黄土质隧道大断面浅埋段开挖关键技术
评
审
材
料
中国铁建十一局集团公司
二〇一〇年五月
黄土质隧道大断面浅埋段开挖技术简介
一、工程概况
包西铁路通道省界（陕西）大保当至张桥段BXS-2标庆兴特长隧道（DK691+253～DK701+493）位于陕西西社至盘龙之间，庆兴村及蒙新庄附近，所属中朝淮地台中的陕甘宁台坳和汾渭地堑两个二级构造单元接触带上，属韩城――铜川断褶带，构造活动强烈，断裂发育。隧道最大埋深约110m，最小埋深约5m，设计为包西线第一长双线黄土隧道。
本隧道穿过地段大部分为黄土地层，不良地质为湿陷性黄土、膨胀土、细砂软弱层,施工困难地段为174m2大断面黄土段、斜井三叉口段及两处下穿县级柏油公路等。
庆兴隧道黄土段为黏质黄土,其物理、力学指标如下：
天然密度2.0g／cm3
天然含水量23%左右
天然孔隙比0.67
孔隙率40.2%
饱和度95%
液限37%
塑限22%
塑性指数15
液性指数0.16
二、成果主要用途
该成果适用于铁路、公路等大断面湿陷性黄土隧道Ⅳ围岩偏压、Ⅴ级围岩及Ⅴ级围岩浅埋开挖，也适用于土体含水量较大、围岩不稳定的Ⅳ围岩地段开挖。
三、成果与国内外对比
1、对于黄土隧道施工国内外已有成功的经验，但普遍存在施工慢，施工工期长的特点。我公司修建的庆兴隧道地质情况比较复杂，工期较紧的情况，在国内外还没有一套成熟的施工经验。
2、预留核心土三台阶七步开挖法在我国湿陷性黄土Ⅴ围岩浅埋地段很少采用，开挖速度快速和质量可控性，填补了我集团公司施工空白。
四、成果技术原理
1、通过超前大管棚支护系统，较快地形成全断面支护封闭结构，控制围岩的变形，以施工中的围岩量测，及时反馈岩变信息，对指导施工极为有利。
2、将隧道整个断面开挖分成三个台阶七个开挖面，在七个不同的位置相互错开，平
行开挖，有利加快开挖速度，然后分部同时支护,
形成支护整体，确保安全并逐步向纵
深推进以缩短作业循环时间。
五、关键技术及创新点
1、套拱（导向墙）施工技术。采用了套
拱导向墙施工，确保了大管棚施工质量，为以
后洞口施工的安全及进洞浅埋段的施工安全
提供的有利的保证。
2、超前大管棚支护施工技术。将钢花管沿隧道开挖面外排列形成钢管棚，管内注浆，并与强有力的型钢架组
合成承载拱，可以确保在隧道开挖后至洞内支护
结构产生支护作用前的时段内，
支承临空的围岩，从而维持开挖面的围岩稳定，
有效地保证掘进施工的初期支护的安全。
3、三台阶七步开挖法施工技术。三台阶七
步开挖法是将隧道整个断面开挖分成三个台阶
七个开挖面，在七个不同的位置相互错开，平行
开挖，有利加快开挖速度，然后分部同时支护,形成支护整体，确保安全并逐步向纵深推进以缩短作业循环时间。
庆兴隧道采用“三台阶七步开挖法”进行
试验段施工，通过大量试验及量测数据的取得，
及时总结反复论证，成功地解决了黄土隧道施
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
进施工的目标，工期进度得到了保证。
4、围岩监控量测施工技术。监控量测是黄
土隧道施工的重要工作。根据本隧道的特点，我们确定了必测项目：⑴洞内、外观察；⑵二次衬砌前净空变化；⑶拱顶下沉；⑷地表下沉（浅埋隧道必测，H0≤2b 时）；⑸二导向墙施工
次衬砌后净空变化；⑹沉降缝两侧底板不均Array匀沉降；⑺洞口段与路基过渡段不均匀沉降
观测。选测项目：⑴地表下沉（H0≥2b时）；
⑵隧底隆起。
在施工中通过在隧道内每5m设一个监
控量测断面，每个断面按照要求布设7个观
