淺埋大跨小凈距黃土隧道開挖施工工法選擇分析

楊成勇

摘 要：本文主要以武-西高速公路桃花峪黃土隧道為研究案例，憑借場地試驗與信息模擬的方式，研究格柵和型鋼支護體系對淺埋大跨小凈距黃土隧道的影響及效果，在Ⅴ級黃土隧道中，憑借雙側壁的方式開展挖掘施工，圍巖會出現彈塑性形變，塑性區間擴張的范圍會很廣，要求立即進行支護，格柵支護以及型鋼支護對其塑性發展區間大致相同。

關鍵詞：雙側壁法 格柵支護 型鋼支護

1.工程概況

桃花峪隧道的地址位于武西高速桃花峪黃河大橋南段引線，橫穿邙山，原本的設計方案是雙連拱隧道，之后變成了小凈距。隧道入口區域里程及規劃高程分別是ZK36+680、14 5.9 6 5 m，隧道出口區域里程及規劃高程分別是ZK37+260、155.063m，隧道底板最深處的埋深為55.544m，其位置處在K36+960處，該項目總長580m，隧道的內路面的坡度設置為2%，縱向坡度氛圍兩端進行設置：ZK36+680至ZK37+200處的坡度設置為2.30%；ZK37+200至ZK37+260段的坡度設置為-0.35%。單個洞體的挖掘深度大致是17.3m，挖掘的截面面積達到了173.8m2，埋深多在20m左右。

2.工程難點

（1）黃土：黃土系指具備各個方向的原生與結構節理土質，特別是垂直節理發展，存在較大的連續性，結構當中有較多的孔洞土質松散且密度不高，不抗水的顆粒架構讓黃土遇見水時容易出現瓦解、脫落的情況，其自身的承載性能較差，有一定的濕陷性，在隧道挖掘的環節當中很容易就會出現沉降形變的情況。在隧道項目中，將黃土土質看作是一種不良的地質環境。

（2）小凈距：小凈距隧道非常罕見，桃花峪隧道屬于一座穿過黃土土質的小靜距隧道工程，并且在施工技術上相對較為欠缺。

（3）淺埋偏壓：隧道埋深深度相對較小，黃土數值呈現節理發育，并且土質相對松散，地面表層會由于被施工中的擾動影響，進而產生開裂故障，一般情況下會伴隨著隧道挖掘工作的開展而出現裂縫的情況。

3.施工方法及數值計算

3.1施工方法

（1）開挖次序。洞體挖掘借助挖機與人工相結合的形式作業，隧道挖掘的跨度、高度是17.68m與12.53m（為預留沉降值為25cm），黃土圍巖土質松軟，不具備自穩性能，所以借助分部挖掘的形式，使用雙側壁導坑的形式挖掘。①左導洞上半部的挖掘，周邊土體的初期支護及臨時支護。②滯后4～6m，左導洞中部挖掘，對附近土體進行支護，并施作左導洞水平方向支撐。③滯后4～6m，左導洞下半部挖掘，對附近土體進行支護。④滯后4～6m，右導洞上半部土層挖掘，對附近土體進行支護。⑤滯后4～6m，右導洞中部土體挖掘，對附近土體進行支護，并施作右導洞水平方向支撐。⑥滯后4～6m，右導洞下部土體挖掘，對附近土體進行支護。⑦中部土體上層使用階梯開挖的方式，進行拱部初期支護施工。⑧中部土體中部階梯挖掘。⑨中部土體下層使用階梯開挖的方式，進行仰拱底部初期支護施工。

（2）施工控制要點。①3部土體開挖主要是聯用挖掘機和人工挖掘方式，滯后2部是4～6m，并且每循環的掘進深度是0.5m，在作業環節中注意挖掘將近開挖線30cm左右時借助人工挖掘的形式進行開挖。3部土體初期支護結束之后，可以運用回填土層的方式，使得作業設備的順暢運行得到保障。②右側壁導洞4、5、6部土體挖掘形式與1、2、3、部土體挖掘的形式相同，但要求嚴格管理其步長，換一句話來說就是滯后≥15m。③7部土體借助環形挖掘預留核心土的形式進行挖掘，重心土長度3～5m，環形區域借助人工挖掘的形式進行，注重與1、4部開挖初期支護的實施相連接。每循環進尺0.5m。④滯后4～6m的間距，借助挖掘機挖掘8部土體，借助人工的形式加以修整，以免出現挖掘機破壞支護工作的情況出現。根據圍巖測定的結果，合理地進行開挖進尺的調整。

