公路黄土隧道施工技术及控制要点.pdf

四川建筑第43 卷第4期施工技术与测量技术公路黄土隧道施工技术及控制要点史文显，张龙刚（陕西建工秦汉建设投资有限公司，陕西咸阳7 12 0 0 0）【摘要】近年来随着我国西部大开发工作的稳步推进，公路交通网络逐步完善、加密，我国西部黄土地区长大隧道逐年增多，针对我国西部地区黄土地质公路隧道的施工，从黄土隧道特征、隧道的开挖、衬砌、防排水等方面结合自身理论知识及实践经验，对主要的施工技术要点，过程控制要点进行分析。【关键词】公路；黄土隧道；施工技术；控制要点【中图分类号】U455.10引言隧道工程施工因其隐蔽性强、作业空间狭小、受地质水文不可预见因素影响较大、施工环境恶劣、工期长，常作为公路项目建设中的控制性工程，施工技术、安全、质量、进度及造价控制要求高，施工过程繁杂，黄土隧道因稳定性差、风险高，施工过程控制尤为重要，作为施工管理人员在施工过程组织中必须明确施工技术及控制要点，从而保证隧道建设的整体目标顺利实现。1黄土隧道概况1.1气候特征我国的黄土和黄土状土主要分布在昆仑山、秦岭、泰山、鲁山连线以北的干旱、半干旱地区。原生黄土以黄河中游发育最好，主要是山西、陕西、甘肃东南部和河南西部。黄土分布范围大致在年平均降雨量3 0 0 7 0 0 mm线，降雨量小于蒸发量，即主要分布在温带地区。一般雨量偏小，气候干旱，四季分明，春季气温回升快，降水量少，干旱多风；夏季气候炎热，降雨集中，多雷阵雨；秋季气温迅速降低，多阴雨天气；冬季气候寒冷干燥，少雨雪。1.2水文、地质特征黄土是以粉土为主,并含一定比例的细沙、极细砂和黏粒的沉积物。包括碎屑矿物和黏土矿物，前者占7 0%以上。在碎屑矿物中，主要是指相对密度小于2.9 0 的轻矿物，占90%以上，石英最多，长石其次，还有一些碳酸盐矿物（方解石、白云石等）。黄土中黏土矿物成分主要为水云母、高岭石及蒙脱石。这些矿物的存在，使黄土具有吸附、膨胀、收缩等特性,影响到黄土的工程性质。碳酸盐类矿物往往起胶结作用,使黄土在天然结构情况下，颗粒经常呈团聚体存在。遇水后,由于可溶盐胶结的团聚体被破坏,往往使黄土的湿陷性增强。黄土中碳酸盐类的存在可能增强黄土湿陷性。隧道布置一般处于为以梁为主体的丘陵沟地形,自然条件对大气降水补给地下水不利,地表水与地下水均有利于排泄。不良地质主要为湿陷性黄土、湿软黄土、素填土等。1.3施工原理及特点目前我国公路隧道施工主要依据“新奥法”原理组织，即以充分维护和利用围岩的自承能力为基点,采用锚杆和喷射【文献标志码】A混凝土为主要技术手段，及时进行支护，通过控制围岩的变形和松弛，减小围岩应力，使围岩成为支护体系的主要组成部分 2 。黄土隧道主要受黄土本身垂直节理发育的特点以及湿陷性特质影响，拱顶下沉的控制是隧道施工安全及质量的关键节点，隧道施工中必须将“短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的方针落实到位，减少围岩裸露面积及裸露时间，通过过程监控量测，对拱顶下沉及周边收敛数据进行动态监控，作为指导施工及调整设计的依据。2主要施工方法目前我国公路黄土隧道施工中洞口工程主要采用明挖法施工，运用管棚工艺的辅助施工措施确保安全进洞，洞身开挖方式主要有：全断面法、台阶法、CD法等，根据洞身断面尺寸大小及地质条件的不同台阶法施工中灵活运用两台阶、三台阶及三台阶七步开挖法等多种形式相结合，本着短开挖、紧封闭的原则,减少一次开挖量及围岩一次裸露时间，二次衬砌采用全断面液压台车混凝土整体浇筑成型技术，确保了支护的整体性、安全性和美观效果。