测点，在隧道外地表超前掌子面里程5m布
设一排沉降观测桩，每排布设7个观测点，
建立量测小组，严格按照量测规范要求，每天至少进行3次观测，准确掌握沉降和收敛情况，并及时进行分析、反馈，根据实际情况指导现场施工。通过监控量测工作确保了隧道的施工安全。
六、应用和推广情况
该成果已成功应用于包西铁路庆兴隧道、陕西吴堡至子洲高速公路问沟隧道及郑西客运专线张茅隧道施工中。它的成功应用总结出了一套实用的大断面黄土质隧道浅埋段快速施工技术，达到同类施工先进水平，在类似工程中具有很好的指导和参考价值。
七、经济及社会效益
1、经济效益
预留核心土三台阶七步开挖法与传统双侧壁导坑工法、中隔壁工法（CD法）、交叉中隔壁工法（CRD法）相比省去了临时支撑，节约了工程材料；可以使用大型机械开挖，各个工序之间衔接紧凑，提高了开挖的速度，缩短了工程工期，降低了工程管理成本。
2、社会效益
三台阶七步开挖法在包西铁路庆兴隧道出口段的运用不仅解决了传统工法限制了大型施工机械的使用、拆除中间临时支撑时初期支护会因突然卸载而出现大的变形，存在安全隐患、各分部开挖工作面施工初期支护时循环衔接性差，相互干扰大，初支不圆顺，易引起应力集中，质量不能得到充分保证、临时支护多，投入大、不经济等局限性，同时也加快了施工进度，赢得施工的时间，更为我公司以后大断面黄土隧道施工提供了宝贵的施工经验。三台阶七步开挖法在包西庆兴隧道的成功运用，得到了业主、监理、设计、质检单位的充分肯定，多次受到上级领导表彰和组织兄弟单位来观摩学习。中铁第一勘察设计院还专门来现场拍摄技术专题片，为我集团公司在西北铁路、公路市场创
造了良好的社会信誉，也为企业今后在同类隧道施工积累了宝贵的经验。
铁路建设工程部级工法
申报材料
（2010年度）
工法名称：黄土质隧道大断面浅埋段
开挖工法
申报单位：中铁十一局集团有限公司
中铁十一局集团第二工程有限公司申报时间：二0一0年五月
目录
1.铁路建设工程部级工法申报表
2.工法内容说明
3.企业级工法批准文件（扫描件）
4. 工法应用情况证明（原件）
5. 经济效益证明（原件）
6. 社会效益证明（原件）
7. 环保节能效益证明（原件）
8. 相关的其他内容
黄土质隧道大断面浅埋段开挖工法
工法编号：T11GF-09-004
完成单位：中铁十一局集团有限公司
中铁十一局集团第二工程有限公司
主要执笔人：董瑞武周光军刘伟吴应明
1．前言
随着隧道工程的发展，处理复杂地质条件下的掘进开挖方法也应运而生，尤其是洞口段普遍存在着地质软弱、浅埋的情况，近年发展起来的双侧壁导坑法、中隔壁法（CD法）、交叉中隔壁（CRD）等方法，有效地解决了隧道浅埋、软弱地段的掘进问题，但对于黄土质隧道，尤其是大断面又浅埋的隧道，上述方法难于取得成效。中铁十一局集团第二工程有限公司承建的位于陕西省蒲城县境内的包西铁路庆兴隧道，是典型的黄土隧道，且有些地段还显现温陷性黄土，两洞口浅埋段近千米。针对这些特点，掘进时在洞口浅埋段采用了三台阶七步开挖法，并严格遵循“短开挖、留核心；早封闭、快成环；强支护、稳拱脚；严控水、紧仰拱；勤量测、速反馈”的施工原则，同时结合套拱大管棚超前支护等方法，安全的、优质的、快速的完成了隧道施工任务。其中《铁路黄土质长大隧道综合施工技术》获集团公司科技进步二等奖，《庆兴黄土隧道出口及浅埋段施工技术》获总公司优秀论文一等奖，现经总结形成了本工法。
2. 工法特点
1、用套拱导向墙和大管棚超前支护，保证洞口洞门段安全，有利于暗洞的顺利掘进。
