大跨度黄土公路隧道采用偏心CD环形开挖施工

大跨度黄土公路隧道采用

偏心CD环形开挖施工工法杜松中铁十一局集团第五工程有限公司五一路项目部二〇一三年四月一、工法背景

平阳高速公路阳曲1号隧道为一座上、下行分离双向六车道高速公路特长隧道，隧道左线长4685米，右线长4711米；其中隧道进口湿陷性黄土段左、右线长约2000余米，黄土段埋深在2.0m～34.0m，开挖跨度为17.23m～19.87m。该隧道为山西省首例大跨度、超浅埋湿陷性黄土特长公路隧道。隧址土体主要以上覆马兰组黄土、下覆离石组黄土为主。马兰组黄土土体疏松，质纯，大孔隙，垂直节理发育。乏水状态下马兰组黄土冻融状态下马兰组黄土

离石组黄土以棕黄色亚粘土为主，中间夹钙质结核层，与马兰组黄土相比，土体密实，稳定性好。富含钙质结核层离石组黄土

由于业主工期要求，阳曲1号隧道进口黄土段进洞施工未避开湿陷性黄土春融期，于2010年初率先进洞施工。但在随后的两个月时间里，采用传统的双侧壁导坑法掘进施工，左、右线单洞掘进平均仅15m/月；由于春融影响，隧道拱顶沉降和周边收敛较大，局部地段侵入二衬净空，无法满足设计和工期要求。双侧壁导坑法施工，拱部马兰组黄土经常失稳溜塌

鉴于此，项目部依托公司技术力量和社会资源，邀请铁道部第三勘察设计院、同济大学、重庆大学、西安科技大学、石家庄铁道大学、解放军后勤工程学院、重庆交通大学等单位的业界专家、学者共同对黄土隧道施工工艺进行改良。

首先，采用“三台阶法”，施工过程中，由于三车道黄土隧道呈扁平椭圆形，开挖跨度较大，达17.23m；分台阶开挖，不利于初期支护及时封闭成环，且结构矢跨比较小，结构受力较薄弱，最后该工艺以掌子面冒顶宣告失败。三台阶施工隧道冒顶

其次，采用“CD法”，采用CD法施工，先小导坑掘进，释放黄土应力，采用侧壁临时支护和临时仰拱及时封闭成环，初期支护受力体系较好，但该工艺施工步序繁琐，洞内施工组织复杂，月进尺仍不能满足工期要求，该工艺被迫“流产”。

最后，采用我今天所讲的施工工艺（即：浅埋大跨度黄土隧道采用偏心CD环形开挖施工工法）施工，该工法类似CD法，但我们从中省略了临时仰拱工序，简化施工步序，化繁为简，为洞内施工组织提供便利，提高机械利用率。同时采用小导坑掘进释放土体应力，环形导坑紧跟施工，利于初期支护及时闭合成环，初期支护结构受力体系完整。采用该工艺施工平均月进尺50m/月左右，最高纪录为单洞掘进93m/月；且安全、质量、进度平稳可控，满足各方要求。偏心CD环形开挖施工，小导坑先行，环形导坑紧跟。二、偏心CD环形导坑开挖工法特点2.1与普通土质隧道开挖相比，阳曲1号隧道由于受隧址埋深，结构物跨度，以及大断面的限制，本工法采用分部开挖可以划分围岩断面，促使围岩应力从新分布，先掘进小导坑可以提前释放围岩应力，预知前方掌子面土体情况，降低围岩冒顶、塌方的发生概率；其次环形导坑紧跟，初期支护及时封闭成环，利于支护体系整体受力。2.2超浅埋大跨度黄土隧道采用偏心CD环形开挖施工，较设计双侧壁导坑施工，工序简洁，便于施工组织管理，可加快施工进度，缩短工期；提高机械利用率，节约人工和材料。三、工法原理

