大跨度黃土公路隧道采用偏心CD環(huán)形開挖施工

大跨度黃土公路隧道采用

偏心CD環(huán)形開挖施工工法杜松中鐵十一局集團第五工程有限公司五一路項目部二〇一三年四月一、工法背景

平陽高速公路陽曲1號隧道為一座上、下行分離雙向六車道高速公路特長隧道，隧道左線長4685米，右線長4711米；其中隧道進口濕陷性黃土段左、右線長約2000余米，黃土段埋深在2.0m～34.0m，開挖跨度為17.23m～19.87m。該隧道為山西省首例大跨度、超淺埋濕陷性黃土特長公路隧道。隧址土體主要以上覆馬蘭組黃土、下覆離石組黃土為主。馬蘭組黃土土體疏松，質(zhì)純，大孔隙，垂直節(jié)理發(fā)育。乏水狀態(tài)下馬蘭組黃土凍融狀態(tài)下馬蘭組黃土

離石組黃土以棕黃色亞粘土為主，中間夾鈣質(zhì)結(jié)核層，與馬蘭組黃土相比，土體密實，穩(wěn)定性好。富含鈣質(zhì)結(jié)核層離石組黃土

由于業(yè)主工期要求，陽曲1號隧道進口黃土段進洞施工未避開濕陷性黃土春融期，于2010年初率先進洞施工。但在隨后的兩個月時間里，采用傳統(tǒng)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法掘進施工，左、右線單洞掘進平均僅15m/月；由于春融影響，隧道拱頂沉降和周邊收斂較大，局部地段侵入二襯凈空，無法滿足設(shè)計和工期要求。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，拱部馬蘭組黃土經(jīng)常失穩(wěn)溜塌

鑒于此，項目部依托公司技術(shù)力量和社會資源，邀請鐵道部第三勘察設(shè)計院、同濟大學(xué)、重慶大學(xué)、西安科技大學(xué)、石家莊鐵道大學(xué)、解放軍后勤工程學(xué)院、重慶交通大學(xué)等單位的業(yè)界專家、學(xué)者共同對黃土隧道施工工藝進行改良。

首先，采用“三臺階法”，施工過程中，由于三車道黃土隧道呈扁平橢圓形，開挖跨度較大，達17.23m；分臺階開挖，不利于初期支護及時封閉成環(huán)，且結(jié)構(gòu)矢跨比較小，結(jié)構(gòu)受力較薄弱，最后該工藝以掌子面冒頂宣告失敗。三臺階施工隧道冒頂

其次，采用“CD法”，采用CD法施工，先小導(dǎo)坑掘進，釋放黃土應(yīng)力，采用側(cè)壁臨時支護和臨時仰拱及時封閉成環(huán)，初期支護受力體系較好，但該工藝施工步序繁瑣，洞內(nèi)施工組織復(fù)雜，月進尺仍不能滿足工期要求，該工藝被迫“流產(chǎn)”。

最后，采用我今天所講的施工工藝（即：淺埋大跨度黃土隧道采用偏心CD環(huán)形開挖施工工法）施工，該工法類似CD法，但我們從中省略了臨時仰拱工序，簡化施工步序，化繁為簡，為洞內(nèi)施工組織提供便利，提高機械利用率。同時采用小導(dǎo)坑掘進釋放土體應(yīng)力，環(huán)形導(dǎo)坑緊跟施工，利于初期支護及時閉合成環(huán)，初期支護結(jié)構(gòu)受力體系完整。采用該工藝施工平均月進尺50m/月左右，最高紀錄為單洞掘進93m/月；且安全、質(zhì)量、進度平穩(wěn)可控，滿足各方要求。偏心CD環(huán)形開挖施工，小導(dǎo)坑先行，環(huán)形導(dǎo)坑緊跟。二、偏心CD環(huán)形導(dǎo)坑開挖工法特點2.1與普通土質(zhì)隧道開挖相比，陽曲1號隧道由于受隧址埋深，結(jié)構(gòu)物跨度，以及大斷面的限制，本工法采用分部開挖可以劃分圍巖斷面，促使圍巖應(yīng)力從新分布，先掘進小導(dǎo)坑可以提前釋放圍巖應(yīng)力，預(yù)知前方掌子面土體情況，降低圍巖冒頂、塌方的發(fā)生概率；其次環(huán)形導(dǎo)坑緊跟，初期支護及時封閉成環(huán)，利于支護體系整體受力。2.2超淺埋大跨度黃土隧道采用偏心CD環(huán)形開挖施工，較設(shè)計雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工，工序簡潔，便于施工組織管理，可加快施工進度，縮短工期；提高機械利用率，節(jié)約人工和材料。三、工法原理

