黄土大断面隧道非爆开挖成型控制

1、黄土大断面隧道非爆开挖成型控制银百高速（G69）甜永段TY11合同段项目经理部2020年5月勇于跨越 追求卓越 至精至诚 更优更新摘要黄土分布地域广阔，主要分部于山西、陕西、以及甘肃、青海、宁夏、河南等地，黄土高原在中国北方地区与西北地区的交界处，它东起太行山，西至乌鞘岭，南连秦岭，北抵长城。随着我国经济建设的飞速发展和西部大开发战略的实施 ，黄土隧道设计与施工难度渐趋复杂。黄土隧道有其自身的特点，本身具有一定的结构特性，大孔隙，垂直节理发育，在特定施工环境下遇水产生湿陷变形、塑变，失水后其力学性质显著改变等特点，这些特点对黄土地区隧道工程设计、施工影响很大。隧道在施工阶段，围岩由开挖前的天然

2、应力平衡状态，转变为向洞室松胀位移产生围岩变形。在开挖施工作业中表现为黄土结构迅速破坏，开挖施工作业、变形、塌方、超欠挖控制较为困难，不可预测的因素较多，目前我们针对不同地段的黄土隧道，对施工过程中存在的一些问题认识不完全。本文通过对甜永高速11标西塬隧道施工过程中出现的一些问题，进行了分析与总结，重点介绍了短三台阶在黄土隧道施工中的成功应用，分析论述了黄土隧道开挖成型支护过程中面临的一些难题及采取的应对措施，如隧道开挖过程中局部垮塌掉块、变形大、超欠挖失衡等。银百高速（G69）甜永段TY11合同段项目经理部勇于跨越 追求卓越 至精至诚 更优更新勇于跨越 追求卓越 至精至诚 更优更新银百高速（

3、G69）甜永段TY11合同段项目经理部目录一一、项目概况二、黄土大断面隧道开挖成型控制难点三、具体措施四、取得成效五、存在的问题及建议目录CONTENTS银百高速（G69）甜永段TY11合同段项目经理部勇于跨越 追求卓越 至精至诚 更优更新一、项目概况西塬隧道位于甘肃省庆城县，隧道设计为100km/h高速公路双线隧道，左线长1216m，右线长1248m。全隧道设置紧急停车带2处，车行横洞1处，人行横洞2处。隧道建筑限界宽度11m，限界高度5m，汽车荷载等级为公路级。隧道左右线均为单向2车道。隧址区为黄土残梁沟壑区，穿越黄土梁，黄土梁顶上部多覆盖松散新黄土，疏松多孔，垂直节理发育，下伏为较致密老

4、黄土夹古土壤层。隧道支护采用复合式衬砌结构，初期支护采用喷射混凝土+钢筋网+型钢支撑的综合防护系统，二次衬砌采用整体模筑混凝土结构。银百高速（G69）甜永段TY11合同段项目经理部地质情况地层岩性不良地质水文地质条件地形地貌隧址区地层由第四系全新统崩坡积（Q4dl+c）黄土状土，上更新统风积新黄土（Q3eol）、残积古土壤（Q3el）；中更新统风积老黄土（Q2eol）、残积古土壤（Q2el）。隧址区地下水主要为松散岩类孔隙潜水。水位高程位于洞室附近，洞开挖过程中有线状流水现象。勇于跨越 追求卓越 至精至诚 更优更新项目区内为黄土残梁沟壑区，穿越黄土梁，进出口端斜坡均较陡，约20-65，黄土冲沟

5、发育，溯源侵蚀严重，地形凌乱，滑坡、崩塌发育。隧道洞室最大埋深186. 77m。隧址区 K174+430K174+610 段发育崩坡积体 B3。宽100米，长约50米，厚1-5米K174+430K174+690 左侧发育崩坡积体 B4。宽约220米，长约 700米，厚 1-8米银百高速（G69）甜永段TY11合同段项目经理部勇于跨越 追求卓越 至精至诚 更优更新银百高速（G69）甜永段TY11合同段项目经理部黄土大断面隧道开挖成型控制难点二开挖成型效果差2易塌方31易变形难点勇于跨越 追求卓越 至精至诚 更优更新银百高速（G69）甜永段TY11合同段项目经理部2.1 控制难点4、工机具配置影响

