特殊地质地段之黄土隧道开挖施工技术

特殊地质地段之黄土隧道开挖施工技术

黄土的主要工程性质：1、黄土是第四纪干旱及半干旱气候条件下风积而成的一种特殊沉积物。颜色多呈淡黄、灰黄色或褐黄色。粉粒(0.075～0.005毫米)含量常超过一半以上，兰州及以北及陇西地区甚至达60～70％，且其中主要是0.05～0.01毫米的粗粉粒；砂粒(＞0.075毫米)含量较少，一般只有百分之几，且其中主要的是0.1～0.05毫米的粉砂；粘粒(＜0.005毫米)含量较小。2、黄土在天然含水量时，呈坚硬或硬塑状态，陇西及兰州高阶地地区黄土具有中等的强度和中等偏高的压缩性，遇水浸湿后，在自重作用下也会发生剧烈而大量的湿陷性变形土体强度也随之迅速降低；陇东地区黄土具有中等偏高的强度和中等偏低的压缩性。3、黄土形成年代愈久，湿陷性越小甚至不具湿陷性。反之，形成年代愈短，其特性相反。4、黄土的孔隙率、孔隙比愈大，土质越松散，湿陷性越强烈，反之，湿陷性越小。黄土的一般地质特征

1．黄土的基本色调为黄褐、浅黄、棕黄等颜色。2．组成物质以粉粒（0.05～0.005mm）为主，约占60%，粘土粒（＜0.005mm）含量次之，占20%左右，大于0.25mm的颗粒少见。3．结构疏松、无层理，具有肉眼可见的大孔隙、垂直节理发育。4．含易溶盐类，主要矿物组成有石英、长石、云母、碳酸盐类胶结物及粘土矿物。5．抗水性极差，易于崩解、潜蚀、冲刷。6．新黄土多具有湿陷性。黄土的地质特性：1、胀缩性黄土遇水体积膨胀，使其上面的路面隆起，干燥后体积收缩，并使其上面的路面下沉。如此反复路面形成裂缝及剥落，降低公路使用寿命。2、崩解性新黄土孔隙较大，岩性疏松，浸入水中后，吸水湿化，很快全部崩解；而老黄土孔隙较小，岩性紧密，则需经一段时间才崩解，红色黄土孔隙很小，岩性紧密，浸水后基本不崩解。3、多孔裂隙性黄土具有很高的空隙度。黄土中的空隙呈垂直或倾斜的管状，以垂直为主，上下贯通。4、强度衰减性黄土的强度随含水量的增大而减小。在天然含水率的情况处于较坚硬的状态，具有一定的强度。但浸湿后不易干燥，强度急剧下降，过湿则形成弹簧土。5、湿馅性黄土在外加荷载有土体自重的作用下，受水侵湿后，因土体结构破坏，而发生大量剧烈的附加下沉，即形成湿馅。6、渗水性因黄土具有胀缩性，多次反复形成裂缝，降水后，水从裂缝中下渗，渗入深度增加；又因黄土具有大孔隙垂直节理等特性，其垂直方向的渗透性较水平方向为大；但粘粒含量较多的黄土成为透水不良或不透水的土层。黄土是第四系堆积的陆相沉积物，是半干旱气候条件下形成的并有针状孔隙、垂直节理的特殊土。按形成时代和结合工程建设的特点，常将黄土分为老黄土和新黄土；非湿陷性黄土和湿陷性黄土等。黄土在一定压力作用下，受水浸湿后，土的结构受到破坏而发生显著下沉现象的，称其为湿陷性黄土。开始出现湿陷时的压力，称为湿陷起始压力，湿陷起始压力一般有随深度而渐增的趋势。黄土受水浸湿后在自重压力下发生湿陷的，称自重湿陷性黄土；在自重压力下浸湿不发生湿陷，但在附加压力下发生湿陷的，称非自重湿陷性黄土。含水量对黄土的力学性质有重要影响，进而影响隧道的稳定性。