淺埋黃土隧道雙側壁導坑法施工技術

蒲文奎

摘 要：本文以蘭新鐵路第二雙線西寧隧道淺埋段2#豎井為例，簡略介紹了淺埋段工程概況、雙側壁導坑法的施工特點及適用范圍、施工工藝原理、施工方法、工序循環時間和月進度、監控量測變形規律、施工步距及施工中的注意事項，為類似工程的設計和施工提供了可靠的實踐經驗。

關鍵詞：淺埋黃土隧道；雙側壁導坑法；施工技術

中圖分類號： TU74 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）34-169-2

1 工程概況

1.1 工程簡介

西寧隧道為蘭新鐵路第二雙線的重難點工程。位于青海省西寧市，全長5750m，全隧圍巖軟弱，被鐵路總公司列為一級風險隧道。DK192+120～DK193+490段共1370m為Ⅵ級圍巖淺埋段，全部為雙側壁導坑法施工，開創了全國在同一隧道雙側壁施工長度之最，實際開挖斷面面積約為170㎡。淺埋段為全隧施工重難點段落，分別下穿蘭西高速公路、城東區新村、林家崖村、中莊灌溉水渠、小北川河等，洞頂覆土厚度為6～27m；淺埋段上方有學校、廠礦、密集的回族居住區等建筑物，需拆遷住戶1400多戶、廠礦企業8家、改移水渠約500m，施工難度極大。

1.2 地質情況

淺埋段地質主要為第四系新統沖積砂質黃土、細圓礫土、粗圓礫土、卵石土。沖積砂質黃土具有濕陷性，濕陷土層厚度約5～10m。該段位于湟水河階地，地下水埋深一般為2.8～24.9m，水量較豐富，地下水具有侵蝕性。該段地質條件差，全部由Ⅵ級圍巖組成，隧道上半斷面處于濕陷性黃土中，下半斷面處于砂卵石層中，砂卵石層厚度3～5m。仰拱處于泥巖中。地下水水位處于內軌頂位置，水量豐富。

2 雙側壁導坑法的施工特點及適用范圍

2.1 雙側壁導坑法的施工特點

①淺埋黃土隧道采用雙側壁導坑法施工，主要特點就是能很好地解決大斷面雙線隧道開挖的安全性問題。在初期支護施工過程中，采用臨時支護將初期支護牢牢地撐住，待仰拱封閉成環后再進行臨時支護拆除，有效防止開挖過程中初期支護發生突變而影響二襯的凈空。

②淺埋黃土隧道采用雙側壁導坑法施工，可以有效控制洞內初期支護的沉降及側向位移，避免因洞內沉降突變導致地表下沉而影響地表建筑物的穩定。對于下穿人員居住密集的居民區、對地表沉降要求較高的高速公路等尤為重要。

2.2 適用范圍

①適合于大斷面，主要為砂質黃土、砂礫石層等掌子面長時間不能自穩的地質的隧道。

②適合于淺埋、暗挖、偏壓地段V～VI級圍巖地層的隧道。

③適合于地下水較豐富的隧道。

3 雙側壁導坑法施工工藝原理

雙側壁導坑法原理是把整個隧道大斷面分成左右上下若干個小斷面施工，每一個小斷面單獨掘進，最后形成一個大的隧道。掌子面在開挖過程中短時間具有自穩能力，采用中隔壁臨時豎撐及橫撐及時封閉成環、承擔部分受力。

4 雙側壁導坑法施工方法

在導坑開挖之前，為防止坍塌，需先進行大管棚超前支護。

以西寧隧道淺埋段2#豎井為例，雙側壁導坑法將整個大斷面劃分為左、右側壁上下導坑、中部上、下導坑共6個小斷面。開挖及支護方法如下：

4.1 側壁導坑上部開挖及支護

4.1.1 側壁上部開挖

側壁上導坑首先采用中空玻纖錨桿對掌子面預加固后進行人工開挖。每循環進尺1榀0.5m，由測量人員逐榀控制隧道中線、標高、法線方向及鋼架垂直度等，施工時保證不侵限并控制超挖量，開挖輪廓盡可能平順。開挖步距要求左右側壁導坑錯開3～5m。開挖時人工手持鐵鍬開挖土方，采用手推車將土方短距離運輸后翻入下導坑，最后由裝載機從下導坑鏟出后由運輸汽車運走。

