黃土淺埋段超大跨度高速公路隧道開(kāi)挖施工方法比選

摘 要:結(jié)合超大跨度淺埋黃土隧道的圍巖地質(zhì)條件，從技術(shù)指標(biāo)、施工工序、沉降控制和施工風(fēng)險(xiǎn)等方面分析了隧道開(kāi)挖工法雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、偏心導(dǎo)坑+環(huán)形開(kāi)挖法和蓋挖法等各工法的適應(yīng)范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，從而選擇合理的超大斷面黃土隧道開(kāi)挖施工方法。突破了傳統(tǒng)的山嶺地區(qū)公路隧道的施工工藝，可為類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：大跨度 淺埋 黃土隧道 開(kāi)挖方法 創(chuàng)新工藝 工法比選

中圖分類號(hào):TP2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)04(c)-0115-03

1 工程概況

1.1 隧道設(shè)計(jì)

陽(yáng)曲1號(hào)隧道位于山西省太原市陽(yáng)曲縣，穿越凌井小盆地，陽(yáng)曲小盆地和太原盆地3大地質(zhì)構(gòu)造單元。隧道為分離式雙洞單向三車道高速公路特長(zhǎng)隧道，隧道左線長(zhǎng)4685m，右線長(zhǎng)4711m。隧道建筑限界凈寬14.5m，凈高5.0m，為平定至陽(yáng)曲高速公路的重點(diǎn)控制性工程。

隧道進(jìn)口端黃土地質(zhì)段全長(zhǎng)1213m，土質(zhì)圍巖分界里程K93+857～K95+070，區(qū)段內(nèi)隧道最大埋深50.244m，普遍埋深為14～23m，覆蓋層厚較薄，K94+039～K94+126沖溝段埋深僅2.92m。隧道斷面大，主洞開(kāi)挖跨度17.23m，開(kāi)挖斷面面積160m2;加寬帶跨度19.87m，開(kāi)挖面積202.3m2。

1.2 工程地質(zhì)特征

本區(qū)段為黃土丘陵地區(qū)，普遍黃土厚度大，黃土地區(qū)普遍分布沖溝、陡坎、崩塌和陷穴，同時(shí)存在松軟土等特殊巖土。線路位于第四系全新統(tǒng)沖洪坡積層(Q4del)、上更新統(tǒng)(Q3eol+al)風(fēng)積與沖積層的黃土和砂層、中更新統(tǒng)(Q2)黃土、砂層、礫石層中。隧道主要穿過(guò)新黃土地層，成分主要以粉粒為主，結(jié)構(gòu)疏松，具大空隙，富白色鈣質(zhì)菌絲及植物根須，偶含零星鈣質(zhì)結(jié)核。土質(zhì)純凈，滲透性強(qiáng)，豎向節(jié)理發(fā)育，具大孔性和直立性;土體含水率較高，重力濕陷性顯著，隧道開(kāi)挖后圍巖塑性變形發(fā)育。

2 施工方法

2.1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法(傳統(tǒng)工藝)

隧道洞口區(qū)段存在淺埋和偏壓難題，在進(jìn)洞施工試驗(yàn)階段，設(shè)計(jì)文件建議采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，支護(hù)參數(shù):隧道黃土段設(shè)計(jì)Va級(jí)淺埋I22b型鋼鋼架，間距0.5m，Vb級(jí)深埋I20a型鋼鋼架，間距0.8m，VJ級(jí)加寬帶I22b型鋼鋼架，間距0.5m，側(cè)壁墻I18型鋼鋼架，間距同初支鋼架。開(kāi)挖過(guò)程中分四個(gè)開(kāi)挖面，左導(dǎo)坑、右導(dǎo)坑、中隔墻上半斷面和下半斷面相互錯(cuò)開(kāi)同時(shí)開(kāi)挖，然后分部同時(shí)支護(hù)，形成支護(hù)整體(見(jiàn)圖1)。

