大断面湿陷性黄土隧道开挖施工技术总结

郑西铁路客运专线

大断面湿陷性黄土隧道开挖施工技术

编制：苏杰

审核：李东红

中铁二十三局集团第四工程有限公司

郑西线四项目部

2007-7-30

目录

1引言 (3)

2隧道区工程地质特征 (3)

3施工方法的选择 (4)

4弧形导坑法开挖 (5)

4.1工法简介 (5)

4.2实例分析 (5)

4.3施工机具及劳力组织 (7)

4.4施工要点 (8)

5CRD法 (9)

5.1工法简介 (9)

5.2实例分析 (10)

6监控量测 (13)

6.1量测的项目及主要方法 (14)

6.2量测的施做要点 (14)

6.3实际量测结论 (15)

7隧道地基湿陷性的处理 (18)

7.1地质情况 (18)

7.2施工参数 (18)

7.3施工方法及结论 (18)

8主要结论 (18)

大断面湿陷性黄土隧道开挖施工技术

摘要：本文是在结合郑西客运专线凤凰岭隧道进口和高桥隧道出口1120m的施工基础上，对大断面湿陷性黄土隧道施工开挖技术进行总结。重点阐述了弧形导坑法和CRD法的适用条件、施工工艺及具体施工要点，同时通过监控量测分析了黄土隧道的部分变形规律，指出该法较好地解决了黄土隧道施工中的诸多技术难题，是目前大断面黄土隧道施工中行之有效的施工方法，值得推广。

1引言

郑西铁路客运专线隧道工程有两个显著的特点：（1）是我国第一条穿越黄土地区的高速铁路隧道，（2）按照设计时速350km的要求隧道轨面以上有效内净空面积100m2，开挖面积高达164m2。

黄土是我国北方地区常见的一种特殊土，是第四纪干旱、半干旱气候条件下形成的，其基本色调是黄色。颗粒成分以粉粒为主，一般无明显层理。具柱状节理，垂直节理发育，直立性强，新黄土多具湿陷性。由于受对黄土认识的局限及缺少大断面隧道施工的经验，研究大断面黄土隧道的施工方法，控制围岩变形是有其现实意义的。

2隧道区工程地质特征

凤凰岭隧道进口段和高桥隧道出口段通过区范围地层岩性简单，为I级黄土台塬区，洞口及表层为第四系上更新统风积砂质黄土

（Q3eol3），下伏第四系中更新统风积砂质黄土（Q2eol3），中间夹有数层古土壤层。具体描述如下：

（1）砂质黄土（Q3eol3）属新黄土，:淡黄色，厚度30～40m，土质均一，粉土质，下部含有少量白色钙丝及蜗牛壳，其中0～3m 结构疏松，具孔隙，垂直节理发育，坚硬，○Ⅱ级普通土，为松软土，σ。=120kPa；3m以下，结构较紧密，局部含有少量针状孔隙，坚硬，○Ⅱ级普通土，σ。=150kPa。具湿陷性，湿陷土层厚30m。土体总体上属中压缩性土，局部（地表以下至5米范围内）属高压缩性土。

（2）砂质黄土（Q2eol3）：浅棕黄-浅黄色，厚度大于25 m，中间夹有1～2层1.0～2.0m厚的棕红色古土壤层，该层厚薄不一，呈层状分布于砂质黄土中。砂质黄土，粉土质，土质均一，含零星蜗牛壳和白色钙质菌丝，结构较致密，古土壤层为砂质黄土，内含较多的白

Ⅲ级硬土，σ。=220kPa。属中压缩色钙质网膜和钙质结核，坚硬，○

性土。

3施工方法的选择

除下穿等影响地表建筑物地段需考虑地表沉降外，大断面黄土隧道的开挖施工控制重点主要是要有效地控制围岩变形，因此围岩的情况决定了隧道施工方法的选择。

大断面隧道开挖控制变形保证围岩稳定的方法原则上就是化大

为小，采用分步开挖。断面开挖时，如果掌子面稳定，无较大掉块、垮塌，无推移和挤出现象，初期支护刚度足够，则可以采用弧形导坑预留核心土开挖的方法。如果掌子面开挖后不稳定则应缩小断面，加设中隔壁即CD法，在CD法的基础上再加设横撑就变为CRD法。