4.1.2 上部初期支護

開挖后首先對開挖面初噴4～5cm厚混凝土，盡早封閉暴露面。永久側鋼架采用I25a工字鋼，臨時側及橫支撐采用I18輕型工字鋼。鋼架安設時，拱腳應夯實墊穩，地質較差時可采用槽鋼固定。型鋼鋼架縱向間距0.5m/榀，鋼架間縱向設Φ22連接筋，永久側環向間距1m，臨時側環向間距1.2m。初期支護永久側背后鋪設φ8鋼筋網片，網格間距20×20 cm，網片大小2.0m×0.7m。鋼拱架焊接完成后永久側打設R32N自進式鎖腳錨桿，L=4m；臨時側打設Ф42鎖腳錨桿，L=4m。鎖腳錨桿每榀每側各設置2根，尾部采用“7”字鉤與工字鋼焊接牢固。邊墻采用系統自進式R32N錨桿L=4m，間距（環向×縱向） 1.0×1.0 m。永久側噴C25噴射混凝土35cm厚，臨時側噴C25噴射混凝土18cm厚。

4.2 側壁導坑下部開挖

側壁下導坑每循環進尺2榀，開挖步距要求同側壁上下導坑錯開2～3m。下導坑為PC-60小挖機開挖，人工修邊，856裝載機出碴。同側壁上下導坑臺階長度應嚴格控制，杜絕施工中圖省事而長距離推進上導坑后再長距離推進下導坑。開挖時掌子面若水流較大，則在掌子面至仰拱之間設集水坑，將掌子面流水引排至集水坑并及時將水抽至洞外。若監控量測數據過大或下導坑較長時間不施工時需增設臨時橫支撐，可有效抑制拱頂下沉及水平收斂速度。

4.3 中部導坑開挖

中部上導坑每循環進尺1榀，開挖步距要求距側壁最前方掌子面8～10m，不宜超過15m，距下導坑靠后掌子面1m以上，忌諱中部上導坑超前側壁下導坑，超前后將引起拱頂快速沉降。中部上導坑開挖采用PC-220大挖機，人工修邊，856裝載機出碴。開挖時預留核心土，坡比以適合挖機上下為宜。

中部下導坑土體直接采用裝載機裝至運輸汽車運走。

4.4 仰拱施工及臨時鋼架拆除

仰拱分左、中、右仰拱三步開挖及初支，與中隔壁豎撐快速封閉成環；二襯仰拱采用自制仰拱模板，一次澆筑成型。待二襯仰拱達到條件后進行仰拱填充施工，每環仰拱填充施工完畢后根據監控量測情況及時拆除臨時支撐鋼架。臨時支撐鋼架拆除前先行切割填充面以上的臨時豎撐底部及與初期支護永久側連接處鋼架，PC220挖機配合拆除，拆除時注意采用鋼板及鋼管槽保護矮邊墻處仰拱鋼筋及中埋鋼邊止水帶。

5 各工序循環時間統計及月進度

西寧隧道淺埋段雙側壁導坑每延米設計開挖方量為側壁上導坑20.09m2，側壁下導坑15.01m2，中部上導坑48.6m2，中部下導坑20.99m2，仰拱20.18m2，合計開挖方量159.97m2，根據施工以來總結的各導坑工序循環時間，按如下時間指標考核（見表1）：

因圍巖、地質情況較差，地下水豐富，掌子面開挖過程中不能自穩，對于開挖過程中容易發生溜塌地段，側壁上導坑加45min，中上導坑加60min打超前導管時間；考慮到上導坑的棄碴堆積于下導坑，如剛切換為下導坑施工，可另加4小時的出碴時間。對工班時間考核梯度單位為30min，時間考核指標可根據具體情況及執行情況適當調整；為了鼓勵工班人員的積極性，對于平均單口月成洞米達到20m，免除所有循環考核罰款（安全質量罰款除外），即只獎不罰。

在實際施工中，各導坑交叉作業存在一定的干擾性；只有通過加強工序銜接，減少循環時間加快施工進度。另外，受豎井提升設備的限制，雙側壁導坑法施工進度相對緩慢，西寧隧道淺埋段最高雙向月成洞30.2m，單口記錄20.1m。

