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1、黄土隧道施工技术,一、郑西客运专线黄土隧道围岩分级 二、地表黄土陷穴、冲沟、塌滑体的处理 三、黄土隧道常用的施工方法 四、几个观点,一、郑西客运专线黄土隧道围岩分级 1.描述黄土性质的定量参数(1)主要的物理性质指标有：密度、含水量、孔隙比、饱和度、液限、塑限、塑性指数、液性指数等。物理指标是黄土客观存在状态的描述，它综合地表现了自身存在状态和其环境的信息。(2)主要的水理性质指标有：渗透系数、固结系数等。(3)主要的力学性质指标有：变形指标压缩系数和压缩模量，特殊指标湿陷系数，强度指标粘聚力和内摩擦角。力学指标则是黄土在受到能量或物质扰动时表现出来的运动或演化过程及性状的表示，是外因扰动使内
2、因作出调整的、表现出自适应的一种性质，是一种功能性指标，取决于人们的认识水平和接受能力，它不仅仅取决于自身现在的客观存在状态，且人们的认识能力、水平和实际需求有关，具体而言就是扰动的方式、强度、频次等，如工程类型、使用功能、结构形式、尺寸大小、施工方法和循环进尺等等。,2.分级选用的指标 黄土隧道围岩的分类应主要以现在的物理指标和力学指标为主，其它因素（如埋深和地下水及结构面等）为参考来进行。对前面的参数进行筛选和比较后，选择了16个能获得的指标进行统计分析，分别是：埋深（H）、黄土类型（T）、含水量（）、密度（）、颗粒比重（Gs）、孔隙比（e）、饱和度（Sr）、液限（L）、塑限（P）、塑性指
3、数（IP）、液性指数（IL）、压缩系数（a1-2）、压缩模量（Es）、粘聚力（C）、内摩擦角（）、湿陷系数（）。在分类之前，先将上述16个指标按如下思路进行简单区分：按系统、环境和系统与环境的相互作用分类 系统（内因）：黄土类型（T）、密度（）、颗粒比重（Gs）、含水量（）、孔隙比（e）、饱和度（Sr）、液限（L）、塑限（P）、塑性指数（IP）、液性指数（IL）。环境（外因）：埋深（H）。相互作用（力学性质）：压缩系数（a1-2）、压缩模量（Es）、湿陷系数（）、粘聚力（C）、内摩擦角（）。,按参数获取的方法精度分类 最精确：黄土类型（T）、含水量（）。较精确：埋深（H）、密度（）、颗粒比重（
4、Gs）、孔隙比（e）、饱和度（Sr）。一般精确：液限（L）、塑限（P）、塑性指数（IP）、液性指数（IL）、压缩系数（a1-2）、压缩模量（Es）、湿陷系数（）、粘聚力（C）、内摩擦角（）。3.郑西客运专线大断面黄土隧道的围岩分级方案 首先，从工程应用的实用性、便捷性以及参数的可靠性来看，最佳参数指标应为：密度（）、含水量（）和埋深（H）。将勘测资料，按照埋深进行归纳整理，分析黄土工程性质随埋深、含水量及密度的变化规律。,其次，分别按照新黄土（主要是Q3）和老黄土（Q2、Q1），考虑含水量和黄土的砂质、粘质（按塑性指数的分类），分别进行数理统计，统计采用的数据是未区分埋深因素的所有勘测、试验资
5、料，涉及的参数主要有：密度、含水量、孔隙比、饱和度、液限、塑限、塑性指数、液性指数、压缩系数、压缩模量、粘聚力、内摩擦角等。最后，通过对各参数的变异性评价、单个变量之间的相关分析、力学参数和物理参数之间的多元线性回归分析，确定影响郑西客运专线黄土隧道围岩的工程性质和稳定性的主要参数指标及其特征值或界限值，在此基础上，结合已公开发表的相关研究成果、部分现场原位试验和测试资料和工程实践经验，划分郑西客运专线黄土隧道的围岩分级方案，并对全线黄土隧道围岩进行分级及统计。,4.郑西客运专线大断面黄土隧道的围岩分级结果,二、地表黄土陷穴、冲沟、塌滑体的处理 在隧道的勘查、设计、施工及运营养护阶段都应该时刻
6、关注地表黄土情况，妥善处理好陷穴、冲沟、塌滑体等不良地质地段。1黄土陷穴及人为坑洞的处理 在隧道勘查阶段，应该有关于陷穴及人为坑洞（例如掏沙洞）的专门的勘探资料，描绘陷穴的分布情况、形状、大小，地下是否有水囊等。,设计单位在与施工单位、监理单位进行技术交底时，应明确陷穴情况及回填方案。施工单位在进场时首先要做的就是对隧道上方地表陷穴的回填或注浆，确保回填密实，施做防水层及排水坡,并且顺沟。切忌形成新的积水坑，产生新的陷穴。处理完地表后才能进洞开挖。在隧道的整个施工期间，时刻观察地表情况，一旦出现新的陷穴立即进行回填封堵。,2冲沟的处理 对主沟施做浆砌片石水沟，水沟沟壁低于地面2030cm。对易
