客運(yùn)專線黃土隧道三臺(tái)階七步開挖技術(shù)及沉降控制

張永安

（中鐵二局第四工程有限公司，四川 成都 610300）

客運(yùn)專線黃土隧道三臺(tái)階七步開挖技術(shù)及沉降控制

張永安

（中鐵二局第四工程有限公司，四川 成都 610300）

黃土隧道圍巖強(qiáng)度較低，沉降量大，選擇合理的開挖方法是確保隧道施工安全和快速施工的關(guān)鍵。采用三臺(tái)階七步開挖法能夠很好的控制圍巖變形，確保安全的同時(shí)滿足快速施工的要求。

黃土隧道；開挖；沉降

1 工程概況

本標(biāo)段位于甘肅省定西市和榆中縣境內(nèi)，全長25.966km，其中隧道8座，累計(jì)長度為21.923km，占據(jù)整個(gè)標(biāo)段的84.4%。隧道安全、快速施工對本項(xiàng)目的工期、成本起到?jīng)Q定性作用。隧道所處地層主要為第四系上更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土，具有Ⅳ級(jí)自重濕陷性，濕陷土層厚度約15～25cm。第四系中更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土、砂質(zhì)黃土和中砂。上第三系泥巖，遇水易軟化，具弱膨脹性。

1.1 黃土隧道的特點(diǎn)

黃土隧道由于土質(zhì)較松、強(qiáng)度較低一般采用機(jī)械配合人工開挖的方法就能滿足施工要求。洞口淺埋段容易發(fā)生地表沉降，造成邊仰坡失穩(wěn)。暗洞通過合理預(yù)留沉降量及增加輔助措施來控制隧道沉降，進(jìn)而確保施工的安全、有序。

1.2 隧道斷面尺寸

本客專設(shè)計(jì)時(shí)速為250km/h，正洞采用雙線隧道，凈空為12.82m（寬）×8.68m（高）。結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 隧道斷面圖

1.3 開挖工法的選擇

三臺(tái)階七步法主要適用于具有一定的穩(wěn)定性，強(qiáng)度一般的圍巖。圍巖級(jí)別一般在Ⅳb～Ⅴa之間。該工法能夠很好的滿足地質(zhì)條件，確保施工過程中的人員安全以及快速施工的要求。因此，本標(biāo)段黃土隧道主要采用三臺(tái)階七步開挖法。

2 三臺(tái)階七步開挖施工流程

施做地質(zhì)超前預(yù)報(bào)→施做錨桿→上部弧形導(dǎo)坑的開挖及初期支護(hù)→左右錯(cuò)位開挖中臺(tái)階及初期支護(hù)→左右錯(cuò)臺(tái)開挖下臺(tái)階及初期支護(hù)→最后施工混凝土仰拱使初期支護(hù)封閉成環(huán)→根據(jù)監(jiān)控量測信息反饋，施做防水層，澆筑二襯混凝土。

三臺(tái)階七步法施工工序，如圖2所示。第1步，拱部弧形導(dǎo)坑的開挖：在拱部超前支護(hù)施工完畢后，進(jìn)行開挖。環(huán)向開挖其上部弧形導(dǎo)坑，預(yù)留中部的核心土，長度不能小于3m，單側(cè)臺(tái)階寬度不能小于2m。開挖循環(huán)進(jìn)尺應(yīng)該根據(jù)圍巖等級(jí)確定，Ⅴ級(jí)圍巖不得超過1榀/循環(huán)，Ⅳ級(jí)不得大于2榀/循環(huán)。開挖過后立即初噴3～5cm混凝土，并立即進(jìn)行系統(tǒng)支護(hù)。在鋼架拱腳之上30cm高度處，在工字鋼兩邊按傾角30°的方向打設(shè)鎖腳錨桿。最后復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。第2、3步，左、右側(cè)中臺(tái)階開挖：開挖進(jìn)尺不得大于2榀鋼架/循環(huán)，開挖高度按照3m控制，左、右側(cè)臺(tái)階錯(cuò)開寬度為2～3m，開挖后立即初噴3～5cm混凝土，并立即進(jìn)行系統(tǒng)支護(hù)，在鋼架拱腳之上30cm高度處，在工字鋼兩邊按傾角30°的方向打設(shè)鎖腳錨桿。最后復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。第4、5步，左、右側(cè)下臺(tái)階開挖：開挖進(jìn)尺不得大于2榀鋼架/循環(huán)，開挖高度按照3m控制，左、右側(cè)臺(tái)階錯(cuò)開寬度為2～3m，開挖后立即初噴3～5cm混凝土。開挖后應(yīng)立即進(jìn)行系統(tǒng)支護(hù)，在鋼架拱腳以上30cm高度處，在工字鋼兩邊按傾角30°的方向打設(shè)鎖腳錨桿。最后復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。第6步，開挖核心土：上臺(tái)階、中臺(tái)階、下臺(tái)階分別開挖核心土，開挖進(jìn)尺與各臺(tái)階循環(huán)進(jìn)尺保持一致。第7步，隧底開挖：每循環(huán)開挖長度不能大于3m，開挖后及時(shí)封閉成環(huán)。完成兩個(gè)隧底開挖、支護(hù)循環(huán)后，進(jìn)行仰拱混凝土澆筑。

