞扬。实践证明，坚持适量的洒水，可减少粉尘，确保洞内空气清新，创造良好的劳动环境。

2.8 施工运输

丁家山隧道施工采用无轨运输方案。开挖施工采用挖掘机或装载机配合装碴，由自卸汽车运输至弃碴场;隧道混凝土衬砌施工采用混凝土搅拌运输车向洞内运送混凝土。为了加快施工进度，保证隧道工期，在隧道内每300 m将大避车洞加宽、加大，在避车洞内错车，解决了长大单线隧道在洞内的错车问题。此处大避车洞及两侧正洞二衬待开挖贯通后统一施工。