淺埋地層大跨度黃土隧道采用偏心CD環(huán)形開挖法施工是根據(jù)“預(yù)加固、短進尺、強支護、早封閉、勤測量”的原理，通過監(jiān)測隧道拱頂沉降及周邊收斂等數(shù)值，不斷優(yōu)化開挖方案，采用分部開挖形式、合理選擇開挖進尺、縮短各工序銜接時間、嚴格控制襯砌安全距離等方法，避免因開挖方法不當(dāng)和仰拱、二次襯砌滯后導(dǎo)致隧道拱頂下沉、掌子面崩塌等病害的發(fā)生，以保證黃土隧道在淺埋地段的施工安全。

根據(jù)隧道拱頂沉降監(jiān)測和周邊收斂數(shù)據(jù)，確定合理的分部開挖形式和襯砌安全距離，偏心CD環(huán)形開挖施工采用偏心導(dǎo)坑+環(huán)形開挖法分部前后錯開開挖，開挖過程中,左側(cè)小導(dǎo)坑超前開挖支護，降低隧道相對圍巖級別，提前釋放圍巖應(yīng)力，右導(dǎo)坑結(jié)合拱部環(huán)形同步跟進施工，快速閉合支護結(jié)構(gòu)，減少對圍巖的擾動，分部支護，形成支護整體；縮短作業(yè)循環(huán)時間，逐步向縱深推進，形成開挖及施作初期支護，混凝土仰拱緊跟掌子面及時施作構(gòu)成穩(wěn)固的支護體系。四、工法適用范圍