3黄土隧道施工技术要点3.1 洞口工程良好的洞口选址和施工质量是保证隧道整体后期安全运营的核心，洞口工程的施工组织尤为重要，安全进洞和顺利出洞是隧道施工组织的核心，是保证施工安全、进度、质量等目标顺利实现的前提，因此洞口工程的施工必须引起高度重视，公路黄土隧道洞口施工主要存在技术要点：（1)边仰坡开挖前必须做好截排水沟施工，开挖本着少扰动的原则，边坡及时完成防护措施，减少雨水冲刷和下渗对围岩的扰动。（2）洞身施工后加强边仰坡及洞口衬砌的监控量测，早日完成洞门及翼墙施工，保证洞口段围岩稳定，为洞内施工定稿日期 2 0 2 2-0 5 -19作者简介 史文显（19 8 8 一），男，本科，工程师，主要从事市政路桥工程技术工作；张龙刚（19 8 8 一），男，本科，工程师，主要从事工程项目管理工作。225施工技术与测量技术的安全组织奠定基础。3.2洞身开挖工程洞身开挖的施工工艺、施工组织是整体施工进度的关键，黄土地区隧道施工受地质水文影响较大，项目前期必须根据地勘资料及现场调查做好工艺选择和比对，目前公路黄土隧道主要运用台阶法，洞口偏压地段采用CD法施工工艺，采用人工配合挖掘机方法组织开挖，装载机配合自卸汽车出渣，施工中必须坚持“短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的原则，做好几点：(1)因黄土湿陷性的特点,黄土地质地层的围岩稳定性受水影响较大，开挖过程中必须随时检测掌子面土质含水率变化，如果含水率变化较大必须立即反馈，调整开挖工艺、支护措施、施工组织等。(2)因黄土地质层状结构、垂直节理发育的特点，洞身开挖后拱顶下沉和周边收敛监控量测中拱顶下沉明显，适当的开挖外轮廓线放大是保证隧道净空的关键，必须将监控量测数据作为施工组织的依据。3.3洞身衬砌工程洞身衬砌分初期支护和二次衬砌，初期支护一般采用“锚杆、喷射混凝土、钢筋网、钢架相结合”的手段，与围岩紧密衔接,共同形成柔性支护体系，充分发挥围岩自承能力，保证围岩应力释放后的二次稳定。二次衬砌施工是在初期支护内侧的模筑混凝土或钢筋混凝土衬，与初期支护共同组成复合式衬砌，一般在围岩和初期支护变形趋于稳定后进行 3 ，进一步保证隧道运营的整体安全和美观。初期支护施工中必须注意几点：(1)保证喷射混凝土与围岩，喷射混凝土与钢筋网、锚杆、钢支撑的紧密结合，杜绝衬砌背后空洞。(2)加强锚杆，特别是锁脚锚杆的施工质量，安装角度控制，防止下台阶开挖后，拱架悬空锁脚锚杆未发挥作用而发生掉拱现象 4。（3）工序衔接必须紧密，保证仰拱及时跟进，衬砌早日成环形封闭，便于围岩内应力二次分布后支护体系尽早稳定。二次衬砌作为隧道初期支护基本稳定后的内层衬砌，是加固支护、美化外观、用于设置通信、照明灯设施的安装，必须注意保证结构浇筑的整体性和隧道运营的净空符合要求。3.4防排水工程黄土隧道施工中必须做好结构内部的防水和排水施工质量，按照新奥法施工原则，洞内防排水的原则是：宜排不宜堵,防、排、截、堵相结合，从而降低围岩内水压力对隧道衬砌的作用，具体施工中需注意几点：（1)加强防水卷材铺设质量，防水卷材接缝热熔焊接必须经检测合格方可进人下道工序，初期支护表面平整，防水卷材固定牢靠，保证二次衬砌浇筑后防水卷材背部无空洞，卷材不破损。（2)加强纵横向排水管的安装质量，保证三通连接牢固、管道坡度合适，排水畅通。4黄土隧道施工控制要点4.1增强技术管理在施工中的指导地位公路隧道施工中多数因工期紧,项目管理注重工序衔接226四川建筑第43 卷第4期的紧迫性,将进度管理放在第一位，而忽略技术管理的重要性，易出现各种难以处理的继发问题导致停工处理耽误工期，如初期支护侵限、二次衬砌厚度不足后对初期支护进行换拱处理、施工缝渗水后进行防水堵漏处理、安全质量事故后的停工整改等自身原因造成大量工期浪费。