黄土浅埋段超大跨度高速公路隧道开挖施工方法比选

黄土浅埋段超大跨度高速公路隧道开挖施工方法比选摘要:结合超大跨度浅埋黄土隧道的围岩地质条件，从技术指标、施工工序、沉降控制和施工风险等方面分析了隧道开挖工法双侧壁导坑法、偏心导坑+环形开挖法和盖挖法等各工法的适应范围和优缺点，从而选择合理的超大断面黄土隧道开挖施工方法。

突破了传统的山岭地区公路隧道的施工工艺，可为类似工程提供借鉴。

关键词：大跨度浅埋黄土隧道开挖方法创新工艺工法比选
1 工程概况
1.1 隧道设计
阳曲1号隧道位于山西省太原市阳曲县，穿越凌井小盆地，阳曲小盆地和太原盆地3大地质构造单元。

隧道为分离式双洞单向三车道高速公路特长隧道，隧道左线长4685m，右线长4711m。

隧道建筑限界净宽14.5m，净高5.0m，为平定至阳曲高速公路的重点控制性工程。

隧道进口端黄土地质段全长1213m，土质围岩分界里程K93+857～K95+070，区段内隧道最大埋深50.244m，普遍埋深为14～23m，覆盖层厚较薄，K94+039～K94+126冲沟段埋深仅2.92m。

隧道断面大，主洞开挖跨度17.23m，开挖断面面积160m2;加宽带跨度19.87m，开挖面积202.3m2。

1.2 工程地质特征
本区段为黄土丘陵地区，普遍黄土厚度大，黄土地区普遍分布冲沟、陡坎、崩塌和陷穴，同时存在松软土等特殊岩土。

线路位于第四系全新统冲洪坡积层(Q4del)、上更新统(Q3eol+al)风积与冲积层的黄土和砂层、中更新统(Q2)黄土、砂层、砾石层中。

隧道主要穿过新黄土地层，成分主要以粉粒为主，结构疏松，具大空隙，富白色钙质菌丝及植物根须，偶含零星钙质结核。

土质纯净，渗透性强，竖向节理发育，具大孔性和直立性;土体含水率较高，重力湿陷性显著，隧道开挖后围岩塑性变形发育。

2 施工方法
2.1 双侧壁导坑法(传统工艺)
隧道洞口区段存在浅埋和偏压难题，在进洞施工试验阶段，设计文件建议采用双侧壁导坑法施工，支护参数:隧道黄土段设计Va级浅埋I22b型钢钢架，间距0.5m，Vb级深埋I20a型钢钢架，间距0.8m，VJ级加宽带I22b型钢钢架，间距0.5m，侧壁墙I18型钢钢架，间距同初支钢架。

开挖过程中分四个开挖面，左导坑、右导坑、中隔墙上半断面和下半断面相互错开同时开挖，然后分部同时支护，形成支护整体(见图1)。

在施工试点过程中发现双侧壁导坑法开挖存在诸多缺陷:(1)中隔墙上半断面支护拱架合拢时，与左右侧导坑拱架接头对接困难，接合不严密，参与整体工作后支护体系徐变过程延长，结构受力形式薄弱;(2)侧壁墙与初支钢架连接处为相对薄弱环节，拆除中隔墙临时支护后围岩扰动显著，拱顶严重下沉，部分地段侵入净空达29cm;(3)若四个工作面同时组织施工，施工现场工序混乱;作业人员需求量大，施工进度缓慢。

双侧壁导坑法最终因沉降控制不利而告失败。

2.2 偏心导坑+环形开挖法(创新工艺)
根据隧道进口黄土段浅埋、偏压的工程特性、围岩地质条件和地形地貌要求，工程院多次组织相关专家评审，结合双侧壁导坑工法的技术难点，明确了浅埋暗挖分部施工的重要性，制定专项方案，最终确定V级黄土地质段采用偏心导坑+环形开挖法施工。

开挖过程中,左侧小导坑超前开挖支护，降低隧道相对围岩级别，提前释放围岩应力。

右导坑结合拱部环形同步跟进施工，快速闭合支护结构，减少对围岩的扰动，分部支护，形成支护整体;缩短作业循环时间，逐步向纵深推进，形成开挖及施作初期支护，混凝土仰拱紧跟掌子面及时施作构成稳固的支护体系。

2．2．1 开挖
由于隧道开挖跨度大，为确保施工安全，Va级浅埋段每循环进尺50cm，Vb级深埋段80cm，VJ级加宽带50cm,分左、右+中上两个
工作面同时进行(见图2)，洞身采用人工风镐配合挖掘机开挖，利于控制隧道超欠挖。

