大跨度黄土隧道新奥法施工的工法 (1)

关于黄土地区隧道施工的工法

大跨度黄土隧道新奥法施工工法

一、前言

在黄土地区，已修建了为数众多的铁路隧道、公路隧道、仓库和各种用途的洞室，但大跨度的隧道并不多见，随着科学技术和经济建设的发展，在幅员辽阔的黄土地区修建大跨度的铁路、公路隧道及其它地下工程在所难免。黄土地质条件较差，遇水易发生湿陷；大跨度的黄土隧道开挖及支护技术难度较大。由中铁一局集团第三工程公司施工的黑山寺大跨度（开挖跨度12.54m）黄土隧道采用新奥法施工技术取得成功，具有较好的社会经济效益。本工法是在黑山寺隧道的施工过程中形成的。

二、工法特点

（一）大跨度黄土隧道采用分部开挖，初期支护由钢拱架、喷锚等组成，二次衬砌采用模筑混凝土施工，施工技术可行、安全可靠。

（二）大跨度黄土隧道采用新奥法施工，便于机械操作，提高机械利用率，可加快施工进度，缩短工期。

（三）采用监控量测信息技术指导施工，使施工处于受控状态。

三、适用范围

本工法适用于在黄土地区修建大跨度铁路、公路隧道，对黄土地区修建其它地下工程亦有参考价值。

四、施工工艺

（一）工艺原理

大跨度黄土隧道施工以新奥法的基本原理为依据，以“短开挖、快封闭、强支护、勤量测”为指导。在洞室开挖后立即将开挖暴露出来的围岩进行喷锚及钢拱支

护，由于这种支护是柔性的，容许围岩有一定的变形，达到一定的稳定状态，然后在初期支护的掩护下施做二次衬砌，充分发挥围岩的自持能力，因而使得二次衬砌承担的山体压力较小，而且施工过程不需要进行支撑顶替，避免围岩崩塌而产生较大的松驰压力，保证衬砌和围岩密贴且使衬砌有良好的稳定性。

（二）工艺流程

施工工艺流程图见图1。

施工准备

分析地质勘探资料

确定施工方案

及施工方法

确定施工监测计划

开挖

现场施工监测初期支护

防水隔离层防水设施

二次衬砌锚喷衬砌

结束

是否达到二

次支护要求

否

(修正支护参数)

(改变开挖步骤、顺序)

图1 大跨度黄土隧道施工工艺流程图

（三）施工要点 1.施工准备

（1）风、水、电管线敷设、施工便道、施工现场布置，机具设备、人员配置、材料准备、修建防排水设施等。

（2）根据地质勘探资料和施工设计，详细分析了解工程地质和水文地质情况，制定相应的施工方法和措施，认真编制施工组织设计，制定施工监测计划。

2.隧道开挖施工

开挖采用正台阶分步开挖法，也称环形开挖留核心土法施工，分步施工顺序如图2所示。这种施工方法适用于土质易坍塌的软弱围岩隧道，上部留核心土支挡开挖工作面，利于及时做拱部初期支护以增强开挖工作面的稳定性，核心土及下部开挖在初期支护保护下进行。

1

1

1

23

4

4

I

II

III

I

II

I IV

IV

说明：先开挖上半断面环形1后立即施作初期支护I ；再开挖上半断面核心土2及开挖下半断面中槽3；然后开挖下半断面两侧土4后立即施做初期支护II ；仰拱III 及时封闭成环；最后进行二次衬砌IV 施工。

