黃土隧道施工方法探討

王仁鵬

(甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030)

0 前 言

黃土具有松散型、直立性、濕陷性、遇水強度折減嚴重的特性，在巖土工程相關規范和文獻中，都將黃土歸類為特殊土之中，在隧道設計中，一般將黃土地層歸為Ⅳ～Ⅴ級圍巖。我國黃土地層廣泛分布在西北地區，面積約60萬km2，某些地區厚度達上百米。長期以來，由于水土流失的作用，黃土地區形成了梁、峁、塬、坮等溝壑縱橫的地形地貌，對公路的修建造成了極大的困難。

近年來，西部黃土地區公路隧道數量迅速增加，如何保證黃土隧道施工期間的安全，隧道開挖方式的選擇至關重要。

1 黃土隧道的特點

黃土隧道屬于土質隧道，與巖質隧道相比，其隧道結構的受力基本相似，但是黃土隧道土體的性質、施工過程中的變形、隧道支護結構等都存在一定差異[1]。

1)首先，黃土具有較強的濕陷性，孔洞發育，植物根系較多，在接近干燥的非飽和狀態下，其強度較高，穩定性較好，對隧道開挖影響不大，遇水后，其強度指標會迅速下降，自身結構在外力作用下很容易發生破壞，非常不利于隧道的開挖。而老黃土與新黃土又有所區別，老黃土一般沉積時間早，良好的固結度使得原狀黃土具有極高的密度和強度，同時一般不具有濕陷性，但是在遇水時強度也會下降嚴重，對隧道開挖造成嚴重影響[2]。

2)黃土隧道施工時變形較大，由于黃土自身強度低，外加受到地下水，施工機具振動，如果支護不及時，很容易導致圍巖應力松弛，形成很大的變形，影響隧道開挖施工的安全。

3)黃土隧道支護結構復雜，由于黃土自身特殊的性質，導致黃土隧道開挖方式、開挖進尺都與圍巖較好的隧道有所不同，為了保證開挖施工的安全，黃土隧道的開挖首先要設置超前支護，開挖時要設置臨時支護，還要增加輔助措施。此外由于黃土隧道一般采用臺階法或導洞法，其每個進尺的開挖步驟復雜，造成支護步驟相應繁瑣，進度較為緩慢。

2 黃土隧道的施工原則

黃土隧道必須遵循“短進尺、短臺階、強支護、早成環、緊二襯”的原則進行開挖施工。

黃土隧道施工還要根據不同的圍巖級別及地下水情況，加強開挖過程中的監控量測，動態化施工和設計，隨時對施工方案進行調整，二次襯砌施工要及時。

黃土隧道在施工前，要先完成隧道洞口段的邊仰坡支護和洞口截水溝。

如果在開挖過程中，確實遇到和地勘報告情況差別較大的地質情況，需要及時和設計單位反饋，采取補充勘察、設計變更，同時要提前做好應急預案，有效應對施工過程中的突發狀況[3]。

3 黃土隧道的開挖方法

國內外經過長期的施工經驗總結，對黃土隧道提出了一系列開挖方法，并在工程中進行了一定的應用。針對黃土隧道的開挖方法及其對比如表1所示[4-5]。

表1 黃土隧道的開挖方法及其對比

4 工程案例

4.1 工程概況

隧址區屬剝蝕堆積黃土塬邊梁峁溝壑地貌區。路線穿越南溝與黑河之間的山體(東山)，屬于長梁臨河段山嘴，最高海拔約1 323 m，位于隧道左側山頂，最低點海拔約1128 m，位于黑河河谷地帶。隧道進口段山體斜坡坡度約30°，較陡，坡面較破碎，受流水切割溝谷發育，局部溝壁呈黃土柱狀微地貌，以小型崩塌為主。

