特殊地质地段之黄土隧道开挖施工技术

双侧壁法施工方案示意图
Ⅲ
Ⅰ
隧
道
中
线
Ⅰ
Ⅲ
Ⅰ Ⅰ
5.50 0.68m
Ⅲ Ⅰ
①
③
4.61
Ⅱ
Ⅱ
②
④
Ⅱ
Ⅳ
Ⅱ
20m
2.46
Ⅴ
Ⅴ
Ⅺ
施工工序正面示意图
⑤⑥
3～5m 5～9m ≥3m 5～9m 3～5m 10m
20m
施工工序纵断面示意图
说明： 1、本图为双侧壁导坑法施工示意图，适用于秦东隧道进口端Ⅴ级围岩段施工，图中序号表示施工顺序， 两侧侧壁导坑可以进行平行作业。 2、第Ⅱ道工序为两侧下导坑初期支护，包括中隔壁的初期支护的施做。架设第Ⅱ道工序的临时钢架时， 可掏槽开挖将钢架底部直接置于基底。 3、第④工序完成后进行基底处理施工，基底加固完成后再进行⑤、⑥部开挖、初期支护、仰拱等后续工序。 4、第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ道工序包括喷锚、钢架及超前支护等所有的临时支护、初期支护。 5、二次衬砌施工前，拆除所有中间支护，再做填充、水沟及其它附属工程。
• （1）黄土节理：在红棕色或深褐色的古土壤黄土层，常具有各方向的构造节 理，有的原生节理呈X型，成对出现，并有一定延续性。在隧道开挖时，土 体容易顺着节理张松或剪断。如果这种地层位于坑道顶部，则极易产生“塌 顶”。如果位于侧壁，则普遍出现侧壁掉土，若施工时处理不当，常会引起 较大的坍塌。
• （2）黄土冲沟地段：隧道在黄土冲沟或塬边地段施工时，当隧道在较长的范 围内沿着冲沟或塬边平行走向，而覆盖较薄或偏压很大的情况下，容易发生 较大的坍塌或滑坡现象。
秦东隧道关键施工技术
• 双侧壁导坑法
• 施工工艺框图
超前小导管或超前管棚
两侧上部开挖 两侧上部初支及中隔和横撑临时支护
两侧下部开挖
两侧下部初支及中隔和横撑临时支护 中部上台阶开挖、初支及临时 支护
中部下台阶开挖、初支及临时支护
底部开挖 施作初支、仰拱、填充
拆除中隔壁和横撑临时支护
防排水及二次衬砌
监控量测
• 2．黄土梁：地形呈长条状的垄岗，两旁夹以深谷，垄岗 高度大体保持一致。也是由黄土所构成，但也有少数上更 新统和全新统新近堆积的黄土质土，如陇中、陇东、陕北 、晋南、柴达木盆地香日德附近等地区。
• 3．黄土峁：指个体独立或连续的黄土丘陵，由于 地形严重切割，沟谷斜坡地带往往分布着新近堆 积的湿陷性强的黄土质土。
• 3．结构疏松、无层理，具有肉眼可见的大 孔隙、垂直节理发育。
• 4．含易溶盐类，主要矿物组成有石英、 长石、云母、碳酸盐类胶结物及粘土矿物 。
• 5．抗水性极差，易于崩解、潜蚀、冲刷 。
• 6．新黄土多具有湿陷性。
黄土的地质特性：
• 1、 胀缩性
•
黄土遇水体积膨胀，使其上面的路面隆起，干燥后体积收缩，并使其上面的路面
（Q1）和中更新统的离石黄土（Q2）的统 称，其大孔结构多经压密，一般没有湿陷
性或仅在Q2黄土的上部有轻微湿陷性。
• 覆盖在上述黄土上部硬阶地上的上更新统 马兰黄土（Q3）及全新统的新近堆积黄土 （Q4），称为新黄土，土质均匀，较疏松 ，大孔和虫孔发育，具垂直节理，有较严
重的湿陷性。
黄土地层对隧道施工的影响主要有：
• 2、黄土在天然含水量时，呈坚硬或硬塑状态，陇西及兰州高阶地地区黄土具 有中等的强度和中等偏高的压缩性，遇水浸湿后，在自重作用下也会发生剧 烈而大量的湿陷性变形土体强度也随之迅速降低；陇东地区黄土具有中等偏 高的强度和中等偏低的压缩性。
• 3、黄土形成年代愈久，湿陷性越小甚至不具湿陷性。反之，形成年代愈短， 其特性相反。
• 4．河谷阶地：包括现代河流的河漫滩、超漫滩， 低级阶地、高级阶地、河谷范围内的各种斜坡地 带以及河谷两侧的一些沟谷等地貌。
• 5．冲积洪积平原：分布着全新统的黄土质 土，一般具有较弱的湿陷性，当含粘土颗 粒较多时，湿陷性较小或无湿陷性，如陕 西关中、河南、河北等黄土冲积洪积平原 。
• 黄土堆积时代主要在第四纪，包括老黄土 和新黄土。老黄土是下更新统的午城黄土
1、总体施工方案