2、正洞分三台阶七步开挖，有利于大型机械在洞内施展，克服因拆除中间临时支撑时初期支护会因突然卸载而出现大的变形，存在安全隐患的问题。同时也解决了其他方法存在的各分部开挖初期支护时，循环衔接性差，相互干扰大，初支不圆顺，且极易引起应力集中的不利因素。
3、洞内空间临时支护少，干扰也少，便于大型机械操作，有利组织快速施工和文明施工。
3. 适用范围
本工法适用于大断面湿陷性黄土隧道Ⅳ围岩偏压、Ⅴ级围岩及Ⅴ级围岩浅埋开挖，也适用于土体含水量较大、围岩不稳定的Ⅳ围岩地段开挖。
4. 工艺原理
1、通过超前大管棚支护系统，较快地形成全断面支护封闭结构，控制围岩的变形，以施工中的围岩量测，及时反馈岩变信息，对指导施工极为有利。
2、将隧道整个断面开挖分成三个台阶七个开挖面，在七个不同的位置相互错开，平行开挖，有利加快开挖速度，然后分部同时支护,形成支护整体，确保安全并逐步向纵深推进以缩短作业循环时间。
5. 施工工艺流程及操作要点
5.1 施工工艺流程见图5-1。
5.2 操作要点
5.2.1 套拱（导向墙）施工
在洞口及明洞段土方，自上而下开挖至暗洞拱顶设计开挖线下130cm时预留核心土平台，横向再分台阶向下开挖，直至起拱线，台阶坡比1：0.3。套拱（50cm厚）范围外明暗交接面按1：0.3坡比开挖，套拱范围内开槽按垂直面开挖。明洞边坡随同明暗交接面一起向下开挖至起拱线处。套拱施工前对起拱线处地基进行夯实，底部设预制砼垫块。安设4榀I20b型钢拱架，尾段与钢板焊接，间距0.6m，两端各留10cm，自里向外加固套拱钢拱架、模板支撑钢架（I20b），并按大管棚超前支护方案提前在套拱的4榀钢拱架外缘预埋焊接固定φ133（δ=6mm）的钢管，长2米，作为管棚导向管，导向管按设计环向间距50cm居中对称布置30根，位置、方向要准确。钢管焊接在拱架外缘,两端各预留10cm，外插角度通过里侧钢拱架外缘加焊钢筋接头来实现。导向管完成后，安装加固套拱拱圈内、外侧及堵头模板，检查合格后浇筑混凝土。
5.2.搭设作业平台钻机就位
管棚钻机在核心土平台上就位加固，钻机平台可用枕木或钢管脚手架搭设，搭设平台应一次性搭好，由两台钻机从高孔位向低孔位对称进行，可缩短移动钻机与搭设平台时间，便于钻机定
图5-1黄土质隧道大断面浅埋段开挖施工工艺
位。平台支撑要着实地，搭接要牢固、稳定。防止在施钻时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移等，影响钻孔质量。
5.2.3 钻孔
1.安装钻杆钻进：第一节钻杆（带钻头）沿套拱导向管开始施钻，第一节钻孔结束后，钻杆退回原位，接长钻杆继续钻进。
2.钻机开钻时，低速低压，待成孔5m 后可根据地质情况逐渐调整钻速，风压岩质较好的可以一次成孔；钻进时产生坍孔、卡钻，需要补注浆后再钻进。
3.钻进过程要根据钻机钻进的现象及时判断成孔质量，并及时处理钻进过程中出现的故障。
4.钻进过程中确保动力器、扶正器、合金钻头按同心圆钻进。
5.认真做好钻进过程的原始记录，及时对孔口岩屑进行地质判断、描述，作为开挖洞身的地质预探预报和指导洞身开挖的依据。
5.2.4 清孔验孔
钻杆配合钻头(Φ114mm)进行来回扫孔，清除浮渣至孔底，确保孔径、孔深符合要求、防止堵孔。用高压气从孔底向孔口清理钻渣。用经纬仪等检测孔深、倾角、外插角。经检验合格后，施钻下一孔，为避免扰动相邻孔位，宜每间隔两孔施钻。
5.2.5安装管棚钢管
