高速公路大断面黄土隧道台阶法修建技术

高速公路大断面黄土隧道台阶法修建技术

王振生

中国葛洲坝集团第三工程有限公司 陕西 西安 710000

摘要：本文以实际高速公路工程为例，试验研究了大断面黄土隧道工法适用性，证实台阶法围岩和支护系统的变形以及受力特性能够有效解决大断面黄土隧道施工问题，能够有效保证施工进度，同时也证实黄土含水量会直接影响支护结构变形和稳定性。

关键词：高速公路；大断面黄土隧道；台阶法

我国黄土面积接近63.5万平方公里，广泛分布于我国华北、西北等地。新黄土土质结构较为松散，含水量不足15%，厚度可达30m-50m。在垂直节理面上由于节理切割出现竖向软弱面，并且软弱面之间粘聚力偏小。隧道开挖过程中在重力影响下会出现裂缝和塌方，而老黄土含水量为10%-40%，埋藏深度较大，以塑性变形为主。在柔性支护过程中如果支护强度不足也会出现塌方，所以在高速铁路大断面黄土隧道施工中需要分析黄土含水量以及饱和程度，由此确保安全施工。

一、以往黄土隧道工法设计情况

在普通高速公路建设过程中，部分黄土隧道设计采取锚喷支护以及复合式衬砌结构形式，并利用台阶法施工。然而黄土结构具有特殊性，在施工期间隧道可能出现塌方，比如宝兰二线曲儿岔隧道出口下穿铁路时，勘测新黄土含水量为10%-16.8%，采用了台阶法开挖之后测得含水量为21%-24.1%，整体土质松软，所以把施工方法调整成CRD工法。此外，传统的铁路隧道开挖面积在60-110㎡之间，因此普遍采取弧形开挖台阶法。对于断面较大的隧道需要采取CRD或者双侧壁等工法，严格控制沉降情况，不足之处在于施工进度较慢，所以主要用于长度范围较短的黄土隧道工程。

二、延黄高速公路大断面黄土隧道施工方法

延黄高速公路有16座黄土隧道，总长度为29.6公里，其中刘家桌子隧道总长1.6公里。相较于传统的黄土隧道工程开挖面积提高到146㎡，并且开挖跨度更大。为了确保大断面长距离黄土隧道施工安全性和施工进度。施工单位对刘家桌子隧道进行了施工方法研究，台阶法试验工点位在刘家桌子隧道出口。隧道出口主要土质为新黄土和老黄土含，水量约为6%-17%，埋藏深度为16-176m，试验段黄土重度为1.68-1.99，孔隙比为0.595-0.778，含水量为8.3%-16.8%。

（一）围岩变形特征

1净空位移中拱部下沉严重

浅埋施工期间拱不下沉和水平收敛比为1:2。新黄土隧道要比老黄土隧道下沉更为明显，和深埋时的巩固下沉情况接近。黄土隧道拱脚承载力偏弱，这是导致拱部整体下沉的主要因素。

2仰拱开挖和封闭对净空位移的影响

经过测试发现台阶法净空位移集中在仰拱封闭之前出现，其中在老黄土和新黄土的封闭前拱部下沉占总下沉比例分别为93%和83%。所以说提前封闭有利于控制大断面黄土隧道净空位移。深埋的老黄土仰拱封闭距离超过40m时净空位移会明显增加，其中水平收敛达到30m时会增大65%。所以采用台阶法情况下深埋老黄土，仰拱封闭距离不得超过35m。

3大拱脚对净空位移的影响

根据测试结果证实，大拱脚对控制净空位移，特别是拱部下沉效果明显，其中仰拱封闭距离未超过35m时拱部下沉可减少30%。水平收敛可降低15%。

4锁脚锚杆对净空位移的影响

锁脚锚杆能够减少拱部下沉效果，主要影响因素在于打入角度，也就是打入角度和水平夹角至少达到45时拱部下沉的控制效果更为明显，可降低至少30%。

5台阶开挖对净空位移的影响

经过测试研究发现中台阶开挖环节容易导致拱脚下沉急剧增长，下台阶开挖会造成墙腰水平收敛明显增大，主要影响因素在于中台阶和下台阶一次进尺普遍大于上台阶，所以加强中台阶和下台阶的一次开挖进尺控制有利于减少净空位移。