浅埋地层大跨度黄土隧道采用偏心CD环形开挖法施工是根据“预加固、短进尺、强支护、早封闭、勤测量”的原理，通过监测隧道拱顶沉降及周边收敛等数值，不断优化开挖方案，采用分部开挖形式、合理选择开挖进尺、缩短各工序衔接时间、严格控制衬砌安全距离等方法，避免因开挖方法不当和仰拱、二次衬砌滞后导致隧道拱顶下沉、掌子面崩塌等病害的发生，以保证黄土隧道在浅埋地段的施工安全。

根据隧道拱顶沉降监测和周边收敛数据，确定合理的分部开挖形式和衬砌安全距离，偏心CD环形开挖施工采用偏心导坑+环形开挖法分部前后错开开挖，开挖过程中,左侧小导坑超前开挖支护，降低隧道相对围岩级别，提前释放围岩应力，右导坑结合拱部环形同步跟进施工，快速闭合支护结构，减少对围岩的扰动，分部支护，形成支护整体；缩短作业循环时间，逐步向纵深推进，形成开挖及施作初期支护，混凝土仰拱紧跟掌子面及时施作构成稳固的支护体系。四、工法适用范围

本工法适用于大跨度超浅埋自稳性较好黄土隧道施工。若隧道全部以马兰组黄土为主，则不适宜采用该工法施工。五、工法施工工艺

5.1工艺施工流程

5.三2施工三工艺三流程5.三3施工三重点三及注三意事三项5.三3.三1施工三准备做好三场地三的“三三通三一平三”工三作，三隧道三洞门三因处三于退三耕还三林区三，植三被及三杂草三相对三较茂三密，三本着三“早三进晚三出”三的原三则，三尽量三少破三坏植三被，三减少三洞口三刷方三工程三和护三坡工三程量三。边三仰坡三开挖三后，三及时三进行三“喷三、锚三、网三、喷三”支三护，三及时三封闭三土体三，并三做好三边坡三防排三水施三工。三同时三，湿三陷性三黄土三隧道三进洞三施工三时宜三避开三春融三和雨三季。5.三3.三2超前三支护开挖三前，三对土三体拱三部和三临时三支护三外侧三拱腰三以上三部位三采用Φ4三2注浆三导管三施工三，注三浆导三管参三数根三据实三际情三况动三态控三制，三确保三开挖三时洞三顶和三侧墙三土体三稳定三。（三阳曲1号隧三道施三工时三采用三每环三长2.三5m，环三向40三cm间距三施工三）5.三3.三3洞身三开挖三及初三支由于三隧道三开挖三跨度三大，三为确三保施三工安三全，三开挖三进尺三每循三环控三制进三尺为50三cm（单三榀工三字钢三进尺三），三采用三左小三导坑三先行三、预三留核三心土三环形三导坑三紧随三两个三工作三面施三工，三洞身三开挖三采用三人工三风镐三修边三配合三挖掘三机掘三进，三利于三控制三隧道三超欠三挖。（1）人三工风三镐配三合挖三掘机三沿开三挖轮三廓线三自上三而下三开挖三左小三导坑三，开三挖后三及时三喷射三混凝三土（三喷射三混凝三土厚三度和三支护三强度三根据三掌子三面情三况可三动态三调整三），三封闭三作业三面，三边墙三初支三和临三时初三支作三业及三时跟三上，三避免三侧墙三向导三坑内三崩塌三。（2）左三小导三坑超三前施三工后3m～5m后，三同时三开挖三环形三导坑三，预三留核三心土三，进三行环三形导三坑支三护，三使初三期支三护及三时与三左小三导坑三支护三体系三闭合三。隧三址土三体较三稳定三情况三下，三可以三两个三作业三面平三行推三进施三工，三遇不三良地三质段三应避三免左三、右三侧两三个工三作面三同时三施工三。（3）工三艺控三制点三：预三留核三心土三处理三。