在施工試點(diǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖存在諸多缺陷:(1)中隔墻上半斷面支護(hù)拱架合攏時(shí)，與左右側(cè)導(dǎo)坑拱架接頭對(duì)接困難，接合不嚴(yán)密，參與整體工作后支護(hù)體系徐變過(guò)程延長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)受力形式薄弱;(2)側(cè)壁墻與初支鋼架連接處為相對(duì)薄弱環(huán)節(jié)，拆除中隔墻臨時(shí)支護(hù)后圍巖擾動(dòng)顯著，拱頂嚴(yán)重下沉，部分地段侵入凈空達(dá)29cm;(3)若四個(gè)工作面同時(shí)組織施工，施工現(xiàn)場(chǎng)工序混亂;作業(yè)人員需求量大，施工進(jìn)度緩慢。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法最終因沉降控制不利而告失敗。

2.2 偏心導(dǎo)坑+環(huán)形開(kāi)挖法(創(chuàng)新工藝)

根據(jù)隧道進(jìn)口黃土段淺埋、偏壓的工程特性、圍巖地質(zhì)條件和地形地貌要求，工程院多次組織相關(guān)專家評(píng)審，結(jié)合雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法的技術(shù)難點(diǎn)，明確了淺埋暗挖分部施工的重要性，制定專項(xiàng)方案，最終確定V級(jí)黃土地質(zhì)段采用偏心導(dǎo)坑+環(huán)形開(kāi)挖法施工。開(kāi)挖過(guò)程中，左側(cè)小導(dǎo)坑超前開(kāi)挖支護(hù)，降低隧道相對(duì)圍巖級(jí)別，提前釋放圍巖應(yīng)力。右導(dǎo)坑結(jié)合拱部環(huán)形同步跟進(jìn)施工，快速閉合支護(hù)結(jié)構(gòu)，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，分部支護(hù)，形成支護(hù)整體;縮短作業(yè)循環(huán)時(shí)間，逐步向縱深推進(jìn)，形成開(kāi)挖及施作初期支護(hù)，混凝土仰拱緊跟掌子面及時(shí)施作構(gòu)成穩(wěn)固的支護(hù)體系。

2．2．1 開(kāi)挖

由于隧道開(kāi)挖跨度大，為確保施工安全，Va級(jí)淺埋段每循環(huán)進(jìn)尺50cm，Vb級(jí)深埋段80cm，VJ級(jí)加寬帶50cm，分左、右+中上兩個(gè)工作面同時(shí)進(jìn)行(見(jiàn)圖2)，洞身采用人工風(fēng)鎬配合挖掘機(jī)開(kāi)挖，利于控制隧道超欠挖。

2.2.2 第一步施工

人工風(fēng)鎬配合挖掘機(jī)沿開(kāi)挖輪廓線自下而上開(kāi)挖左導(dǎo)坑，開(kāi)挖后及時(shí)噴射4cm混凝土，封閉作業(yè)面，特別做好右側(cè)墻的支護(hù)工作，避免側(cè)墻向?qū)Э觾?nèi)崩塌。高含水量地段易掉塊，應(yīng)先鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，再進(jìn)行初噴，確保開(kāi)挖面圓順并防止拱頂剝落出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。Va，Vb，VJ類圍巖分別采用I22b，I20a，I22b鋼架，拱架間距分別為50cm，80cm和50cm，側(cè)壁墻采用I18鋼架。左導(dǎo)坑初支拱架分2節(jié)安裝，環(huán)向?yàn)榉ㄌm盤連接，縱向采用φ22連接筋連接，間距1.0米。安裝完畢后即施作φ42鎖腳小導(dǎo)管及拱部超前導(dǎo)管，長(zhǎng)度3.0m，間距40cm;邊墻采用3.5mφ25藥包錨桿，間距80cm;拱部3.5mφ25脹殼式錨桿，側(cè)墻2.0mφ22藥包錨桿，間距均為1.0 m;掛設(shè)雙層鋼筋網(wǎng)，噴29cm C25噴射混凝土支護(hù)。