黄土含水量可以分为三个等级，针对不同黄土含水量采用不同的支护、加固措施。黄土隧道是指修建于黄土体内的隧道。相对于一般岩石而言，黄土强度低，遇水软化或湿陷，所以，黄土隧道施工中极易发生洞内坍塌和地表沉陷等问题。我国黄土地区区自西向东主主要分布在新新疆、青海、、甘肃，宁夏夏、陕西、山山西、河南、、河北、山东东、内蒙古、、辽宁，吉林林等地，总面面积达631000km2，占国土面积积的6.6%左右。湿陷性性黄土对工程程建设的影响响很大，主要要分布在黄土土层的表层，，以新黄土及及新近堆积的的黄土为主，，其厚度一般般在20m以内。由于黄土隧道道分布广，施施工难度大，，建成后出现现问题多，我我国从上世纪纪60年代起，铁路路系统和公路路系统先后进进行了数十项项专题研究，，并取得了富富有成效的科科研成果，为为我国成功建建设大量黄土土隧道奠定了了基础。黄土地貌黄土地貌一般般可分为“塬塬、梁、峁””三大类型以以及河谷阶地地、冲积和洪洪积平原等。。1．黄土塬：面面积较大的平平坦高地，有有陡峻边缘，，通常由黄土土所构成，在在黄土塬顶部部表层广泛分分布着黄土质质土。2．黄土梁：地地形呈长条状状的垄岗，两两旁夹以深谷谷，垄岗高度度大体保持一一致。也是由由黄土所构成成，但也有少少数上更新统统和全新统新新近堆积的黄黄土质土，如如陇中、陇东东、陕北、晋晋南、柴达木木盆地香日德德附近等地区区。3．黄土峁：指指个体独立或或连续的黄土土丘陵，由于于地形严重切切割，沟谷斜斜坡地带往往往分布着新近近堆积的湿陷陷性强的黄土土质土。4．河谷阶地：：包括现代河河流的河漫滩滩、超漫滩，，低级阶地、、高级阶地、、河谷范围内内的各种斜坡坡地带以及河河谷两侧的一一些沟谷等地地貌。5．冲积洪积平平原：分布着着全新统的黄黄土质土，一一般具有较弱弱的湿陷性，，当含粘土颗颗粒较多时，，湿陷性较小小或无湿陷性性，如陕西关关中、河南、、河北等黄土土冲积洪积平平原。黄土堆积时代代主要在第四四纪，包括老老黄土和新黄黄土。老黄土土是下更新统统的午城黄土土（Q1）和中更新统统的离石黄土土（Q2）的统称，其其大孔结构多多经压密，一一般没有湿陷陷性或仅在Q2黄土的上部有有轻微湿陷性性。覆盖在上述黄黄土上部硬阶阶地上的上更更新统马兰黄黄土（Q3）及全新统的的新近堆积黄黄土（Q4），称为新黄黄土，土质均均匀，较疏松松，大孔和虫虫孔发育，具具垂直节理，，有较严重的的湿陷性。黄土地层对隧隧道施工的影影响主要有：：（1）黄土节节理：在红棕棕色或深褐色色的古土壤黄黄土层，常具具有各方向的的构造节理，，有的原生节节理呈X型，，成对出现，，并有一定延延续性。在隧隧道开挖时，，土体容易顺顺着节理张松松或剪断。如如果这种地层层位于坑道顶顶部，则极易易产生“塌顶”。如果位于侧侧壁，则普遍遍出现侧壁掉掉土，若施工工时处理不当当，常会引起起较大的坍塌塌。（2）黄土冲冲沟地段：隧隧道在黄土冲冲沟或塬边地地段施工时，，当隧道在较较长的范围内内沿着冲沟或或塬边平行走走向，而覆盖盖较薄或偏压压很大的情况况下，容易发发生较大的坍坍塌或滑坡现现象。（3）黄土溶溶洞与陷穴：：黄土溶洞与与陷穴，是黄黄土地区经常常见到的不良良地质现象，，隧道若修建建在其上方，，则有基础下下沉的危害。。