6、因素3、台阶长度勇于跨越 追求卓越 至精至诚 更优更新2.2 黄土大断面隧道开挖成型控制影响因素1、含水率2、循环进尺（循环时间）银百高速（G69）甜永段TY11合同段项目经理部28.429.42617.918.517含水率（%）勇于跨越 追求卓越 至精至诚 更优更新（1） 含水率对开挖的影响含水率是影响黄土土质发生结构塑变的重要因素，不同程度的含水率，给隧道开挖成型造成不同程度的超挖、垮塌。西塬隧道正洞土质含水率最大值29.4%，最小值15.4%，正常在18%左右。西塬隧道左线不同里程段含水率变化35302520151050里程银百高速（G69）甜永段TY11合同段项目经理部工况一15202

7、0工况二2010050工况三233501201520232010020501200含水率范围（%）开挖掉块长度（cm)开挖掉块深度(cm)50100150勇于跨越 追求卓越 至精至诚 更优更新含水率在15%-19%，稳定性较好，约9小时后，中局部出现少许掉块；含水率在19%-23%，土体稳定性较差。7小时后，开始掉块，频率较高；含水率超过23%，土质稳定性差，易扰动，4小时后开始大面积塌方的现象，长2.5-3.5m，深度40-120cm左右，造成超挖严重。不同含水率条件下开挖掉块长度、掉块深度随含水率变化情况400350350300250200含水率范围（%） 开挖掉块长度（cm) 开挖掉块深

8、度(cm)银百高速（G69）甜永段TY11合同段项目经理部（2）开挖循环进尺对隧道开挖控制的影响1.开挖进尺控制在5075cm,平均线性超挖610cm;2.开挖进尺控制在150cm,平均线性超挖12cm;3.开挖进尺控制在225cm,平均线性超挖25cm。勇于跨越 追求卓越 至精至诚 更优更新银百高速（G69）甜永段TY11合同段项目经理部工况一850工况二1275工况三19150工况四25225812192550751502250平均线性超挖（cm）开挖进尺(cm)50100200150250平均线性超挖随开挖进尺变化情况平均线性超挖（cm）开挖进尺(cm)勇于跨越 追求卓越 至精至诚 更优

9、更新（3）开挖台阶长度对隧道开挖的影响台阶过长直接影响土体裸露时间，机械手在喷砼过程中，需要先后移动12次，下台阶喷砼完成后，需要修坡道，机械手方可喷射上台阶，喷砼过程不连续，堵管概率高，喷砼时间长约160200分钟，过程垮塌严重。银百高速（G69）甜永段TY11合同段项目经理部20010工况一200102258工况二225824512工况三24512300250200150100500挖机型号（SANY）开挖循环时间（h）挖机型号（SANY）开挖循环时间（h）勇于跨越 追求卓越 至精至诚 更优更新（4）工机具配置对开挖控制的影响1.围岩较好，采用200型挖机，局部地方开挖困难，增加开挖时间。

10、采用245型挖机，开挖斗容量过大，扰动大、局部地方挖不到位，大超大欠严重，循环时间长；采用225型挖机，可满足施工需求，循环时间有保障，但超欠挖控制不理想。银百高速（G69）甜永段TY11合同段项目经理部勇于跨越 追求卓越 至精至诚 更优更新银百高速（G69）甜永段TY11合同段项目经理部具体措施三95%6.制定考核办法1.含水率极限值指导开挖隧道施工中坚持“短进尺、少扰动、早封闭、勤量测”的原则。开挖过程中根据掌子面围岩变化情况，动态调整施工工艺，及时监控量测并反馈结果，为隧道开挖过程中支护参数的动态调整、浇筑二次衬砌的时机提供依据。勇于跨越 追求卓越 至精至诚 更优更新银百高速（G69）甜

11、永段TY11合同段项目经理部2.台阶长 3.工法选度优化 择、优化4.测量放 5.机械线控制开挖 配套选用3.1 含水率极限值指导开挖根据水文地质条件，分里程、段面、部位测定含水率，根据含水率和围岩情况调整开挖进尺及台阶长度。1.含水率15%19%，开挖进尺控制在100120cm；2.含水率19%23%，开挖进尺控制在5075cm;3.含水率大于23%，开挖控制在50cm,人工整修为主，减少机械设备对土体的扰动。勇于跨越 追求卓越 至精至诚 更优更新银百高速（G69）甜永段TY11合同段项目经理部勇于跨越 追求卓越 至精至诚 更优更新3.2 台阶长度优化减少土体裸露时间，根据机械手悬臂半径，调

