预留核心土对黄土隧道两台阶开挖的作用

预留核心土对黄土隧道两台阶开挖的作用

王铁禄

中铁五局集团华南工程有限责任公司  523000

摘要：广通隧道地质条件复杂，隧道穿越上更新统黄土，黄土具有湿陷性，施工难度大，控制隧道的沉降变形是黄土隧道施工的关键。广通隧道施工方法采用三台阶、两台阶及CD法均能有效地控制隧道的沉降变形，但成本较高，采用环形预留核心土法施工，既能有效控制沉降变形又能节约施工成本。

关键词：黄土隧道   核心土   开挖方法   监控量测

一、工程概况

1.1隧道简介

广通隧道位于甘肃省临夏回族自治州广河县，进口位于临夏回族自治州广河县水泉乡克那村，路线自南向北，出口位于广河县祁家集镇孙家村南部高阶地。隧道临洮端进口有县乡道路可直达隧道洞口，隧道广河端洞口无道路，需新修便道车辆才能到达洞口。隧道为左右行分离式的双洞特长隧道。右线里程桩号K28+658-K31+864，长3206m，左线里程桩号为ZK28+788-ZK31+990，长3202m，隧道最大埋深约234m。

1.2地形地貌

隧道穿越黄土梁，山体走向大致呈东北走向，隧道自南向北通过。隧道通过处最高地面高程约为2294m，临洮端洞口地面高程2062m左右；广河端洞口地面高程约1990m。隧道进口位于黄土冲沟处。隧道进口～K29+060位于黄土梁南坡，坡度48-55°，主要为崩坡积黄土状土覆盖，坡面冲刷下切严重，发育多条V型冲沟，地形破碎，陷穴发育，线路右侧发育黄土冲沟，紧邻线路，冲沟切割深度100m左右。K29+060～K31+180段，隧道穿越黄土梁，线路沿山脊线展布，山梁两侧冲沟下切较深，黄土梁较窄，左侧冲沟发育有大型滑坡。K31+180～隧道出口段为黄土梁北坡，平均坡度16°左右，坡面发育多条南北向V型冲沟，隧道出口段沿冲沟布设。

1.3地质岩性

通过地质勘察，隧址区地层主要包括全新统崩坡积黄土状土，上更新统风积黄土、冲积粉质黄土，中下更新统冲湖积黄土。洞口为湿陷性黄土，土质疏松，土体干强度低，浅黄褐色，稍湿，用手轻松可捏碎成粉末。

二、环形预留核心土

2.1上下台阶开挖预留核心土方法

隧道设计按照锚喷构筑法施工，暗洞采用复合式衬砌初期支护采用喷锚支护喷射混凝土采用湿喷工艺。洞口段隊道拱部采用φ108管棚进行超前预支护，洞内浅埋段隧道拱部采用φ89超前管棚预支护，局部配合φ42小导管进行超前支护，洞内其他一般地段采用φ42小导管做超前支护。隧底使用旋喷桩进行加固，管棚施工利用管棚钻机预钻成孔，机械设备顶压安装或管棚钻机顶进。一般地段开挖采用环形预留核心土施工方法。

在黄土隧道施工中，始终坚持“预支护、短进尺、强支护,早封闭、勤量测"的原则，广通隧道一般黄土地段开挖方法采用了环形预留核心土施工方法，利用钢架底脚加设纵梁和φ42锁脚锚杆控制围岩和初支变形；利用预留核心土来控制掌子面土体垮塌。环形预留核心土开挖施工方法主要是将隧道分成左右两侧壁坑和中间核心土两部分来施工，采用短台阶法,在开挖施工时，合理地确定了台阶长度，每个台阶长度不超过1倍洞径，其中上台阶预留核心土长度为5m，核心土到外拱顶高度1.5m；根据地质情况，隧道断面大小和施工机械设备情况确定了台阶高度，其中上台阶高度控制在2.8～4m范围，下台阶高度控制在2.8～3m范围；开挖掌子面距离仰拱和填充的距离20～40m,仰拱与拱墙衬砌之间距离20～30m。后步工序仰拱衬砌施工与下台阶开挖施工实现无缝搭接，确保隧道施工及时闭合成环。环形预留核心土施工工序断面图如下：

2.2 施工工序

(1)在超前支护下，人工开挖环形①③-1部，上台阶环形核心土开挖因工作面狭窄，采用以人工开挖为主，挖掘机辅助开挖为铺，开挖循环进尺为1.2m,施作①-1部周边的初朋支护，初喷4cm厚C25混凝土，钢架安装，问距为0.6m/榀，在拱脚处打设φ42锁脚锚管2根，长度为4m，挂钢筋网，复喷至设计厚度。

(2)在滞后①-1部一段距离后，控制离在3~5m之间、利用挖掘机开挖②-1部。掌子面喷射4cm厚混凝土进行封闭。

(3)在滞后②-1部一段距离后，其控制即离为10以内，采用挖掘机交错开挖②-2开挖进尺不得超过3榀钢架的距离、施作②-1或②-2的边墙初期支护，初喷4cm厚C25混凝土，立钢架，间距为0.6m/榀，在拱脚处打设φ42锁脚锚管2根，长度为4m，挂钢筋网，钻设径向φ22砂浆系统锚杆，锚杆长度为3m，复喷至设计厚度。

