大跨度黄土公路隧道偏心CD环形开挖施工工法

大跨跨度度黄黄土土公公路路隧隧道道采采用用偏偏心心CD环形形开开挖挖施施工工工工法法杜松松中铁铁十十一一局局集集团团第第五五工工程程有有限限公公司司五五一一路路项项目目部部二〇〇一一三三年年四四月月一、、工工法法背背景景平阳阳高高速速公公路路阳阳曲曲1号隧隧道道为为一一座座上上、、下下行行分分离离双双向向六六车车道道高高速速公公路路特特长长隧隧道道，，隧隧道道左左线线长长4685米，，右右线线长长4711米；；其其中中隧隧道道进进口口湿湿陷陷性性黄黄土土段段左左、、右右线线长长约约2000余米米，，黄黄土土段段埋埋深深在在2.0m～34.0m，开开挖挖跨跨度度为为17.23m～19.87m。该该隧隧道道为为山山西西省省首首例例大大跨跨度度、、超超浅浅埋埋湿湿陷陷性性黄黄土土特特长长公公路路隧隧道道。。隧隧址址土土体体主主要要以以上上覆覆马马兰兰组组黄黄土土、、下下覆覆离离石石组组黄黄土土为为主主。。马马兰兰组组黄黄土土土土体体疏疏松松，，质质纯纯，，大大孔孔隙隙，，垂垂直直节节理理发发育育。。乏水水状状态态下下马马兰兰组组黄黄土土冻融融状状态态下下马马兰兰组组黄黄土土离石石组组黄黄土土以以棕棕黄黄色色亚亚粘粘土土为为主主，，中中间间夹夹钙钙质质结结核核层层，，与与马马兰兰组组黄黄土土相相比比，，土土体体密密实实，，稳稳定定性性好好。。富含含钙钙质质结结核核层层离离石石组组黄黄土土由于于业业主主工工期期要要求求，，阳阳曲曲1号隧隧道道进进口口黄黄土土段段进进洞洞施施工工未未避避开开湿湿陷陷性性黄黄土土春春融融期期，，于于2010年初初率率先先进进洞洞施施工工。。但但在在随随后后的的两两个个月月时时间间里里，，采采用用传传统统的的双双侧侧壁壁导导坑坑法法掘掘进进施施工工，，左左、、右右双侧侧壁壁导导坑坑法法施施工工，，拱拱部部马马兰兰组组黄黄土土经经常常失失稳稳溜溜塌塌线单单洞洞掘掘进进平平均均仅仅15m/月；；由由于于春春融融影影响响，，隧隧道道拱拱顶顶沉沉降降和和周周边边收收敛敛较较大大，，局局部部地地段段侵侵入入二二衬衬净净空空，，无无法法满满足足设设计计和和工工期期要要求求。。鉴于于此此，，项项目目部部依依托托公公司司技技术术力力量量和和社社会会资资源源，，邀邀请请铁铁道道部部第第三三勘勘察察设设计计院院、、同同济济大大学学、、重重庆庆大大学学、、西西安安科科技技大大学学、、石石家家庄庄铁铁道道大大学学、、解解放放军军后后勤勤工工程程学学院院、、重重庆庆交交通通大大学学等等单单位位的的业业界界专专家家、、学学者者共共同同对对黄黄土土隧隧道道施施工工工工艺艺进进行行改改良良。。首先先，，采采用用““三三台台阶阶法法””，，施施工工过过程程中中，，由由于于三三车车道道黄黄土土隧隧道道呈呈扁扁平平椭椭圆圆形形，，开开挖挖跨跨度度较较大大，，达达17.23m；分分台台阶阶开开挖挖，，不不利利于于初初期期支支护护及及时时封封闭闭成成环环，，且且结结构构矢矢跨跨比比较较小小，，结结构构受受力力较较薄薄弱弱，，最最后后该该工工艺艺以以掌掌子子面面冒冒顶顶宣宣告告失失败败。。三台阶施施工隧道道冒顶其次，采采用“CD法”，采采用CD法施工，，先小导导坑掘进进，释放放黄土应应力，采采用侧壁壁临时支支护和临临时仰拱拱及时封封闭成环环，初期期支护受受力体系系较好，，但该工工艺施工工步序繁繁琐，洞洞内施工工组织复复杂，月月进尺仍仍不能满满足工期期要求，，该工艺艺被迫““流产””。最后，采采用我今今天所讲讲的施工工工艺（（即：浅浅埋大跨跨度黄土土隧道采采用偏心心CD环形开挖挖施工工工法）施施工，该该工法类类似CD法，但我我们从中中省略了了临时仰仰拱工序序，简化化施工步步序，化偏心CD环形开挖挖施工，，小导坑坑先行，，环形导导坑紧跟跟。繁为简，，为洞内内施工组组织提供供便利，，提高机机械利用用率。同同时采用用小导坑坑掘进释释放土体体应力，，环形导导坑紧跟跟施工，，利于初初期支护护及时闭闭合成环环，初期期支护结结构受力力体系完完整。