大断面黄土隧道施工方法

【摘 要】随着我国黄土地区交通的大力发展，出现了大量黄土铁路隧道和黄土公路隧道。黄土的多孔性、湿陷性、透水性较强、层理不明显和垂直节理发育等特性造成黄土隧道具有围岩强度低、围岩变形量大、自稳能力差的特点，对大断面黄土隧道施工提出了极高的要求。文章对此开展了相关讨论。

【关键词】大断面黄土隧道 施工工法 开挖

1 工程概况

某高速公路一标段通过黄土地区，该标段地层主要为第四系全新统冲积砂（黏）质黄土、砂类土及碎石类土，上更新统风积砂质黄土、冲积粉质黏土、砂质黄土、砂类土及碎石类土，中更新统风积黏质黄土，冲积碎石类土，下更新统冲积黏质黄土，底部为上第三系泥岩。特殊岩土主要为湿陷性黄土、松软土及膨胀岩。

2 黄土隧道湿陷性成因及特点

黄土地区岩层，自上而下一般为新黄土、老黄土、第三系泥岩。新黄土土体疏松，虫孔及针孔发育，透水性好，具有自重湿陷性。湿陷性是黄土的一种特殊的工程地质性质：在自重或外部荷载下，受水浸湿后结构迅速破坏发生突然下沉。引起湿陷的原因是因为黄土以粉粒和亲水弱的矿物为主，具有大孔结构，天然含水率小，由具有黏粒的强结合水连结和盐分的胶结连结，在干燥时，可以承担一定荷载而变形不大，但浸湿后，土粒连结显著减弱，引起土体结构破坏产生湿陷变形。

3 开挖工法

3.1 黄土隧道开挖施工工法比较

开挖工法应根据地质情况和地层加固情况确定，实施中根据地质情况和量测成果及时调整工法。超前加固，在黄土层水量大地层，须对围岩进行超前加固，确保安全施工。围岩加固经常采用注浆的施工方法。注浆法主要分全断面注浆和局部注浆两种。该黄土隧道施工中，主要施工工法有三台阶法、三台阶七步法、三台阶临时横撑法。三台阶法：适用于稳定性较好、强度较高的围岩，如泥岩。围岩级别一般在ⅳb以下。三台阶七步法：适用于具有一定的稳定性，强度一般的围岩，如q2的黏质黄土、中砂等。围岩级别一般在ⅳb-ⅴa 之间。三台阶临时横撑法：适用于具有稳定较差，强度一般的围岩，特别是如q2的黏质黄土、中砂等。围岩级别一般在ⅴa-ⅴe之间。在洞口浅埋，跨越冲沟多用该工法。

在该黄土隧道施工中，最常用的工法为三台阶七步法。究其原因有以下三点：第一，该公路黄土隧道的地质情况较适合该工法； 第二，该工法工效较高，在不需投入临时支护的前提下，能基本保证开挖施工的安全；第三，循环进尺时间相对较短，进度能够得到有效保证。

3.2 三台阶七步法控制要点

目前，大断面黄土隧道，多采用三台阶七步法，但关键要点未控制好，也会出现初支侵限、坍方等问题，该工法技术要求如下：（1）上台阶每循环开挖进尺，ⅴ，ⅵ级围岩不大于1 榀钢架，ⅳ级不大于2榀。边墙开挖进尺不大于2 榀。各台阶左右侧应错开两榀拱架以上。（2）仰拱开挖前，必须完成钢架锁脚锚杆（管），每循环开挖进尺不大于3m。初期支护封闭成环位置距掌子面距离不应超过30m。ⅴ，ⅳ级围岩二衬离掌子面不超过70m，ⅳ级围岩二衬离掌子面不超过90m。（3）上中下台阶的高度分别为5m，3m，3m，核心土长度不能小于3m，台阶马口左右侧必须错开，单侧台阶的宽度不能小于2m。

4 开挖方法

大断面黄土隧道以机械开挖为主，人工辅助修边。在遇到第三系弱风化的泥岩时，机械开挖进度较慢，此时，可采用松动爆破配合机械开挖。该公路此标段开挖常用的机械有三种，分别为挖掘机、松土器、铣挖机。三种机械有着不同的适用地层及开挖部位，而且有一定的互补性。以下分别介绍黄土隧道施工时三种机械的适用性。

4.1 挖掘机开挖

挖掘机开挖是黄土隧道开挖施工中最常用的一种开挖方式，主要适用于第四系砂（黏）质黄土。这种土体较为松散，强度较低，一般为150～180kpa。开挖机械仅采用挖掘机就能满足施工需要，开挖速度控制在3.5m/h较为适合。若因围岩强度高，挖掘机开挖较为困难，开挖时间增长时，则应选择松土器。

4.2 松土器开挖

松土器具有破碎、翻松功能，且有功能互换的松土器分为挖掘机用松土器和推土机用松土器，其中挖掘机松土器也叫斗钩，设置一个整体铸造的松土齿，上部有耳孔，分别与斗杆和铲斗缸相铰接，齿尖前端有硬合金堆焊的齿帽。当液压缸的活塞杆伸出时，推动齿尖强制插入并翻动土壤。开挖时先通过松土器将硬土层进行松动后，再换上挖机斗进行开挖，一般适用于老黄土或全风化泥岩地层中。当围岩强度为200～300kpa时，开挖速度控制在4～5m/h较为适合，当围岩强度高，松土器开挖较为困难，开挖时间增长时，则可考虑更换为铣挖机。

4.3 铣挖机开挖

铣挖机可以安装在任何类型的液压挖掘机上，能够高效替代挖斗、破碎锤、液压剪等器械，铣挖机应用于露天煤矿、隧道掘进及轮廓修正、渠道沟槽铣掘、沥青混凝土路面铣刨、岩石冻土铣挖、树根铣削等方面。铣挖机在施工中的应用，为隧道开挖提供了一种崭新的施工方法。在黄土隧道隧道施工中，铣挖机较适合的岩层为第三系强（全）风化泥岩，围岩强度为300～400kpa，将铣挖机和松土器配合进行开挖施工，开挖速度应控制在3～4m/h。其中上台阶全部采用铣挖机开挖，时间约1.5小时；下台阶首先采用松土器进行开挖中间部位，然后再使用铣挖机修边，开挖时间约1.5小时。如果上台阶开挖完成后，立即进行初支立架施工，还可以缩短施工时间。采用铣挖机进行周边的铣削施工，对超欠挖的控制效果较好。

4.4 松动爆破开挖

当黄土隧道围岩强度进一步增强，比如第三系弱风化泥岩，强度达到400 kpa 以上时，则可考虑采用松动爆破，当爆破松动围岩后，再采用机械开挖。此时，松动爆破效果尤为关键，它直接决定了开挖循环时间。以吴家岔隧道进口爆破施工为例，仅上台阶采用松动爆破施工，其余仍采用机械开挖，每循环进尺2.5m左右。爆破参数的选定：选择适当的爆破参数，布置合理的炮眼孔位和炮眼数量，以保证爆破效果和安全生产，节约成本，提高经济效益。单位炸药消耗量是计算炮眼数目的重要依据。爆破参数的确定，应先进行计算，参考规范规定，最终通过现场试验确定。

5 结语

施工过程中加强围岩量测，对量测结果及时进行分析，得出结论指导施工。现场做到24小时监控，是遵循“短进尺、少扰动、勤量测、早封闭”的原则，确保大断面黄土隧道施工的安全和施工质量。