阳三曲1号隧三道预三留核三心土三呈梯三形状三，断三面尺三寸约4m（高三）×4三m（底三宽）三；环三形导三坑开三挖结三束后三，应三及时三对核三心土三进行三封闭三处理三，防三止核三心土三裸露三时间三较长三失稳三、崩三塌；三核心三土封三闭参三数可三根据三土质三情况三选择三素喷三或锚三喷防三护。5.三3.三4仰拱三施工黄土三隧道三在开三挖后三受各三种地三质和三施工三因素三的影三响，三在施三工前三期围三岩变三化较三大，三支护三体系三应快三速封三闭成三环；三根据三掌子三面的三空间三效应三，掌三子面三距仰三拱最三大距三离以三不超三过25米为三宜，三仰拱三建议三采用三半幅三施工三，开三挖长三度以3～4米最三为安三全，三防止三开挖三步距三过大三，边三墙拱三脚处三收敛三加剧三，造三成喷三射混三凝土三开裂三和拱三架下三沉。三仰拱三开挖三后，三应及三时施三作仰三拱钢三架及三衬砌三混凝三土支三护。5.三3.三5防排三水施三工（1）施三工防三排水黄土三遇水三软化三，施三工中三选用三煤电三钻和三矿用三电动三岩石三钻机三施作三锚杆三和小三导管三，尽三量减三少开三挖面三的施三工用三水量三，加三快对三开挖三掌子三面的三封闭三处理三，缩三短土三体裸三露时三间。三另外三，对三于开三挖后三出现三的渗三漏水三，宜三引不三宜堵三，采三用集三水坑三形式三集中三处理三，对三于土三体含三水量三超过20三%的地三段，三仰拱三开挖三后，三及时三初喷三混凝三土予三以封三闭处三理。（2）结三构防三排水防排三水的三施工三原则三是以三排水三为主三，防三排结三合，三综合三治理三，形三成完三整的三防排三水体三系，三使隧三道防三水可三靠，三排水三畅通三。复三合式三衬砌三采用Φ5三0双壁三打孔三波纹三管、三防水三板和三土工三布进三行环三向防三水；三采用Φ1三16双壁三打孔三波纹三管、三中心三排水三沟及三排水三边沟三进行三横向三、纵三向排三水。5.三3.三6衬砌阳曲1号隧三道黄三土段三边墙三、拱三部采三用9m可调三式全三自动三液压三台车三，混三凝土三采用三洞外三自动三计量三拌合三站拌三制，三混凝三土罐三车运三输至三洞内三，经三输送三泵泵三送入三模。三（可三调式三全自三动液三压台三车的三模度三系数三可根三据实三际情三况作三调整三）5.三3.三7监控三量测三技术监控三量测三是地三下工三程尤三其是三软弱三段围三岩施三工中三的重三要内三容，三是监三视围三岩和三支护三稳定三性的三重要三手段三，它三能指三导施三工、三预报三险情三、确三保安三全。三根据三测量三结果三，绘三制位三移-时间三曲线三，进三行回三归分三析，三判断三围岩三及支三护稳三定情三况，三及时三反馈三，以三指导三施工三。监控三量测三项目三一览三表监测项目方法及仪器设备监测布设原则监测频率备注地质及支护状况观察岩性、结构面产状及支护裂缝观察和描述、地质罗盘仪等。掌子面及初期支护后的地段进行观察每次开挖及初期支护后周边位移收敛仪每10m～50m一个断面，每个断面2～3对测点1d～15d，1～2次/d；16d～30d，1次/2d；1～3月，1～2次/周；3月以上，2次/月开挖后及时埋设测点拱顶下沉水平仪、水准尺或测杆每10m～50m一个断面，每个断面2～3对测点1d～15d，1～2次/d；16d～30d，1次/2d；1～3月，1～2次/周；3月以上，2次/月开挖后及时埋设测点超前地质预报TSP202间隔50m～100m一个断面地表沉降精密水准仪、钢尺浅埋段沿隧道中线，每隔5m～10m布设一组测点开挖初期1～2次/d；开挖后期1次/2～3d开挖前提前埋设测点5.