12、整台阶长度，减少机械手工程位置的调整，缩短了喷砼时间和过程堵管概率。银百高速（G69）甜永段TY11合同段项目经理部3.3 工法选择、优化在所有影响因素确定和可控的条件下，对施工工艺和方法进行优化。综合考虑围岩条件、施工控制（技术和管理）、施工效率、施工成本和工程进度，提出并应用拱墙、仰拱初期支护一次封闭成环的施工工艺，及时闭合仰拱，尽快形成初支整体结构，快速改善初支受力条件，降低施工风险，减小初支沉降、收敛变形。勇于跨越 追求卓越 至精至诚 更优更新银百高速（G69）甜永段TY11合同段项目经理部3.3 工法选择、优化勇于跨越 追求卓越 至精至诚 更优更新根据水文地质情况和围岩条件，浅埋段正

13、洞洞身采用CD法，确保断面和初支稳定；深埋段正洞洞身采用短三台阶仰拱初支一次封闭成型工法，快速形成初支整体结构，尽快改善初支受力条件，施工效率高。银百高速（G69）甜永段TY11合同段项目经理部3.4 测量放线控制开挖开挖立拱前，测量组严格控制开挖尺寸，保证测量的准确性、精度性和可靠性，立拱前多点测量，准确放样，立拱完成，对拱脚、拱腰、拱顶等进行多点复测，控制超欠挖，严禁欠挖，避免超挖。在本循环立拱前复核上循环的超欠情况，进而控制本循环的立拱放线。勇于跨越 追求卓越 至精至诚 更优更新银百高速（G69）甜永段TY11合同段项目经理部备注每循环进尺2榀拱架与上中台阶钢架安装平行作业序号123工序

14、名称开挖上中台阶开挖下台阶出渣所需时间（min台阶及仰拱钢架安装喷砼合计55120515与中台阶钢架安装平行作业单循环用时8小时35分钟勇于跨越 追求卓越 至精至诚 更优更新3.5 机械配套选用选用225挖机；50装载机、KC30机械手、8台出渣车、24米自行式仰拱栈桥，现场实现开挖、出渣平行作业，人工修整开挖轮廓，缩短循环时间，提高开挖成型、进度等，平均线性超挖控制在8.6cm，开挖循环时间缩小至8h。银百高速（G69）甜永段TY11合同段项目经理部勇于跨越 追求卓越 至精至诚 更优更新3.6 制定考核办法根据现场施工实际情况，结合项目实际，组织技术、生产管理人员，

15、制定西塬隧道开挖超欠挖控制管理考核办法，确定开挖施工技术方案，对技术人员和施工人员进行定期技术培训，对作业队伍实行月度、季度和年度考核。银百高速（G69）甜永段TY11合同段项目经理部勇于跨越 追求卓越 至精至诚 更优更新银百高速（G69）甜永段TY11合同段项目经理部取得成效四1、开挖效率工法的选定、工艺的优化、人员和机械的合理调配达到充分利用，实现开挖月进度110m的突破。2、经济效益超欠挖控制在8.6cm以内，初支沉降、收敛变形累计控制在6cm以内，减少因超挖过大引起混凝土的大量超耗；从而避免因欠挖引起脱空、空洞等隐患造成二次成本。3、社会效益工法工艺的调整优化，人力机械的配套选用，使施

16、工过程有序可控，超欠挖得到有效控制，施工质量和安全得到保证，受到业主表扬，并多次组织相邻标段进行观摩学习，彰显了隧道局专业水平。勇于跨越 追求卓越 至精至诚 更优更新银百高速（G69）甜永段TY11合同段项目经理部勇于跨越 追求卓越 至精至诚 更优更新4.1 初支沉降、收敛控制成效隧道开挖仰拱一次性封闭成环，减小了初支沉降及收敛变形，累计沉降控制了在60mm以内，从而减少了混凝土用量，降低项目成本投入。Va围岩设计预留变形量为25cm，施工过程预留变形量调整为1015cm。银百高速（G69）甜永段TY11合同段项目经理部里程长度（m) 施工工法部位平均线性超挖(cm)备注K174+639.33

17、-K175+215.0K175+215.0-K175+265.00K175+265.00-K175+726.7581.2750461.7短三台阶预留核心土CD法短三台阶预留核心土暗洞段紧急救援站暗洞段上台阶中台阶左中台阶右下台阶先行导洞上台阶后行导洞上台阶先行导洞下台阶后行导洞下台阶上台阶中台阶左中台阶右下台阶8.47.35.67.09.59.08.48.110.49.68.67.4勇于跨越 追求卓越 至精至诚 更优更新4.2 平均线性超欠挖控制成效西塬隧道开挖成型控制基本达到预期目标，全隧平均线性超挖8.6cm。银百高速（G69）甜永段TY11合同段项目经理部勇于跨越 追求卓越 至精至诚 更优更新银百高速（G69