隧道若修建建在其下方，，常有发生冒冒顶的危险。。隧道若修建建在其邻侧，，则有可能承承受偏压。（4）水对黄黄土隧道施工工的影响；在在含有地下水水的黄土层中中修建隧道，，由于黄土在在干燥时很坚坚固，承压力力也较高，施施工可顺利进进行。当其受受水浸湿后，，呈不同程度度的湿陷性，，会突然发生生下沉现象，，使开挖后的的围岩迅速丧丧失自稳能力力，如果支护护措施满足不不了变化后的的情况，极容容易造成坍塌塌。黄土地层对隧隧道施工的原原则：短开挖；少扰动；强支护；实回填；严治水；勤测量。钢筋、模板、、砂、石、水水泥、外加剂剂、止水带、、减水剂、粉煤煤灰、锚杆黄土地层对隧隧道施工的原原则：黄土地层对隧隧道施工的施施工方法：（1）黄土隧隧道施工，应应做好黄土中中构造节理的的产状与分布布状况的调查查。对因构造造节理切割而而形成的不稳稳定部位，在在施工时加强强支护措施，，防止坍塌，，以策安全施施工。（2）施工中中应遵循“短开挖、少扰扰动、强支护护、实回填、、严治水、勤勤量测”的施工原则，，紧凑施工工工序，精心组组织施工。（3）开挖方方法宜采用短短台阶法或分分部开挖法（（留核心法）），初期支护护应紧跟开挖挖面施作。（4）黄土土围岩开挖挖后暴露时时间过长，，围岩周壁壁风化至内内部，围岩岩体松弛加加快，进而而发生坍方方。因此，，宜采用复复合式衬砌砌，开挖后后以喷射混混凝土、锚锚杆、钢筋筋网和钢支支撑作初期期支护，以以形成严密密的支护体体系。必要要时可采用用超前锚杆杆、管棚支支撑加固围围岩。在初初期支护基基本稳定后后，进行永永久支护衬衬砌。衬砌砌背后回填填要密实，，尤其是拱拱顶回填。。（5）做好好洞顶、洞洞门及洞口口的防排水水系统工程程，并妥善善处理好陷陷穴、裂缝缝，以免地地面积水浸浸蚀洞体周周围，造成成土体坍塌塌。在含有有地下水的的黄土层中中施工时，，洞内应施施作良好的的排水设施施。水量较较大时，应应采用井点点降水等法法将地下水水位降至隧隧道衬砌底底部以下，，以改善施施工条件加加快施工速速度。在干干燥无水的的黄土层中中施工，应应管理好施施工用水，，不使废水水漫流。黄土隧道施施工的注意意事项：（1）施工中如如发现工作作面有失稳稳现象，应应及时用喷喷射混凝土土封闭、加加设锚杆、、架立钢支支撑等加强强支护。试验表明，，在黄土隧隧道中喷射射混凝土和和砂浆锚杆杆作为施工工临时支护护效果良好好。（2）施工时特特别注意拱拱脚与墙脚脚处断面，，如超挖过过大，应用用浆砌片石石回填。如如发现该处处土体承载载力不够，，应立即采采取相应措措施进行加加固。（3）黄土隧道道施工，宜宜先作仰拱拱，如果不不能先作仰仰拱时，可可在开挖与与灌筑仰拱拱前，为防防止边墙向向内位移，，应加设横横撑。（4）施工中如如发现不安安全因素时时，应暂停停开挖，加加强临时支支护，以便便采取适应应性的工序序安排。施工案例：：郑西铁路路客运专线线秦东隧道道工程特征分分析（一）工程程特点1、技术标准高高、质量要要求严本客运专线线基础工程要要求满足350km/h设计时速目目标；采用无碴碴轨道系统统，工后沉降量量控制在15mm范围内；基础工程100年使用寿命命的要求；因而对隧隧道开挖、、支护、基基底处理、、二衬砌等等每一道工工序的施工工工艺质量量都提出了了很高的要要求。