饱和性黄土隧道施工工法

中铁十四局集团公司富含水黄土质隧道综合施工技术技术研究报告-1-饱和性黄土隧道施工工法一、前言在土体中修建隧道通常会发生塌方、漏水等事故，施工难度远远大于岩石隧道。我国西北地区分布着大范围的黄土层，与岩体相比，土体不仅强度低、变形大、自撑能力小、工程性质差，而且受水的的影响特别强烈，干的老黄土十分坚硬，一旦被水浸泡，达到饱和状态，其强度大大降低，饱和性黄土属于隧道中最软弱、稳定性最差的不良地层，施工难度很大。我们以新树湾隧道为列总结出本工法，分析饱和性黄土地质队洞室开挖控制的影响因素，确定科学合理的施工方法和先进技术的应用，掌握隧道土体变形破坏的基本规律，寻求出了适合富水黄土质隧道的合理开挖方式、开挖循序和支护形式，保证了隧道施工安全，同时为富水土质隧道的修建积累了经验，为同类地下工程施工提供技术参考，取得了显著成效，研究开发的《富含水黄土质隧道综合施工技术》分别获得了中铁十四局集团科技进步特等奖、中国建筑总公司二等奖，该隧道《加强防水板施工工艺控制，预防新树湾隧道渗漏病害》QC小组分别获得了铁道部、山东省“优秀质量管理小组”称号，该隧道被业主兰州铁路局评为“优质示范工程”，施工现场被评为“安全文明标准化工地”，隧道被中铁十四局集团评为了优质工程，正申报铁道部优质工程。二、工法特点1、安全性能可靠：该工法能有效控制饱和性黄土地层洞室开挖的安全。2、技术先进，可行，工序紧凑，施工组织简便。3、施工快速：掘进速度可达140多米/月，为同类地质条件隧道施工的先进水平。4、经济性良好，通过配套技术措施的合理采用和先进控制技术的保障可实现良好的经济性，保证工程项目效益。5、适用性强：可灵活应用于不同地质情况的纯土质类隧道。三、适用范围本工法适用于含水量较大的黄土地质洞室开挖，可为其他类型软土地下工程提供借鉴。四、工艺原理典型的富含水（饱和土）纯土质隧道，土体的稳定性极差，开挖后自稳能力极差，对开挖控制极为不利，同时黄土地层内土体具强崩解和弱膨胀性，开挖一经暴露表层土体即变松软，卸荷后有回弹松胀现象，加之水的不良作用，松动圈组建变大，极易中铁十四局集团公司富含水黄土质隧道综合施工技术技术研究报告-2-造成大的塌方事故。黄土具自重湿陷性，遇水后会发生严重下陷，致使突然下沉，使开挖后的围岩迅速伤失自稳能力，如支护措施不能满足其变化情况，极易造成塌方。该工法工艺原理是：采用数字仿真技术模拟整个隧道的施工过程，预测各个施工阶段的隧道变形、支护结构内力等，为及时采用相应的工程措施提供技术保证。掘进方案以正三台阶为基本开挖方法，通过预留核心土、仰拱紧跟、施工用水控制及三维数字模拟计算、适当加大预留量等技术措施，并实施开挖控制测量技术研究以指导施工，摸索黄土的变形特征，并根据其蠕变特性合理地把握初期支护、二次衬砌等施工时机。同时在富含水（饱和土）黄土质隧道施工中成功应用大量先进技术，如管棚技术和双浆液小导管超前支护技术、土层锚杆施工技术、悬吊法无钉孔铺设防水板技术、仰拱防干扰平台技术、潮（干）喷施工工艺、整体钢模台车衬砌工艺、新奥法施工监控量测心新技术、三维仿真技术等，从而确保工程的安全性、经济性。五、施工工艺对于纯土质隧道通常采用无爆破冷作业法施工，针对不同地质条件和结构规模采用不同的开挖掘进法，黄土隧道宜采用短台阶法或分布开挖法（预留核心土法），如单侧壁或双侧壁导坑先墙后拱法、正台阶先拱后墙法等，前者适用于大跨度、地质非常软弱或浅埋段，后者适用于跨度较小或地质条件较好段。对于饱和性的黄土质地层，地下水含量丰富，属典型的特殊地质和最软弱围岩地质铁路隧道，施工方案及技术工艺选择要经严谨的科学论证。当地下水丰富，地质状况较差时，施工宜采用短台阶法施工。进口端一般存在浅埋、滑坡堆积、偏压等不良地质情况，应首先进行卸载、锚喷仰坡防护、管棚或三台阶施工方法。每个台阶的长度6-8m，上台阶采用人工预留核心土环形开挖，中、下台阶采用机械开挖，马口采用风镐人工开挖。超前支护采用管棚、双液小导管、超前锚杆等不同形式。