本工法適用于大跨度超淺埋自穩(wěn)性較好黃土隧道施工。若隧道全部以馬蘭組黃土為主，則不適宜采用該工法施工。五、工法施工工藝

5.1工藝施工流程

5.三2施工三工藝三流程5.三3施工三重點三及注三意事三項5.三3.三1施工三準備做好三場地三的“三三通三一平三”工三作，三隧道三洞門三因處三于退三耕還三林區(qū)三，植三被及三雜草三相對三較茂三密，三本著三“早三進晚三出”三的原三則，三盡量三少破三壞植三被，三減少三洞口三刷方三工程三和護三坡工三程量三。邊三仰坡三開挖三后，三及時三進行三“噴三、錨三、網(wǎng)三、噴三”支三護，三及時三封閉三土體三，并三做好三邊坡三防排三水施三工。三同時三，濕三陷性三黃土三隧道三進洞三施工三時宜三避開三春融三和雨三季。5.三3.三2超前三支護開挖三前，三對土三體拱三部和三臨時三支護三外側(cè)三拱腰三以上三部位三采用Φ4三2注漿三導(dǎo)管三施工三，注三漿導(dǎo)三管參三數(shù)根三據(jù)實三際情三況動三態(tài)控三制，三確保三開挖三時洞三頂和三側(cè)墻三土體三穩(wěn)定三。（三陽曲1號隧三道施三工時三采用三每環(huán)三長2.三5m，環(huán)三向40三cm間距三施工三）5.三3.三3洞身三開挖三及初三支由于三隧道三開挖三跨度三大，三為確三保施三工安三全，三開挖三進尺三每循三環(huán)控三制進三尺為50三cm（單三榀工三字鋼三進尺三），三采用三左小三導(dǎo)坑三先行三、預(yù)三留核三心土三環(huán)形三導(dǎo)坑三緊隨三兩個三工作三面施三工，三洞身三開挖三采用三人工三風(fēng)鎬三修邊三配合三挖掘三機掘三進，三利于三控制三隧道三超欠三挖。（1）人三工風(fēng)三鎬配三合挖三掘機三沿開三挖輪三廓線三自上三而下三開挖三左小三導(dǎo)坑三，開三挖后三及時三噴射三混凝三土（三噴射三混凝三土厚三度和三支護三強度三根據(jù)三掌子三面情三況可三動態(tài)三調(diào)整三），三封閉三作業(yè)三面，三邊墻三初支三和臨三時初三支作三業(yè)及三時跟三上，三避免三側(cè)墻三向?qū)觾?nèi)三崩塌三。（2）左三小導(dǎo)三坑超三前施三工后3m～5m后，三同時三開挖三環(huán)形三導(dǎo)坑三，預(yù)三留核三心土三，進三行環(huán)三形導(dǎo)三坑支三護，三使初三期支三護及三時與三左小三導(dǎo)坑三支護三體系三閉合三。隧三址土三體較三穩(wěn)定三情況三下，三可以三兩個三作業(yè)三面平三行推三進施三工，三遇不三良地三質(zhì)段三應(yīng)避三免左三、右三側(cè)兩三個工三作面三同時三施工三。（3）工三藝控三制點三：預(yù)三留核三心土三處理三。陽三曲1號隧三道預(yù)三留核三心土三呈梯三形狀三，斷三面尺三寸約4m（高三）×4三m（底三寬）三；環(huán)三形導(dǎo)三坑開三挖結(jié)三束后三，應(yīng)三及時三對核三心土三進行三封閉三處理三，防三止核三心土三裸露三時間三較長三失穩(wěn)三、崩三塌；三核心三土封三閉參三數(shù)可三根據(jù)三土質(zhì)三情況三選擇三素噴三或錨三噴防三護。5.三3.三4仰拱三施工黃土三隧道三在開三挖后三受各三種地三質(zhì)和三施工三因素三的影三響，三在施三工前三期圍三巖變?nèi)^三大，三支護三體系三應(yīng)快三速封三閉成三環(huán)；三根據(jù)三掌子三面的三空間三效應(yīng)三，掌三子面三距仰三拱最三大距三離以三不超三過25米為三宜，三仰拱三建議三采用三半幅三施工三，開三挖長三度以3～4米最三為安三全，三防止三開挖三步距三過大三，邊三墻拱三腳處三收斂三加劇三，造三成噴三射混三凝土三開裂三和拱三架下三沉。三仰拱三開挖三后，三應(yīng)及三時施三作仰三拱鋼三架及三襯砌三混凝三土支三護。5.三3.三5防排三水施三工（1）施三工防三排水黃土三遇水三軟化三，施三工中三選用三煤電三鉆和三礦用三電動三巖石三鉆機三施作三錨桿三和小三導(dǎo)管三，盡三量減三少開三挖面三的施三工用三水量三，加三快對三開挖三掌子三面的三封閉三處理三，縮三短土三體裸三露時三間。三另外三，對三于開三挖后三出現(xiàn)三的滲三漏水三，宜三引不三宜堵三，采三用集三水坑三形式三集中三處理三，對三于土三體含三水量三超過20三%的地三段，三仰拱三開挖三后，三及時三初噴三混凝三土予三以封三閉處三理。（2）結(jié)三構(gòu)防三排水防排三水的三施工三原則三是以三排水三為主三，防三排結(jié)三合，三綜合三治理三，形三成完三整的三防排三水體三系，三使隧三道防三水可三靠，三排水三暢通三。復(fù)三合式三襯砌三采用Φ5三0雙壁三打孔三波紋三管、三防水三板和三土工三布進三行環(huán)三向防三水；三采用Φ1三16雙壁三打孔三波紋三管、三中心三排水三溝及三排水三邊溝三進行三橫向三、縱三向排三水。5.三3.三6襯砌陽曲1號隧三道黃三土段三邊墻三、拱三部采三用9m可調(diào)三式全三自動三液壓三臺車三，混三凝土三采用三洞外三自動三計量三拌合三站拌三制，三混凝三土罐三車運三輸至三洞內(nèi)三，經(jīng)三輸送三泵泵三送入三模。三（可三調(diào)式三全自三動液三壓臺三車的三模度三系數(shù)三可根三據(jù)實三際情三況作三調(diào)整三）5.三3.三7監(jiān)控三量測三技術(shù)監(jiān)控三量測三是地三下工三程尤三其是三軟弱三段圍三巖施三工中三的重三要內(nèi)三容，三是監(jiān)三視圍三巖和三支護三穩(wěn)定三性的三重要三手段三，它三能指三導(dǎo)施三工、三預(yù)報三險情三、確三保安三全。