公路黄土隧道施工中因土质垂直节理发育、受地下水影响较大，一般开挖后呈现出拱顶下沉明显，开挖过程中易掉块、塌等现象，施工中必须加强技术管理的重要性，总结经验，采用科学方法指导施工，从而方可实现施工进度的稳步有序推进。具体体现在工作中主要有：（1)科学有序施工，本着全员参与的原则,加强施工方案审批及技术交底制度，保证全员交底教育规范，全员明确施工注意事项及操作要点。(2）加强过程监控量测管理，利用监控量测数据的变形量及变化趋势指导开挖过程中的轮廓线控制，利用监控量测的变形量指导支护成环及二次衬砌施工时间，如变形超限必须立即停止掌子面施工，采取措施降低风险扩大。（3）加强掌子面的地质素描和含水率试验检测工作，在围岩节理变化和含水率变化后立即缩短循环进尺，加强超前支护措施，保证开挖安全，利用技术数据指导施工组织。（4)严格采用同条件试块强度指导衬砌台车脱模时间，保证衬砌强度及施工安全；在技术工作的肯定与指导下稳步推进施工组织才是项目得以顺利实现各个目标的前提。4.2加强施工过程中的质量、安全控制隧道施工由于工期紧、任务重，一般采用昼夜循环施工，工作循环重复量大，隐蔽性强，必须加强过程控制，保证工序施工质量，主要有几方面：（1)加强过程原材、半成品、成品检测工作，保证喷射混凝土的强度及凝结时间符合规范要求，施工中常出现因喷射混凝土拌和过程配合比控制不严，外加剂不匹配，养护不到位等原因导致初期支护强度不足引起变形开裂。（2）加强衬砌厚度、防水板焊接质量等检查，防水板的热熔焊接必须专人施工、每批材料进行试焊验证，保证结构满足设计要求。（3）加强超前地质预报工作，作到动态设计、科学施工、信息化管理，利用先进科学的新技术、新工艺变未知为已知，降低不可预见风险发生的概率。4.3特殊地段施工控制重点黄土隧道施工风险性大,特别是一些特殊地段：（1)进出洞口地段，由于洞口段地质含水率高、埋深较浅，主要为新黄土，遇水湿陷性强，常发生洞口施工塌陷事件，因此进出洞口地段设计常采用超前辅助措施进行支护加强，必须严密监测，控制减少一次开挖量。(2)黄土隧道施工中常发生土石交界面施工问题，即上部土质采用机械开挖，下部石方爆破施工，爆破振动后存在吊拱风险，必须严格控制一次爆破量，必要时修正拱架加工尺寸,尽可能爆破前拱脚处于石质界面。（3 对于偏压地段，因围岩受力不均易发生拱架位移，变形侵限等问题，必要时需采用简易CD方式，辅以临时支撑稳（下转第2 2 9 页）薛善伦，赵庆生，陈雷：混凝土表面爆裂鼓包原因分析与处理的基础上，更加注重混凝土的耐久性、变形性能等综合指标的平衡和协调。混凝土各项性能指标的要求比以前更明确、细化和具体。同时，建筑设备水平的提升，新型施工工艺的不断涌现和推广，使混凝土技术适应了不同的设计、施工和使用要求，发展很快。混凝土材料是一种耐久性材料，但是本质上是一种非均匀的多孔材料，在二氧化碳、水、氯离子、硫酸盐等的介质的侵蚀作用下，不可避免受到外来因素的影响而腐蚀，混凝土会加速破坏，使用寿命大大缩短。混凝土表面多处出现鼓包崩裂这可能是采用增钙粉煤灰、含脱硫石膏配制混凝土，粉煤灰中含有游离氧化钙或石膏，其水化速度慢，当混凝土已经硬化后才发生水化，体积产生膨胀，把混凝土表面崩裂。因此,采用增钙粉煤灰、脱硫灰时一定要进行体积安定性检验，合格后方能使用。钢渣作为骨料应用于房建工程是一种趋势，符合环保要求以及可持续发展，但是钢渣的安定性不良是制约在房建工程中大面推广应用的重要因素,钢渣中游离氧化钙(f-CaO)和游离氧化镁（f-MgO)的含量又是重中之重。游离氧化钙（f-C a O）、游离氧化镁（f-MgO)反应比较缓慢,如果后期游离氧化物进一步反应，水化之后，自身体积膨胀多倍，在骨料表面产生明显膨胀鼓包爆裂现象。