7、积水洼地或坡度太小的冲沟采用顺沟措施，以利能顺利引排地表径流。其它地表部位修建排水坡，排水坡不能太小，以便地表水流顺利流入排水沟。在隧道的整个施工期间，施工单位注意检查排水坡，对损坏的水沟重新修补，经常对排水沟进行清淤，以保证排水畅通。,3塌滑体的处理 由于隧道洞口的开挖或者是塌方等造成的塌滑体，需要及时处理，通过坡脚防护、坡顶减载、塌滑面防水处理、地表水流的引排等措施稳定塌滑体，避免造成二次灾害。,返回,三、黄土隧道常用的施工方法 根据不同性状黄土的力学特性及稳定性状况，为了适应地质条件差、断面大、对初期支护施工不利的影响，减少隧道及地表的下沉量，预防在黄土中开挖隧道的大变形和坍塌问题，采用
8、弧形导坑核心土法（又称环形开挖留核心土法），结合喷射砼及时封闭开挖面，用超前小导管、超前管棚支护、钢拱支撑、挂网、打锁拱锚杆（管）等来加强土体强度及限制围岩应力重新分布，按照“管超前，短进尺，少扰动，早喷锚，强支护，,紧封闭，勤量测”的原则，随挖随支，各道工序紧密衔接，环环紧扣，实施短开挖和快循环来减少对土体的扰动，是目前黄土隧道施工的较完整的方法。施工作业线按4条主作业线、3条辅助作业线布置。4条主作业线即开挖作业线、装碴运输作业线、喷锚支护作业线、衬砌作业线。3条辅助作业线为通风降尘作业线、注浆作业线、排水作业线。（一）施工方法 针对不同的黄土隧道可选择的施工方法如下：,1弧形导坑核心土法
9、2七步开挖短台阶法3双层支护短台阶法4CD法5CRD法6单侧壁导坑法7双侧壁导坑法,七步开挖短台阶法,1,2,3,4,5,6,7,七步开挖短台阶法工法简介:洞身开挖采用短台阶七步开挖法施工，是指隧道整个断面开挖分七个开挖面，以前后七个不同的位置相互错开同时开挖，然后分部同时支护，形成支护整体，尽量缩短作业循环时间，逐步向纵深推进的作业方法。七步开挖短台阶法施工程序:第1步：拱部进行超前支护后，采取上弧导预留核心土短台阶开挖。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：在承载拱的支护下，分别开挖中台阶左右边墙，以一定的时间差进行中台阶边墙初
10、期支护，使同一断面处暴露开挖面仅限于一侧。第4、5步：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：开挖中部上、中、下台阶预留土。第7步：下台阶开挖落底，并及时施作仰拱初期支护及仰拱砼，及时封闭成环。,返回,（二）工艺要点 1黄土隧道土质比较松散，且层厚一般为2060cm，开挖后易形成分层坍塌，故需较强的初期支护，采用超前小管棚方案较适宜。根据工地实际情况，设计并施打超前管棚（若需要）。钢管直径一般为60 mm，长4.5m，间距30cm，外插角20，首尾相接长度不少于1.5m。钢管内充填20号砼或者水泥砂浆。2上半断面人工用风镐及电铲掏槽。掏槽宽度视
11、工法和施工机械而定，纵向掏槽深度每次约0.8m。严禁放炮，以减少对围岩的扰动，避免坍塌。,3如有必要，开挖后立即射砼封闭断面。喷射4cm厚的20号砼，封闭开挖断面，以免孔隙水从断面处渗出，而使土体失稳。4架钢拱及挂网。钢拱规格为20a，按设计断面计算用量。拱架之间的间距依每次开挖长度约为0.8m（假设），每榀钢拱纵向用20钢筋连接，钢筋间距不大于1.2m。管棚尾端焊接于拱架腹部，以增强共同支护作用。8钢筋网格间距为20cm20cm。钢拱架下增设钢筋混凝土垫块，垫块宽度取35cm，高度20cm，纵向长度与开挖进尺相一致，保证立拱质量。,5在钢拱架处打锁拱锚杆（管，注浆），将拱架锁定，以防止拱架及
12、围岩的变形与下沉。可用50锁脚锚管，管内压注水泥砂浆，对于新黄土段长度取4.5m，老黄土段长度取3.5cm。,不可轻视的锁脚注浆锚杆的作用，初期支护体系的刚度与稳定性是通过钢拱架来体现的。,设计图中应该标注锁拱（脚）锚杆的施作位置、长度、打入的方向和角度。6喷射砼填充钢拱间空隙。拱架与开挖轮廓之间的所有间隙用20号砼喷射充填密实，先喷拱架与轮廓之间空隙，再喷拱架，然后再喷拱架之间，直至喷到规定的厚度。7按上述15的方式开挖5m左右后，开挖支撑掌子面的核心土支持部分。,8在上半断面初期支护稳定的条件下，开始开挖下半断面，如有必要在上半断面的钢拱的拱脚处补打锁脚锚杆（管）或扩大拱脚，以防止拱架及围