(4)利用挖掘机开挖②-3部，掌子面喷射4cm厚混凝土进行封闭。

(5)完成隧道开挖及初期支护后，应及时进行仰拱二次衬期及回填，如果基底围岩软弱破碎，承载力低，可在仰拱以下全面范围采取注桨锚杆加固基底围岩。搭设仰拱栈桥，利用挖掘机开挖隧底仰拱，一环仰拱分2-3次开挖成型，严禁一次开挖距离过长，及时施作仰拱初期支护,初喷4cm厚C25混凝土，立钢架,间距为0.6m/榀，复喷至设计厚度。

(6)清理仰拱初支表面杂物,绑礼仰拱钢筋、浇筑仰拱C30混凝土，待仰拱混凝强度达到终凝后再浇C15填充混凝土。

(7)根据监控量测结果确定二次衬砌的浇筑时间。铺设防水板,安装排水盲管绑扎拱墙钢筋，衬砌台车就位，浇筑拱墙C30混凝上。

(8)施工开挖采用上下台阶预留核心土法，预留核心土的长度为3.0~50m，面积不得小于上半断面的50%，核心土刷坡坡坡率为1:0.5~1:0.75开挖循环进尺控制在1~2相拱架间且不大于1.5m，初期支护紧跟开挖面，开挖应采用机械配合人工，严格控制超欠挖，有条件时可采用悬臂掘进机或铣挖机开挖。下半断面的落底应采用双侧交错落底，避免上部初期支护两侧拱脚同时悬空，落底长度不得大于3m。

2.3隧道开挖施工要点

1.整个施工过程中要贯穿一个思想：快速和干燥。即：循环快，进尺快；干燥就是要保证隧道内部无水状态下施工。湿陷性黄土最大的优点是：在干燥的状态下，粘滞性好，整体稳定性好，不容易掉块，不易在短时间内产生坍塌。

2.在上台阶开挖时保证预留核心土弧形开挖机械为主人工为辅。

3.施工时应在施做完上部拱架锁牌销管(杆)且初期支护基本稳定后，方可进行下部断面的开挖。

4.要认真加固拱脚、施作锁脚锚管，若拱脚处围岩软弱破碎时，需采取必要的注浆加固措施，确保拱脚的稳定。

5.左右洞错开开挖，其各自开挖断面相距应不小于30m。

6.上合阶核心土开挖完成后，如拱顶、两侧拱墙收敛变形较大，可施作临时仰拱。

7.如遇地下水，先喷射混凝土封闭开挖面，然后打孔、插PVC管引排；超前注浆采用水泥-水玻璃双液浆，注浆分一序、二序间隔跳孔灌注，注浆结束后待凝期间，上部台阶应暂停开挖。

8.量测工作必须及时，以观察拱顶、拱脚和边墙中部的位移值，二次衬砌的施作应满足下列要求:

当水平收敛速率小于0.2mm/d，或拱顶位移速率小于0.15mm/d；施做二次衬砌前的收敛量已达总收敛量的80%以上。

9.当围岩压力极大，其变形速率增大且难以收敛时，应立即浇筑二次衬砌，或先行构件支顶，并考虑采用其它开挖方法。

10.仰拱浇筑宽度为3m，要求仰拱二次衬砌、仰拱回填均分别全断面一次性浇筑，不得分福施工，并且每次循环仰拱二衬衬砌与仰拱回填须错开50cm。

11.在初期支护基本稳定的条件下，清除锚杆及钢筋露头，补喷混凝土使其表面平整圆顺，然后铺设防水板，最后全断面浇筑二衬混凝土，并注意有关预埋件的设置。

12.当开挖揭示围岩级别划分与实际不符时，应及时申请改变设计参数与施工程序。

2.4核心土作用

1.通过多次尝试，减少掌子面核心土面积造成掌子面掉块平凡，还有造成严重的塌方事故，从而，核心土面积保证掌子面开挖面的50%以上；

2.在不影响施工工序的情况下，预留核心土越大掌子面越稳定，掉块现象越少，给工人施工安全带来更多保障。

3.预留核心土掌子面施工操作平台面更加宽敞，施工作业更加方便。

4.核心土能够支撑掌子面的土体的稳定性。

5.采用环形开挖预留核心土法施工方案和技术措施，在保持质量安全的前提下，显著加快了施工进度，施工工法选择多，能够充分利用大型挖装设备，创造了较好成绩，施工工效成倍提高，节约临时支护费用，取得了良好的社会和经济效益。

6.环形开挖预留核心土法特点是分部简单，能充分发挥大型机械优势，施工速度快，但必须配套强支护、辅助施工方法、监控量测、快速施工、合理布距、动态管理等相应的保证措施，而且在洞口段谨慎使用，尽快完成洞口段衬砌，确保洞口稳定后才能适当拉开台阶距离。