2.2.3 第二步施工

左導(dǎo)坑超前施工后3～5m后，同時(shí)開(kāi)挖右導(dǎo)坑及中上半斷面，預(yù)留核心土，形成環(huán)形導(dǎo)坑，按照同樣的方法進(jìn)行支護(hù)。不良地質(zhì)段應(yīng)避免左右側(cè)兩個(gè)工作面同時(shí)施工，根據(jù)實(shí)際情況可增設(shè)右導(dǎo)坑側(cè)壁墻臨時(shí)支護(hù)。

2.2.4 仰拱施工

黃土隧道在開(kāi)挖后受各種地質(zhì)和施工因素的影響，在施工前期圍巖變化較大，支護(hù)體系應(yīng)快速封閉成環(huán)，根據(jù)掌子面的空間效應(yīng)，掌子面距仰拱最大距離以不超過(guò)25m為宜，仰拱采用半幅施工，開(kāi)挖長(zhǎng)度以3～4m最為安全，防止邊墻拱腳處收斂，造成噴射混凝土開(kāi)裂和拱架下沉。仰拱開(kāi)挖后，應(yīng)及時(shí)施作仰拱鋼架及噴混凝土支護(hù)。

2.2.5 施工要點(diǎn)

(1)黃土類隧道工程，應(yīng)嚴(yán)格控制現(xiàn)場(chǎng)施工用水并重視防排水工作，防止黃土發(fā)生濕陷性病害，導(dǎo)致初支體系整體下沉。(2)左右側(cè)兩個(gè)工作面前后距離不宜過(guò)大，開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)注意將核心土保留完好，導(dǎo)坑開(kāi)挖后根據(jù)圍巖情況噴砼封閉開(kāi)挖面和側(cè)墻。(3)超前小管棚支護(hù)較一般設(shè)計(jì)應(yīng)加密，可每循環(huán)施作超前短管棚支護(hù)，消除掉塊及小型冒頂?shù)裙绊斆摽詹『Α?4)初支鋼架拱腳處加墊砼預(yù)制塊或鋼板，拱架背后噴填密實(shí)，鎖腳鋼管及邊墻錨桿應(yīng)加密布置。(5)通過(guò)監(jiān)控量測(cè)及時(shí)取得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析反饋用以修正設(shè)計(jì)參數(shù)和調(diào)整施工作業(yè)方法。(6)及時(shí)閉合初支結(jié)構(gòu)并施作仰拱襯砌，嚴(yán)格控制二襯距離。

2.3 蓋挖(明挖)法施工(創(chuàng)新工藝)

根據(jù)地表原地貌復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)分析，隧道右線K94+039～K94+126沖溝段拱頂覆蓋層厚僅2.92m，若采用當(dāng)前的山嶺地區(qū)隧道暗挖法施工將無(wú)法安全通過(guò)。我部結(jié)合當(dāng)前城市地鐵的施工方法，建議該里程段采用拱部明挖邊墻暗做的施工方法(蓋挖法)，確保隧道安全、順利通過(guò)。(見(jiàn)圖3)

2.3.1 邊坡開(kāi)挖及防護(hù)

(1)蓋挖挖方施工工序:

測(cè)量放樣→設(shè)置邊坡隔離帶→修筑臨時(shí)截水天溝→拉槽開(kāi)挖→邊坡防護(hù)→布設(shè)高邊坡監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)。

(2)邊坡開(kāi)挖及防護(hù)

采用敞口放坡基坑法分層開(kāi)挖至隧道拱頂，開(kāi)挖過(guò)程中及時(shí)清理坡面虛土，初噴5cm噴射混凝土支護(hù)。

邊坡:為確保施工安全，開(kāi)口邊坡坡率為1∶0.75，下臺(tái)階邊坡坡率為1∶0.5，當(dāng)邊坡高度小于等于10m時(shí)不設(shè)平臺(tái)，一坡到頂;當(dāng)邊坡高度大于10m小于等于32m時(shí)，每8m高度設(shè)2m寬平臺(tái)一處。拱腳兩側(cè)向外各加寬0.5m。