6 監控量測變形規律

6.1 洞內拱頂下沉規律

拱頂下沉觀測點每5m布設一組，分別布設在側壁上導坑及中上導坑。側壁上導坑拱頂下沉觀測點采用焊接倒置三角形點通過水準儀觀測，中上導坑采用40mm×40mm萊卡反射片通過全站儀觀測。側壁上導坑從掌子面開挖到臨時仰拱封閉成環期間，下沉量比較明顯，平均8～10mm/d，后期逐漸減少，平均2～3mm/d。側壁下導坑開挖至觀測點附近時，沉降明顯加大，平均10～12mm/d，后期逐漸減少，為2～5mm/d。中導坑從開挖到隧底開挖之前，沉降較為均勻，僅開挖時沉降量最大8～12mm/d，后期平均為2～4mm。仰拱施做完成后至中隔壁拆除期間，整個初支形成了封閉成環的受力結構，拱頂沉降趨于穩定，平均2～3mm/d。中隔壁拆除后三四天左右時間下沉明顯，為5～8mm/d，之后逐漸趨于穩定。

從現場積累的觀察數據分析來看，從掌子面開挖到臨時支護拆除趨于穩定后（一般需要45天左右時間），左右側壁導坑拱頂沉降開累為20～25cm，中上導坑拱頂沉降開累為15～25cm。

設計圖上鋼架預留變形量為10～15cm，根據現場實際情況，不能滿足拱頂下沉要求。在實際施工中需根據沉降情況合理預留變形量，并在測量放樣時具體調整，以保證隧道初期支護穩定后不侵入二襯凈空范圍內。

6.2 洞內水平收斂規律

洞內水平收斂觀測點每5m布設一組，分別布設在側壁上、下導坑。以觀測到的數據為例，在側壁上、下導開挖時水平收斂較大，為2～3mm/d，其后逐漸變小。仰拱開挖時下導坑水平收斂數據變化明顯，為4～7mm，待仰拱初支封閉完后變小并在填充施工完畢后慢慢趨于穩定。自開挖12小時之內埋點開始觀測到準備拆除臨時支護結束，水平收斂開累數據為側壁上導坑40～50mm，側壁下導坑50～70mm。若下導坑地下水豐富或較長時間不施工仰拱，必須增設臨時橫支撐。

6.3 地表沉降規律

地表沉降觀測點超前隧道掌子面1h（h為隧道洞頂覆蓋層厚度）即開始埋設，開挖掌子面對前方土體的影響范圍一般為0.5～0.8h。從布點開始到仰拱穿過觀測斷面，一般下沉量為200～300mm，特殊地段最終沉降量甚至達到450mm以上，企業建筑物普遍會出現裂縫，居民自建型建筑物裂縫情況更為突出。地表沉降量一般為洞內沉降量的130%～180%。一般在隧道洞頂地表距隧道中線0.5～0.9h會出現幾條縱向裂縫，裂縫寬度常見為10～20mm。

7 施工步距要求

控制施工步距是淺埋大跨富水黃土隧道雙側壁導坑法施工成敗的關鍵之一。

①左右側壁上導坑：兩側上導坑錯開5m以內；②同側壁上下導坑：上下導坑平均錯開5m以內，以2～3m為宜；③中上導坑與最前方掌子面距離10～15m，并始終滯后于最后方下導坑1m以上；④仰拱距離最前方掌子面25m以內；⑤二襯距離最前方掌子面40m以內。

8 施工過程中的注意事項及建議

①必須按照設計要求做好超前支護，斷面不得欠挖，預留值以拱部30cm，最大跨度處20cm，拱腳15cm為宜，待沉降及變形后能保證二襯厚度。②嚴格按照雙側壁導坑法調整各導坑步距。制定合理的循環時間，各個掌子面同步推進；仰拱、二襯及時跟進。③加強洞內外監控量測，尤其是建筑物位于隧道正洞頂上情況。提高觀測頻率，用監控量測數據指導施工，防止因隧道突變而冒頂及地面坍塌事件發生。在掌子面施工時，盡量將掌子面正上方的居民安置到妥當地方。④重視工程實體質量情況，對意外出現的超挖等情況必須采用噴射混凝土回填密實，并預埋注漿管進行初支背后注漿。⑤洞內施工至居民區前必須調查清楚地下管線，切斷水源，提前阻止其滲入洞內。洞內做好降水、排水措施。⑥各導坑斷面大小可以根據施工工藝、圍巖條件、采用的機械設備等因素在設計斷面大小上優化。

西寧隧道淺埋段采用雙側壁導坑法施工，施工中堅持“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”，保證了結構安全，成功解決了西寧隧道淺埋黃土隧道圍巖穩定性要求、進洞安全性需求等難題，對以后大跨、淺埋、黃土隧道及有水地層的施工提供借鑒。