2.2.2 第一步施工
人工风镐配合挖掘机沿开挖轮廓线自下而上开挖左导坑，开挖后及时喷射4cm混凝土，封闭作业面，特别做好右侧墙的支护工作，避免侧墙向导坑内崩塌。

高含水量地段易掉块，应先铺设钢筋网，再进行初喷，确保开挖面圆顺并防止拱顶剥落出现脱空现象。

Va，Vb，VJ类围岩分别采用I22b，I20a，I22b钢架，拱架间距分别为50cm，80cm和50cm，侧壁墙采用I18钢架。

左导坑初支拱架分2节安装，环向为法兰盘连接，纵向采用φ22连接筋连接，间距1.0米。

安装完毕后即施作φ42锁脚小导管及拱部超前导管，长度3.0m，间距40cm;边墙采用3.5mφ25药包锚杆，间距80cm;拱部3.5mφ25胀壳式锚杆，侧墙2.0mφ22药包锚杆，间距均为1.0 m;挂设双层钢筋网，喷29cm C25喷射混凝土支护。

2.2.3 第二步施工
左导坑超前施工后3～5m后，同时开挖右导坑及中上半断面，预留核心土，形成环形导坑，按照同样的方法进行支护。

不良地质段应避免左右侧两个工作面同时施工，根据实际情况可增设右导坑侧壁墙临时支护。

2.2.4 仰拱施工
黄土隧道在开挖后受各种地质和施工因素的影响，在施工前期围岩变化较大，支护体系应快速封闭成环，根据掌子面的空间效应，掌子面距仰拱最大距离以不超过25m为宜，仰拱采用半幅施工，开挖长度以3～4m最为安全，防止边墙拱脚处收敛，造成喷射混凝土开裂和拱架下沉。

仰拱开挖后，应及时施作仰拱钢架及喷混凝土支护。

2.2.5 施工要点
(1)黄土类隧道工程，应严格控制现场施工用水并重视防排水工作，防止黄土发生湿陷性病害，导致初支体系整体下沉。

(2)左右侧两个工作面前后距离不宜过大，开挖过程中应注意将核心土保留完好，导坑开挖后根据围岩情况喷砼封闭开挖面和侧墙。

(3)超前小管棚支护较一般设计应加密，可每循环施作超前短管棚支护，消除掉块及小型冒顶等拱顶脱空病害。

(4)初支钢架拱脚处加垫砼预制块或钢板，拱架背后喷填密实，锁脚钢管及边墙锚杆应加密布置。

(5)通过监控量测及时取得实测数据分析反馈用以修正设计参数和调整施工作业方法。

(6)及时闭合初支结构并施作仰拱衬砌，严格控制二衬距离。

2.3 盖挖(明挖)法施工(创新工艺)
根据地表原地貌复测数据分析，隧道右线K94+039～K94+126冲沟段拱顶覆盖层厚仅2.92m，若采用当前的山岭地区隧道暗挖法施工将无法安全通过。

我部结合当前城市地铁的施工方法，建议该里程
段采用拱部明挖边墙暗做的施工方法(盖挖法)，确保隧道安全、顺利通过。

(见图3)
2.3.1 边坡开挖及防护
(1)盖挖挖方施工工序:
测量放样→设置边坡隔离带→修筑临时截水天沟→拉槽开挖→边坡防护→布设高边坡监控量测点。

(2)边坡开挖及防护
采用敞口放坡基坑法分层开挖至隧道拱顶，开挖过程中及时清理坡面虚土，初喷5cm喷射混凝土支护。

边坡:为确保施工安全，开口边坡坡率为1∶0.75，下台阶边坡坡率为1∶0.5，当边坡高度小于等于10m时不设平台，一坡到顶;当边坡高度大于10m小于等于32m时，每8m高度设2m宽平台一处。

拱脚两侧向外各加宽0.5m。

边坡开挖到位后，搭设脚手架钻孔平台，钻设锚杆孔，锚杆间距为100cm×100cm梅花形布置，锚杆采用3.5m长φ22早强砂浆锚杆;挂设φ8单层钢筋网片，喷10cm C25喷射混凝土支护。