对于埋深较大的IV级老黄土围岩，由于黄土具有直立性好、宜

成型的特点，在适用短进尺的条件下，有一定的围岩稳定时间，保证在围岩未有大的变形掉块的情况下有足够的立架和喷锚作业时间，从而保证施工安全，可采用弧形导坑法；

洞口浅埋段及V级围岩主要是新黄土，竖向节理发育，土质松软，土颗粒间黏性差，围岩自稳能力差，土体受扰动后产生应力重分布，上部土体宜沿破裂面形成楔形漏斗，造成拱顶失稳，为了保证安全开挖断面应尽量缩小宜采用CRD法。

4弧形导坑法开挖

4.1工法简介

洞身开挖采用弧形导坑预留核心土施工，是指在隧道开挖过程中分上中下和仰拱四部分，以前后六个不同的开挖面相互错开同时开挖，然后分部同时支护，形成支护整体，缩短作业循环时间，逐步向纵深推进的作业方法。其实质为台阶法的一种，拱部采用环形导坑开挖，利用核心土施压掌子面，下部开挖也是先开挖两侧保持中部土体不动，其核心是保证掌子面稳定。

4.2实例分析

高桥隧道和凤凰岭隧道IV级围岩采用弧形导坑法开挖。上导坑核心土距拱顶1.5~2.0m，核心土两侧距开挖面约2m，上导坑开挖高度4.2m，开挖跨度13.86m，矢跨比为0.34，开挖面积为47.96m2；中部开挖高度4.31m，开挖面积为62.76m2；下部开挖高度2.05m。上导坑型钢拱架由3个单元组成，每个单元长度为5.975m，各单元钢架之间采用δ16的钢板通过四套M24高强螺栓连接。

具体施工步骤如下：

4.2.1上导坑开挖

首先在拱部120°范围打设φ42超前小导管，相关施工参数：壁厚3.5mm，L=3.5m，环向间距@＝40cm，外插角5~10°，搭接长度≥1.5m。之后采用弧形开挖法预留核心土开挖上导坑，每循环开挖长度控制在0.8m即一榀钢拱架的间距，开挖后及时喷射4cm厚砼，封闭作业面。第二，初喷后架设I20a钢架，上弧导分3节安装，环向为钢板螺栓连接，纵向采用φ42钢管连接，环向间距为1.0m。安装钢架完毕后立即施作锁脚锚管和系统锚杆，锁脚锚杆采用φ42钢管，长度为4.0m，每处设置两根，系统锚杆采用φ22药包锚杆，长度为2.5m，间距为1×1m梅花形布置。之后挂设钢筋网片，钢筋网片采用φ8钢筋，网格间距为20cm。第三，在钢架、锚杆和钢筋网施作完成后及时复喷C25砼至26cm，从而完成上导坑的施工形成较稳定的承载拱。

4.2.2左侧中部和右侧下部开挖

在承载拱的支护下，交错开挖左侧中部和右侧下部马口，先后按同样方法进行支护，使同一断面处暴露开挖面仅限于单侧，且不同时处于悬空状态。

4.2.3右侧中部和左侧下部开挖（方法同上）

4.2.4开挖中部上中下台三部分预留土。

4.2.5分段开挖仰拱，施做仰拱支护、仰拱二衬和仰拱填充。

4.3施工机具及劳力组织

开挖支护完成一个循环即上导坑开挖一榀、中部及下部单侧各两榀，所需时间为8小时，共分三段施工，其中机械开挖1小时，人工修整挂网立架3.5小时（其中出碴平行作业用时0.5小时），喷锚3.5小时。

开挖机械人员配置：现代320型挖掘机1台，司机2人；柳工50侧翻装载机1台，司机2人；重庆16吨铁马自卸汽车4辆，司机4人；G8风镐8台。开挖用人工共14人（不包括司机），其中上部9人，中部3人，下部2人。

喷锚机械人员配置：湿喷机两台，3立方罐车两台。人员共设两班每班设置9人，其中湿喷机司机2人，喷锚操作手4人（共设喷头2个，每个设2人），其它辅助人员3人。罐车司机2人。

根据以上的施工组织，单口每天可完成三个循环，按80cm间距，每天可掘进2.4m，月进尺80m左右，实际最高记录月进尺达100m。

4.4施工要点

4.4.1浅埋段和含水量较大地段设置超前小导管，根据开挖情况可减小环向设置间距直到消除拱部开挖掉块现象为止。深埋和地质情况较好地段开挖无掉块现象可不设。

锁脚锚管是保证初期支护安全的重要措施，通过试验和量测表明断面拱脚和墙脚位置受到较大的侧压力，此处的锚杆就充当了拉杆作用，以保证工字钢在受到侧向力时不发生向洞内的位移变形，同时可以起到抑制拱架整体下沉的作用，从而保证初支结构在施工过程中受力稳定。根据实际变形情况除认真施做锁脚锚杆保证质量外，在每分节处可增设2根，即由原设计的2根增为4根，根据监控量测资料该措施对控制初支变形效果显著。

