黄土隧道施工方案比选及优化

沈　卫　平(

隧道工程局三处)

【提要】我国西部大开发的战略决策,必将促进西北地区铁路建设的快速发展,而黄土地区隧道在铁路建设中的地位日益重要。文章以正在建设的神延铁路为切入点,就黄土隧道施工方案的选择和完善进行探讨。

【关键词】黄土隧道　施工　方案优化

1　神延铁路第十五标段、W 6标段隧道工程概况

在第十五标段共有3座隧道,总长1969m ,其中石佛山隧道长790m ,黄土段长77m ;米家沟隧道长

697m ,黄土段长185m ;黄家山隧道长482m ,黄土段长185m 。黄家山隧道所在地地质构造特殊,隧道拱部为

黄土,墙部为风化岩层,黄土层与该隧道的纵轴斜交。在W 6标段的寺则河隧道,全长为6216m ,属神延线最长的隧道,其中黄土段2900m ,占隧道的46%。

第十五标段3座隧道的地质情况:主要是黄土质砂粘土、新黄土和老黄土。除季节性雨水渗流外,还有孔隙潜水和基岩裂隙水。

W 6标段寺则河隧道的地质情况:除老黄土外,还

有黄土质砂粘土、红粘土和砾砂。地表水受雨季降水控制,地下水主要为黄土层中的孔隙水和基岩裂隙水。

隧道设计的初期支护,包括钢拱架、超前的拱部锚杆、边墙锚杆及网喷混凝土;二次衬砌拱、墙均采用

C20混凝土,仰拱采用C15混凝土。

2　黄土隧道施工方案比选

根据上述4座隧道黄土段工程地质特征采用了以下方案:

(1)新黄土段宜采用正台阶法施工,上半断面留核

心土稳定掌子面。每循环进尺015～110m ,上半断面开挖完成后要及时施作初期支护,下半断面施工顺序相同。

新黄土的强度及稳定性较老黄土差,采用正台阶并在上半断面留核心土的施工方法,有利于保持开挖面的稳定,保证施工安全,而且可利用上半断面快速通过较为软弱的新黄土段,带动整个工程施工进度。实际以此方法施工的石佛山、米家沟、黄家山3座隧道,均顺利通过,没有发生坍塌事故,单口成洞月平均40～

45m 。

(2)老黄土段施工宜采用微台阶法施工。每循环

进尺110m ,开挖后及时施作初期支护。老黄土的抗压强度及稳定性比新黄土有所提高,采用微台阶法施工,不仅可以缩短上下断面的距离,保证施工安全,而且开挖和出碴机械作业效率比正台阶法有所提高,不需设置上半断面运输用的栈桥或坡道,减少了辅助工序。施工方案根据地质情况可以迅速调整为全断面或正台阶法施工。采用微台阶法施工通过老黄土地段的寺则河隧道,其施工进度单口月成洞在45～55m 之间,没有发生坍塌情况。

(3)红粘土段施工宜采用全断面法及光面弱爆破

或预裂爆破开挖,人工持风镐配合修整轮廓。红粘土的抗压强度及其稳定性与新老黄土相比有明显提高。采用光面弱爆破或预裂爆破后的开挖面有一定自稳能力,满足施作初期支护的时间要求。全断面开挖有利于大型开挖、装运机械化作业,辅助工序少,可缩短循环作业时间。虽然红粘土段施工刚开始不久,但其全断面法施工的高效快速的优点已露端倪。

3　黄土隧道施工的几个共性问题及技术对策

311　黄土地层承载力低

黄土地层的承载力都在120～150kPa 之间。因无水黄土的粘滞系数大,围岩壁立性好,但拱部范围地层稳定性较差,开挖后拱部垂直荷载较大,而且初期支护与周边地层的粘结力低。格栅拱架或型钢拱架的基座一般直接落在黄土上,在垂直荷载和初期支护自重的作用下,初期支护的沉降量较大,一旦外力超过基底承载力极限,拱脚或墙脚容易失稳,甚至导致拱顶坍塌,特别是在进行下半断面开挖时,需要采取有效措施,防止拱脚下沉、拱部坍塌。一般可采取如下措施:(1)尽早施作仰拱、铺底,使全断面的初期支护尽早封闭成