2、围岩自稳能能力差、开开挖断面大大、防排水水要求高本隧道为黄黄土隧道，，围岩自稳稳时间短，，特别是隧隧道进、出出口段均为为浅埋，加加之开挖断断面大，xx端洞口暗挖挖段为偏压压段，该段段施工不当当易坍塌；；同时黄土土受水的影影响较大。。3、隧道长度长长，各工序序相互干扰扰大，对管管理人员的的组织协调调能力要求求高本隧道全长长7684m，分进、出出口和三个个斜井共五五个工区八个个工作面组组织施工，，且斜井工工区内同时时向两端施施工，适应应本隧道开开挖的双侧侧壁导坑法法、CRD法和弧形导导坑法各工工序间相互互干扰大，，组织协调调要求高。。（二）工程程重点1、预防坍塌隧道进、出出口处埋深深浅，断面面大，围岩岩自稳性差差，开挖不不当容易引引起坍塌，，隧道进、、出口浅埋埋暗挖段的的安全施工工是本工程程的一个施施工重点。。2、远望沟沟心心地段施工工隧道轴线与与远望沟斜斜交在沟心心处浅埋（（隧道拱顶顶高出原始始地面0.6m），采用先先期施做护护拱、后期期暗洞穿过过的施工方方案。需要要在洞身施施工前处理理洞外部分分，处理效效果影响隧隧道洞身的的施工。1、总体施工工方案隧道施工遵遵循“管超前、非非爆破、短短开挖、少少扰动、严严治水、强强支护、早早封闭、勤勤量测、紧紧衬砌”的原则稳步步前进，正正洞、斜井井均采用无轨运输方方式组织施施工。正洞Ⅳ级围岩段采采用三台阶阶弧形导坑坑预留核心心土法开挖挖，Ⅴ级围岩段采采用CRD法、双侧壁壁法开挖，，采用型钢钢刚架、锚锚喷网联合合支护体系系。斜井Ⅳ级围岩段采采用正台阶阶法开挖，，Ⅴ级围岩段采采用正台阶阶预留核心心土法开挖挖，型钢、、锚喷网支支护。隧道进口、、出口及斜斜井工区施施工通风均均采用压入入式通风。隧道治水按按照“防、、排、截、、堵相结合合，因地制制宜，综合合治理”原原则施工。。仰拱超前前拱墙二衬衬混凝土超超前安排一一次整幅施施作。墙拱拱衬砌采用用液压模板板台车整体体灌注，混混凝土均采采用自动计计量，拌和和站集中强强制式拌和和，砼搅拌拌运输车运运送，泵送送入模工艺艺。秦东隧道关关键施工技技术双侧壁导坑坑法施工工艺框框图两侧上部开挖超前小导管或超前管棚两侧下部初支及中隔和横撑临时支护两侧下部开挖施作初支、仰拱、填充两侧上部初支及中隔和横撑临时支护底部开挖拆除中隔壁和横撑临时支护防排水及二次衬砌监控量测中部下台阶开挖、初支及临时支护中部上台阶开挖、初支及临时支护施工图片：：进口采用双双侧壁导坑坑法施工出口采用CRD法施工秦东隧道关关键施工技技术①勤量测：加强监控量测工作，对于于浅埋地段段并应将洞内量测和和洞外量测测结合起来来，及时进行行回归分析析，反馈量量测成果，，指导现场场施工。②短进尺：严格控制每每循环开挖挖长度，双侧壁导导坑和CRD控制在0.6m以内,弧形导坑台台阶法控制制在0.8m以内。③控沉降：加强初期期支护，严严格按设计计要求架设设型钢钢架架，增加锁锁脚锚杆，，保证系统统锚杆数量量和角度，，施工大拱拱脚。④治水害：黄土最大大的敌人是是水。