4.4.2扩大拱墙脚是较少拱顶下沉量的有效措施，扩大拱墙脚增大承压面积，既有利于施工过程中竖向压力的传递，也有利于该节点横向受力的稳定。实际施工中拱脚宽度由设计的80cm扩大为100cm，墙脚由设计的50cm扩大为80cm。

4.4.3采用在拱墙脚下垫设槽钢或砼垫块，以增大地基承载力，减小初期支护闭合前的整体下沉量。

4.4.4加密初期支护钢架的纵向连接钢管，提高钢架间的整体受力能力，一般可在可从设计的环向间距1.0m调整为0.8m即可。

4.4.5开挖时严格控制超前挖，若钢架背后与围岩不密贴可采用同级砼垫块添塞密实或采用注浆保证初期支护钢架背后无空洞以利

于钢架和围岩形成联合支护体共同受力。

4.4.6严格控制钢架的加工和安装质量，使其线性圆顺避免应力集中，另外钢架间连接牢固必要时可加焊钢筋。

4.4.7仰拱紧跟是确保初期支护安全的根本措施，仰拱及回填砼要紧跟掌子面施做，一般距离控制在30m以内，以利于尽早形成完整的筒形封闭环。根据监控量测数据及时跟进二衬的施工以利于尽早形成完整的隧道受力结构，一般距离控制在距掌子面60m以内，特殊地段单独考虑。

4.4.8机械开挖时预留30cm由人工开挖，较少对围岩的扰动，并保证岩面圆顺，及时初喷4cm砼以封闭暴露围岩，增强岩体的整体性，为初期支护的后续工作争取安全时间。施工时初喷是在开挖的渣堆上进行的，待把未被渣堆覆盖的开挖面初喷完成后再出渣。

4.4.9适当给支护预留变形量，施工前期可采用15cm的预留量，根据工艺及措施的优化，通过监控量测及时进行调整。

4.4.10合理控制步长，上中下三部分的步长控制在3~5m，上导坑每次开挖一榀钢架的距离，中下部根据地质情况可一次开挖1~2榀钢架的间距，仰拱开挖控制在3~5m。

5CRD法

5.1工法简介

CRD法是大断面隧道施工的有效手段，它将大跨度隧道分为若干块进行分布施工，由于将大跨度隧道采用网格状支护在横竖向均进行了支撑，各自形成封闭的筒形结构，支护体系稳定。

5.2实例分析

凤凰岭隧道进口120mV级围岩施工采用了CRD法施工，该法是用中隔壁将整个开挖断面分隔为左右两侧，先开挖隧道一侧的上下台阶并及时施做相应的中隔壁和临时横撑形成各自单独的封闭环，再开挖另一侧的上下台阶施做相应中隔壁和横撑，最后开挖仰拱拆除临时支护体系形成完整的隧道初期支护结构，进而施做二衬结构。

5.2.1CRD法初支施工参数

拱部设φ108超前长管棚（L＝20m，外插角1~3°）；洞身拱部120°范围设φ42超前小导管（壁厚3.5mm，L=4.5m,@=40cm，外插角5~10°，搭接长度≥1.5m）；系统锚杆拱部120°范围设φ22药包锚杆（L=2.5m，间距1.0×1.0m，梅花型布置），边墙设置20MnSiφ22砂浆锚杆（L=4.0，间距1.0×1.0m，梅花型布置）；拱墙脚处每分部开挖隧道两侧钢架分节处各设2根φ42锁脚锚管（L=4m）；钢架采用I25a型钢，钢架间距榀/0.6m，每榀钢架分8节，钢架间采用φ42钢管连接，环向间距1m；初期支护厚度为35cm，中隔壁喷层厚度为25cm；钢筋网采用Q235φ8钢筋，网格间距20×20cm。

5.2.2施工步骤简述如下：

上台阶开挖采用弧形开挖预留核心土的施工方法，类似于弧形导坑法的上导坑施工，核心土高度距离拱顶1.5~2.0m，距边墙和中隔壁约2m，核心土顶部留有1.5m的工作平台便于人工操作，核心尾部为1:1的斜坡，根据地质情况一次进尺控制在1~2榀钢架间距的距离。上部开挖高度在6.6m左右。