采采用该工工艺施工工平均月月进尺50m/月左右，，最高纪纪录为单单洞掘进进93m/月；且安安全、质质量、进进度平稳稳可控，，满足各各方要求求。二、偏心心CD环形导坑坑开挖工工法特点点2.1与普通土土质隧道道开挖相相比，阳阳曲1号隧道由由于受隧隧址埋深深，结构构物跨度度，以及及大断面面的限制制，本工工法采用用分部开开挖可以以划分围围岩断面面，促使使围岩应应力从新新分布，，先掘进进小导坑坑可以提提前释放放围岩应应力，预预知前方方掌子面面土体情情况，降降低围岩岩冒顶、、塌方的的发生概概率；其其次环形形导坑紧紧跟，初初期支护护及时封封闭成环环，利于于支护体体系整体体受力。。2.2超浅埋大大跨度黄黄土隧道道采用偏偏心CD环形开挖挖施工，，较设计计双侧壁壁导坑施施工，工工序简洁洁，便于于施工组组织管理理，可加加快施工工进度，，缩短工工期；提提高机机械利用用率，节节约人工工和材料料。三、工法法原理浅埋地层层大跨度度黄土隧隧道采用用偏心CD环形开挖挖法施工工是根据据“预加加固、短短进尺、、强支护护、早封封闭、勤勤测量””的原理理，通过过监测隧隧道拱顶顶沉降及及周边收收敛等数数值，不不断优化化开挖方方案，采采用分部部开挖形形式、合合理选择择开挖进进尺、缩缩短各工工序衔接接时间、、严格控控制衬砌砌安全距距离等方方法，避避免因开开挖方法法不当和和仰拱、、二次衬衬砌滞后后导致隧隧道拱顶顶下沉、、掌子面面崩塌等等病害的的发生，，以保证证黄土隧隧道在浅浅埋地段段的施工工安全。。根据隧道道拱顶沉沉降监测测和周边边收敛数数据，确确定合理理的分部部开挖形形式和衬衬砌安全全距离，，偏心CD环形开挖挖施工采采用偏心心导坑+环形开挖挖法分部部前后错错开开挖挖，开挖挖过程中中,左侧小导导坑超前前开挖支支护，降降低隧道道相对围围岩级别别，提前前释放围围岩应力力，右导导坑结合合拱部环环形同步步跟进施施工，快快速闭合合支护结结构，减减少对围围岩的扰扰动，分分部支护护，形成成支护整整体；缩缩短作业业循环时时间，逐逐步向纵纵深推进进，形成成开挖及及施作初初期支护护，混凝凝土仰拱拱紧跟掌掌子面及及时施作作构成稳稳固的支支护体系系。四、工法法适用范范围本工法适适用于大大跨度超超浅埋自自稳性较较好黄土土隧道施施工。若若隧道全全部以马马兰组黄黄土为主主，则不不适宜采采用该工工法施工工。五、工法法施工工工艺5.1工艺施工工流程5.2施工工艺艺流程5.3施工重点点及注意意事项5.3.1施工准备备做好场地地的“三三通一平平”工作作，隧道道洞门因因处于退退耕还林林区，植植被及杂杂草相对对较茂密密，本着着“早进进晚出””的原则则，尽量量少破坏坏植被，，减少洞洞口刷方方工程和和护坡工工程量。。边仰坡坡开挖后后，及时时进行““喷、锚锚、网、、喷”支支护，及及时封闭闭土体，，并做好好边坡防防排水施施工。同同时，湿湿陷性黄黄土隧道道进洞施施工时宜宜避开春春融和雨雨季。5.3.2超前支护护开挖前，，对土体体拱部和和临时支支护外侧侧拱腰以以上部位位采用Φ42注浆导管管施工，，注浆导导管参数数根据实实际情况况动态控控制，确确保开挖挖时洞顶顶和侧墙墙土体稳稳定。（（阳曲1号隧道施施工时采采用每环环长2.5m，环向40cm间距施工工）5.3.3洞身开挖挖及初支支由于隧道道开挖跨跨度大，，为确保保施工安安全，开开挖进尺尺每循环环控制进进尺为50cm（单榀工工字钢进进尺），，采用左左小导坑坑先行、、预留核核心土环环形导坑坑紧随两两个工作作面施工工，洞身身开挖采采用人工工风镐修修边配合合挖掘机机掘进，，利于控控制隧道道超欠挖挖。（1）人工风风镐配合合挖掘机机沿开挖挖轮廓线线自上而而下开挖挖左小导导坑，开开挖后及及时喷射射混凝土土（喷射射混凝土土厚度和和支护强强度根据据掌子面面情况可可动态调调整），，封闭作作业面，，边墙初初支和临临时初支支作业及及时跟上上，避免免侧墙向向导坑内内崩塌。。（2）左小导导坑超前前施工后后3m～5m后，同时时开挖环环形导坑坑，预留留核心土土，进行行环形导导坑支护护，使初初期支护护及时与与左小导导坑支护护体系闭闭合。隧隧址土体体较稳定定情况下下，可以以两个作作业面平平行推进进施工，，遇不良良地质段段应避免免左、右右侧两个个工作面面同时施施工。