淺埋黃土隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工技術(shù)

蒲文奎

摘 要：本文以蘭新鐵路第二雙線西寧隧道淺埋段2#豎井為例，簡略介紹了淺埋段工程概況、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工特點(diǎn)及適用范圍、施工工藝原理、施工方法、工序循環(huán)時(shí)間和月進(jìn)度、監(jiān)控量測(cè)變形規(guī)律、施工步距及施工中的注意事項(xiàng)，為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供了可靠的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：淺埋黃土隧道；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法；施工技術(shù)

中圖分類號(hào)： TU74 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）34-169-2

1 工程概況

1.1 工程簡介

西寧隧道為蘭新鐵路第二雙線的重難點(diǎn)工程。位于青海省西寧市，全長5750m，全隧圍巖軟弱，被鐵路總公司列為一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道。DK192+120～DK193+490段共1370m為Ⅵ級(jí)圍巖淺埋段，全部為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，開創(chuàng)了全國在同一隧道雙側(cè)壁施工長度之最，實(shí)際開挖斷面面積約為170㎡。淺埋段為全隧施工重難點(diǎn)段落，分別下穿蘭西高速公路、城東區(qū)新村、林家崖村、中莊灌溉水渠、小北川河等，洞頂覆土厚度為6～27m；淺埋段上方有學(xué)校、廠礦、密集的回族居住區(qū)等建筑物，需拆遷住戶1400多戶、廠礦企業(yè)8家、改移水渠約500m，施工難度極大。

1.2 地質(zhì)情況

淺埋段地質(zhì)主要為第四系新統(tǒng)沖積砂質(zhì)黃土、細(xì)圓礫土、粗圓礫土、卵石土。沖積砂質(zhì)黃土具有濕陷性，濕陷土層厚度約5～10m。該段位于湟水河階地，地下水埋深一般為2.8～24.9m，水量較豐富，地下水具有侵蝕性。該段地質(zhì)條件差，全部由Ⅵ級(jí)圍巖組成，隧道上半斷面處于濕陷性黃土中，下半斷面處于砂卵石層中，砂卵石層厚度3～5m。仰拱處于泥巖中。地下水水位處于內(nèi)軌頂位置，水量豐富。

2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工特點(diǎn)及適用范圍

2.1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工特點(diǎn)

①淺埋黃土隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，主要特點(diǎn)就是能很好地解決大斷面雙線隧道開挖的安全性問題。在初期支護(hù)施工過程中，采用臨時(shí)支護(hù)將初期支護(hù)牢牢地?fù)巫?，待仰拱封閉成環(huán)后再進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)拆除，有效防止開挖過程中初期支護(hù)發(fā)生突變而影響二襯的凈空。

②淺埋黃土隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，可以有效控制洞內(nèi)初期支護(hù)的沉降及側(cè)向位移，避免因洞內(nèi)沉降突變導(dǎo)致地表下沉而影響地表建筑物的穩(wěn)定。對(duì)于下穿人員居住密集的居民區(qū)、對(duì)地表沉降要求較高的高速公路等尤為重要。

2.2 適用范圍

①適合于大斷面，主要為砂質(zhì)黃土、砂礫石層等掌子面長時(shí)間不能自穩(wěn)的地質(zhì)的隧道。

②適合于淺埋、暗挖、偏壓地段V～VI級(jí)圍巖地層的隧道。

③適合于地下水較豐富的隧道。

3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工藝原理

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法原理是把整個(gè)隧道大斷面分成左右上下若干個(gè)小斷面施工，每一個(gè)小斷面單獨(dú)掘進(jìn)，最后形成一個(gè)大的隧道。掌子面在開挖過程中短時(shí)間具有自穩(wěn)能力，采用中隔壁臨時(shí)豎撐及橫撐及時(shí)封閉成環(huán)、承擔(dān)部分受力。

4 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工方法

在導(dǎo)坑開挖之前，為防止坍塌，需先進(jìn)行大管棚超前支護(hù)。

以西寧隧道淺埋段2#豎井為例，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法將整個(gè)大斷面劃分為左、右側(cè)壁上下導(dǎo)坑、中部上、下導(dǎo)坑共6個(gè)小斷面。開挖及支護(hù)方法如下：

4.1 側(cè)壁導(dǎo)坑上部開挖及支護(hù)