下台阶应左右交错开挖，错开间距不小于2m，先开挖边墙一侧，再开挖中隔壁一侧，避免上台阶的初支在同一断面处于悬空状态。单侧每次进尺控制在2~3榀钢架间距的距离。下部开挖高度在4.2m左右。

上下台阶长度控制在3~5m，中隔壁左右两侧开挖的间距控制在10~15m左右。

拆除下部横撑开挖仰拱，开挖可以分左右侧两次施工，也可根据地质情况一次开挖成型，每次开挖长度控制在3m以内。底部开挖高

度在2.5m左右。

5.2.3施工要点

弧形导坑法的施工要点在本法中仍然适用，这里重点介绍CRD 法临时支护系统的拆除。

CRD法在拆除临时支撑前各部室面积小且封闭成环受力结构稳定，有关研究和工程实践表明，作用在中壁的轴力一般较大，这说明中隔壁的功能得到了充分发挥，在施工中中隔壁进行了进一步优化将原设计带曲率的变更为竖直的中隔壁。随着施工的推进，作为临时支护的中隔壁将逐步被拆除，支护结构竖向承载能力部分丧失，围岩压力完全作用在四周的初期支护上，由于隧道开挖断面大，大跨度支护结构的内力将有着明显的增加，拆除中间临时支撑时，初期支护会因突然卸载而出现较大的变形，应力需重新分布，存在较大的安全隐患，必须给予高度重视。

拆除临时支护系统首先要考虑拆前整个支护系统是否已稳定，由于隧道围岩受力的蠕变特性，自隧道开挖至支护受力和围岩变形趋于稳定需要有一段时间，隧道支护中隔壁拆除必须待隧道变形稳定后方可进行，否则会诱发围岩应力重分布的突变乃至围岩失稳、支护结构破坏。在非稳定状态严禁拆除反而应采取加强措施，如在中隔壁两侧采用φ159钢管设置竖向支撑，纵向间距50cm；横撑接头处设置45°夹角的斜撑。中隔壁的拆除时机可通过围岩变形的量测来判断。其次，在加强监控量测的基础上确保下道工序的及时跟进。

凤凰岭隧道进口临时支撑的拆除实际上是采取了比较保守的施

工方法，即在施做仰拱填充完毕后再拆除中隔壁，使部分中隔壁埋置于填充砼之中造成浪费，但保险系数较大，在拆除之前整个初期支护已经形成较稳定的受力结构。施工时根据衬砌的施工进度确定拆除的长度和进度，拆除时要注意对成品的保护。

施工时先破除中隔壁上部喷射砼，将水平横撑及竖撑钢架和环向钢架连接处露出，中隔壁钢架采用简易支撑，错开拆除左侧上部和下部间的横撑、再拆除右侧上中部之间的横撑，若拆除所有水平支撑后，隧道仍处于稳定状态，则开始进行竖撑的拆除，拆除时应按顺序错开进行拆除。

同时加强变形观测，一旦发生变形异常应立即停止拆除并采用加设临时竖撑进行加强处理，避免变形过大产生坍塌。

5.2.4施工机具及劳力组织

主要施工机械：挖掘机1台，装载机2台，出渣车4台，湿喷机4台，风枪4台，风镐10把，空压机2台。

施工人员：开挖24人，喷锚18人，司机10人，电工1人。

按照以上机械人员配置凤凰岭隧道进口每月开挖进尺为

25~30m。

6监控量测

现场监控量测是“新奥法”设计施工的重要组成部分，施工须根据监控量测情况实行动态控制，通过分析量测数据判定围岩在开挖过程中的动态变化和支护结构的稳定状态，预测并据此确定相应的施工措施，确保支护体系的稳定及施工人员的安全。

6.1量测的项目及主要方法

6.1.1洞内外观测

洞内观察分为开挖工作面观察和已施做段观察两部分。洞外观察包括地表开裂、地表沉陷、边坡及仰坡稳定状态等情况。

6.1.2水平净空收敛量测

CRD法分布多、断面小，且各部分断面形式多，且有临时支撑的影响，适用全站仪视线受阻。故选用JSS30A型收敛计进行量测；IV 级弧形导坑法考虑断面较大、尤其上部高度较高，后期挂设收敛计等仪器困难大，还有使用其它辅助工具，另外水平收敛和拱顶下沉要分开量测，花费时间多；容易和其它施工工序发生冲突，抗施工干扰能力差，效率低，因此采用徕卡TCR702全站仪进行无尺量测。