邊坡開(kāi)挖到位后，搭設(shè)腳手架鉆孔平臺(tái)，鉆設(shè)錨桿孔，錨桿間距為100cm×100cm梅花形布置，錨桿采用3.5m長(zhǎng)φ22早強(qiáng)砂漿錨桿;掛設(shè)φ8單層鋼筋網(wǎng)片，噴10cm C25噴射混凝土支護(hù)。

2.3.2 初期支護(hù)

(1)施工工序:

預(yù)留核心土開(kāi)挖拱腳→測(cè)量放樣→架設(shè)鋼拱架→打設(shè)鎖腳鋼管→掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片→掛板噴混凝土支護(hù)。

(2)施工方法:

a．開(kāi)挖:隧道明挖采用機(jī)械分層分部開(kāi)挖作業(yè)，采取自上而下，分層開(kāi)挖，自卸汽車出碴。

b．立架:采用預(yù)留核心土法開(kāi)挖至預(yù)定拱腳，經(jīng)測(cè)量放樣后，開(kāi)始架設(shè)拱部鋼架，間距50cm，縱向采用φ22連接筋連接。拱腳處墊砼預(yù)制塊或鋼板，嚴(yán)禁拱腳回填松散土或拱架懸空。為方便下臺(tái)階拱架與上部拱架螺栓連接，拱腳處法蘭盤可采用少量泥土掩埋。

c．施作鎖腳鋼管:鋼架安裝后每拱腳處按45°斜向下單側(cè)打設(shè)2根4.5m長(zhǎng)φ42鎖腳小導(dǎo)管。

d．噴錨支護(hù)采用掛φ8雙層網(wǎng)片噴混凝土支護(hù)，噴砼施工采用在拱架下側(cè)掛模板法施作并養(yǎng)護(hù)，噴錨過(guò)程中注意拱腳處噴填密實(shí)，拱腳外側(cè)0.5m范圍內(nèi)宜采用噴射混凝土回填密實(shí)。

e.考慮到上臺(tái)階拱腳處土體松散，承載力差的特性，噴砼施工前在上臺(tái)階鋼架拱腳處沿拱架內(nèi)外側(cè)布設(shè)4根Φ22通長(zhǎng)鋼筋和Φ8箍筋@10cm，拱部噴砼施工時(shí)將其回填作為簡(jiǎn)易加筋大拱腳(見(jiàn)圖3)。

f.下臺(tái)階施工:待拱部初支超前施工、大拱腳強(qiáng)度達(dá)到75%后開(kāi)始下臺(tái)階施工，下臺(tái)階施工過(guò)程中嚴(yán)格控制開(kāi)挖進(jìn)尺，每循環(huán)開(kāi)挖不大于2榀拱架間距，左右側(cè)應(yīng)錯(cuò)開(kāi)施工，錯(cuò)開(kāi)距離為4m～6m，嚴(yán)禁兩側(cè)對(duì)開(kāi)施工。

2.3.3 仰拱、二次襯砌施工

蓋挖法施工段襯砌作業(yè)應(yīng)緊跟隧道掌子面施工，確保洞內(nèi)施工人員的安全，襯砌施工應(yīng)嚴(yán)格控制在安全距離內(nèi)。

仰拱采用半幅短跨度開(kāi)挖，最大跨度不宜超過(guò)5m，仰拱距離下臺(tái)階不宜超過(guò)15m，嚴(yán)禁仰拱施工滯后;明挖段內(nèi)二襯混凝土應(yīng)根據(jù)仰拱實(shí)際施工情況，結(jié)合邊坡監(jiān)測(cè)資料，緊跟掌子面施工。

2.3.4 蓋挖回填

隧道二次襯砌施工后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行明挖部分的回填工作，確保邊坡的安全和穩(wěn)定。結(jié)合隧址的地形、地貌，填土高度在滿足排水通暢的情況下盡量少填。

2.3.5 邊坡監(jiān)控方法

(1)基本水準(zhǔn)點(diǎn)的布設(shè)

