“大拱脚”在黄土隧道施工中应用案例

　　摘要：黄土隧道下穿公路施工中，如何采取经济、简便、有效的施工方法及手段减少施工产生沉降，一直是我们在施工中研究、探索的课题。本文通过介绍我公司负责某黄土隧道下穿公路施工期间施工采取相关措施，尤其是在初期支护中增设“大拱脚”等手段，在公路沉降满足设计的情况，顺利下穿通过公路，为诸同仁在以后类似工程施工时提供参考。

　　关键词：隧道施工,支护结构,施工沉降

　　1、工程简介

　　该隧道处于低中山区，地势起伏较大，隧道顶部植被稀疏。隧道进口里程DIIK194+110，出口里程DIIK195+616，全长1506m。隧道内自进口至出口为11.9‰的下坡，隧道最大埋深57.61m。

　　隧道区地层为第四系上更新统坡洪积层(Q3dl+pl)新黄土夹钙核层、碎石土，中更新统洪积层(Q2pl)老黄土夹古土壤层，中砂，角砾土，下伏前震旦系五台群木格组车厂段(Awmc)混合花岗岩。隧道所在区域位于五台山隆起西南残余山脉的东南边缘，属于前震旦系古东北向构造，主构造线走向西北东。岩体中穿插北北西，北北东向两组石英岩脉，近垂直，岩脉附近岩体较破碎。

　　隧道洞身DIIK194+500~DIIK194+520范围内下穿顿奇公路，，公路路面宽约12m，公路与隧道洞身夹角约45°46′21″。隧道开挖洞顶至公路路面高度约10m。该段表覆新黄土，下伏老黄土，地面地形比较平缓，表覆新黄土，黄褐色，坚硬~硬塑，颗粒均匀，具大孔隙，含碎石土和钙质结核层。下伏老黄土夹古土壤层，浅棕红色，坚硬~硬塑，土体紧密，含粗砂、粗角砾土，洞顶覆土较薄。区段沿线新黄土分布广泛，具有湿陷性，湿陷系数δs=0.017～0.028。

　　2、施工简介

　　2.1、总体施工方案

　　隧道下穿公路段属于黄土浅埋段，必须选择合适的施工方案和合理的防护方案，最大限度的减少对土体的扰动，充分利用其自身的稳定性，是安全快速下穿公路施工的关键。根据施工进度计划，结合施工造价考虑，我公司采用三台阶七步法开挖进行施工。在施工中严格遵循“管超前，短开挖，快支护，早成环，勤量测，紧衬砌”的原则。我公司三台阶七步法施工示意图如下：

　　“管超前”即开挖施工前，按照设计施作大管棚，大管棚施工参数：拱部140°范围内设置φ159大管棚超前支护，每10～12m一排，搭接长度不小于3m，环向间距40cm。大管棚施作同时，采取小导管超前支护，小导管施工参数：拱部140°范围内设置φ42mm超前小导管(不注浆)，小导管长4m,t=3.5mm，环向间距40cm;超前小导管配合钢架使用，每1.8m(3榀)施做一环，纵向搭接长度不小于1.0m;

　　“短开挖”即严格控制开挖进尺。每循环开挖长度控制在0.5～1.5m之间，施工中具体控制为上导每循环开挖进尺一榀钢架距离，即0.6m;中、下导左右侧一前一后错开施工，每循环开挖进尺不超过2榀;

　　“快支护”即开挖后立即进行支护。初期支护：钢架采用I25a型钢加工，钢架间距0.6m;铺挂HRB235Φ8钢筋网片，网格尺寸20×20cm;连接筋采用HRB335Φ22钢筋，环向间距1.0m;锁脚锚管采用Φ42×5mm无缝钢管加工，长4.0m，锚管与钢架间采用"L"形钢筋进行绑焊;喷射C25混凝土厚度为35cm。各单元工序开挖、支护平行作业，同时施工，互不干扰;

　　“早成环”即初期支护完成后，仰拱填充及时跟进，使初期支护拱架及早封闭成环，形成整体，加强隧道初期支护结构受力;

　　“勤量测”即施工期间必须加强监控量测力度，及时收集整理测量数据，通过测量数据的对比分析，及时调整施工参数，指导现场施工。主要体现为预留变形量值调整;

　　“紧衬砌”即施工中必须及时跟进衬砌施工，严格控制衬砌与上导掌子面间步距。

　　同时，因为本隧道为黄土隧道，所有在施工中必须加强施工用水的管理和疏排，避免黄土遇水软化。施工中优先选用无水或用水量少的施工设备和施工工艺，提高黄土隧道机械化施工程度。

　　2.2、实际施工方案调整

　　根据现场实际施工效果，根据专家评审意见，结合咨询相关具有丰富施工经验施工一线施工人员，我公司在确保施工安全，减少隧道沉降，在原设计施工方案不变的情况下，在后期施工方案进行优化、加强。具体方案优化概述如下：

　　1、隧道下穿公路施工期间，对上部公路进行改路，使通行车辆绕行，以减少隧道上方承受荷载;

　　2、开挖工法不变，仍采用三台阶七步法。但施工中在中导加设大拱脚，以加强拱架受力，减少沉降;