管棚四周钻Φ12出浆孔（靠掌子面6m 的棚管不钻孔），出浆孔间距位20cm ，梅花型布置；管头焊成圆锥形。事先加工好带有注浆眼、前端锻尖的管棚钢管沿导向管送入孔内，钢管节与节用丝扣联接或管内采用套管焊接，然后可用10t 以上卷扬机配合滑轮组反压顶进；或用挖掘机斗齿顶进；也可利用钻机的冲击力和推力低速顶进钢管，顶进长度不准小于管棚长度的90％，并用高压风将管棚内的砂石吹出。
5.2.6注浆
安装好管棚后即对孔内注浆，注浆前要用塑胶泥封口堵孔口及周围裂隙。用高压泵将水泥浆压入钢管内，浆液通过钢管注浆眼压注入孔壁的缝隙内，固结附近岩土层。采用导管编号注浆，先注“单”号孔，待1至2天固结后，再注“双”号孔。本管棚位于黄土层中压注水泥浆，压力不小于2Mpa ，浆液水灰比为1：0.5～1，根据压力及注浆量情况由稀渐浓，当压力增大，吸浆量极小时，持续压注10min ，即停止注浆封孔。
5.2.7 洞内开挖：采用预留核心土三台阶七步开挖法，施工顺序见图5.2.7-1。 开挖顺序说明：
1、上台阶弧形导坑开挖。
6、上、中、下台阶核心土开挖。2、中台阶左侧边墙开挖。3、中台阶右侧边墙开挖。
7、仰拱开挖落底。6-3
21
7
6-1
6-2
16-16-26-371134
523454、下台阶左侧边墙开挖。5、下台阶右侧边墙开挖。仰拱栈桥
图5.2.7-1 预留核心土三台阶七步开挖工法顺序图
1、施工步骤：
第1步：上部弧形导坑开挖。在拱部进行超前支护后，采取上弧导预留核心土短台阶开挖，核心土长度宜为3～5m ，宽度为隧道开挖宽度的1/3～1/2，开挖循环尺1.2m ，开挖后立即初喷3～5cm 混凝土。上台阶开挖矢跨比应大于0.3，开挖后及时进行喷、锚、网系统支护，架设工字钢架并复喷至设计厚度，形成较稳定的承载拱。
第2、3步：左、右侧中台阶开挖。开挖进尺控制在1.2m，开挖高度一般为3～3.5m，左、右侧台阶错开2～3m，开挖后立即初喷3～5cm混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架墙脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。在施工中必须使同一断面处暴露开挖面仅限于一侧。
第4、5步：左、右侧下台阶开挖。在完成上中台阶支护后，分段左右开挖下台阶马口，以一定的时间差施作下台阶初期支护。
第6步：上、中、下预留核心土开挖。各台阶分别开挖预留的核心土，开挖进尺与各台阶循环进尺一致。
第7步：下台阶开挖。每循环开挖长度宜为2～3m，开挖后及时施作仰拱初期支护，完成两个隧底开挖、支护循环后，及时施作仰拱，及早封闭成环，仰拱分段长度宜为4～6m。
5.2.8 施作仰拱，形成封闭。利用仰拱栈桥灌筑仰拱及填充混凝土（仰拱与填充应分开施作）。仰拱每板4.5m，隧底初期支护施工完成后，绑扎仰拱钢筋，安装仰拱环向止水带、纵向止水带，围岩2～3d后即趋于稳定。
从仰拱开挖到支护完成期间，隧道是处于最不稳定的状态，开挖仰拱时可能会产生边墙挤出和下沉等变形，围岩条件差时应减小一次开挖长度并迅速封闭成环。
5.3 开挖注意事项
监控量测是黄土隧道施工的重要工作，在施工时隧道内每5m设一个监控量测断面，每个断面布设7个观测点，在隧道外地表超前掌子面里程5m布设一排沉降观测桩，每排布设7个观测点，建立量测小组，严格按照量测规范要求，每天至少进行3次观测，准确掌握沉降和收敛情况，并及时进行分析、反馈，根据实际情况指导现场施工。
开挖施工以机械开挖为主，必要时辅以弱爆破；施工过程通过监控量测，掌握围岩和支护的变形情况，及时调整支护参数和预留变形量，保证施工安全；完善洞内临时防排水系统，防止地下水浸泡拱墙脚基础。