图2 隧道分步施工顺序图

一般环形开挖进尺控制在0.5 ～1.0m ，土质较好时，开挖进尺一般能达到1～

2m，上下台阶距离一般控制在4～6m左右，这样不仅有利于施工安全，而且有利于上台阶出土。

上半断面采用人工及风镐配合开挖，机动翻斗车运输，由掌子面弃到下断面运出，开挖1工序后及时进行I工序初期支护，再开挖2工序。

下半断面用挖掘机开挖，自卸车运输，先开挖中槽3工序，拉开一定距离后（中槽不宜挖得太长），再开挖4工序，及时进行初期支护。

初期支护必须紧跟开挖进行，开挖完后及时施作仰拱封闭成环。

3.初期支护施工

（1）施工程序：测量定位→钻孔→锚杆支护→喷混凝土→安设钢拱架→挂设钢筋网→喷混凝土

（2）通过对地质及支护状态、隧道周边位移、拱顶下沉、地表沉陷、钢拱架应力、锚杆拉拔力等的监控量测，判断支护是否稳定与可靠，必要时调整支护参数。

（3）开挖断面达到要求尺寸，及时出碴后立即初喷混凝土4～5cm，然后打设锚杆，再按设计要求安装钢拱架、挂钢筋网、最后分层复喷混凝土直到厚度。拱架与开挖轮廓之间所有间隙必须用喷射混凝土充填密实。先喷拱架与轮廓之间间隙，再喷拱架周围，最后再喷拱架之间。

（4）锚杆采用早强砂浆锚杆体系或药包早强锚杆；锚杆间距一般情况下取1m，拱脚处需设锁脚锚杆；锚杆长度取决于围岩类别和开挖后的塑性区域，在软弱围岩中布置的系统锚杆，锚杆的长度应穿透软弱层和破碎体，固定在塑性区域以外。实践和理论分析证明，在黄土地区修建隧道时，锚杆的设置是必要的。

（5）钢拱架的受力情况比较复杂，钢拱支护仍是必要的。钢拱架采用型钢刚架，对Ⅱ类围岩，间距可取1.2m，对Ⅲ类围岩，间距可取1.5m。

4.防水及衬砌结构施工

（1）二次衬砌施工时应满足的要求：①水平收敛（拱脚附近）速度小于0.2mm/d，或拱顶位移速率小于0.15mm/d；②施做二次衬砌前的收敛量已达总收敛量的80%以上。

（2）开挖支护完成后，在初期支护表面抹砂浆找平，再铺设一层土工布，后铺

设防水板。

（3）防水层铺设完成以后，绑扎钢筋，架设整体式模板台车，浇灌二次衬砌混凝土。

（4）二次衬砌施工应尽量采用整体式模板台车施工，以提高工效和质量。

5.防排水措施

（1）采取洞内设集水坑和排水沟的排水设施，将洞内水引排至洞外。

（2）在洞顶设置排水沟，将洞顶水疏排至隧道开挖范围以外，减少地表水的渗入。

（3）地下水水量较大时，可采取井点降水的方法将地下水位降至隧道底以下。

（4）施工中管理好施工用水，不使废水浸流。

（5）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。

五、监控量测

（一）主要施工监测项目见表1。

表1 监控量测项目表

序号量测项目量测仪器和工具测点布置量测频率

1 围岩及支

护状态

地质描述及拱架

支护状态观察

每一开挖环开挖后立即进行

2 地表沉降水准仪和

水平尺

每10～20m一个断面，

每断面7～11个测点

H<2B时1～2次/天；H<5B时

1次/2天；H>5B时1次/周

3 拱顶

下沉

水准仪、

钢尺等

每5-10m一个断面，

每断面1-3个测点

H<2B时1～2次/天；H<5B时

1次/2天；H>5B时1次/周

4 周边净空

收敛位移

收敛仪

每5～10m一个断面，

每断面3～5个测点

H<2B时1～2次/天；H<5B时

1次/2天；H>5B时1次/周

5 隧道底部

隆起

水平尺、水准仪

及钢尺等

未做仰拱段每5～10m

一个断面，每断面1～

3个测点

1次/天至做完仰拱结构为止

7 钢拱架内

力及外力

支柱压力计或

其他测力计

每10～30榀钢拱架设

一对测力计

H<2B时1～2次/天；H<5B时

1次/2天；H>5B时1次/周