黄土隧道超欠挖控制研究

2020-11-06王海堂李远新贺耀伟李涛胡文斌

甘肃科技纵横 2020年9期

王海堂李远新贺耀伟李涛胡文斌

摘要：超欠挖控制是隧道工程施工管控的重中之重，将影响工程的施工效益、施工安全、工程品质、项目进度等方面。黄土隧道超欠挖控制更是许多隧道人亟待解决的施工难点之一。以甘肃陇东地区某隧道为研究对象，对超欠挖情况进行数据统计，结合初期支护所用混凝土量、超前小导管的打设角度及开挖进尺实际案例加以分析，归纳造成隧道超欠挖的原因。总结黄土隧道管理控制超欠挖的措施，为类似黄土隧道工程提供施工经验，做到精细化管控，提高工程质量，节约施工成本，效益最大化。

关键词：黄土隧道;超欠挖;成本控制

中图分类号：U455

文献标志码：A

0引言

甘肃陇东地区某隧道采用分离式，双向四车道，净高5.0m，左线最大埋深为84m，右线最大埋深82m。隧道地处黄土地貌区，围岩属于V级，工程地质分区为I区。隧道上覆地层为第四系上更新统风积层马兰黄土，褐黄色，局部见白色钙膜，具有不同方向的原生与构造节理，特别是垂直发育节理发育，呈现土体多孔，疏松，低密度等特性，并具湿陷性，易产生潜蚀，形成陷穴。

1隧道超欠挖原因分析

隧道超欠挖是以开挖标准轮廓线为依据，超挖即隧道实际开挖轮廓线大于标准隧道设计轮廓线，欠挖即隧道实际开挖轮廓线小于隧道设计轮廓线。隧道超挖会造成开挖土方量和混凝土用量增加，从而使施工成本费用增高;超挖严重时会导致突出的混凝土与围岩应力集中，破坏衬砌结构的稳定性，对隧道全寿命周期安全运营造成安全隐患;超挖的部分需要用混凝土填实，会消耗更多的人力和时间，影响工程进度。隧道欠挖会导致衬砌厚度不足，影响工程质量，形成安全隐患。因此在隧道施工过程中，严格控制超欠挖，减小超挖量，避免欠挖。造成隧道超欠挖的原因主要有以下六个方面：

（1）测量放样导致的超欠挖。隧道所采用的导线控制点不精确导致开挖线放样偏差大;隧道内光线暗、能见度差，测点与测站之间的距离较大时引起测量误差，误差通常有3-5cm。

（2）机械开挖操作不当造成的超欠挖。机械手受到掌子面光线暗、视觉差、机械操作不灵活等因素的影响，开挖断面偏离设计轮廓断面，易造成隧道超欠挖。

（3）人工整修岩面造成的超欠挖。黄土隧道开挖时要求机械开挖预留30cm由人工开挖，整修岩面。在整修过程巾施工人员修边不到位易形成欠挖。

（4）地质条件引起超欠挖。黄土隧道通常具有围岩强度及自稳能力弱的特性，并且具有在不同方向的原生与构造节理，特别是垂直发育节理，存在明显的节理、裂隙、薄弱夹层等地质，围岩完整性差，极易破坏岩面，形成局部掉块，造成超欠的平衡，在粉状黄土隧道超挖量通常可达50-10%。

（5）超前支护施工造成超挖。超前小导管支护在隧道顶部及腰部形成支撑棚，在其他支护结构没有发挥作用时，提供上覆土体所需的支撑力，减小或消除因隧道开挖引起的沉降，甚至塌方，确保隧道施工安全。同时超前支护施工钻孔角度及送管对土体的扰动很大，超前小导管周围的土体因扰动已疏松，小导管下面的土块掉落很严重。粉状黄土隧道因超前支护扰动造成的超挖量在10%-20%。

（6）开挖进尺不合理造成的超挖。通常情况下，为了追求施工进度，一次性开挖进尺过大，拱部开挖悬空面增加，加之超前支护对土体的扰动，在长时间没有有效支撑的情况下，易产生大体积土块的掉块、垮塌，造成严重的超挖量。