4.1.1 側(cè)壁上部開挖

側(cè)壁上導(dǎo)坑首先采用中空玻纖錨桿對(duì)掌子面預(yù)加固后進(jìn)行人工開挖。每循環(huán)進(jìn)尺1榀0.5m，由測(cè)量人員逐榀控制隧道中線、標(biāo)高、法線方向及鋼架垂直度等，施工時(shí)保證不侵限并控制超挖量，開挖輪廓盡可能平順。開挖步距要求左右側(cè)壁導(dǎo)坑錯(cuò)開3～5m。開挖時(shí)人工手持鐵鍬開挖土方，采用手推車將土方短距離運(yùn)輸后翻入下導(dǎo)坑，最后由裝載機(jī)從下導(dǎo)坑鏟出后由運(yùn)輸汽車運(yùn)走。

4.1.2 上部初期支護(hù)

開挖后首先對(duì)開挖面初噴4～5cm厚混凝土，盡早封閉暴露面。永久側(cè)鋼架采用I25a工字鋼，臨時(shí)側(cè)及橫支撐采用I18輕型工字鋼。鋼架安設(shè)時(shí)，拱腳應(yīng)夯實(shí)墊穩(wěn)，地質(zhì)較差時(shí)可采用槽鋼固定。型鋼鋼架縱向間距0.5m/榀，鋼架間縱向設(shè)Φ22連接筋，永久側(cè)環(huán)向間距1m，臨時(shí)側(cè)環(huán)向間距1.2m。初期支護(hù)永久側(cè)背后鋪設(shè)φ8鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距20×20 cm，網(wǎng)片大小2.0m×0.7m。鋼拱架焊接完成后永久側(cè)打設(shè)R32N自進(jìn)式鎖腳錨桿，L=4m；臨時(shí)側(cè)打設(shè)Ф42鎖腳錨桿，L=4m。鎖腳錨桿每榀每側(cè)各設(shè)置2根，尾部采用“7”字鉤與工字鋼焊接牢固。邊墻采用系統(tǒng)自進(jìn)式R32N錨桿L=4m，間距（環(huán)向×縱向） 1.0×1.0 m。永久側(cè)噴C25噴射混凝土35cm厚，臨時(shí)側(cè)噴C25噴射混凝土18cm厚。

4.2 側(cè)壁導(dǎo)坑下部開挖

側(cè)壁下導(dǎo)坑每循環(huán)進(jìn)尺2榀，開挖步距要求同側(cè)壁上下導(dǎo)坑錯(cuò)開2～3m。下導(dǎo)坑為PC-60小挖機(jī)開挖，人工修邊，856裝載機(jī)出碴。同側(cè)壁上下導(dǎo)坑臺(tái)階長度應(yīng)嚴(yán)格控制，杜絕施工中圖省事而長距離推進(jìn)上導(dǎo)坑后再長距離推進(jìn)下導(dǎo)坑。開挖時(shí)掌子面若水流較大，則在掌子面至仰拱之間設(shè)集水坑，將掌子面流水引排至集水坑并及時(shí)將水抽至洞外。若監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)過大或下導(dǎo)坑較長時(shí)間不施工時(shí)需增設(shè)臨時(shí)橫支撐，可有效抑制拱頂下沉及水平收斂速度。

4.3 中部導(dǎo)坑開挖

中部上導(dǎo)坑每循環(huán)進(jìn)尺1榀，開挖步距要求距側(cè)壁最前方掌子面8～10m，不宜超過15m，距下導(dǎo)坑靠后掌子面1m以上，忌諱中部上導(dǎo)坑超前側(cè)壁下導(dǎo)坑，超前后將引起拱頂快速沉降。中部上導(dǎo)坑開挖采用PC-220大挖機(jī)，人工修邊，856裝載機(jī)出碴。開挖時(shí)預(yù)留核心土，坡比以適合挖機(jī)上下為宜。

中部下導(dǎo)坑土體直接采用裝載機(jī)裝至運(yùn)輸汽車運(yùn)走。

4.4 仰拱施工及臨時(shí)鋼架拆除

仰拱分左、中、右仰拱三步開挖及初支，與中隔壁豎撐快速封閉成環(huán)；二襯仰拱采用自制仰拱模板，一次澆筑成型。待二襯仰拱達(dá)到條件后進(jìn)行仰拱填充施工，每環(huán)仰拱填充施工完畢后根據(jù)監(jiān)控量測(cè)情況及時(shí)拆除臨時(shí)支撐鋼架。臨時(shí)支撐鋼架拆除前先行切割填充面以上的臨時(shí)豎撐底部及與初期支護(hù)永久側(cè)連接處鋼架，PC220挖機(jī)配合拆除，拆除時(shí)注意采用鋼板及鋼管槽保護(hù)矮邊墻處仰拱鋼筋及中埋鋼邊止水帶。