6. 材料与设备
主要材料与设备配备见表6-1。
7. 质量控制
7.1管棚施工钻孔前，精确测定孔的平面位置、倾角、外插角。并对每个孔进行编号。钻孔仰角的确定应视钻杆强度而定，一般控制在2°左右，钻机最大下沉量及左右偏移量为钢管长度的 1％左右，并控制在20cm。严格控制钻孔平面位置，管棚不得侵入隧道开挖线内，相邻的钢管不得相撞和立交。经常量测孔的斜度，发现误差超限及时纠正，至终孔仍超限者，应封孔，原位重钻。掌握好开钻于正常钻进的压力和速度，防止断杆。在遇到松散的堆积层和破碎地质时，在钻进中可以考虑增加套管护壁，确保钻机顺利钻进和钢管顺利顶进。
7.2及时开挖放线，派有专人进行指挥机械开挖，避免超挖，人工进行修边，避免欠挖，保证喷射混凝土和二衬的设计厚度。
7.3严格按照监控量测规范进行布点量测，及时处理量测结果反馈信息，指导现场施工，防止围岩下沉过大。
8. 安全措施
8.1施工人员必须戴安全帽、手套，防止施工过程中受伤。
8.2派有专职安全员进行24小时跟班巡视，观察地表裂缝宽度和走向；开挖后未支护的围岩的岩质和分布，节理裂隙发育程度和方向，接触面填充物的性质、状态，涌水量和涌水压力，隧道顶部、侧部的稳定状态等；对于开挖后已支护的地段，目测观察内容包括锚杆是否被拉断，喷砼层是否产生裂隙、剥离和剪切破坏，钢架有无被压屈现象，隧道是否有底鼓现象等。当围岩变形无明显减缓或喷砼层产生较大剪力破坏时，应停止开挖工作，及时采取辅助施工措施加固围岩。
9. 环保措施
9.1对施工便道和隧道洞内定期压实和洒水，减少灰尘对周围环境的污染；装卸粉尘的材料时，采取洒水湿润或遮盖，防止沿途撒漏和扬尘。
9.2弃碴弃至指定的弃碴场，并砌筑弃碴场挡土墙，防止水土流失。
9.3对各种施工机械、车辆进行严格的废气排量检测，对排量不合格的机械、车辆坚决予以停用。
9.4施工人员佩带防毒面具，以减小对人体的伤害。
9.5隧道洞口临时边、仰坡防护为锚、喷、网结构，保持边、仰坡稳定。
9.6洞口防排水采取结合洞顶公路边沟，在洞口及明洞开挖线外设环形截水沟一道，以截排地表汇水。
10. 效益分析
预留核心土三台阶七步开挖法与传统双侧壁导坑工法、中隔壁工法（CD法）、交叉中隔壁工法（CRD 法）相比省去了临时支撑，节约了工程材料；可以使用大型机械开挖，各个工序之间衔接紧凑，提高了开挖的速度，缩短了工程工期，降低了工程管理成本。
结合当地的气候条件和施工季节，采用了合理的预留核心土三台阶七步开挖施工方法，确保了隧道施工安全和质量、下穿公路的安全，为提前完成施工任务打下坚实的基础。
11. 应用实例
实例1：包西铁路通道省界（陕西）至张桥段庆兴隧道出口管段，全部采用预留核心土三台阶七步开挖法开挖，自2008年4月起至2009年5月结束，共计完成开挖1310m的施工任务，其中包括Ⅴ级围岩261m和悬挂风机断120m。2009年9月衬砌全部完成，从沉降观测数据经过回归分析看，预留核心土三台阶七部开挖法适用大断面湿陷性黏质黄土隧道Ⅴ围岩浅埋地段开挖，成功地解决了黄土隧道施工中诸多技术难题，在确保施工安全的情况下，施工质量有序可控，实现了大断面黄土隧道快速掘进施工的目标，工期进度得到了保证。
实例2：陕西吴堡至子洲高速公路问沟隧道，也是黄土质隧道，最大开挖断面165.45m2，在浅地段施工中，采用三台阶七步开挖法，缩短工期50d，保证了整座隧道按期完成。
实例3：郑西客运专线张茅隧道长度8489m，开挖断面164 m2，采用三台阶七步开挖法施工，提前合同50d安全顺利贯通。
执笔：董瑞武、周光军、刘伟、吴应明