2隧道超欠挖控制措施

隧道超欠挖控制措施主要有：

（1）控制开挖轮廓线准确无误，避免因测量放样造成超欠挖是隧道开挖控制的关键。定期复核导线控制点，洞内控制点须做导线闭合测量，确保控制点精准。加强洞内照明、通风，架设测站时，和测点通视，消除测量误差。

（2）黄土隧道开挖通常采用人工辅助机械开挖的方式进行。隧道开挖时由专业人员指挥机械开挖断面，机械操作员须有开挖经验，工作有责任心。开挖时机械活动幅度不能太大，动作轻巧，减小对围岩的扰动。机械开挖接近开挖轮廓线30cm时，使用安装在挖机上的刀片修整断面，接近开挖轮廓线10cm时，人工开挖至标准轮廓线。机械开挖的死角部位须人工开挖完成。

（3）人工整修开挖面后使用激光断面仪采集实际开挖断面数据，和标准断面对比，可以直观表现出超欠挖的大小、具体位置。针对欠挖的情况再次修整断面，杜绝欠挖的情况存在。

（4）在施工中对开挖地质情況实地勘察，结合监控量测数据及超前预报资料对于地质极差的围岩及时调整支护参数，编写开挖方案，优化施工工艺，保证施工安全，减小超欠挖带来的不利影响。

（5）通过研究超前小导管打设角度不同，引起超挖量大小的数据分析，超前小导管外插角在10-15°时超欠挖控制效果最好;当小于10°会造成欠挖，并且影响拱架安装的高度;当大于15°时，超挖量明显增加，角度越大，超挖量越大，超前支护作用越小。因此在超前支护时控制导管的外插角是控制黄土隧道超挖量的重要措施。

（6）对赵墩黄土隧道V2围岩开挖与超挖量数据分析得出，开挖1榀（0.6m），超挖量不足10%;开挖2榀（1-2m），超挖量在20%-30%;开挖3榀（1.8m），超挖量在45%左右。因此，加强现场管控，合理安排开挖进尺，对隧道超欠挖控制尤为重要。

3案例分析

3.1开挖进尺和超前小导管施工造成隧道超挖

选取甘肃陇东某隧道左线ZK35+174-224段作为试验段，该段处于TVa围岩段，每榀型钢支护间距为0.6m，地表较为平坦，埋深变化不大，地质情况基本一致，围岩自稳能力较差，易坍塌，侧壁亦不稳定，局部有掉块现象。施工中开挖进尺通常有1榀、2榀和3榀，超前小导管打设角度设计要求为10°-15°，实际施工中15°- 25°比较常见。通过现场观察和数据统计两种方法，记录不同施工条件下，超前小导管打设角度和开挖进尺不同造成的混凝土超方量，以此分析超前小导管打设角度和开挖进尺管控对于隧道超挖的影响。具体数据统计见表1所列。

从上表数据分析可以看出，当该试验段开挖榀数相同时，超前小导管的支护角度10°- 15°比15°- 25°混凝土节超比小25%左右;当超前小导管的支护角度相同时，开挖进尺越小，节超比越小。

3.2隧道超挖对施工成本的影响

该隧道的平均超挖量为12cm，以隧道进尺1m计算增加的成本费用。土方量增量为4.61m3，混凝土增量为5.54m3，每立方米土方运输1公里费用单价为7.7元，每立方米混凝土单价为500元，总费用为2805.5元。该隧道左右线总长2266m，因超挖增加的混凝土及土方费用为6357263元。超挖除增加混凝土和土方费用外，超挖还会增加工人工作量、初支封闭时长，耗时耗力，严重则影响施工进度，甚者影响施工安全。虽然现在隧道工技术相对成熟，并且有“五新”技术作为支撑，但隧道建造成本在基建行业竞争激烈，在低价竞标的大背景下，要取得高效益，就必须精细化管控，降低额外生产成本。

4结论

本论述以甘肃陇东地区黄土隧道为研究对象，结合初期支护所用混凝土量、超前小导管的打设角度及开挖进尺对该隧道超欠挖情况进行了分析，所得结论主要如下：

（1）当开挖榀数相同时，超前小导管的支护角度10-15°比15°-25°混凝土节超比小25%左右，反之当超前小导管的支护角度相同时，开挖进尺越小，节超比越小。

（2）隧道超挖可以极大幅度增加施工成本。

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