　　3、加强施工组织，使各工序衔接更紧密，尽量缩短每循环施工所用时间;

　　4、严格控制步距，仰拱开挖控制在2～3m，仰拱距掌子面距离控制在20m以内;二衬一次施作4～6m，二衬距掌子面距离控制在35米以内。

　　3、“大拱脚”施工简介

　　3.1黄土隧道沉降分析

　　在前期按照原设计方案进行施工时，取得实际效果并不理想，导致部分里程段隧道沉降过大。经分析认为:黄土隧道开挖支护过程中，主要沉降产生时间为各单元初期支护开挖至喷锚支护完毕时间段，具体体现为上导开挖、中导左右侧开挖、下导左右侧开挖及隧道开挖。因为从开挖施工开挖，直至喷锚支护完毕中间存在一定时间差，在此时间差内，隧道土体内部本来为一个各项压力平衡状态，遭到开挖破坏、扰动，导致土体受力不平衡，内部压力释放，直接表现为周围土体坍塌、沉降，以使土体再次趋向平衡。

　　经现场观察、量测，沉降变化主要发生在中导左右侧开挖、下导左右侧开挖及隧道开挖、支护时间差内。因此，在后期施工中，根据建议，在中导与下导连接处增设“大拱脚”进行试验，以减少沉降。

　　3.2、“大拱脚”施工参数

　　“大拱脚”即将中导拱架下部连接板加大，使施工中，在上导初期支护及上部土体等传导至中导拱架压力不变的情况下，加大中导拱架与下部土体受力面积，从而使压强减小，最终达到减少沉降的目的。

　　具体如下：中导拱架下部连接钢板，原设计采用16mm厚钢板加工，尺寸为0.31×0.26m，现将其尺寸增大为1.2×0.5m(因设计中拱架间距为0.6m)，同时，在钢板上远离隧道中心端加设斜撑，以加强“大拱脚受力，斜撑利用工地现用Φ89×5mm无缝钢管加工，斜撑与钢板间成45°(具体可详见“大拱脚”细部示意图)。大拱脚直接在中导拱架加工时一次加工到位。

　　3.2、“大拱脚”施工效果

　　通过对比在加设“大拱脚”前、后不同断面隧道内监控量测数据反应，在加设“大拱脚”后，我公司施工黄土隧道洞顶沉降明显变小，我公司施工黄土隧道顺利下穿公路后，最终公路路面沉降为mm，将沉降控制在设计标准20mm内，圆满通过公路。

　　具体“大拱脚”效果见下表我项目部测量数据：

　　DIIK194+500断面拱顶下沉数据表(未设置“大拱脚”断面)：

　　DIIK194+510断面拱顶下沉数据表(设置“大拱脚”断面)：

　　通过上述我公司施工隧道拱顶下沉测量数据，未设置“大拱脚”DIIK194+500断面8天拱顶下沉累计达到43.1mm，设置“大拱脚”DIIK194+510断面8天拱顶下沉累计达到16.3mm，可以明显看出，设置“大拱脚”后，拱顶下沉明显减少，取得显著效果。

　　3.3、“大拱脚”施工主要事项

　　3.3.1、开挖时严禁用挖掘机一次挖掘到位，应预留30～50cm采用人工开挖，以防止超挖，现场应设专人指挥;如出现超挖时，必须在连接钢板底部垫设木板或钢板，防止拱架悬空;

　　3.3.2、架设拱架时，加强测量，严格控制拱架垂直度，拱架连接处螺栓必须拧紧，现场检查;

　　3.3.3、锚杆搭设长度、角度必须严格按照设计执行;锚杆与拱架间采用“L”钢筋绑焊，确保焊接质量;

　　3.3.4、为保证后续施工方便，喷射混凝土前，在连接钢板螺栓孔处可虚铺5cm厚左右开挖黄土，同时严格控制虚铺黄土范围，仅在中导与下导连接钢板螺栓孔处，以使下导拱架安装时，螺栓安装方便;

　　3.3.5、因黄土具有湿陷性，遇水变形。所有黄土隧道施工中，必须严格控制施工用水，完善隧道内临时排水系统，严禁积水;

　　3.3.6、黄土隧道施工沉降主要发生在开挖至支护完毕时间差内，所以，黄土隧道施工时，必须加强施工组织管理，合理配置机械设备，各工序衔接紧密，尽量减少每循环施工所用时间。

　　4、总结

　　通过在我公司负责施工黄土隧道中设置“大拱脚”进行试验，“大拱脚”在减少黄土隧道沉降中取得显著效果，且在实际施工期间施作简便，投入较少，切实可行。希望通过我公司黄土隧道施工中“大拱脚”施工经验能对各施工单位及同仁在以后黄土隧道施工时，提供参考、借鉴。

　　本文选自《科技创新导报》。  《科技创新导报》是经国家新闻出版总署批准的，由中国航天科技集团公司主管、中国宇航出版社-北京合作创新国际科技服务中心主办的科技综合类期刊；《科技创新导报》杂志面向国内外公开发行。
 

《“大拱脚”在黄土隧道施工中应用案例》

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