5 各工序循環(huán)時(shí)間統(tǒng)計(jì)及月進(jìn)度

西寧隧道淺埋段雙側(cè)壁導(dǎo)坑每延米設(shè)計(jì)開挖方量為側(cè)壁上導(dǎo)坑20.09m2，側(cè)壁下導(dǎo)坑15.01m2，中部上導(dǎo)坑48.6m2，中部下導(dǎo)坑20.99m2，仰拱20.18m2，合計(jì)開挖方量159.97m2，根據(jù)施工以來總結(jié)的各導(dǎo)坑工序循環(huán)時(shí)間，按如下時(shí)間指標(biāo)考核（見表1）：

因圍巖、地質(zhì)情況較差，地下水豐富，掌子面開挖過程中不能自穩(wěn)，對(duì)于開挖過程中容易發(fā)生溜塌地段，側(cè)壁上導(dǎo)坑加45min，中上導(dǎo)坑加60min打超前導(dǎo)管時(shí)間；考慮到上導(dǎo)坑的棄碴堆積于下導(dǎo)坑，如剛切換為下導(dǎo)坑施工，可另加4小時(shí)的出碴時(shí)間。對(duì)工班時(shí)間考核梯度單位為30min，時(shí)間考核指標(biāo)可根據(jù)具體情況及執(zhí)行情況適當(dāng)調(diào)整；為了鼓勵(lì)工班人員的積極性，對(duì)于平均單口月成洞米達(dá)到20m，免除所有循環(huán)考核罰款（安全質(zhì)量罰款除外），即只獎(jiǎng)不罰。

在實(shí)際施工中，各導(dǎo)坑交叉作業(yè)存在一定的干擾性；只有通過加強(qiáng)工序銜接，減少循環(huán)時(shí)間加快施工進(jìn)度。另外，受豎井提升設(shè)備的限制，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工進(jìn)度相對(duì)緩慢，西寧隧道淺埋段最高雙向月成洞30.2m，單口記錄20.1m。

6 監(jiān)控量測(cè)變形規(guī)律

6.1 洞內(nèi)拱頂下沉規(guī)律

拱頂下沉觀測(cè)點(diǎn)每5m布設(shè)一組，分別布設(shè)在側(cè)壁上導(dǎo)坑及中上導(dǎo)坑。側(cè)壁上導(dǎo)坑拱頂下沉觀測(cè)點(diǎn)采用焊接倒置三角形點(diǎn)通過水準(zhǔn)儀觀測(cè)，中上導(dǎo)坑采用40mm×40mm萊卡反射片通過全站儀觀測(cè)。側(cè)壁上導(dǎo)坑從掌子面開挖到臨時(shí)仰拱封閉成環(huán)期間，下沉量比較明顯，平均8～10mm/d，后期逐漸減少，平均2～3mm/d。側(cè)壁下導(dǎo)坑開挖至觀測(cè)點(diǎn)附近時(shí)，沉降明顯加大，平均10～12mm/d，后期逐漸減少，為2～5mm/d。中導(dǎo)坑從開挖到隧底開挖之前，沉降較為均勻，僅開挖時(shí)沉降量最大8～12mm/d，后期平均為2～4mm。仰拱施做完成后至中隔壁拆除期間，整個(gè)初支形成了封閉成環(huán)的受力結(jié)構(gòu)，拱頂沉降趨于穩(wěn)定，平均2～3mm/d。中隔壁拆除后三四天左右時(shí)間下沉明顯，為5～8mm/d，之后逐漸趨于穩(wěn)定。

從現(xiàn)場(chǎng)積累的觀察數(shù)據(jù)分析來看，從掌子面開挖到臨時(shí)支護(hù)拆除趨于穩(wěn)定后（一般需要45天左右時(shí)間），左右側(cè)壁導(dǎo)坑拱頂沉降開累為20～25cm，中上導(dǎo)坑拱頂沉降開累為15～25cm。

設(shè)計(jì)圖上鋼架預(yù)留變形量為10～15cm，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，不能滿足拱頂下沉要求。在實(shí)際施工中需根據(jù)沉降情況合理預(yù)留變形量，并在測(cè)量放樣時(shí)具體調(diào)整，以保證隧道初期支護(hù)穩(wěn)定后不侵入二襯凈空范圍內(nèi)。