三、监控量测

广通隧道道监控量测紧跟开挖支护作业布点和监测，湿陷性黄土段按5m一个断面进行布点，分别在拱顶、拱脚、边墙及隧底布置监控量测点，监控量测布点如图所示。

为了掌握施工中围岩稳定程度与初期支护受力、变形的力学动态及信息，以判断设计，施工的安全与经济性，围绕量测资料反馈信息。开展对施工进行动态管理，必须将现场监控量测列入施工组织计划，并由专人负责实施与资料管理，进行回归分析，以达到合理安排施工程序，确保施工安全，及时调整设计支护参数，进行日常施工管理和积累资料的目的。

3.1量测布置

对黄土隧道，由于围岩软弱，稳定性差，变形产生及发展速度快如不能及时发现并采取措施，将导致隧道结构出现严重损害，并严重影响到施工人员的生命财产安全。

因此，黄土隧道应在《公路隧道施工技术规范》对量测要求的基础上，加大量测频率，增加量测部位及量测项目。

1.监测位置

洞口浅埋段，布置4～6个观测横断面，地表下沉量测的纵向间距S为：H<15m时，S=5m；15m

2.监测工具：水准仪，水准尺。

3.监测频率：开挖面前>2Bm，1次/2天；开挖面前后<2Bm，2次/1天；开挖面后2B～5Bm，1次/2天；开挖面后>5Bm，1次/7天。

4.监测精度：δh=0.1mm。

5.注意事项：

1）施工前应作好监测准备工作:如设置测点，引入高程控制点，配置必要的人员

2）在布置测点时应注意在位移量较大的地段将测点布置密一点。

3）地表量测与地下洞室各项监测应同步进行，以利于资料的相关分析。

4）量测数据及分析结果全部纳入竣工资料，备查。

6.量测数据的整理：

1）绘制每一横断面沉降槽随时间的变化关系图

2）绘制每一横断面最大沉降量随时间的变化关系图

3）绘制每一横断面最大沉降量与开挖面距离关系图

4）对横断面沉降槽垂直位移进行回归分析

5）对纵断面沉降槽垂直位移进行回归分析

6）根据隧道顶部地表沉降及拱顶沉降值对土体内部垂直位移进行回归分析

7）根据回归分析数据求出每一断面沉降稳定值

3.2 量测数据处理与施工参数、施工方法调整

地下工程测试数据通常是随时间、空间变化的，通过整理数据绘制时态曲线，并根据与后期工序之间距离的关系，判断初期支护随时间变化的变形规律，从而确定初期支护的稳定状态及是否需进行加固处理，后期支护参数是否需要调整，并为隧道二次衬砌最佳施作时间提供依据。

1.在施工初期阶段，或地质较差时，或位移下沉量及速度较大时，应适当增加量测断面及量测频率。

2.测点设置应可靠，并应妥善保护，测量仪器使用前应严格标定。

3.各测量项目应尽可能布置在同一断面，测量点应尽可能选择具有代表性的地方，以便测量数据的分析及为以后的工作提供经验。

4.对量测资料的整理：

1）绘制位移量随时间变化的曲线；

2）绘制位移速度随时间变化的曲线；

3）绘制位移量与开挖面距离关系曲线；

4）找出位移一时间回归曲线，求出最终净空位移量；

5）根据各类围岩量测数据求出围岩的E，r，C，o等物性参数；

5.当隧道水平位移收敛速度为0.1～0.2mm/天，拱顶下沉位移速度为0.1mm/天可以认为围岩已基本稳定。对于V级围岩，二次衬砌按承受部分围岩压力设计，应根据量测结果确定二次衬砌施作的适当时间，施作过早可能使二次衬砌承受过大的荷载，施作过迟则可能使初期支护破坏。

四、效果分析与结语

综上所述黄土隧道，特别是小径距的土质隧道，虽然有不用爆破的有利条件，但也存在着围岩自稳能力严重不足且抵抗施工破坏能力弱的缺点,因此必须针对这些特点施工前制定可靠、可行的施工组织计划，切实做好开挖方案的选择及工序的严格执行，目的就是要充分利用围岩有限的自稳能力,尽量减少破坏干扰，开挖后及时紧跟支护体系形成岩体与支护结构尽快整体受力的效果。

采用环形开挖预留核心土法施工方案和技术措施，在保持质量安全的前提下，显著加快了施工进度，施工工法选择多，能够充分利用大型挖装设备，创造了较好成绩，施工工效成倍提高，节约临时支护费用，取得了良好的社会和经济效益。

环形开挖预留核心土法特点是分部简单，能充分发挥大型机械优势，施工速度快，但必须配套强支护、辅助施工方法、监控量测、快速施工、合理布距、动态管理等相应的保证措施，而且在洞口段谨慎使用，尽快完成洞口段衬砌，确保洞口稳定后才能适当拉开台阶距离。

五、参考文献

1.S36临洮至康乐至广河高速公路工程隧道通用图；

2.S36临洮至康乐至广河高速公路工程广通隧道施工图；

3.铁道建筑技术相关文献；

4.公路工程技术规范和标准。