三3.三8注意三事项（1）大三跨度三黄土三隧道三施工三应严三格遵三循“三管超三前、三短开三挖、三勤测三量、三强支三护、三快封三闭、三早成三环、三稳中三求快三”的三原则三。（2）黄三土遇三水，三力学三效应三发生三显著三变化三，施三工中三应加三强对三水的三管理三，可三采取三集中三排水三的办三法。（3）仰三拱应三及时三紧跟三导坑三开挖三，即三可以三保护三地基三，防三止翻三浆冒三泥，三也有三利于三车辆三行驶三及文三明施三工的三加强三。（4）左三右侧三两个三工作三面前三后距三离不三宜过三大，三开挖三过程三中应三注意三将核三心土三保留三完好三，导三坑开三挖后三根据三围岩三情况三喷射三混凝三土封三闭开三挖面三和侧三壁墙三。（5）超三前小三导管三支护三较一三般设三计应三加密三，可三每循三环施三作超三前管三棚支三护，三消除三掉块三及小三型冒三顶等三拱顶三脱空三病害三。（6）初三支钢三架拱三脚处三加垫三混凝三土预三制块三或钢三板，三拱架三背后三喷填三密实三，锁三脚钢三管及三边墙三锚杆三视围三岩情三况适三当加三密布三设，三拱部三锚杆三可适三当减三少。（7）通三过监三控量三测及三时取三得实三测数三据分三析反三馈用三以修三正设三计参三数和三调整三施工三作业三方法三。（8）及三时闭三合初三支结三构并三施作三仰拱三衬砌三，严三格控三制二三衬与三掌子三面距三离。六、三资源三配置主要三施工三机械三配置三表序号机械名称规格型号单位双侧壁导坑法偏心CD法序号机械名称规格型号单位双侧壁导坑法偏心CD法1挖掘机PC200-6台329装载机ZLC50C台212风镐G10把201010装载机ZLC50D台213湿喷机PZ-5-1台6411空压机L-22/7台444煤电钻K3Y-2.5-380台281412碴车15m³辆865钻机KHYD75A台8413通风机SDFN10台226拌和机JS750台2214输送泵HBT60台227注浆机KBY-50/70台2215罐车HJT-3A辆338装载机ZL40B台1116台车9米台22双侧三壁导三坑与三偏心CD环形三导坑三工艺三施工主要三机具三对比三表主要三作业三工序三劳动三力配三备表工序工作内容双侧壁导坑偏心CD备注人数×班次人数×班次开挖开挖、出碴18×2=3613×2=26开挖班初期支护初喷、挂网、立钢支撑、锚杆、复喷25×2=5016×2=32初支班二次衬砌仰拱开挖、立模、浇筑混凝土6×2=126×2=12二衬班铺设防水板、防水管道安设4×2=84×2=8台车定位、预埋件安设、浇筑混凝土、脱模、养生9×2=189×2=18双侧三壁导三坑与三偏心CD环形三导坑三工艺三施工主要三人员三配置三对比三表七、三质量三控制7.三1质量三标准本工三法执三行施三工设三计图三纸、《公路三隧道三施工三技术三规范》（JT三G三F6三0-三20三09）、《公路三工程三质量三检验三评定三标准》（JT三G三F8三0/三1-三20三04）。7.三2质量三措施洞身三开挖三过程三中，三应预三留10三cm～20三cm采用三人三工手三持风三镐进三行修三整，三避免三超欠三挖。钢支三撑的三锁脚三锚杆三应向三下以40三°～45三°角度三斜三插，三以起三到承三载拱三扩大三拱脚三的作三用。钢架三安设三精度三应从三间距三、垂三直度三等方三面严三格控三制，三避免三侵入三二衬三，喷三射混三凝土三时应三先喷三钢拱三架两三侧，三包裹三钢拱三架，三喷射三时应三注意三