邊坡位移基準(zhǔn)點(diǎn)在基坑邊坡位移變形影響不大的穩(wěn)定地點(diǎn)，即在基坑開(kāi)挖上口線的邊沿延長(zhǎng)線上，一般距基坑開(kāi)挖線5m以外，以確保觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、可靠。沉降觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)在邊坡高度2倍距離以外，穩(wěn)定可靠不易被破壞處埋設(shè)三個(gè)基本水準(zhǔn)點(diǎn)，構(gòu)成基本水準(zhǔn)網(wǎng)，作為沉降觀測(cè)的起算依據(jù)。

(2)位移觀測(cè)

為采用信息化施工和保證基坑邊坡安全，在本工程的隧道明挖和初支施工過(guò)程中必須進(jìn)行邊坡位移觀測(cè)工作，以便根據(jù)邊坡位移情況及時(shí)進(jìn)行施工指導(dǎo)和提前采取處理措施。

3 工法選擇

3.1 3種工法的資源配置

在雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、偏心導(dǎo)坑+環(huán)形開(kāi)挖法、蓋挖法施工時(shí)，為加快黃土隧道的施工進(jìn)度，施工人員、機(jī)具設(shè)備配置必須科學(xué)合理，在施工中，應(yīng)通過(guò)反復(fù)研究和實(shí)踐，各工法的資源配置如表1所示。

3.2 3種工法的進(jìn)度

在上述資源配置情況下，通過(guò)科學(xué)組織，縮短工序時(shí)間和工序銜接時(shí)間，在保證安全質(zhì)量的前提下，各工序可以達(dá)到一下進(jìn)度指標(biāo)。

(1)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工每循環(huán)進(jìn)尺0.5m，關(guān)鍵工序每天2個(gè)循環(huán)，全斷面開(kāi)挖支護(hù)每天1.0m，每月最高進(jìn)度指標(biāo)為25m，平均每月進(jìn)度23m。

(2)偏心導(dǎo)坑+環(huán)形開(kāi)挖法每循環(huán)進(jìn)尺0.5m，關(guān)鍵工序每天3個(gè)循環(huán)，全斷面開(kāi)挖支護(hù)每天1.5m，每月最高進(jìn)度指標(biāo)78m，平均每月進(jìn)度62m。

(3)蓋挖法施工，全斷面開(kāi)挖支護(hù)每天5.5m，每月最高進(jìn)度指標(biāo)為81m，平均每月進(jìn)度73m。

3.3 3種工法的監(jiān)控量測(cè)結(jié)果

根據(jù)日常監(jiān)控量測(cè)結(jié)果分析可知，砂質(zhì)黃土隧道主要變形特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面:

(1)各工法隧道變形主要集中在各部開(kāi)挖支護(hù)工程中，仰拱施作完成后，變形趨于穩(wěn)定。

(2)各工法在下部及仰拱開(kāi)挖施工過(guò)程中，變形速率較大，在仰拱未封閉前，即使是停止施工，拱頂下沉仍然保持一定的下沉速率。

(3)大跨度黃土淺埋地層隧道，圍巖變形主要反映在拱頂下沉和拱腰處的收斂變形。

(4)在埋深較淺的松散地層中，地表下沉主要集中在隧道中線兩側(cè)15米范圍內(nèi)，且有縱向裂縫。

4 結(jié)論

結(jié)合超大跨度淺埋黃土隧道的圍巖地質(zhì)條件，研究了山嶺隧道傳統(tǒng)開(kāi)挖工法雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和創(chuàng)新工藝偏心導(dǎo)坑+環(huán)形開(kāi)挖法、蓋挖法的技術(shù)指標(biāo)、施工工序、變形收斂、資源配置、施工風(fēng)險(xiǎn)等方面的定性和定量指標(biāo)，對(duì)傳統(tǒng)的隧道開(kāi)挖工法進(jìn)行了技術(shù)和工序方面的探討，并針對(duì)大跨度淺埋黃土隧道提出了新的開(kāi)挖工藝，對(duì)今后類似工程合理選擇超大斷面黃土隧道開(kāi)挖工法具有一定的借鑒意義。

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