6.1.3拱顶下沉量测

为了便于数据的采集两种开挖方法均采用无尺量测。

6.1.4地表下沉量测

隧道浅埋地段地表下沉量测与洞内净空变化和拱顶下沉在同一横断面内。地表下沉量测应在开挖工作面前方，隧道埋深及隧道开挖高度之和处开始，直至二衬结构封闭、下沉基本结束为止，观测频率与洞内形同。现场实际由第一勘察设计院完成。

6.2量测的施做要点

6.2.1及时设置各种观测标志。

6.2.2及时收集各观测的初始数据。

6.2.3及时将各项量测观察到的数据进行分析，并绘制位移与时

间的关系曲线及位移与开挖面距离的关系曲线。

6.3实际量测结论

6.3.1时间性

在与时间相关的规律表现上，隧道较明显的变形主要发生在掌子面开挖后的3～5天，此后一周内逐渐趋于稳定，一周后只有微小的变形。如下列图1～图4所示。

图1

图2

图3

图4

6.3.2工序相关性

6.3.2.1隧道变形情况，尤其是拱顶沉降和净空收敛这两项与施工工序有很强的相关性，大于75％的沉降量发生在隧道上部导坑和中部开挖的过程中，隧道封闭成环基本可以停止隧道变形。具体数据参看表1。

说明：

1）表中的数值“a/b/c”具体含义为：a代表地表沉降值、b代表拱顶沉降值、c代表净空收敛值

2）“总值”一项并非对表中上面对应的数据的汇总，而是相应值（地表沉降、拱顶沉降、净空收敛）的总量的最大、最小、平均值3）V级围岩的变形值的总值包括了中隔壁拆除后的沉降值和支护完成到隧道二次衬砌（变形停止）之前的变形值

6.3.3隧道水平净空收敛值相对拱顶沉降要小的多。

6.3.4隧道埋深超过40m时，洞内外的变形没有太大的联系。

6.3.5质量关键点影响性

扩大拱脚，钢拱架安装，锁脚锚管，钢拱架底部砼垫块、槽钢垫块，掌子面、仰拱、二衬的安全距离等质量控制关键点的实际质量对隧道拱顶沉降变形影响明显。从2006年11月开始，逐步完善相关的技术变更手续后，凤凰岭隧道施工质量控制过程中加强了以上所列各

个质量控制关键点的控制，使隧道拱顶沉降总量有了明显的变小的改善。

7隧道地基湿陷性的处理

7.1地质情况

进口端50m范围为Q3eol3砂质黄土，呈浅黄色、土质较均匀、结构疏松、具空隙、垂直节理发育、属○II级普通土、δ0＝150Kpa、具中度自重湿陷性。基底采用水泥土挤密桩加固处理，以消除湿陷性，提高地基承载力。

7.2施工参数

隧道地基加固施工参数设置：挤密桩直径25～35cm，桩间距80×80cm等边三角形布置，桩底深至老黄土地层约2m，有效桩长2～9.9m。本次施工的50m共设水泥土挤密桩1178根，有效桩长共7136延米。

7.3施工方法及结论

施工采用非排土法即借助于机械提升冲锤，靠重锤自由落体的冲击能量对拟加固的地基冲击挤密成孔，并分层分次填料后以重锤自由落体的冲击能量冲击挤密成桩达到加固地基。

经试桩及施工后检测该方案成功地解决了在洞内空间受限的情况下采用合适的施工机具消除隧底湿陷性这一技术难题，具有实用性及推广价值。

8主要结论

经过凤凰岭隧道进口和高桥隧道出口1000多米的施工，洞口浅

埋V级围岩采用CRD法，深埋和IV级围岩采用弧形导坑法开挖工法是可行的，成功的解决了大断面黄土隧道施工中诸多技术难题，在确保安全的情况下施工变得有序可控，实现了大断面黄土隧道快速掘进的施工目标，工期进度得到了保证。

施工过程中，针对黄土隧道的具体特点，进一步采用的施工工艺和技术保证措施经监控量测，对抑制隧道变形是切实有效的。

水泥土挤密桩借助合理的施工机具采用非排土法施工成功解决了黄土的湿陷性，提高了隧道基底的承载力。