大断面黄土隧道机械配套和施工工艺（朱华平）[内容摘要]郑西铁路客运专线黄土隧道，开挖面积近170m2，洞口段大部分为浅埋、偏压、湿陷性黄土，隧道开挖后地表沉降及初期支护的变形均比较大，洞身大部分地段为Ⅳ级围岩，稳定性较好，沉降也较小，现国内外并没有成熟的大断面黄土隧道变形稳定性判别标准，对大断面黄土隧道的设计、施工均缺乏认识与经验。

本文通过对郑西线潼洛川、高桥、凤凰岭三座大断面湿陷性黄土隧道的施工，分析与总结出大断面黄土隧道Ⅴ级围岩CRD法开挖、Ⅳ级围岩弧形导坑法开挖施工的合理工序、步长、人员、机械设备配置，确定出切合实际的进度指标和各个工序的作业循环时间；结合施工取得的经验教训，总结出大断面湿陷性黄土隧道施工安全与质量控制要点，并提出需进一步研究探讨的施工技术方案，如Ⅴ级围岩的开挖方法、拱墙脚的加强设计、增加开挖预留沉落量、初期支护变形不趋于稳定而二衬需提前施作且加强设计、浅埋段地表全封闭防水处理及洞内需加固消除湿陷性而进度缓慢增加斜井确保工期等问题。

[关键词]客运专线大断面黄土隧道机械配套施工工艺1、工程概况郑西客运专线设计时速350Km/h，由我单位施工的有潼洛川隧道，全长3817m；高桥隧道，全长1458m；凤凰岭隧道，全长842m。

隧道位于陕西省潼关县与华阴市，隧道洞身位于I级黄土台塬区，表层为第四系上更新统风积砂质黄土及黏质黄土，下伏第四系中更新统风积砂质黄土及黏质黄土，中间夹有数层古土壤层。

隧道洞口段基本为浅埋，埋深在5～45米之间，且有不同程度的湿陷性。

Ⅴ级围岩开挖面积近170m2，设计采用CRD法施工。

IV级围岩采用弧形导坑法开挖。

2、大断面湿陷性黄土隧道设计参数隧道内轮廓采用铁道部新近优化后的时速350km客运专线隧道内轮廓，轨面以上有效内净空面积按100m2设计，隧道衬砌采用曲墙带仰拱的封闭结构，二衬和仰拱均采用C35防水钢筋混凝土，暗挖段采用复合式衬砌。

Ⅴ级围岩采用喷锚初期支护，全断面设I25a型钢钢架，间距1榀/0.6m，拱部设φ42超前小导管（l-4.5m，环向间距40cm，外插角5～10°，搭接长度≥1.5m），小导管内充填M20水泥砂浆。

拱部120°范围内采用Φ22药包锚杆，L-2.5m，间距1×1m；边墙Φ22砂浆锚杆，L-4m，间距1×1m，梅花型布置；湿陷性黄土地段拱部120°范围内不设系统锚杆。

钢筋网：Q235 φ8，拱墙布设，钢筋网间距20×20cm。

喷混凝土采用C25喷混凝土，拱墙喷层掺加聚丙烯微纤维，掺量1.2kg/m(3)，厚度35cm。

二衬混凝土采用C35钢筋砼，厚60cm。

预留变形量为10cm。

Ⅳ级围岩采用喷锚初期支护，全断面设1榀/0.8m工20a型钢钢架，局部含水量较大地段拱部设φ42超前小导管（l-3.5m，环向间距40cm，外插角5～10°，搭接长度≥1.5m），小导管内充填M20水泥砂浆。

拱部120°范围内采用Φ22药包锚杆，L-2.5m，间距1×1m；边墙Φ22砂浆锚杆，L-4m，间距1×1m，梅花型布置；钢筋网：Q235 φ8，拱墙布设，钢筋网间距20×20cm。