圖2 三臺(tái)階七步法施工工序圖

3 三臺(tái)階七步開挖施工控制重點(diǎn)

目前，客運(yùn)專線黃土隧道主要采用三臺(tái)階七步法，為防止施工過程中發(fā)生初支侵限、確保施工人員安全，加快施工進(jìn)度。三臺(tái)階七步開挖法需要重點(diǎn)做好以下幾點(diǎn)：①上臺(tái)階開挖過程中Ⅴ級(jí)圍巖不得大于1榀/每循環(huán)，Ⅳ級(jí)圍巖不得大于2榀/循環(huán)，邊墻開挖進(jìn)尺不得大于2榀/循環(huán)，各臺(tái)階左右兩側(cè)應(yīng)錯(cuò)開至少兩榀鋼架以上；②隧底開挖前必須完成鋼架鎖腳錨桿（管）的施工，確保鎖腳錨桿與鋼架之間可靠連接，確實(shí)起到鎖腳的效果和作用。隧底開挖循環(huán)進(jìn)尺不大于3m/環(huán)。初期支護(hù)封閉成環(huán)位置距離掌子面的距離不應(yīng)大于30m。二襯離掌子面的距離Ⅳ圍巖不得大于90m，Ⅴ級(jí)圍巖不得大于70m；③嚴(yán)格控制開挖過程中的臺(tái)階高度。上臺(tái)階高度嚴(yán)格按照5m

控制，中臺(tái)階高度為3m、下臺(tái)階高度為3m。核心土長度不能小于3m，臺(tái)階左右兩側(cè)必須錯(cuò)開布置，單側(cè)臺(tái)階的寬度應(yīng)大于2m。

4 開挖方法的選擇

客運(yùn)專線黃土隧道開挖采用挖機(jī)配合人工開挖的方法進(jìn)行施工。開挖常用的機(jī)械設(shè)備有挖掘機(jī)、松土器、銑挖機(jī)。三種機(jī)械有各自的特點(diǎn)及適用部位。為確保施工質(zhì)量及進(jìn)度，合理選擇開挖機(jī)械尤為重要。

4.1 挖掘機(jī)開挖

挖掘機(jī)直接開挖是客運(yùn)專線黃土隧道最常用的開挖方法，主要適用于Ⅴ級(jí)圍巖。該圍巖土體較松、強(qiáng)度較低。通常采用挖機(jī)配合人工開挖即可滿足現(xiàn)場施工的要求，開挖速度控制在3.5h/m較為適合。若掌子面圍巖是強(qiáng)度較高、整體性較好的泥巖時(shí)，挖機(jī)開挖較為困難，施工進(jìn)度不能滿足要求時(shí)，考慮采用松土器進(jìn)行施工。

