大断面湿陷性黄土隧道施工工序控制

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大断面湿陷性黄土隧道施工风险极大，隧道建设施工中坍塌事故时有发生，尤其以隧道“关门”比例最大，极易造成重大损失。本文结合兰渝铁路菜子坪隧道的施工情况，重点分析了湿陷性黄土隧道各施工工序控制，并从技术、质量以及动态管理等方面去抓安全，降低了施工风险，确保了隧道施工安全,为类似黄土隧道施工积累了经验。
1 引言
我国西北部是黄土和湿陷性黄土的主要分布区。随着西部大开发战略的实施，黄土地区迎来了隧道建设的高潮，更多大断面、超大断面的隧道相继涌现，施工风险极大。
湿陷性黄土隧道施工安全是一个复杂的系统工程，哪一个方面、哪一个阶段、哪一个环节的工作没有做好都可能酿成事故。 因此，如何有效地控制隧道施工工序，确保隧道施工质量及安全，成为现今黄土隧道施工的一个技术重点。
2工程概述
2.1 工程概况
菜子坪隧道位于渭源县清源镇和锹峪乡境内，为黄土高原梁峁区。隧道进口位于清源镇境内烈士陵园东北侧约100m处的渭河二级阶地缓坡带，定测里程DK125+054，出口位于锹峪乡曹家川村后侧的锹峪河二级阶地陡坎坡面，定测里程DK125+735，全长681m，隧道洞身最大埋深约60m。
2.2 地质情况
隧道为典型的黄土隧道，洞身位于第四系上更新统冲积砂质黄土或细圆砾土层中，工程地质条件较差，隧道围岩均为Ⅴ级加强围岩，断面约为140m2。其中砂质黄土均具湿陷性，湿陷等级为Ⅳ级自重湿陷性，最大湿陷土层厚度约15cm，见表1所示。
表1 隧道土质情况表

3 施工工序控制
3.1 洞口施工
3.1.1、边仰坡施工
隧道开挖前，首先完成洞口截水沟、排水系统施工，保证排水系统完善，防止冲刷、浸泡边坡；排水与路基排水系统合理连接，不能冲刷路基坡面、桥涵锥体。
边仰坡开挖：自上而下逐段进行，土质地段采用挖掘机开挖，确保边坡平顺。
坡面喷锚网防护措施的实施，随开挖及时安排，边开挖边防护；施工时注意防护锚杆须与坡面垂直，深度达到设计要求，钢筋网与锚杆连接牢固，保证防护质量。
3.1.2、洞口加强措施
菜子坪隧道洞口均处于浅埋偏压地段、地质条件差，设置导向墙采用大管棚和超前小导管加固洞口段，在洞口施做砼导向墙沿钢拱架上预留导向管、钻孔安装大管棚。
3.1.3、进洞施工
进洞采用弧形导坑预留核心土三台阶七步开挖法，配合挖掘机开挖；挖后立即湿喷砼封闭、及时架设钢拱架、施做系统锚杆、喷射混凝土，并使每一分部支护尽快形成闭合的受力体系，确保顺利进洞。进洞后，仰拱紧跟下断面，以确保洞口段施工安全。
3.2 洞内施工
针对菜子坪湿陷性黄土隧道，严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭，勤量测”的施工原则。黄土隧道地层结构松散、稳定性极差，为了充分发挥土岩体的承载能力，允许并控制岩体的变形。
为确保隧道施工安全，结合新奥法施工原则，采用弧形导坑预留核心土三台阶七步开挖，开挖后立即采用超前小导管，钢拱架支撑、挂钢筋网，施做锁脚锚杆等结合喷射混凝土做初期支护，形成严密的支护体系。初期支护基本稳定后，及时施做仰拱及二次衬砌，以达到闭合成环，整体受力。隧道复合衬砌设计参数见表2所示。
表2   隧道复合衬砌设计参数表

3.2.1 隧道开挖
根据铁建设 [2010]90号文《关于进一步明确软弱围岩及不良地质铁路隧道设计施工有关技术规定的通知》的有关规定，软弱围岩严格控制开挖循环进尺长度，湿陷性黄土隧道上台阶开挖进尺控制在0.6m，即每次只进1榀。菜子坪隧道采用三台阶七步预留核心土施工，开挖步骤如图3所示。
隧道开挖采用弱爆破，严格控制超欠挖，以达到开挖轮廓圆顺，开挖面平整。开挖中，加强开挖面的地质素描和地质预报工作。隧道爆破采取放小炮以减少围岩的扰动，开挖后必须及时支护。
开挖要求：上台阶长度控制在3-5m，中台阶长度控制在1-1.5倍开挖洞径（控制在10-15m左右）范围内；下台阶长度（仰拱到掌子面的距离）控制在2-3倍开挖洞径（控制在40m左右）。
挖掘机钢刀修边后，尽早对围岩进行支护封闭，减少围岩暴露的时间，限制开挖后围岩松弛。加强施工组织和协调，尽量缩短开挖掌子面的凌空暴露时间。