3.2數值計算

（1）計算模型及參數。選擇一段隧道進行分析，隧道上覆土層的實際厚度控制在40m，結合隧道的實際規模，將模型設計成長及高分別是100m、90m，并且進尺50m。計算數值見表1。

借助有限元軟件MIDAS/GTS展開研究，在此當中土層是實體單位，借助摩爾-庫倫破壞理論，初期支護以及二次襯砌都視為殼體單位。

（2）計算結果。以隧道進深方向10m處斷面當做是標準，指定出其拱頂沉降與挖掘時間的變化曲線圖。針對拱頂沉降變化曲線進行深入的分析之后能夠得到：①這種施工方式結束之后，地表沉降槽曲線和單洞隧道并不會出現很大的差異，最大地表沉降也會出現在兩條隧道的中央，最大數值為64.5mm，影響因素主要是兩隧道之間的間距，拱部土體挖掘以及臨時支撐拆除對地表沉降的作用很強；②由塑性區分布狀況，能看出黃土隧道作業塑性區間拓展范圍較大，在兩隧道的中間線區域重合交疊并向上發展直到土層表面，能使地表開裂，并強化其在初襯層面上的荷載作業，隧道塑性區間散落在拱腳處，且分布大而顯著，建設過程當中要求強化其襯砌。

3.3試驗段臺階法施工

（1）洞口20m選擇短臺階七步挖掘的方式。①挖掘1部土體，在周邊開展初期支護施工，每循環的掘進深度是0.5m。②滯后1部間距控制在5m，進行2部土體的開挖施工，開展初期支護施工，每循環的掘進深度是0.5m。③滯后2部間距控制在2.5m，進行3部土體的開挖施工，開展初期支護施工，每循環的掘進深度是0.5m。④滯后3部間距控制在2.5m，進行4部土體的開挖施工，開展初期支護施工，每循環的掘進深度是0.5m。⑤滯后4部間距控制在2.5m，進行5部土體的開挖施工，開展初期支護施工，每循環的掘進深度是0.5m。⑥滯后5部間距控制在5m，進行7部土體的開挖施工，開展初期支護施工，每循環的掘進深度是1m。

（2）雙側壁法。①環形挖掘預留核心土法進行1部土體的挖掘施工，環形階段的施工選擇人工挖掘的方式，高度的標準是適宜人工作業的初期支護，可是一定要保障核心土長度控制在3～4m的范圍之內，挖掘施工開始之后，應該在規定時間內進行初期支護與臨時支護的作業，要首先完成混凝土的初噴施工，具體厚度不能低于4cm，完成支護鋼架的架設作業。鋼架連接板要妥善完成包裹的操作，還要妥善存儲螺栓及螺母，螺母應該設置在離未開挖土體相對較近的一側。②2部土體選擇運用挖掘機結合人工的方式進行挖掘施工，滯后1部間距控制在5m。實際掘進時，倘若與開挖輪廓線之間的距離在30cm時，就要選擇人工作業的方式進行修整，防止挖掘機和鋼架產生接觸，導致出現拱腳失穩的現象。挖掘施工開始之后，要及時開展混凝土的初噴施工，并且厚度不能低于4cm。初期支護與臨時支護鋼架實際施工的過程中，鋼架各單元應該妥善相連，還應該進行鎖腳錨管的設置。把鎖腳錨管和鋼架密切相連，進而構成一個非常牢固的整體。左側導洞支護閉合成環之后，應該及時進行土體的回填施工，如此就能夠使得作業設備順利通過，進而能夠防止2部土體挖掘施工之后，出現作業設備不能順暢通行的現象。③左側壁導洞和左側壁導洞的作業方式一致，可是滯后左側壁導洞不能低于15m。

4.結束語

綜上所述，文章借助對桃花峪淺埋大跨徑小凈距黃土隧道挖掘作業的相關技術兩種工藝的研究比較得出：在Ⅴ級黃土隧道選擇雙側壁的施工技術進行大斷面隧道的挖掘施工，圍巖會出現幅度較大的塑性變形現象。塑性區域發展范圍相對較大，一定要在第一時間內完成支護施工，型鋼支護和格柵支護在塑性發展的層面上并不存在顯著的差異。

參考文獻：

[1 ]王童.黃土地區淺埋大跨小凈距隧道施工優化及變形控制研究[D].西安：西安建筑科技大學，2017.

[2]張旭斌.淺埋大跨小間距黃土隧道變形規律研究[D].北京：北京交通大學，2013.