初期支护采用系统锚杆、钢架、挂钢筋网喷射砼等形式。单线铁路隧道开挖跨度较小（一般≮8.5m），更适合于正三台阶先拱后墙法开挖掘进和初期支护，出碴运输可选用无轨方式，当属于长大隧道或特长大隧道时可选用有轨运输方式，但都应做好防排水，应用“仰拱施工防干扰平台”技术解决仰拱开挖与运输的矛盾，防水板施工可用防水效果良好的悬吊法无钉孔铺设技术，二次衬砌应采取全断面整体钢模台车方案，自动计量拌合站拌和，砼罐车运输，泵送灌注方法进行施工。整个洞子形成超前支护及开挖支护、出渣运输、仰拱铺底、防水板铺设、二次衬砌和水沟电缆槽施工的六道作业线平行作业的局面，如图1：中铁十四局集团公司富含水黄土质隧道综合施工技术技术研究报告-3-(一)开挖掘进1、地表处理黄土溶洞与陷穴、直切沟等地质病害在黄土区较为常见，极大程度影响隧道安全掘进，可能造成基础下沉、塌方冒顶、承受偏压等危险。隧道在较长范围内沿冲沟或源边平行走向。或与其他地下空腔结构临近，容易造成覆盖层较薄或偏压，从而发生较大塌方活滑坡事故。施工前应首先做好地表的勘察和异常情况的处理，以减少地表水对隧道周围土体的侵蚀，降低对隧道施工安全的影响。（1）完善地表水系统，把地表水疏引至不影响隧道施工的安全处。（2）浅埋段地表采取防渗透封闭措施，集中地表水，同一排放。（3）对隧道上部的冲沟底进行封堵硬化，防止流水下渗，对于陷穴、溶洞要进行密实回填和封口处理，对隧道上方的居民蓄水窖、水井等进行改建或防渗处理。（4）对隧道施工影响范围内的安全隐患建筑物进行拆除或重点监控保护。（5）加强地表沉降、开裂、附近水井水位变化等异常情况的观测、经常检查，及时采取处理措施。2、洞口仰坡支护与进洞（1）根据设计的仰坡边线位置，有上及下逐层开挖隧道洞门的仰坡至拱顶位置，坡度不小于1：1.5，刷坡后打设φ42钢管或Φ22钢筋锚杆，挂设钢筋网或机制铅丝网，喷射C25砼防护，并挖砌好枝状排水沟，疏导水流。若洞口位滑坡堆积体地质或泉眼密布，软~流塑状极软弱坡体，应采用深孔注浆或设抗滑桩等加固措施，以确保进洞安全。（2）进洞施工实施套拱方案。拱部先进洞，进洞前先进行拱部注浆双排或多排φ100mm小管棚超前支护，布设形式与密度设置根据洞口仰坡土质软弱情况确定，管棚长视进口坡体土质稳定情况采用4~8m，该隧道采用6m。在管棚支护下进行上弧导开挖，环形开挖，预留核心土以稳定掌子面，每次进尺30cm，快速支立钢架，采用p43旧钢轨弯制，3榀/1m,与管棚钢管焊联，当有局部或少量掉土、流泥时，可插入模板挡护。支护进尺一定距离（一般不超过80cm）后，立即安装模板灌注砼形成套拱，套拱伸出仰坡30~50cm。支立钢架后及时在其节点处施做4根φ22锁脚锚杆，长5m，径向或偏角30~45度，其尾端与型钢焊联，同时在边墙打入的径向锚杆也与钢架焊联。每测开挖完成后迅速挂设钢筋网片喷射砼，开挖进尺控制在80cm以内。暗洞中铁十四局集团公司富含水黄土质隧道综合施工技术技术研究报告-4-开挖4m后（应控制在6m内）即进行洞身衬砌，及早形成洞口安全段。3、洞身开挖及支护由于隧道围岩地质均为饱和土，并地下水丰富，底层内土体具有强崩解性和弱膨胀性。土体结构紧密，干时坚硬，开挖一经暴露表层土即变松软，卸荷后有回弹松胀现象，加之水的不良作用，松动圈逐渐变大，极易造成大的塌方事故。同时黄土具有自重湿陷性，遇水后会发生严重下陷，致使突然下沉，使开挖后的围岩迅速丧失自稳能力，如支撑措施不能满足气变化情况，极易造成塌方。因此对开挖支护要求较高，是安全施工成败与否的关键。（1）、洞身开挖（施工顺序见图3）①按照遵循“管超前、少扰动、严注浆、短进尺、严治水、强支护、紧封闭、勤量测”的原则进行施工，根据新奥法原理制定技术方案和组织施工。②为确保隧道开挖轮廓符合设计，应做好预留量的考虑，对于黄土围岩地质，其收敛变形量大，因此应根据开挖后收敛变形的监测结论进行预留，拱部沉降不稳定可考虑多预留，一般25cm，边墙每侧15cm。