4.2 松土器開挖

松土器是一種具有破碎堅(jiān)硬土層同時(shí)具備翻動(dòng)功能的一種裝置，通常安裝在挖機(jī)大臂上進(jìn)行作業(yè)。挖機(jī)松土器通常叫做斗鉤，上部結(jié)構(gòu)為耳孔，分別與斗桿和鏟斗缸相鉸接，齒尖前端有硬合金堆焊的齒帽，是一種整體式的松土齒。當(dāng)液壓缸的活塞桿伸出時(shí)，推動(dòng)齒尖強(qiáng)制插入并翻動(dòng)土壤。開挖作業(yè)時(shí)先采用挖機(jī)松土器將堅(jiān)硬的土層松動(dòng)過后，再換裝上挖機(jī)斗進(jìn)行開挖。開挖速度控制在4～5h/m較為適合。若圍巖強(qiáng)度更高，松土器開挖較為困難，施工進(jìn)度不能滿足要求時(shí)，則考慮更換為銑挖機(jī)。

4.3 銑挖機(jī)開挖

銑挖機(jī)是一種高效破除堅(jiān)硬土層、代替挖斗的一種機(jī)械裝備。黃土隧道施工中，銑挖機(jī)適用于堅(jiān)硬泥巖的開挖作業(yè)。通過試驗(yàn)銑挖機(jī)和松土器配合進(jìn)行開挖施工，開挖施工時(shí)間可以控制在3～4h/m，通常上臺(tái)階全部采用銑挖機(jī)開挖，中、下臺(tái)階先利用松土器翻動(dòng)中部土層，然后再使用銑挖機(jī)修邊作業(yè)，開挖時(shí)間均約為1.5h。上臺(tái)階開挖過后及時(shí)架立鋼架，以節(jié)約施工時(shí)間。采用銑挖機(jī)進(jìn)行周邊的銑削施工對超欠挖的控制效果較好。

5 沉降控制措施

黃土地層地質(zhì)特性之一便是自重濕陷性，土體松散且承載能力較差。黃土隧道施工時(shí)，沉降量大、沉降周期長，極易造成初支侵陷，后期運(yùn)營發(fā)生仰拱面開裂、無砟道床板開裂等嚴(yán)重事故。因此沉降量控制也是黃土隧道施工技術(shù)的一個(gè)重點(diǎn)。

5.1 洞口防沉降措施

黃土隧道洞口段施工時(shí)，遇到淺埋、偏壓、斷層等不良地質(zhì)情況時(shí)，在嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施工過后，往往仍然會(huì)出現(xiàn)地表開裂、拱頂下沉、邊坡滑移等情況。因此，就必須按照現(xiàn)場實(shí)際情況增加必要的工程措施。主要措施有，在沉降量較大，但地表未出現(xiàn)開裂，邊仰坡沒有失穩(wěn)垮塌的趨勢時(shí)，通常的做法是采用加大預(yù)留沉降量的辦法，同時(shí)加強(qiáng)地表沉降觀測；在邊仰坡有失穩(wěn)的趨勢時(shí)，采用沿置重力式擋墻的辦法防止邊仰坡繼續(xù)下滑，進(jìn)而確保進(jìn)洞安全。

5.2 洞內(nèi)防沉降措施

洞內(nèi)沉降量較大時(shí)，不僅要加大預(yù)留沉降量，還要快速支護(hù)、及時(shí)封閉成環(huán)，必要時(shí)采取單工序作業(yè)，嚴(yán)格控制安全步距。通過增設(shè)一些輔助措施來控制過大沉降，如設(shè)置擴(kuò)大拱腳，拱腳下設(shè)置縱向槽鋼。以增大拱腳接觸面的受力面積，從而有效的控制沉降量。

6 結(jié)束語

根據(jù)客運(yùn)專線黃土隧道的地質(zhì)特點(diǎn)，在三臺(tái)階七步開挖法中應(yīng)重點(diǎn)做好以下工作：①做好洞口地表沉降控制，保證洞口邊仰坡的穩(wěn)定從而確保進(jìn)洞安全；②嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺、核心土長度以及臺(tái)階高度，保證隧道安全步距在規(guī)定的范圍之內(nèi)；③加強(qiáng)施工過程中的監(jiān)控量測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整預(yù)留沉降量，從而指導(dǎo)施工。

[1]龔彥峰,肖明清.我國高速鐵路隧道技術(shù)要點(diǎn)與有關(guān)建議[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2014,(12):67-71.

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2096-2789（2016）11-0077-02