喷混凝土采用C25喷混凝土，拱墙喷层掺加聚丙烯微纤维，掺量1.2kg/m(3)，厚度35cm。

二衬混凝土采用C35钢筋砼，厚60cm。

预留变形量为10cm。

衬砌支护参数：见“双线隧道复合衬砌支护参数”表。

隧道防排水采取“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则，满足地下工程国家一级防水标准。

防水系统：全隧道拱墙敷设EVA防水板，防水板厚度1.5mm，土工布重量≥400g/m2,隧道二次衬砌采用防水混凝土，其抗渗等级不小于P8。

排水系统：隧道内设置双侧水沟，道床中心设置直径为16cm的半圆形排水明沟。

隧道衬砌防水板背后环向设置φ100mmHDPE单壁打孔波纹管，间距8～12m，隧道两侧边墙墙脚外纵向分段设置φ100mmHDPE双壁打孔波纹管，每段纵向盲沟设置一处（底端）φ100mm泄水孔连接到隧道侧沟，泄水孔间距12m。

施工缝及变形缝防水设计：施工缝及变形缝是隧道防排水的薄弱环节，施工缝表面涂界面剂并设置中埋式止水带、背贴式止水带防止地下水的渗入；变形缝防水采用中埋式止水带、背贴式止水带。

3、大断面黄土隧道施工方法在施工工程中严格遵循“管超前，短开挖，强支护，早封闭，勤量测”的原则，采用动态施工，实行网络信息化管理，加强地质超前预报，加强对地表、围岩和支护的监控量测，及时对信息进行分析，以科学、合理的施工方法做到优化施工。

3.1施工方法3.1.1超前支护3.1.1.1Ⅴ级围超前支护Ⅴ级围岩开挖前沿拱部设计开挖轮廓线外10cm施作超前小导管（L＝4.5m,@40cm），预注M20水泥砂浆加固地层。

超前小导管外插角为3°～5°，纵向搭接长度不小于1.5m，采用ZM-12T型煤电钻钻孔，采用YT28型风枪顶进超前小导管，小导管插入孔内的长度不小于管长90%。

尾部与型钢钢架焊接固定，JYZ－2型注浆泵进行注浆作业。

制作钢花管：Φ42mm超前小导管在钢构件加工场制作。

前端做成尖锥形，尾部焊接φ8mm钢筋加劲箍，管壁上每隔15cm交错布置注浆孔，孔眼直径为6～8mm，详见图1《注浆小导管加工图》。

小导管安装：采用ZM-12T型煤电钻钻设锚杆孔后，将小导管按设计要求插入孔中，或用YT28型风枪直接将小导管从型钢钢架上部中部顶入，外露端支撑于开挖面后方的钢架上，与钢架共同组成预支护体系。

图1 注浆小导管加工图注浆：注浆设备采用JYZ－2型注浆泵，注M20水泥砂浆，在管口处设止浆塞。

水泥砂浆采用小型砂浆搅拌机拌制，注浆压力一般为0.5～1.0MPa。

注浆前先喷射混凝土3～5cm封闭掌子面作止浆盘，注浆量一般为钻孔圆柱体的1.5倍，若注浆量超限，未达到压力要求，应调整浆液浓度继续注浆，直至符合注浆质量标准，确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙均为浆液充填，方可终止注浆。

注浆先从拱顶开始向下注，先灌注“单”号孔，再灌注“双”号孔。

注浆参数应根据注浆试验结果及现场情况适当调整。

注浆作业中认真填写注浆记录，随时分析和改进，并注意观察施工支护工作面的状态，试挖掌子面，无明显渗水时，即可进行开挖作业。

工艺流程图：参见图2《小导管施工工艺框图》3.1.1.2Ⅳ级围超前支护本段Ⅳ级围岩主要以老黄土为主。

设计要求在局部含水量大的地段，拱部采用Φ42小导管进行超前支护。

具体钻孔、插管施工方法同Ⅴ级围岩小导管施工方法。

注浆：注浆采用M20砂浆，具体注浆方法及工艺同Ⅴ级围岩小导管注浆施工方法。

图2 小导管施工工艺框图3.1.2开挖3.1.2.1Ⅴ级围岩开挖黄土隧道Ⅴ级围岩采用CRD法进行开挖。

其工艺流程见图3。

Ⅴ级围岩段设计开挖断面尺寸为：15.20m×13.18m（宽×高），包括预留变形量10cm,开挖断面积163.81m2。

CRD法开挖将断面分隔成左右两侧、上、下部及底部六个部分，根据临时支撑形式，先开挖左上导，开挖采用预留核心土法施工（核心土高度距拱顶1.6～1.8m,距边墙3m，距中隔壁2m，核心土顶部留一图3 Ⅴ级围岩开挖施工工艺流程图长1.5m平台便于人工操作，纵向为1：1降坡至开挖线底部），一次掘进1榀。

