浅议黄土隧道特殊地质条件下的换拱施工技术

浅议黄土隧道特殊地质条件下的换拱施工技术
摘要：随着我国社会经济的迅速发展，科学技术的进步，在特殊地质条件下，黄土隧道的换拱施工技术也得到了一定的发展。

对于黄土这种特殊条件的地质来说，即便具有良好的施工技术也很难进行具体的实践工作，尤其是涉及面积广的换拱施工操作方面，本文便结合具体的实例分析，首先简要阐述了工程的基本概况以及地质情况，其次深入探讨了该地区初支侵限的情况及其产生原因，重点研究了黄土隧道在该种特殊地质条件下，初支换拱施工技术、具体的施工流程，希望能够为相关工作者提供一定的帮助。

关键词：黄土隧道；换拱施工；机械破碎；以人为本
本文结合具体的工程实例，对已经成功完成的施工过程以及总结得出的施工经验进行实时探究，能够在一定程度上基于黄土隧道研究者可行、合理的施工经验，秉承以人为本，安全第一的首要原则，为黄土隧道的换拱施工提供经验，为研究者解决了施工中的大量问题。

1工程基本概况及其地质情况
该工程属于黄土梁峁沟壑地貌，并且处于黄土梁脊的70至85度处，以隧道方向为基准，地形属于中间地势高，两边地势的长方形分布，隧道的进出口部分地势坎坷，高坡表面遍覆盖着不均匀的硬质凝结土壤，黄土梁的两侧不停地被间断的流水在地面表层冲刷而形成沟槽，并且沟槽谷底以树枝型的形态张开。

隧道地址区域周围的岩土具有严重的自重湿陷性，能够陷至148m的地方，属于五级围岩。

除此之外，施工作业人员在隧址区附近还勘探出丰富的水资源，这些地下水源均会对隧道的施工具有一定的影响，根据地势地貌、地质结构、地层岩性等的结合计算，隧道预测涌水量大概为左805m3/d、右线981m3/d。

2初支侵限情况描述
该隧道右线进口YK36+812～YK36+821段，设计硬质塑料形状、结构紧密、质地匀称的围岩来更新黄土；采取以预留核心为主，挖环形为辅的方式进行施工作业；以环形拱部直角范围之中选用规格为长3m，管壁宽3.5mm，Ф50的导管作为最前支护；在竖直方向每距离3m施工操作一环；施工初期支护施作I22a全环型钢拱架，竖直间距0.6m，在拱墙部分构建长3.5m的砂浆锚管，并且在边墙以成环方向设定长4m的砂浆锚杆；采用Ф8mm的钢筋制作成网格间距为
20cm*20cm的钢筋网，需要喷射混凝土的拱墙和仰拱保持喷射厚度一致均为
25cm，并且留下20～35cm的变形量。

该段在实际的开挖以及初期支护施工阶段，实际施工围岩和设计围岩存在一定差距，因为该施工地质环境的特殊性，隧道上顶端的土层主要是细末质的粉尘沙粒，围岩自身的稳定性较弱，而隧道拱脚处及以下的横断面均有涌水情况，并且在持续不断地施工当中出现右侧隧道端部逐渐以斜面土层掉块，随即迅速导致隧道端部到顶部发生大面积坍塌，最终掌子面钢拱架上方土层坍塌严峻，造成钢拱架以及其他的初支体系受到波及，导致YK36+782~YK36+815段出现几处损害程度不同的环向裂缝，其中最大宽度有2.5cm。

在事故恢复稳定后，施工人员立马对裂缝进行围岩沉降收敛工作，并且在每间隔为20分钟时进行数据监测，但是数据检测结果显示并无变化，由此肯定开裂范围也趋向稳定，随后立即安排边墙两方进行反压回填工作，监控测量值还是稳定不变，作业人员其次在洞掌子面纵向8m，初支下方大概1.5m的范围内再次使用反压回填方法，并且用泥土对裂缝进行处理，观测其是否稳定。

结果显示，测量数据和裂纹均处于稳定状态，由此
肯定掌子面以及初支也都处于相对稳定状态，随后观测人员利用塔尺对坍塌之后
的隧道进行测量，得出坍塌高度约5m，横向宽度约10m。

3原因分析
该隧址区发生坍塌的原因主要有以下几点：第一，环境因素。

该区域具有充
足的地下水资源，特别是隧道端部和仰拱被挖掘之后，出现明显的涌水情况，然
而整个围岩自身稳定性不强，同时又和掌子面处于统一垂直面，最后当围岩含水
量达到一定量时，一旦被挖掘就非常容易发生掉层或者坍塌事故；因为隧道地表
的测量结果显示，该区段属于冲沟发育，避免不了坍塌区域潜在山体偏压隐患，
除此外，换拱区域恰好与冲沟段谷底处于同一位置，因此容易受到雨水和附近落
水洞的影响；围岩处为沙质土层，遇水容易失陷坍塌。

第二，人为因素。

施工人
员在进行挖掘环向进尺时，没有严格依据设计要求执行任务，在上半断面施工作
业时要每循环1榀时控制拱架间距，特别对于涌水区域来说，循环速度以及循环
进量的控制是非常有必要的；掌子面出现拱腰掉块情况时，作业人员并未及时采
取合理高效的控制措施，造成掉块情况严重，甚至情况愈发严峻。

4换拱处理方案
4.1换拱施工流程
换拱施工流程如下：根据侵限实际情况，决定换拱位置；打设环向导管、注浆；上道工序达标之后，进行钻孔探查；首榀拱架破除；打设小导管、注浆；凿
除初支喷射混凝土；测量放样；置换拱架并进行连接；剥除侵限部分围岩；挂网片、喷硂支护；实时监控量测。