隧道施工遵循“管超前、非爆破、短开挖、少扰动、严治水、强支护、早封闭、 勤量测、紧衬砌”的原则稳步前进，正洞、斜井均采用无轨运输方式组织施工。 正洞Ⅳ级围岩段采用三台阶弧形导坑预留核心土法开挖，Ⅴ级围岩段采用CRD法、 双侧壁法开挖，采用型钢刚架、锚喷网联合支护体系。斜井Ⅳ级围岩段采用正台
含水量对黄土的力学性质有重要影响，进而 影响隧道的稳定性。黄土含水量可以分为三 个等级，针对不同黄土含水量采用不同的支 护、加固措施。
• 黄土隧道是指修建于黄土体内的隧道。相 对于一般岩石而言，黄土强度低，遇水软 化或湿陷，所以，黄土隧道施工中极易发 生洞内坍塌和地表沉陷等问题。
• 我国黄土地区自西向东主要分布在新疆、 青海、甘肃，宁夏、陕西、山西、河南、 河北、山东、内蒙古、辽宁，吉林等地， 总面积达631000km2，占国土面积的6.6% 左右。湿陷性黄土对工程建设的影响很大， 主要分布在黄土层的表层，以新黄土及新 近堆积的黄土为主，其厚度一般在20m以内。
贯通。
• 4、强度衰减性
•
黄土的强度随含水量的增大而减小。在天然含水率的情况处于较坚硬的状态，具
有一定的强度。但浸湿后不易干燥，强度急剧下降，过湿则形成弹簧土。
• 5、湿馅性
•
黄土在外加荷载有土体自重的作用下，受水侵湿后，因土体结构破坏，而发生大
量剧烈的附加下沉，即形成湿馅。
• 6、渗水性
•
因黄土具有胀缩性，多次反复形成裂缝，降水后，水从裂缝中下渗，渗入深度增
• （二）工程重点
1、预防坍塌 隧道进、出口处埋深浅，断面大，围岩自稳性差，开挖不当容易引起 坍塌，隧道进、出口浅埋暗挖段的安全施工是本工程的一个施工重点。
• 2、远望沟沟心地段施工 隧道轴线与远望沟斜交在沟心处浅埋（隧道拱顶高出原始地面0.6m）， 采用先期施做护拱、后期暗洞穿过的施工方案。需要在洞身施工前处 理洞外部分，处理效果影响隧道洞身的施工。
加固。
•
（3）黄土隧道施工，宜先作仰拱，如果不能先作仰拱时，可在
开挖与灌筑仰拱前，为防止边墙向内位移，应加设横撑。
•
（4）施工中如发现不安全因素时，应暂停开挖，加强临时支护，
以便采取适应性的工序安排。
施工案例：郑西铁路客运专线秦东隧道
工程特征分析
• （一）工程特点
• 1、技术标准高、质量要求严
• 本客运专线基础工程要求满足350km/h设计时速目标；采用无碴轨 道系统，工后沉降量控制在15mm范围内；基础工程100年使用寿命 的要求；因而对隧道开挖、支护、基底处理、二衬砌等每一道工序的 施工工艺质量都提出了很高的要求。
• 4、黄土的孔隙率、孔隙比愈大，土质越松散，湿陷性越强烈，反之，湿陷性 越小。
黄土的一般地质特征
• 1．黄土的基本色调为黄褐、浅黄、棕黄等 颜色。
• 2．组成物质以粉粒（0.05～0.005mm） 为主，约占60%，粘土粒（＜0.005mm） 含量次之，占20%左右，大于0.25mm的颗 粒少见。
• 2、围岩自稳能力差、开挖断面大、防排水要求高
• 本隧道为黄土隧道，围岩自稳时间短，特别是隧道进、出口段均为浅 埋，加之开挖断面大，xx端洞口暗挖段为偏压段，该段施工不当易坍 塌；同时黄土受水的影响较大。
• 3、隧道长度长，各工序相互干扰大，对管理人员的组织协调能力要 求高
• 本隧道全长7684m，分进、出口和三个斜井共五个工区八个工作面组 织施工，且斜井工区内同时向两端施工，适应本隧道开挖的双侧壁导 坑法、CRD法和弧形导坑法各工序间相互干扰大，组织协调要求高。
黄土地层对隧道施工的 原则：
短开挖； 少扰动； 强支护； 实回填； 严治水； 勤测量。
黄土地层对隧道施工 的原则：
钢筋、模板、砂、石、 水泥、外加剂、止水 带、减水剂、粉煤灰、 锚杆
黄土地层对隧道施工的施工方法：