施工工过程中严格控制施施工用水的管理，同同时对黄土中孔孔隙水的渗渗出应及时时引排，避避免浸泡软软化基底，，造成拱架架整体下沉沉。在拱脚、、墙脚位置置钢架背后后，紧贴岩岩面左右侧侧分别铺设设纵向排水水盲管，在在适当位置置设横向引引水管及时时引排隧道道渗水。⑤早成环：初期支护护应尽早封闭成成环。⑥快衬砌：仰仰拱距掌子子面的距离离严格控制制在20-30m以内，二次次衬砌距掌掌子面控制制在60～80m范围内。㈡斜井与正正洞交叉口口处施工方方法秦东隧道共共设置3座斜井，如如何由斜井井小断面进进入正洞大大断面施工工无设计方方案，是本本标段的一一个施工难难点。项目目部经过论论证比选提提出了中心爬坡导导坑施工方方案，并在项目目经理部内内征集合理理化建议进进一步完善善该施工方方案，后报报设计、监监理、咨询询、建设单单位审批后后在现场得得以实施，，取得了良良好的效果果。此方案首先先对斜井和和正洞交叉叉口进行加加固，并施施做门式钢钢架为正洞洞钢架安装装创造条件件，后通过过圆曲线中中心爬坡导导坑到达正正洞顶部，，再按照正正洞的设计计断面正向向进行隧道道开挖（10米）创造作作业空间，，接着反向向拆除爬坡坡导坑支护护并扩大成成隧道正式式断面完成成斜井向正正洞的过渡渡。此方案案的成功实实施，受到到了业主、、咨询、监监理、设计计单位的好好评，该方方案已纳入入设计院定定型设计图图，作业指指导书被业业主纳入由由xx公司编写的的“xx客运专线作作业指导书书”汇编，，在全线推推广。斜井向正洞洞过渡斜井口斜井与正洞交叉口口喷射混凝土土防排水施工工技术不合格检查净空及初期支护表面情况安装环、纵向透水盲管和盲沟模板台车就位割除外露超长的钢筋、锚杆，整平凹凸不平的表面以及渗漏水处理、原材料检验和试验合格铺设防水板隐蔽检查充气及隐蔽检查合格安装施工缝止水带隐蔽检查不合格中间交工隧道结构防防排水施工工工艺流程程图焊接止水带带焊接防水板板挂设防水板板高性能砼的的配合比及及其他主要要参数拱墙衬砌设设计为C35钢筋砼，配配合比为“水泥∶河砂砂∶碎石∶∶水∶减水水剂∶粉煤煤灰=1∶1.96∶3.21∶∶0.47∶0.016∶0.33”，设计坍落落度为200～230mm。水泥采用用秦岭P.O42.5，用量为330kg；砂采用华华阴中砂，，用量为648kg；碎石采用用xx蒿岔峪，规规格为5～31.5mm，用量1058kg；水为饮用用水，用量量为154kg；外掺料采采用山西黄黄腾产的高高效减水剂剂，用量为为5.28kg；Ⅰ级粉煤灰108.9kg。试验结果果7d强度为26.4Mpa，28d强度为40.0Mpa，56d强度为43.8Mpa。抗渗标号达达到P8。56d电通量达到到989库仑，满足足设计要求求衬砌内净空检查、外观检查中间交工砼配料、拌合、运输施工准备监控量测确定施工作二次衬砌断面检查安止水带、安装衬砌钢筋台车就位台车净空、衬砌厚度检查面板整修涂脱模剂台车加固输送管安装、挡头板安装砼浇注拆模、养护钢筋、砂、石、水泥、外加剂、止水带、配合比拱顶压浆二次衬砌混混凝土施工工工艺框图图二次衬砌模模板台车正正在组装调调试混凝土的搅搅拌二衬混凝土土采用二次次投料工艺艺进行拌制制，集中在在拌合站采采用强制式式搅拌机搅搅拌，搅拌拌次序为先先将砂、石石、水泥加加入搅拌机机拌和0.5～1.0min，再加水搅搅拌1.5～2.5min。