图3 三台阶七步预留核心土开挖步骤
3.2.2 初期支护
黄土隧道应以限制围岩变形为主，故采用早期大刚度的初期支护，防止土体变形过大破坏原始结构，初期支护应给土体以一定的支护抗力及时制止流变。
初期支护施工一般流程：开挖修边后初喷C25混凝土→系统支护施工（钢拱架、系统锚杆、超前小导管、钢筋网）→复喷C25混凝土至设计厚度。
钢拱架在初喷混凝土后及时架设，严格控制拱架间距和垂直度，且预留沉降量，以达到支撑围岩稳定、限制围岩变形以及防止衬砌侵线的目的。钢筋网采用Φ8钢筋制作，规格为20cm×20cm，与钢架焊接成整体一个，能有效地防止受喷面由于承受喷射力而塌落，减少回弹量及防止喷射混凝土的开裂，增加初期支护的效果。拱架架立后，施做锁脚锚杆，充分起到拉杆作用，以保证工字钢在受到侧向力时不发生向洞内的位移变形，同时可以起到抑制拱架整体下沉的作用，从而保证初支结构在施工过程中受力稳定，确保施工安全。
3.2.3 仰拱及二次衬砌
在软弱围岩中，要及时封闭仰拱，形成完整、封闭的支护结构。仰拱紧跟是确保初期支护安全的根本措施，一般仰拱距离掌子面控制在30m以内，以利于尽早形成完整的筒形封闭环，以改善支护结构的受力性能。另外，隧道断面形状应尽可能圆顺，以避免拐角处的应力集中。
仰拱尽量紧跟开挖面施工（二次衬砌到掌子面控制在60m左右），仰拱填充采用栈桥平台以解决洞内运输问题，并进行全幅一次性施工。隧道衬砌遵循“仰拱超前、墙拱整体衬砌”的原则，初期支护完成后，能有效地控制其变形。
3.3 超前地质预报
地质预报是隧道施工地质的重要内容之一。在隧道施工过程中，该隧道主要通过砂质黄土、细圆砾土、泥岩夹砂岩，施工期间采用掌子面地质素描以及超前钻孔等做好超前地质预报，采取“长短结合，以短为主”的方法，准确预报隧道掌子面前方20m的地质情况。施工中将超前地质预报纳入施工工序，确定围岩的工程地质、水文地质特征，及早发现不良地质、特殊地质情况，为施工提供依据，以便确定相应的处理措施，减少施工盲目性，降低施工风险，确保施工安全。
3.4监控量测
监控量测是隧道信息化设计与施工的重要内容，通过施工现场的监控量测，为判断围岩稳定性及支护、衬砌可靠性，调整围岩级别、变更支护参数等提供依据，指导日常施工管理。
监控量测工作必须紧接开挖、支护作业，按设计要求进行布点和监测，并根据现场情况及时进行调整或增加量测的项目和内容。对量测数据及时分析处理，并将结果反馈到施工过程中。量测项目及频率见表3所示。
表3  量测项目及频率表

4 安全动态管理--实名制管理
兰渝铁路隧道施工中采用了隐蔽工程与关键部位作业实名制这一快捷有效的安全动态管理方式。在施工中实施隐蔽工程与关键部位作业实名登记，记录每一道工序作业人员、开始结束时间、里程、部位、作业内容及自检情况，施工、技术、质检负责人签字认证，使每道工序质量都处于受控状态，以质量和技术保证隧道施工的安全和达到控制变形的目的。
5 施工注意事项
（1）提高施工素质，严格按规范进行施工，隧道开挖后要尽快闭合成环，增强结构的稳定性，消除安全隐患。
（2）黄土隧道浅埋地段，应采用超短台阶开挖，随挖随支，衬砌紧跟，减少围岩暴露时间，减小对围岩的施工扰动，采取“保护围岩”施工理念，在施工中必须充分保护土体，尽量减少对它的扰动，避免过度破坏土体的强度，并加强超前支护和锁脚设置。
（3）施工过程中，各分部工序之间紧密衔接，如发现不安全因素，应立即暂停开挖，封闭掌子面，加强临时支护，调整施工方案。加强施工监测力度，保证对施工控制的动态控制。
6 总结
通过对各施工工序的严格控制，作为高风险的菜子坪隧道安全顺利的贯通，取得了较好的经济效益。实施“短开挖、快循环”来减少对土体的扰动是目前湿陷性黄土隧道施工较为有效的方法。湿陷性黄土隧道施工的组织和管理工作是实现安全生产和确保工程质量的重要前提。加强各个环节和施工工序控制及管理，保护围岩，充分利用围岩的自稳能力，抑制围岩变形， 均衡施工，降低风险，确保了隧道安全顺利贯通。