采用挖掘机开挖，先开挖边墙处，再开挖中隔壁一侧，预留30cm，采用人工开挖至设计轮廓线。

再开挖右侧，右侧滞后左侧控制在10米以内。

每侧上部台阶长度控制在3m左右；中部台阶长度控制在6m以内；下部开挖，根据仰拱施工离掌子面的距离不超过30米的原则及时跟进。

洞内出碴采用挖掘机装碴，自卸汽车运输。

开挖和装碴同时作业。

3.1.2.2Ⅳ级围岩弧形导坑法开挖本线黄土隧道Ⅳ级围岩采用弧形导坑预留核心土法进行开挖。

其工艺流程见图4。

①开挖方法Ⅳ级围岩段设计开挖断面尺寸为：14.82m×12.80m（宽×高）包括预留变形量10cm，开挖断面积155.08m2。

采用弧形导坑预留核心土法进行开挖，将整个断面分成上、中、下以及底部四部分台阶错台开挖。

其中上部超前中部3～5m，中部超前下部3～5m，下部超前底部10m，逐级掘进开挖。

为方便机械作业，上部开挖高度控制在4.5m左右，中部台阶高度也控制在4.5m左右，下部台阶控制在3.5m左右。

Ⅳ级围岩局部含水量大的地方，在开挖前拱部环向以40cm间距采用L=3.5m长的Φ42超前小导管对开挖岩体进行注浆预加固，待浆液达到一定强度后，采用小型挖掘机开挖，并预留一定厚度由人工持风镐修边到位，保证轮廓的圆顺和平整。

②开挖及出碴设备根据断面尺寸，Ⅳ级围岩开挖仍采用1台PC225型挖掘机开挖作业，按照左右分部交错开挖的方式开展开挖作业。

根据各部开挖尺寸，图4 Ⅳ级围岩开挖施工工艺框图完全满足该挖掘机作业空间需要。

洞内出碴采用PC225型挖掘机装碴，也可采用装载机配合装碴，自卸汽车运输。

开挖和装碴同时作业。

③开挖顺序上中下部进Ⅳ级围岩按照弧形导坑预留核心土法开挖，整个断面分成上、中、下以及底部四个部分进行开挖，其中上部采用环形开挖预留核心土。

根据开挖断面，为保证施工进度，达到黄土隧道快速施工的目的，各部在合理组织、相互协调配合施工的基础可分成左右侧上、中、下部按照开挖和支护工序顺序作业的方式开展施工，以解决各部开挖运输出碴的通道的问题；底部利用上部进行超前支护及钢拱架安装的作业时间一次开挖4.5m，这样可最大限度的减小各部施工的干扰问题。

3.1.3 初期支护3.1.3.1Ⅴ级围岩初期支护每一部分开挖完成后，及时喷射4cm微纤维混凝土对围岩进行封闭。

Ⅴ级围岩按照1榀/0.6m间距架立I25a型钢钢架，纵向采用Φ42钢管连接，间距100X100cm。

打设Φ22系统锚杆、φ42锁脚锚管，挂铺Φ8@20X20cm钢筋网。

首先将预先在加工场地试拼装合格的型钢钢架动至洞口等准备工作，根据测量放线定出的钢架位置打设钢架定位钢筋，分段安装钢架，两垫板用螺栓连接牢固，钢架与定位钢筋焊接固定，打设系统锚杆，挂铺钢筋网片，打设锁脚锚杆，待锚杆的砂浆有一定强度后安装锚杆垫板，拧紧螺栓，最后作好喷射混凝土厚度标志等喷射混凝土准备工作。

检查合格后，进行喷射微纤维混凝土施工。

首先试运转空压机，湿喷机等机械设备，调节好湿喷机的送风风压并用高压风清洗好工作岩面上的浮碴及粉尘，混凝土工作自下而上分片分层进行，分片高度为4～5m，分层厚度为边墙6～9cm，拱部5～6cm。

达到喷射厚度后用人工凿除存在空鼓及凹凸不平部分，最后喷射混凝土找平，使混凝土平整度满足验标要求，完成一个初期支护施工循环。

2小时后进行喷雾养护，一天两次，连续14天以上。