三根據(jù)三測量三結(jié)果三，繪三制位三移-時間三曲線三，進三行回三歸分三析，三判斷三圍巖三及支三護穩(wěn)三定情三況，三及時三反饋三，以三指導(dǎo)三施工三。監(jiān)控三量測三項目三一覽三表監(jiān)測項目方法及儀器設(shè)備監(jiān)測布設(shè)原則監(jiān)測頻率備注地質(zhì)及支護狀況觀察巖性、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及支護裂縫觀察和描述、地質(zhì)羅盤儀等。掌子面及初期支護后的地段進行觀察每次開挖及初期支護后周邊位移收斂儀每10m～50m一個斷面，每個斷面2～3對測點1d～15d，1～2次/d；16d～30d，1次/2d；1～3月，1～2次/周；3月以上，2次/月開挖后及時埋設(shè)測點拱頂下沉水平儀、水準尺或測桿每10m～50m一個斷面，每個斷面2～3對測點1d～15d，1～2次/d；16d～30d，1次/2d；1～3月，1～2次/周；3月以上，2次/月開挖后及時埋設(shè)測點超前地質(zhì)預(yù)報TSP202間隔50m～100m一個斷面地表沉降精密水準儀、鋼尺淺埋段沿隧道中線，每隔5m～10m布設(shè)一組測點開挖初期1～2次/d；開挖后期1次/2～3d開挖前提前埋設(shè)測點5.三3.三8注意三事項（1）大三跨度三黃土三隧道三施工三應(yīng)嚴三格遵三循“三管超三前、三短開三挖、三勤測三量、三強支三護、三快封三閉、三早成三環(huán)、三穩(wěn)中三求快三”的三原則三。（2）黃三土遇三水，三力學(xué)三效應(yīng)三發(fā)生三顯著三變化三，施三工中三應(yīng)加三強對三水的三管理三，可三采取三集中三排水三的辦三法。（3）仰三拱應(yīng)三及時三緊跟三導(dǎo)坑三開挖三，即三可以三保護三地基三，防三止翻三漿冒三泥，三也有三利于三車輛三行駛?cè)拔娜魇┤さ娜訌娙?。?）左三右側(cè)三兩個三工作三面前三后距三離不三宜過三大，三開挖三過程三中應(yīng)三注意三將核三心土三保留三完好三，導(dǎo)三坑開三挖后三根據(jù)三圍巖三情況三噴射三混凝三土封三閉開三挖面三和側(cè)三壁墻三。（5）超三前小三導(dǎo)管三支護三較一三般設(shè)三計應(yīng)三加密三，可三每循三環(huán)施三作超三前管三棚支三護，三消除三掉塊三及小三型冒三頂?shù)热绊斎摽杖『θ?。?）初三支鋼三架拱三腳處三加墊三混凝三土預(yù)三制塊三或鋼三板，三拱架三背后三噴填三密實三，鎖三腳鋼三管及三邊墻三錨桿三視圍三巖情三況適三當(dāng)加三密布三設(shè)，三拱部三錨桿三可適三當(dāng)減三少。（7）通三過監(jiān)三控量三測及三時取三得實三測數(shù)三據(jù)分三析反三饋用三以修三正設(shè)三計參三數(shù)和三調(diào)整三施工三作業(yè)三方法三。（8）及三時閉三合初三支結(jié)三構(gòu)并三施作三仰拱三襯砌三，嚴三格控三制二三襯與三掌子三面距三離。六、三資源三配置主要三施工三機械三配置三表序號機械名稱規(guī)格型號單位雙側(cè)壁導(dǎo)坑法偏心CD法序號機械名稱規(guī)格型號單位雙側(cè)壁導(dǎo)坑法偏心CD法1挖掘機PC200-6臺329裝載機ZLC50C臺212風(fēng)鎬G10把201010裝載機ZLC50D臺213濕噴機PZ-5-1臺6411空壓機L-22/7臺444煤電鉆K3Y-2.5-380臺281412碴車15m3輛865鉆機KHYD75A臺8413通風(fēng)機SDFN10臺226拌和機JS750臺2214輸送泵HBT60臺227注漿機KBY-50/70臺2215罐車HJT-3A輛338裝載機ZL40B臺1116臺車9米臺22雙側(cè)三壁導(dǎo)三坑與三偏心CD環(huán)形三導(dǎo)坑三工藝三施工主要三機具三對比三表主要三作業(yè)三工序三勞動三力配三備表工序工作內(nèi)容雙側(cè)壁導(dǎo)坑偏心CD備注人數(shù)×班次人數(shù)×班次開挖開挖、出碴18×2=3613×2=26開挖班初期支護初噴、掛網(wǎng)、立鋼支撐、錨桿、復(fù)噴25×2=5016×2=32初支班二次襯砌仰拱開挖、立模、澆筑混凝土6×2=126×2=12二襯班鋪設(shè)防水板、防水管道安設(shè)4×2=84×2=8臺車定位、預(yù)埋件安設(shè)、澆筑混凝土、脫模、養(yǎng)生9×2=189×2=18雙側(cè)三壁導(dǎo)三坑與三偏心CD環(huán)形三導(dǎo)坑三工藝三施工主要三人員三配置三對比三表七、三質(zhì)量三控制7.三1質(zhì)量三標準本工三法執(zhí)三行施三工設(shè)三計圖三紙、《公路三隧道三施工三技術(shù)三規(guī)范》（JT三G三F6三0-三20三09）、《公路三工程三質(zhì)量三檢驗三評定三標準》（JT三G三F8三0/三1-三20三04）。7.三2質(zhì)量三措施洞身三開挖三過程三中，三應(yīng)預(yù)三留10三cm～20三cm采用三人三工手三持風(fēng)三鎬進三行修三整，三避免三超欠三挖。鋼支三撐的三鎖腳三錨桿三應(yīng)向三下以40三°～45三°角度三斜三插，三以起三到承三載拱三擴大三拱腳三的作三用。鋼架三安設(shè)三精度三應(yīng)從三間距三、垂三直度三等方三面嚴三格控三制，三避免三侵入三二襯三，噴三射混三凝土三時應(yīng)三先噴三鋼拱三架兩三側(cè)，三包裹三鋼拱三架，三噴射三時應(yīng)三注意三