經調繪、鉆探揭露，隧址區的地層主要如下。

1)第四系全新統坡積黃土狀土(Q4dl)：主要分布于黃土沖溝及塬邊陡立的斜坡坡腳，淺黃色，含植物根系，偶含鈣質結核，土質疏松，具大孔隙，稍濕，硬塑。厚度小于5 m。

2)上更系統馬蘭黃土(Q3eol)：黃褐色，稍濕，稍密-中密，無層理，土質均勻，以粉細粒為主，含少量黏粒，小孔隙發育，含白色菌絲，含云母顆粒，表層具植物根系。分布于山頂。

3)中更新統離石黃土(Q2l)：屬于黃土梁主要組成土體，位于洞身段上部。淺紅棕色，稍濕，中密～密實，土質不均，以粉細粒為主，含少量黏粒，具小孔隙，含白色條帶，不均勻分布有少量鈣質結核塊體，可見最大15 cm。夾多呈古土壤層，呈棕紅色，條帶分布，黏粒含量較高，厚度2～3 m，為洞身主要通過地層。

4.2 施工方案

在以上分析的基礎上，針對該工程的特點，設計黃土隧道的開挖施工方案。

1)開挖原則。隧道開挖處須在超前支護完成后進行施工，嚴格按照“短進尺、短臺階、強支護、早成環、緊二村“的原則進行。

2)施工流程。該工程采用上臺階留核心土弧形開挖，圍巖施工開挖示意如圖1所示。

(a)

(b)

施工流程為：上臺階留核心士弧形開挖(1-1)→拱部一次襯砌(Ⅰ)→上臺階核心士開挖(1-2)→左、右側壁交錯2～3 m開挖，禁止上臺階兩側拱腳同時懸空(2-1)→左、右側壁交錯施工拱部初期支護(Ⅱ)→中臺階核心土開挖(2-2)→左、右側壁交錯23 m開挖(3-1)→左、右似壁交錯施工邊墻一次襯砌(Ⅲ)→下臺階核心土開挖(3-2)→仰供初期支護(Ⅳ)→仰拱襯砌(Ⅵ)→仰拱填充(預留中心水溝)(Ⅶ)→全斷面模筑拱墻二次襯砌(Ⅷ)。

3)施工要求。

(1)采用短臺階法施工，臺階總長14～18 m，深埋段開挖循環進尺控制在1～2榀拱架間距且不大于1.5 m，淺埋段開挖循環進尺要求為1拱架間距，避免兩側拱腳及墻腳同時落空。

(2)仰拱一次開挖長度為3～4榀鋼拱架間距，步距應滿足規范要求。

(3)初期支護混凝土強度達70%以上方可拆除模板，修整輪廓使其平滑，鋪掛防水板，然后模筑二次襯砌。

(4)預留核心土的長度為3.0～5.0 m，面積不得小于上半斷面的50%，核心土刷坡坡坡率為1∶0.5～1∶0.75。

(5)仰拱襯砌、仰拱填充作業及養護時，需要架設臨時仰拱鋼棧橋，以保障施工順利進行。

(6)洞內應做到不積水、不泥濘，嚴控施工用水、排放嚴禁漫流，不得浸泡下臺階基坑及拱腳。

(7)加工鋼架時，鋼架段與段之間應螺栓連接牢固，連接鋼板應與螺栓垂直。

(8)施工時，在拱腳及墻腳可設置預制混凝土墊塊，可有效地控制沉降。

(9)初期支護表面如有滲水，可在初期支護表面打設仰斜式排水孔并埋置排水管。

(10)做好塌方、冒頂等相關預案，保證施工安全，嚴格控制超欠挖，確保鋼架與圍巖緊貼。

5 結 論

1)隧道開挖處須在超前支護完成后進行施工，嚴格按照“短進尺、短臺階、強支護、早成環、緊二村”的原則進行。

2)黃土隧道的開挖施工方法的選擇應根據地層巖性、水文地質條件等綜合考慮。

3)監控量測必須及時根據，便于進行“動態設計”。

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