客运专线黄土隧道三台阶七步开挖技术及沉降控制

2016-12-15张永安

工程技术研究 2016年11期

关键词：挖机进尺松土

张永安

（中铁二局第四工程有限公司，四川成都 610300）

客运专线黄土隧道三台阶七步开挖技术及沉降控制

张永安

（中铁二局第四工程有限公司，四川成都 610300）

黄土隧道围岩强度较低，沉降量大，选择合理的开挖方法是确保隧道施工安全和快速施工的关键。采用三台阶七步开挖法能够很好的控制围岩变形，确保安全的同时满足快速施工的要求。

黄土隧道；开挖；沉降

1 工程概况

本标段位于甘肃省定西市和榆中县境内，全长25.966km，其中隧道8座，累计长度为21.923km，占据整个标段的84.4%。隧道安全、快速施工对本项目的工期、成本起到决定性作用。隧道所处地层主要为第四系上更新统砂质黄土，具有Ⅳ级自重湿陷性，湿陷土层厚度约15～25cm。第四系中更新统黏质黄土、砂质黄土和中砂。上第三系泥岩，遇水易软化，具弱膨胀性。

1.1 黄土隧道的特点

黄土隧道由于土质较松、强度较低一般采用机械配合人工开挖的方法就能满足施工要求。洞口浅埋段容易发生地表沉降，造成边仰坡失稳。暗洞通过合理预留沉降量及增加辅助措施来控制隧道沉降，进而确保施工的安全、有序。

1.2 隧道断面尺寸

本客专设计时速为250km/h，正洞采用双线隧道，净空为12.82m（宽）×8.68m（高）。结构尺寸如图1所示。

图1 隧道断面图

1.3 开挖工法的选择

三台阶七步法主要适用于具有一定的稳定性，强度一般的围岩。围岩级别一般在Ⅳb～Ⅴa之间。该工法能够很好的满足地质条件，确保施工过程中的人员安全以及快速施工的要求。因此，本标段黄土隧道主要采用三台阶七步开挖法。

2 三台阶七步开挖施工流程

施做地质超前预报→施做锚杆→上部弧形导坑的开挖及初期支护→左右错位开挖中台阶及初期支护→左右错台开挖下台阶及初期支护→最后施工混凝土仰拱使初期支护封闭成环→根据监控量测信息反馈，施做防水层，浇筑二衬混凝土。

三台阶七步法施工工序，如图2所示。第1步，拱部弧形导坑的开挖：在拱部超前支护施工完毕后，进行开挖。环向开挖其上部弧形导坑，预留中部的核心土，长度不能小于3m，单侧台阶宽度不能小于2m。开挖循环进尺应该根据围岩等级确定，Ⅴ级围岩不得超过1榀/循环，Ⅳ级不得大于2榀/循环。开挖过后立即初喷3～5cm混凝土，并立即进行系统支护。在钢架拱脚之上30cm高度处，在工字钢两边按倾角30°的方向打设锁脚锚杆。最后复喷混凝土至设计厚度。第2、3步，左、右侧中台阶开挖：开挖进尺不得大于2榀钢架/循环，开挖高度按照3m控制，左、右侧台阶错开宽度为2～3m，开挖后立即初喷3～5cm混凝土，并立即进行系统支护，在钢架拱脚之上30cm高度处，在工字钢两边按倾角30°的方向打设锁脚锚杆。最后复喷混凝土至设计厚度。第4、5步，左、右侧下台阶开挖：开挖进尺不得大于2榀钢架/循环，开挖高度按照3m控制，左、右侧台阶错开宽度为2～3m，开挖后立即初喷3～5cm混凝土。开挖后应立即进行系统支护，在钢架拱脚以上30cm高度处，在工字钢两边按倾角30°的方向打设锁脚锚杆。最后复喷混凝土至设计厚度。第6步，开挖核心土：上台阶、中台阶、下台阶分别开挖核心土，开挖进尺与各台阶循环进尺保持一致。第7步，隧底开挖：每循环开挖长度不能大于3m，开挖后及时封闭成环。完成两个隧底开挖、支护循环后，进行仰拱混凝土浇筑。