对混凝土结构后期持续性影响造成的结构长期损伤潜在危害会进一步加强。钢渣骨料的安定性的离散性也非常大，少量存在严重安定性问题的骨料就可能使硬化混凝土发生表面损伤或结构性破坏。由于钢渣是分散分布于混凝土中，如果后期处理不当，“分散的钢渣引起的破坏最终会导致结构的整体破坏，从而让后期加固失去意义，最后只能拆除。7结束语混凝土并不是一种孤立存在的单一材料。它离不开混凝土用原材料的发展，离不开混凝土的工程应用对象的发展变化，应该从土木工程大学科的角度来认真对待混凝土。混凝土原材料的选用也是这样，首先要分析工程项目的结构、构件特点、设计要求，以及所处环境，预估可能出现的不利情况和风险，若结构构件出现爆裂、鼓包等一些问题十分严重的质量事故，后期结构安全评估难度大，真实性和可预测性低，难以弥补损失。所以立足当地原材料，然后采用科学、合理、可行的技术线路、技术手段，配制出满足设计要求、施工工艺要求和使用环境要求的优质混凝土。【1中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法：GB/T1346-2011S】北京：中国标准出版社，2 0 11：1.2中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局混凝土结构工程施工质量验收规范：GB50204-2015S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 15：1.3中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局混凝土结构现场检测技术标准：GB/T50784-2013S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 13：1.4中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局混凝土结构设计规范：GB50010-2010【S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 11：1.5林文修，王德智，张兴伟，等关于沸煮对芯样试件抗压强度的影响 C./工程质量/2 0 0 2 年增刊（下）.北京：工程质量编辑部，2 0 0 2:12-13.6中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.混凝土结构加固设计规范：GB50367-2013【S】北京：中国建筑工业出版社,2 0 14：1.参考文献（上接第2 2 6 页）定前期开挖断面，及早闭合成环。5总结通过对公路黄土隧道施工技术及控制要点分析，黄土隧道施工隐蔽性强、作业面小、受地质水文不可预见因素影响较大、施工风险大、过程施工组织及技术管理难度大，为提升公路黄土隧道施工质量及安全管理，保证项目建成后的良好社会效益，必须在项目建设中加强技术管理工作，明确施工控制要点，科学合理组织才能更好地实现黄土隧道施工的各项目标，从而为我国交通建设作出贡献。参考文献1鲍燕妮.黄土地区高填方路基病害分析及处理方法 J.城市道桥与防洪,2 0 2 1（8）：10 7-110+118+17.2杨育鸿.公路隧道施工质量检测及评价方法研究 J西南交通大学,2 0 10(3):12 5.3李旭升，陆祖圣.云桂铁路隧道渗漏水的成因与防治分析 J.交通世界,2 0 18(9)：9 0-9 1+111.4王旭.山岭隧道三台阶七步法出洞施工技术与风险分析 J.中南大学,2 0 12(4)：7 3.229