外加剂最最后加入。。搅拌前外外加剂先用用拌和水进进行稀释均均匀，搅拌拌时间延长长至3min。砼搅拌不不仅仅使材材料均匀的的混合，还还起到一定定的塑化和和提高和易易性作用，，对防水砼砼的性能影影响较大，，砼搅拌达达到色泽一一致后方可可出料。混凝土的搅搅拌二衬混凝土土采用二次次投料工艺艺进行拌制制，集中在在拌合站采采用强制式式搅拌机搅搅拌，搅拌拌次序为先先将砂、石石、水泥加加入搅拌机机拌和0.5～1.0min，再加水搅搅拌1.5～2.5min。外加剂最最后加入。。搅拌前外外加剂先用用拌和水进进行稀释均均匀，搅拌拌时间延长长至3min。砼搅拌不不仅仅使材材料均匀的的混合，还还起到一定定的塑化和和提高和易易性作用，，对防水砼砼的性能影影响较大，，砼搅拌达达到色泽一一致后方可可出料。混凝土浇筑筑及振捣隧道二二衬混混凝土土施工工分上上下两两部分分进行行，上上下分分界以以两侧侧墙角角处，，设计计轨面面标高高下93cm为准。。仰拱拱及铺铺底砼砼采用用栈桥桥配合合仰拱拱模板板整体体浇筑筑，其其混凝凝土均均在洞洞口拌拌合站站拌和和，砼砼罐车车运到到现场场，混混凝土土输送送泵泵泵送入入模，，插入入式振振捣器器捣固固。浇浇筑混混凝土土从仰仰拱中中心向向两侧侧对称称进行行。砼砼的振振捣采采用插插入式式捣固固棒配配合附附着式式振捣捣器进进行。。插入入式捣捣固棒棒振捣捣时，，按“快插慢慢拔”操作。。砼分分层灌灌注时时，其其层厚厚不超超过振振动棒棒长的的1.25倍，并并插入入下层层不小小于5cm，振捣捣时间间为10～30s。捣固固棒要要等距距离的的插入入，均均匀的的捣实实全部部砼，，插入入点间间距小小于振振捣半半径的的1倍。前前后两两次捣捣固棒棒的作作用范范围相相互重重叠，，避免免漏捣捣和过过捣。。振捣捣时严严禁触触及钢钢筋和和模板板。接触网网预埋埋槽道道的施施工方方法1、槽道道模型型：右图中中：A代表I型钉，，B代表T型螺栓栓。上图中中：A代表I型钉，，B代表T型螺栓栓。2、在台车车模板板上开开安装装孔，，单根根槽道道固定定点为为两处处（槽槽道两两端部部各一一处）），开开孔方方式如如右图图。秦东隧隧道渗渗水地地段控控制沉沉降施施工技技术秦东隧隧道1#、2#斜井按按照既既定方方案进进入正正洞后后，按按三台台阶弧弧形导导坑预预留核核心土土法进进行施施工，，土质质为粉粉质黏黏土，，含水水量16%～24%之间。。在初初期支支护2～3天后，，表面面出现现渗水水，拱拱脚有有渗流流水现现象。。由于于渗水水影响响，拱拱脚土土体软软化，，致使使拱顶顶下沉沉较大大，拱拱顶沉沉降最最大值值已经经达到到32.3cm。鉴于于此情情况，，现场场对1#斜井xx端进行行了扇扇形支支撑，，并采采用增增设锁锁脚锚锚管、、增加加圆木木、方方木的的横撑撑和立立柱加加固，，加固固后变变形得得到了了控制制。在施工工过程程中我我们采采取了了以下下措施施控制制围岩岩收敛敛变形形，并并收到到了良良好的的效果果。①将两两段N2钢架接接头处处两侧侧大拱拱脚由