整体模板台车较设计加大轮廓5cm，以防止跑模侵限。③小进尺的原则要牢固坚持，不能图一时之快，以防酿成大的事故，要稳扎稳打，工序衔接紧凑，有条不紊，一步一步的施工。台阶长度控制在6~8m，减少每次的开挖面积，防止土体塌落，每次开挖进尺要按钢架的分布距离进行控制，一般不要超过80cm，即及时进行支护作业。同时下台阶要紧接上台阶施工，尽量缩短其间隔时间。上台阶开挖前先施作超前导管（I类围岩）或超前锚杆（II类围岩），对围岩进行预加固，为开挖提供牢固的棚状支护结构，然后进行分台阶开挖。上台阶开挖宜采用环形开挖留核心土人工风镐开挖，充分发挥掌子面的约束作用，增强开挖后的土体自稳能力。上台阶开挖完毕后，首先迅速初喷封闭岩面，即刻快速进行型钢支撑的施作及与管棚的焊接和锚杆施工。④中、下台阶的中部拉槽开挖采用机械，严禁两边侧超挖，同时为确保边墙支护稳定，中槽应放坡开挖，上台阶初期支护基底保护襟边不小于80cm，当土体稳定性恶化，应适当放大，进尺控制在3~5m。边墙两侧台阶采用人工风镐双侧交错开挖，不得使上部结构同时悬空，每次开挖进尺为一榀型钢间距，即不得大于1m，然后立即将拱部型钢结肠，局部打锚杆、挂钢筋网，及时进行喷射砼支护。中铁十四局集团公司富含水黄土质隧道综合施工技术技术研究报告-5-⑤马口开挖要保证上面初期吃好向前不小于5m，其布置和长度应结合地质情况、收敛变形值分析等因素进行设计，并严禁掌握。马口开挖采用跳槽法进行，左右错开，至少保证3榀钢架错开距离不小于2m，严禁对开马口，以避免掉拱事故。开挖利用风镐人工进行，严禁超挖。若偏帮严重，可由上及下小步距分部开挖，随挖随护，及时打设锚杆和喷壁面砼，封闭保护。每次马口开挖宽度一般1~3榀钢架范围内（小于2.5m）。回头马口必须待相邻边墙初期支护稳定后进行。⑥施工时要特别注意拱脚与墙脚处断面，如超挖过大或片帮过多，应采用浆砌片石回填，严禁片石干码。如发现该处承载力不够，应立即加设锚杆或其他措施进行加固。下台阶边墙初期支护接续到底后，在墙脚处提前施作部分仰拱，俗称“墙趾”，以限制其横向位移和下沉，及早部分封闭，并为仰拱防干扰提供支撑，先行施作的部分仰拱可采用钢支撑，以节省工序时间和免除干扰。⑦锚杆一般采用干打锚杆、砂浆锚杆、自进式锚杆、长锚杆等形式，根据具体情况选择使用，长度根据监控量测的围岩松动圈确定。打设系统锚杆前应首先喷射5cm厚砼进行壁面封闭保护。土体围岩一般情况建议干法施工，可利用风锤干打Φ22钢筋，根据围岩监控量测情况，锚杆长度要保证深入松动圈0.5m。新树湾隧道开挖后围岩松动面位于围岩开挖面深3m左右，因此，锚杆长度采用3.5m，系统锚杆打入土体后具“串葫芦”效应，增强土体整体性，提高围岩自撑力。实践证明该法较为实用，抗拔力在土体围岩地质较好的情况下满足安全要求，施工快速，无污染。若土体软化严重，应当采用注浆或砂浆锚杆。锁脚锚杆也可如此采用，但应注意与钢架焊接要牢固，保证数量，倾角控制要准确。经工程实践，土体锚杆施工宜选用干法作业工艺，对于饱和土应采用自进式锚杆和注浆锚杆。⑧加强超前地质预报工作，如钻长超前地质探孔，及时进行围岩内部应力、位移等监测，提前分析总结指导施工意见，使技术措施紧跟或超前地质变化，确保施工安全。⑨土质隧道开挖后收敛变形量大，要采取可靠措施予以防范，一时要加大开挖轮廓的预留量；二是做好收敛变形的施工监测，及时为施工提供可靠数据；三是做好初期支护，确保初期支护设计结构和参数及强度；四是科学合理把握各工序施工时机，如开挖顺序、支护时机、二衬施作时机等。这些措施主要依赖新奥法施工的认真监控量来实现，切实为隧道施工提供科学、准确、可靠的指导意见。⑩准确掌握土质围岩松动破坏区（即松动圈）的范围、规模，可采用杆式多点位移计进行量测，并进行围岩内部应力的量测，用科学数据判断不同围岩段松动圈的大小和中铁十四局集团公司富含水黄土质隧道综合施工技术技术研究报告-6-不同深度的破坏程度，以此确定支护方案和支护参数。针对这种情况，系统锚杆要