6.2 洞內(nèi)水平收斂規(guī)律

洞內(nèi)水平收斂觀測(cè)點(diǎn)每5m布設(shè)一組，分別布設(shè)在側(cè)壁上、下導(dǎo)坑。以觀測(cè)到的數(shù)據(jù)為例，在側(cè)壁上、下導(dǎo)開挖時(shí)水平收斂較大，為2～3mm/d，其后逐漸變小。仰拱開挖時(shí)下導(dǎo)坑水平收斂數(shù)據(jù)變化明顯，為4～7mm，待仰拱初支封閉完后變小并在填充施工完畢后慢慢趨于穩(wěn)定。自開挖12小時(shí)之內(nèi)埋點(diǎn)開始觀測(cè)到準(zhǔn)備拆除臨時(shí)支護(hù)結(jié)束，水平收斂開累數(shù)據(jù)為側(cè)壁上導(dǎo)坑40～50mm，側(cè)壁下導(dǎo)坑50～70mm。若下導(dǎo)坑地下水豐富或較長時(shí)間不施工仰拱，必須增設(shè)臨時(shí)橫支撐。

6.3 地表沉降規(guī)律

地表沉降觀測(cè)點(diǎn)超前隧道掌子面1h（h為隧道洞頂覆蓋層厚度）即開始埋設(shè)，開挖掌子面對(duì)前方土體的影響范圍一般為0.5～0.8h。從布點(diǎn)開始到仰拱穿過觀測(cè)斷面，一般下沉量為200～300mm，特殊地段最終沉降量甚至達(dá)到450mm以上，企業(yè)建筑物普遍會(huì)出現(xiàn)裂縫，居民自建型建筑物裂縫情況更為突出。地表沉降量一般為洞內(nèi)沉降量的130%～180%。一般在隧道洞頂?shù)乇砭嗨淼乐芯€0.5～0.9h會(huì)出現(xiàn)幾條縱向裂縫，裂縫寬度常見為10～20mm。

7 施工步距要求

控制施工步距是淺埋大跨富水黃土隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工成敗的關(guān)鍵之一。

①左右側(cè)壁上導(dǎo)坑：兩側(cè)上導(dǎo)坑錯(cuò)開5m以內(nèi)；②同側(cè)壁上下導(dǎo)坑：上下導(dǎo)坑平均錯(cuò)開5m以內(nèi)，以2～3m為宜；③中上導(dǎo)坑與最前方掌子面距離10～15m，并始終滯后于最后方下導(dǎo)坑1m以上；④仰拱距離最前方掌子面25m以內(nèi)；⑤二襯距離最前方掌子面40m以內(nèi)。

8 施工過程中的注意事項(xiàng)及建議

①必須按照設(shè)計(jì)要求做好超前支護(hù)，斷面不得欠挖，預(yù)留值以拱部30cm，最大跨度處20cm，拱腳15cm為宜，待沉降及變形后能保證二襯厚度。②嚴(yán)格按照雙側(cè)壁導(dǎo)坑法調(diào)整各導(dǎo)坑步距。制定合理的循環(huán)時(shí)間，各個(gè)掌子面同步推進(jìn)；仰拱、二襯及時(shí)跟進(jìn)。③加強(qiáng)洞內(nèi)外監(jiān)控量測(cè)，尤其是建筑物位于隧道正洞頂上情況。提高觀測(cè)頻率，用監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工，防止因隧道突變而冒頂及地面坍塌事件發(fā)生。在掌子面施工時(shí)，盡量將掌子面正上方的居民安置到妥當(dāng)?shù)胤健＂苤匾暪こ虒?shí)體質(zhì)量情況，對(duì)意外出現(xiàn)的超挖等情況必須采用噴射混凝土回填密實(shí)，并預(yù)埋注漿管進(jìn)行初支背后注漿。⑤洞內(nèi)施工至居民區(qū)前必須調(diào)查清楚地下管線，切斷水源，提前阻止其滲入洞內(nèi)。洞內(nèi)做好降水、排水措施。⑥各導(dǎo)坑斷面大小可以根據(jù)施工工藝、圍巖條件、采用的機(jī)械設(shè)備等因素在設(shè)計(jì)斷面大小上優(yōu)化。

西寧隧道淺埋段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，施工中堅(jiān)持“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”，保證了結(jié)構(gòu)安全，成功解決了西寧隧道淺埋黃土隧道圍巖穩(wěn)定性要求、進(jìn)洞安全性需求等難題，對(duì)以后大跨、淺埋、黃土隧道及有水地層的施工提供借鑒。