图2 三台阶七步法施工工序图

3 三台阶七步开挖施工控制重点

目前，客运专线黄土隧道主要采用三台阶七步法，为防止施工过程中发生初支侵限、确保施工人员安全，加快施工进度。三台阶七步开挖法需要重点做好以下几点：①上台阶开挖过程中Ⅴ级围岩不得大于1榀/每循环，Ⅳ级围岩不得大于2榀/循环，边墙开挖进尺不得大于2榀/循环，各台阶左右两侧应错开至少两榀钢架以上；②隧底开挖前必须完成钢架锁脚锚杆（管）的施工，确保锁脚锚杆与钢架之间可靠连接，确实起到锁脚的效果和作用。隧底开挖循环进尺不大于3m/环。初期支护封闭成环位置距离掌子面的距离不应大于30m。二衬离掌子面的距离Ⅳ围岩不得大于90m，Ⅴ级围岩不得大于70m；③严格控制开挖过程中的台阶高度。上台阶高度严格按照5m

控制，中台阶高度为3m、下台阶高度为3m。核心土长度不能小于3m，台阶左右两侧必须错开布置，单侧台阶的宽度应大于2m。

4 开挖方法的选择

客运专线黄土隧道开挖采用挖机配合人工开挖的方法进行施工。开挖常用的机械设备有挖掘机、松土器、铣挖机。三种机械有各自的特点及适用部位。为确保施工质量及进度，合理选择开挖机械尤为重要。

4.1 挖掘机开挖

挖掘机直接开挖是客运专线黄土隧道最常用的开挖方法，主要适用于Ⅴ级围岩。该围岩土体较松、强度较低。通常采用挖机配合人工开挖即可满足现场施工的要求，开挖速度控制在3.5h/m较为适合。若掌子面围岩是强度较高、整体性较好的泥岩时，挖机开挖较为困难，施工进度不能满足要求时，考虑采用松土器进行施工。

4.2 松土器开挖

松土器是一种具有破碎坚硬土层同时具备翻动功能的一种装置，通常安装在挖机大臂上进行作业。挖机松土器通常叫做斗钩，上部结构为耳孔，分别与斗杆和铲斗缸相铰接，齿尖前端有硬合金堆焊的齿帽，是一种整体式的松土齿。当液压缸的活塞杆伸出时，推动齿尖强制插入并翻动土壤。开挖作业时先采用挖机松土器将坚硬的土层松动过后，再换装上挖机斗进行开挖。开挖速度控制在4～5h/m较为适合。若围岩强度更高，松土器开挖较为困难，施工进度不能满足要求时，则考虑更换为铣挖机。

4.3 铣挖机开挖

铣挖机是一种高效破除坚硬土层、代替挖斗的一种机械装备。黄土隧道施工中，铣挖机适用于坚硬泥岩的开挖作业。通过试验铣挖机和松土器配合进行开挖施工，开挖施工时间可以控制在3～4h/m，通常上台阶全部采用铣挖机开挖，中、下台阶先利用松土器翻动中部土层，然后再使用铣挖机修边作业，开挖时间均约为1.5h。上台阶开挖过后及时架立钢架，以节约施工时间。采用铣挖机进行周边的铣削施工对超欠挖的控制效果较好。

5 沉降控制措施

黄土地层地质特性之一便是自重湿陷性，土体松散且承载能力较差。黄土隧道施工时，沉降量大、沉降周期长，极易造成初支侵陷，后期运营发生仰拱面开裂、无砟道床板开裂等严重事故。因此沉降量控制也是黄土隧道施工技术的一个重点。

5.1 洞口防沉降措施

黄土隧道洞口段施工时，遇到浅埋、偏压、断层等不良地质情况时，在严格按照设计施工过后，往往仍然会出现地表开裂、拱顶下沉、边坡滑移等情况。因此，就必须按照现场实际情况增加必要的工程措施。主要措施有，在沉降量较大，但地表未出现开裂，边仰坡没有失稳垮塌的趋势时，通常的做法是采用加大预留沉降量的办法，同时加强地表沉降观测；在边仰坡有失稳的趋势时，采用沿置重力式挡墙的办法防止边仰坡继续下滑，进而确保进洞安全。

5.2 洞内防沉降措施

洞内沉降量较大时，不仅要加大预留沉降量，还要快速支护、及时封闭成环，必要时采取单工序作业，严格控制安全步距。通过增设一些辅助措施来控制过大沉降，如设置扩大拱脚，拱脚下设置纵向槽钢。以增大拱脚接触面的受力面积，从而有效的控制沉降量。