（3）工艺控控制点：：预留核核心土处处理。阳阳曲1号隧道预预留核心心土呈梯梯形状，，断面尺尺寸约4m（高）×4m（底宽））；环形形导坑开开挖结束束后，应应及时对对核心土土进行封封闭处理理，防止止核心土土裸露时时间较长长失稳、、崩塌；；核心土土封闭参参数可根根据土质质情况选选择素喷喷或锚喷喷防护。。5.3.4仰拱施工工黄土隧道道在开挖挖后受各各种地质质和施工工因素的的影响，，在施工工前期围围岩变化化较大，，支护体体系应快快速封闭闭成环；；根据掌掌子面的的空间效效应，掌掌子面距距仰拱最最大距离离以不超超过25米为宜，，仰拱建建议采用用半幅施施工，开开挖长度度以3～4米最为安安全，防防止开挖挖步距过过大，边边墙拱脚脚处收敛敛加剧，，造成喷喷射混凝凝土开裂裂和拱架架下沉。。仰拱开开挖后，，应及时时施作仰仰拱钢架架及衬砌砌混凝土土支护。。5.3.5防排水施施工（1）施工防防排水黄土遇水水软化，，施工中中选用煤煤电钻和和矿用电电动岩石石钻机施施作锚杆杆和小导导管，尽尽量减少少开挖面面的施工工用水量量，加快快对开挖挖掌子面面的封闭闭处理，，缩短土土体裸露露时间。。另外，，对于开开挖后出出现的渗渗漏水，，宜引不不宜堵，，采用集集水坑形形式集中中处理，，对于土土体含水水量超过过20%的地段，仰仰拱开挖后后，及时初初喷混凝土土予以封闭闭处理。（2）结构防排排水防排水的施施工原则是是以排水为为主，防排排结合，综综合治理，，形成完整整的防排水水体系，使使隧道防水水可靠，排排水畅通。。复合式衬衬砌采用Φ50双壁打孔波波纹管、防防水板和土土工布进行行环向防水水；采用Φ116双壁打孔波波纹管、中中心排水沟沟及排水边边沟进行横横向、纵向向排水。5.3.6衬砌阳曲1号隧道黄土土段边墙、、拱部采用用9m可调式全自自动液压台台车，混凝凝土采用洞洞外自动计计量拌合站站拌制，混混凝土罐车车运输至洞洞内，经输输送泵泵送送入模。（（可调式全全自动液压压台车的模模度系数可可根据实际际情况作调调整）5.3.7监控量测技技术监控量测是是地下工程程尤其是软软弱段围岩岩施工中的的重要内容容，是监视视围岩和支支护稳定性性的重要手手段，它能能指导施工工、预报险险情、确保保安全。根根据测量结结果，绘制制位移-时间曲线，，进行回归归分析，判判断围岩及及支护稳定定情况，及及时反馈，，以指导施施工。监控量测项项目一览表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5.3.8注意事项（1）大跨度黄黄土隧道施施工应严格格遵循“管管超前、短短开挖、勤勤测量、强强支护、快快封闭、早早成环、稳稳中求快””的原则。。（2）黄土遇水水，力学效效应发生显显著变化，，施工中应应加强对水水的管理，，可采取集集中排水的的办法。（3）仰拱应及及时紧跟导导坑开挖，，即可以保保护地基，，防止翻浆浆冒泥，也也有利于车车辆行驶及及文明施工工的加强。。（4）左右侧两两个工作面面前后距离离不宜过大大，开挖过过程中应注注意将核心心土保留完完好，导坑坑开挖后根根据围岩情情况喷射混混凝土封闭闭开挖面和和侧壁墙。。（5）超前小导导管支护较较一般设计计应加密，，可每循环环施作超前前管棚支护护，消除掉掉块及小型型冒顶等拱拱顶脱空病病害。（6）初支钢架架拱脚处加加垫混凝土土预制块或或钢板，拱拱架背后喷喷填密实，，锁脚钢管管及边墙锚锚杆视围岩岩情况适当当加密布设设，拱部锚锚杆可适当当减少。（7）通过监控控量测及时时取得实测测数据分析析反馈用以以修正设计计参数和调调整施工作作业方法。。（8）及时闭合合初支结构构并施作仰仰拱衬砌，，严格控制制二衬与掌掌子面距离离。六、资源配配置主要施工机机械配置表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双侧壁导坑坑与偏心CD环形导坑工工艺施工主要机具对对比表主要作业工工序劳动力力配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双侧壁