（1）黄土隧道施工，应做好黄土中构造节理的产状与分布状况的调查。对因构造节理切 割而形成的不稳定部位，在施工时加强支护措施，防止坍塌，以策安全施工。 （2）施工中应遵循“短开挖、少扰动、强支护、实回填、严治水、勤量测”的施工原 则，紧凑施工工序，精心组织施工。 （3）开挖方法宜采用短台阶法或分部开挖法（留核心法），初期支护应紧跟开挖面施 作。 （4）黄土围岩开挖后暴露时间过长，围岩周壁风化至内部，围岩体松弛加快，进而发 生坍方。因此，宜采用复合式衬砌，开挖后以喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢支撑作 初期支护，以形成严密的支护体系。必要时可采用超前锚杆、管棚支撑加固围岩。在 初期支护基本稳定后，进行永久支护衬砌。衬砌背后回填要密实，尤其是拱顶回填。 （5）做好洞顶、洞门及洞口的防排水系统工程，并妥善处理好陷穴、裂缝，以免地面 积水浸蚀洞体周围，造成土体坍塌。在含有地下水的黄土层中施工时，洞内应施作良 好的排水设施。水量较大时，应采用井点降水等法将地下水位降至隧道衬砌底部以下， 以改善施工条件加快施工速度。在干燥无水的黄土层中施工，应管理好施工用水，不 使废水漫流。
下沉。如此反复路面形成裂缝及剥落，降低公路使用寿命。
• 2、 崩解性
•
新黄土孔隙较大，岩性疏松，浸入水中后，吸水湿化，很快全部崩解；而老黄土
孔隙较小，岩性紧密，则需经一段时间才崩解，红色黄土孔隙很小，岩性紧密，浸水
后基本不崩解。
• 3、多孔裂隙性
•
黄土具有很高的空隙度。黄土中的空隙呈垂直或倾斜的管状，以垂直为主，上下
黄土在一定压力作用下，受水浸湿后，土 的结构受到破坏而发生显著下沉现象的， 称其为湿陷性黄土。开始出现湿陷时的压 力，称为湿陷起始压力，湿陷起始压力一 般有随深度而渐增的趋势。
黄土受水浸湿后在自重压力下发生湿陷的， 称自重湿陷性黄土；在自重压力下浸湿不 发生湿陷，但在附加压力下发生湿陷的， 称非自重湿陷性黄土。
• （3）黄土溶洞与陷穴：黄土溶洞与陷穴，是黄土地区经常见到的不良地质现 象，隧道若修建在其上方，则有基础下沉的危害。隧道若修建在其下方，常 有发生冒顶的危险。隧道若修建在其邻侧，则有可能承受偏压。
• （4）水对黄土隧道施工的影响；在含有地下水的黄土层中修建隧道，由于黄 土在干燥时很坚固，承压力也较高，施工可顺利进行。当其受水浸湿后，呈 不同程度的湿陷性，会突然发生下沉现象，使开挖后的围岩迅速丧失自稳能 力，如果支护措施满足不了变化后的情况，极容易造成坍塌。
阶法开挖，Ⅴ级围岩段采用正台阶预留核心土法开挖，型钢、锚喷网支护。
• 隧道进口、出口及斜井工区施工通 风均采用压入式通风。隧道治水按 照“防、排、截、堵相结合，因地 制宜，综合治理”原则施工。仰拱 超前拱墙二衬混凝土超前安排一次 整幅施作。墙拱衬砌采用液压模板 台车整体灌注，混凝土均采用自动 计量，拌和站集中强制式拌和，砼 搅拌运输车运送，泵送入模工艺。
黄土隧道施工的注意事项：
• （1）施工中如发现工作面有失稳现象，应及时用喷射混凝土封闭、 加设锚杆、架立钢支撑等加强支护。
•
试验表明，在黄土隧道中喷射混凝土和砂浆锚杆作为施工临时
支护效果良好。
•
（2）施工时特别注意拱脚与墙脚处断面，如超挖过大，应用浆
砌片石回填。如发现该处土体承载力不够，应立即采取相应措施进行
特殊地质地段之黄土隧道 开挖施工技术
黄土的主要工程性质：
• 1、黄土是第四纪干旱及半干旱气候条件下风积而成的一种特殊沉积物。颜色 多呈淡黄、灰黄色或褐黄色。粉粒(0.075～0.005毫米)含量常超过一半以上， 兰州及以北及陇西地区甚至达60～70％，且其中主要是0.05～0.0百分之几，且其中主要的是 0.1～0.05毫米的粉砂；粘粒(＜0.005毫米)含量较小。
加；又因黄土具有大孔隙垂直节理等特性，其垂直方向的渗透性较水平方向为大；但
粘粒含量较多的黄土成为透水不良或不透水的土层。
黄土是第四系堆积的陆相沉积物，是半干旱 气候条件下形成的并有针状孔隙、垂直节理 的特殊土。按形成时代和结合工程建设的特 点，常将黄土分为老黄土和新黄土；非湿陷 性黄土和湿陷性黄土等。
• 由于黄土隧道分布广，施工难度大，建成 后出现问题多，我国从上世纪60年代起， 铁路系统和公路系统先后进行了数十项专
题研究，并取得了富有成效的科研成果， 为我国成功建设大量黄土隧道奠定了基础。
• 黄土地貌
• 黄土地貌一般可分为“塬、梁、峁”三大类型以及河谷阶 地、冲积和洪积平原等。
• 1．黄土塬：面积较大的平坦高地，有陡峻边缘，通常由 黄土所构成，在黄土塬顶部表层广泛分布着黄土质土。