重复以上工序。

4.2径向注浆管打设及注浆
4.2.1径向注浆管打设
首先在YK36+812～YK36+821段进行断面实际勘测进而决定换拱位置，经数据结果显示，采取以隧道纵向1.5m、环向1.2m进行安排，进行整体注浆来确保疏
松的土层更加稳定。

注浆管使用50*4mm无缝钢管，靠着管壁20cm处用梅花形
来布置7mm注浆孔，注浆管长度为1.3至1.6m，对1.5m环形区间的土层进行加固处理，以塑造成坚硬牢固的保护层，来确保换拱过程中不发生土层掉落与坍塌。

4.2.2双液浆注浆
注浆管打设完毕之后，采取活塞式注浆机灌输水泥与泡花碱浆液，不仅可以
提高固定疏松土体的工作效率，还可以隔绝外界发挥封水效用。

控制浆液水灰比
例为1：1，水泥与水玻璃比例为2：1，根据施工范围内土体进行疏松程度实验，由土体的扩散系数来调控注浆量的精确性和合理性，同时掌控注浆压力在0.5至0.8MPa的范围内。

对于双液浆注浆有以下三个方面值得注意：第一，重视双液浆的选取。

有部分隧道施工单位认为对于黄土疏松的土体来说，注浆不仅不能起到
加固作用，反之还会加重土体的疏松程度。

他们认为注浆之后，浆液中的水会在
第一时间造成土层雨水软化，而凝结过程十分缓慢，这就加重了土体的疏松程度，导致危险情况的发生，造成再次沉降。

这种设想确实情有可原，但是倘若调整浆
液为水泥与泡花碱浆液，不仅可以加快浆液的凝结速度，还可以确保因为良好的
防水作用发挥注浆的成效，同时减轻了浆液中的水软化围岩，避免了危险的发生。

第二，正确认识注浆管的管长。

有的隧道建设企业认为，隧道换拱过程中，采取
越长的打设环向注浆管，效果便更显著，但是，根据相关实验证明管长为1.2至1.5m的注浆管无法发挥全面加固的效果。

根据施工实验表明，注浆管管长超过特定范围，便会刺穿土体裂缝，因此造成浆液从裂缝中流出，不但不能发挥实际效用，反而还会造成资源浪费。

第三，精确控制注浆压力。

通常判断浆液是否灌注
完整，都是依靠压力表是否达到稳定状态，但是由于部分疏散围岩或者岩石坍塌
等表现出整体下沉的趋势的土体，该种情况下倘若依据注浆压力为参照标准，极
易造成注浆量偏大，而发挥不了压实松散土体的稳定效果。

4.3初期支护破口凿除
进行初期支护破口凿除有以下几个点：首先，破除前的准备阶段。

要实现对
已经完成注浆作业的初期支护开展钻孔勘探，倘若注浆效果不符合标准，即需要
对其实行再次钻孔和填补浆液作业；其次，破除阶段工具的选取。

初期支护的破
口凿除应当选取无声卓效破石剂、冲击锤、人工凿除开展预裂工作。

很多人认为
不应该选择冲击锤，因为冲击锤的震动作用太大，极易导致疏松的围岩发生坍塌
危及初期支护上层土体，危险系数较高。

但是根据实验表明，冲击锤并不存在安
全隐患。

最后，破除阶段。

务必要确保第一榀工字钢在安全值得依赖的条件下，
进行人工凿除工作，来避免器械影响围岩，随后利用冲击锤开凿第二榀拱架，利
用公路分离式隧道断面的相关经验，此时采取可以转向的挖掘机，从一侧逐渐向
换拱方向实行破口凿除工作，同时对施工情况做好实时监测。

冲击锤的应用能够
提高作业效率，同时还可以降低事故发生率。

但是，倘若仅仅只选择人工凿除或
者无声高效破石剂开展预裂作业，在施工过程中，不仅需要风镐和电镐等大量器
械设备，而且均需要人工手动进行凿除以及钻孔，造成工作效率低，并且作业人
员的人身安全不能得到保障。

4.4超前小导管打设
作为所有换拱施工环节当中最为关键的环节，超前小导管的打设，要插入土
钉前，应对土钉进行除锈，将注浆管用细铅丝绑在土钉上。

插土钉时，托架向上，往里送入钉体，到位后旋转180°，使托架朝下，土钉居中。

钉孔注浆材料一般采用水泥浆或水泥砂浆，其强度一般为M30，不应低于
20MPa。

边坡渗水严重时，宜添加膨胀剂。

注浆前，用高压风洗孔，将孔内少量
残渣、积水吹出，以保证注浆质量。

注浆用沙为细沙，运到工地后应过筛，以保
证施工过程中不堵管，注浆宜采用孔底注浆法，注浆压力宜为0.2～0.4MPa，边
抽边注，当浆液从孔口溢出时，孔口用止浆袋堵塞，以保证孔口浆液饱满。

注浆
管抽出后，用水降管内浆液冲洗干净备用。

（4）挂钢筋网、加钢垫板、上螺母
孔内注浆3d后，挂钢筋网。

为保证钢筋网整体受力，接头处采用电焊搭接，放置承压板，上螺母，施加5kN～10kN预紧力，通过垫板使钢筋网与第一层混凝
土密贴。

（5）喷射第二层混凝土
喷射第二层混凝土应覆盖全部土钉头部，且做到大面平整。

最后，凿通所有
泄水孔的水泥砂浆，保证泄水畅通。

（6）排水孔设置
面层设置排水孔，预制无沙混凝土板反滤层及排水孔。

边坡开挖时按设计泄
水孔位置挖槽，安设预制的无沙混凝土板。

参考文献
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