—

7—铁道建筑　　2000年第6期

环。这样能够合理拉开与二次衬砌有关的各工序,有利于组织机械化施工。(2)在上半断面初期支护的拱脚位置设斜向外侧的锁脚锚杆,以增强初期支护的稳定性。当用先拱后墙法施作二次衬砌时,在其拱脚设置钢筋混凝土托梁,并设置环向接缝的连接钢筋。

312　新、老黄土的湿陷性

新、老黄土的湿陷性是黄土区别于其他软弱地质的显著特征,而黄土地段坍塌的发生与此密切相关。一般处于干硬、硬塑状态下看来比较稳定的土体,一旦遇水浸泡,极易发生湿陷呈饱和流塑状态,从而减弱以至丧失承载力和自稳能力。特别是埋深浅的洞口段,沟谷汇水地段、不同地质分界的洞身段,往往容易出现地下水或有季节性地表水下渗,施工过程中,要认真做

好隧道的防排水工程,加强初期支护,缩短铺底、二次衬砌作业面与开挖工作面的距离。预防和减缓黄土湿陷的技术措施如下:(1)发现地下水,应及时设置环向、纵向盲沟或泄水软管,形成排水通道将地下水引出。

(2)及早施作仰拱、铺底可以尽早封闭基底,防止地下

水、施工用水侵入基底黄土,产生湿陷。仰拱铺底对顺坡排水来说,特别有利。对含水的黄土段,仰拱铺底能减弱行走机械对隧底黄土的扰动。在基底含水量较高的情况下,有条件时应优选有轨运输设备,以减少对基底的扰动。(3)在通过容易发生湿陷的黄土地段,加强初期支护。施工中对变形速度较快和变形较大地段采取了加强初期支护的措施,表1列出部分黄土段加强初期支护参数建议值。

表1　部分黄土段加强初期支护参数建议值

地质类别

地质分段

喷射混凝土厚

/cm 锚杆<22mm

<6mm 钢筋网

钢　架长度

/m 纵向×环向/m ×m

部　位网孔/cm ×cm

部　位间距/(m/榀)

新

黄土

洞口段

20310110×110拱墙20×20拱墙

0150地层分界富水段20310110×110拱墙20×20拱墙0150普通段

18310110×110拱墙20×20拱墙0175老黄

土

地层分界富水段20215110×11

0拱墙20×20拱墙0175普通段15

215

110×110

拱墙

25×25

拱墙

1100

4　黄土隧道工程的基本原则

通过对神延线4座各具特点的黄土隧道施工实践,总结施工经验,我们认为黄土隧道施工必须坚持

“短进尺、非爆破(或弱爆破)、强支护、勤量测、早成环”的施工原则。

根据新老黄土的稳定情况,开挖循环进尺一般应控制在015～115m 范围内;所谓非爆破,是指在条件允许的情况下尽量选择机械开挖;强支护的含义有两方面,一是开挖以后施作初期支护要及时,二是初期支护要有足够的强度和刚度。在容易产生湿陷的情况下,以选用型钢拱架加强支护为宜;早成环是指初期支护尽早封闭成环,形成具有稳定性的整体受力结构。量测工作在黄土隧道施工中有着十分重要的作用,我们曾根据量测结果及时加固了破碎地层,或是调整了支护参数。

现以黄家山隧道D K 225+690～D K 225+742段为例说明量测的重要性。该隧道洞身与土石交界面刚好斜交,上半断面位于黄土中。本段上半断面临时支护完成于1999年7月初。经量测,可认为临时支护6天后趋于稳定。但在7月28～30日根据量测发现支

护拱脚收敛变形异常。分析原因有可能因7月份长时间降雨,地表冲沟的沟水下渗,黄土产生湿陷性下沉,造成围岩侧压力增大,导致支护拱脚收敛变形异常。根据这一情况,7月30日施工单位立即组织人员对变形段进行加固,先在变形段一端及中间浇筑上半断面混凝土拱圈,并对其余变形段进行扇形支撑加固。8月

1日,该段一部分没来得及加固的支护拱脚突然发生位

移变形,变形量达10～20cm ,因加固及时,变形段受到控制没有向两端发展。事后探明,围岩破碎带厚度达

4～6m ,若不根据量测发现的异常情况及时采取加固

措施,必将产生更为严重的后果。

改回日期:2000-03-01

(责任审编　邵根大)

—

8—铁道建筑　　2000年第6期