6地层位移

根据测斜孔测试结果发现，上台阶到达时的边墙范围地水平位移接近总位移的35%，仰拱封闭之后位移增长趋于平稳。

（二）支护体系受力特征

1型钢钢架应力

初期支护型钢的受力主要是受压作用十分明显。

2锚杆轴力

锚杆受力的过程中具有拱部锚杆受力小、边墙受力大特征，拱部锚杆难以形成受拉作用，特别是在新黄土当中。

3锁脚锚杆轴力

锁脚锚杆测试结果发现斜向打入的锁脚锚杆承压特性明显，对提升拱脚承载力作用显著。

4大拱脚压力

根据测试结果，大拱脚的承压特性明显，压力极值可达0.9-1.7MPa。具体表现为：其一大拱脚压力在中台阶开挖前后变化明显；其二中台阶临近大拱脚压力迅速增大到最大值；其三中台阶达到拱脚压力开始显著下降。

整体来看，大拱脚能够有效增强拱脚承载力，并且在中台阶开挖期间具有临时支撑效果，能够有效解决中台阶开挖影响拱脚的问题。

（三）大断面黄土隧道稳定性技术

结合大断面黄土隧道围岩特点、力学特性提出解决大断面黄土隧道施工稳定性的如下要点。

其一，开挖面的稳定性。受到黄土的垂直节理和裸露开挖面，湿水风化影响，大断面开挖期间拱部和掌子面开挖面容易失稳；其二，拱部整体下沉。由于黄土隧道拱脚承载力偏弱，拱脚开挖受到的影响因素较多，由此加大了拱部整体下沉出现的几率，新黄土当中拱部整体下沉较为迅速，并且随着深度的降低控制难度加大，进而出现直通地表的塌方；其三，支护刚度受浅埋新黄土拱部整体迅速下沉的影响，大断面隧道需要确保刚度足够，进而对巩固整体下沉变形加以控制。为了有效解决以上问题需要增大开挖面稳定性，对巩固整体下沉加以控制，还需要提升支护结构的整体刚度。

（四）大断面黄土隧道台阶法技术参数

结合台阶法的关键技术提出了大断面黄土隧道预留核心土台阶法，其中核心土顶面净空高度为1.4-1.7m，长度和宽度为3-5m，中台阶不留核心土在台阶长度方面上台阶长度不超过3m，各台阶长度总和等于仰拱封闭距离。在支护参数方面锁脚锚管在新黄土中的长度不超过3m，在老黄土中的长度为2.5m，打入角度要大于45度。系统锚杆的巩固不设置锚杆，新黄土的边墙锚杆长度为4m，老黄土的边墙锚杆长度为3m。

三、延黄高速公路大断面黄土隧道施工方法总结

延黄高速公路全长151km，经过黄土地层的隧道16座，长度29.6km。结合其他隧道研究成果对台阶法施工参数进行分析：

结合含水量情况以及对黄土隧道洞室稳定性的影响，将黄土隧道施工方法根据含水量大小做如下分类：其一含水率低于17%采取台阶法施工；其二。土体含水率在17%-25%之间时采取台阶法施工，初期加强支护，增加锁脚、加大拱脚、并且设置了临时支护措施；其三，含水率在25%-28%时采取CRD工法，然后增大初期支护以及采用辅助支护方法控制沉降变形；其四，土体含水率大于28%需要采取全形断面或者上半断面帷幕注浆的方法，然后采取辅助支护措施，稳定掌子面，避免成沉降变形。

结束语：

综上所述，含水量的大小直接影响着大断面黄土隧道围岩稳定性，当含水量不超过25%都可以采取台阶法施工，由此保证黄土隧道施工安全性，如果对地表沉降要求较高需要采取CRD施工方法。利用台阶法施工过程中由于空间较大便于机械化作业，还能实现多作业面平行作业。

参考文献：

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