2.3.2 初期支护
(1)施工工序:
预留核心土开挖拱脚→测量放样→架设钢拱架→打设锁脚钢管→挂设钢筋网片→挂板喷混凝土支护。

(2)施工方法:
a．开挖:隧道明挖采用机械分层分部开挖作业，采取自上而下，分层开挖，自卸汽车出碴。

b．立架:采用预留核心土法开挖至预定拱脚，经测量放样后，开始架设拱部钢架，间距50cm，纵向采用φ22连接筋连接。

拱脚处垫砼预制块或钢板，严禁拱脚回填松散土或拱架悬空。

为方便下台阶拱架与上部拱架螺栓连接，拱脚处法兰盘可采用少量泥土掩埋。

c．施作锁脚钢管:钢架安装后每拱脚处按45°斜向下单侧打设2根4.5m长φ42锁脚小导管。

d．喷锚支护采用挂φ8双层网片喷混凝土支护，喷砼施工采用在拱架下侧挂模板法施作并养护，喷锚过程中注意拱脚处喷填密实，拱脚外侧0.5m范围内宜采用喷射混凝土回填密实。

e.考虑到上台阶拱脚处土体松散，承载力差的特性，喷砼施工前在上台阶钢架拱脚处沿拱架内外侧布设4根Φ22通长钢筋和Φ8箍筋@10cm，拱部喷砼施工时将其回填作为简易加筋大拱脚(见图3)。

f.下台阶施工:待拱部初支超前施工、大拱脚强度达到75%后开始下台阶施工，下台阶施工过程中严格控制开挖进尺，每循环开挖不大
于2榀拱架间距，左右侧应错开施工，错开距离为4m～6m，严禁两侧对开施工。

2.3.3 仰拱、二次衬砌施工
盖挖法施工段衬砌作业应紧跟隧道掌子面施工，确保洞内施工人员的安全，衬砌施工应严格控制在安全距离内。

仰拱采用半幅短跨度开挖，最大跨度不宜超过5m，仰拱距离下台阶不宜超过15m，严禁仰拱施工滞后;明挖段内二衬混凝土应根据仰拱实际施工情况，结合边坡监测资料，紧跟掌子面施工。

2.3.4 盖挖回填
隧道二次衬砌施工后应及时进行明挖部分的回填工作，确保边坡的安全和稳定。

结合隧址的地形、地貌，填土高度在满足排水通畅的情况下尽量少填。

2.3.5 边坡监控方法
(1)基本水准点的布设
边坡位移基准点在基坑边坡位移变形影响不大的稳定地点，即在基坑开挖上口线的边沿延长线上，一般距基坑开挖线5m以外，以确保观测点数据的准确、可靠。

沉降观测基准点在边坡高度2倍距离以外，稳定可靠不易被破坏处埋设三个基本水准点，构成基本水准网，
作为沉降观测的起算依据。

(2)位移观测
为采用信息化施工和保证基坑边坡安全，在本工程的隧道明挖和初支施工过程中必须进行边坡位移观测工作，以便根据边坡位移情况及时进行施工指导和提前采取处理措施。

3 工法选择
3.1 3种工法的资源配置
在双侧壁导坑法、偏心导坑+环形开挖法、盖挖法施工时，为加快黄土隧道的施工进度，施工人员、机具设备配置必须科学合理，在施工中，应通过反复研究和实践，各工法的资源配置如表1所示。

3.2 3种工法的进度
在上述资源配置情况下，通过科学组织，缩短工序时间和工序衔接时间，在保证安全质量的前提下，各工序可以达到一下进度指标。

(1)双侧壁导坑法施工每循环进尺0.5m，关键工序每天2个循环，全断面开挖支护每天1.0m，每月最高进度指标为25m，平均每月进度23m。

(2)偏心导坑+环形开挖法每循环进尺0.5m，关键工序每天3个循环，全断面开挖支护每天1.5m，每月最高进度指标78m，平均每月
进度62m。

(3)盖挖法施工，全断面开挖支护每天5.5m，每月最高进度指标为81m，平均每月进度73m。

3.3 3种工法的监控量测结果
根据日常监控量测结果分析可知，砂质黄土隧道主要变形特点有以下几个方面:
(1)各工法隧道变形主要集中在各部开挖支护工程中，仰拱施作完成后，变形趋于稳定。

(2)各工法在下部及仰拱开挖施工过程中，变形速率较大，在仰拱未封闭前，即使是停止施工，拱顶下沉仍然保持一定的下沉速率。

(3)大跨度黄土浅埋地层隧道，围岩变形主要反映在拱顶下沉和拱腰处的收敛变形。

(4)在埋深较浅的松散地层中，地表下沉主要集中在隧道中线两侧15米范围内，且有纵向裂缝。

4 结论
结合超大跨度浅埋黄土隧道的围岩地质条件，研究了山岭隧道传统开挖工法双侧壁导坑法和创新工艺偏心导坑+环形开挖法、盖挖法
的技术指标、施工工序、变形收敛、资源配置、施工风险等方面的定性和定量指标，对传统的隧道开挖工法进行了技术和工序方面的探讨，并针对大跨度浅埋黄土隧道提出了新的开挖工艺，对今后类似工程合理选择超大断面黄土隧道开挖工法具有一定的借鉴意义。

参考文献
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