13、岩变形与下沉。钢拱架下增设钢筋混凝土垫块，垫块宽度取35cm，高度20cm，纵向长度与开挖进尺相一致，保证立拱质量。9开挖出碴完成后立即喷射砼封闭围岩，然后架钢拱支撑和挂网，在钢拱架处打锁拱锚杆（管，注浆），长度在3.5m以上，经分层喷射砼直到设计厚度。,10如果初期支护采用立拱架人工浇筑混凝土，受施工空间限制及混凝土自身塌落的影响，拱顶部分混凝土存在不密实及与顶部土体间存在少量空隙现象，给上方土体变形提供了空间并造成松动圈扩大的恶化现象，砼不密实又造成衬砌强度不足给今后拱顶的变形开裂提供了有利的条件。针对这一不利条件，应采取在初次衬砌拆模后立即在拱部4m范围内压注高标号水泥砂浆的方式填塞空隙
14、，加强混凝土不密实部位的衬砌结构。11施做仰拱及底部铺底，注意使仰拱与边墙形成刚性联结。,仰拱的作用有三个方面：抵御底部围岩压力；防止或减少衬砌沉降；使衬砌形成一个环状的封闭整体结构。如果仰拱与边墙不是刚性联结，就无法将边墙的竖向荷载通过仰拱均匀传递到基底上。仰拱整体浇筑，避免基底翻浆冒泥，实施仰拱铺底的限裂设计。12铺设土工布防水板，土工布要有一定的松弛度，确保混凝土灌注后防水板能与铺设砼面密贴，无空洞。注意焊缝质量和初衬表面的平整度。,13浇筑二次衬砌，注意三缝（施工缝、沉降缝和伸缩缝）的防水处理。根据监控量测结果及时施作二次衬砌，二次衬砌采用先墙后拱法施工。采用全液压整体衬砌台车，混凝土
15、由电子计量拌和站搅拌，输送车运输，湿凝土泵泵送，以保证二次衬砌内实外美，表面光洁平整。,（三）质量控制要点 1严格控制管棚角度 2喷射混凝土采用湿喷技术，达到降低混凝土回弹损失、改善作业环境和提高喷射混凝土质量的目的。3严格喷射砼工艺，按配合比拌制砼料，特别要严格控制外加剂掺量。新旧砼面要清洗至露出砼的本色，没有泥土或杂物。分层喷射，以保证喷射砼的质量。4保证立拱质量。注意螺栓松紧程度和连接筋的焊接质量。,5确保钢筋网与围岩紧密相贴，钢筋网必须连接牢固，否则喷射砼时会振动钢筋网，从而降低喷射砼质量。6保证核心土的大小和长度 7清除拱脚积水与淤泥，通过打拱脚锚杆（保证锁脚锚杆的施工质量）或扩大拱
16、脚认真加固拱脚，加强纵向联结，使初期支护与围岩形成完整体系。8尽量单侧落底或双侧交错落底，避免上半断面两侧拱脚同时悬空；控制落底长度，视围岩情况采用1-3m，不大于6m。,9减少上、下台阶施工的相互干扰，并及时封闭成环。10找出每道工序的合理施工时间，各工序严格按标定时间进行控制，从而缩短循环作业时间，减少开挖面土体的暴露时间。11仰拱超前施工，尽可能早的形成封闭的受力结构。12及时监控量测围岩，观察拱顶，拱脚的收剑情况，据此调整初期支护参数。,（四）施工原则 1按新奥法原理组织施工的原则，但是要注意砂质新黄土可以利用的围岩自承能力非常有限。2依靠信息反馈，实行动态设计、信息化施工的原则。3突
17、出超前地质预测预报并纳入施工工序的原则。4坚持“管超前，短进尺，少扰动，早喷锚，强支护，紧封闭，勤量测”原则。,5严格控制隧道内施工用水，并做好施工用水排放管理的原则。6加大设备投入，组织机械化、专业化施工的原则。7施工机械与施工方法配套，优化资源配置的原则。8突出科技创新的原则。,（五）施工注意事项 由于黄土围岩的特殊性，黄土隧道的施工应注意以下事项：1首先做好洞顶、洞门及洞口的防排水系统，并妥善处理好陷穴、裂缝，以免地面积水浸蚀洞体周围，造成土体坍塌。2在进洞开挖前，必须做好洞口护拱或超前管棚导向墙，并认真做好超前支护后方可进行土石方开挖。3开挖后必须先初喷，然后挂网、架设钢拱架、施作锁脚
18、锚管等，各工序紧跟，严禁长距离开挖。,4在含有地下水的黄土层中施工时，洞内排水沟应进行铺砌，必要时应配合井点降水等法将地下水位降至隧道衬砌底部以下，以保施工顺利进行。5在干燥无水的黄土层中施工，应管理好施工用水，不使废水漫流。6如发现工作面有失稳现象，应及时用喷混凝土封闭、加设锚杆、架立钢支撑等加强支护。,7采用台阶法施工时，对于下面土体加固多采用留设核心土的方法，核心土的留设可使工作面前方土处于三向应力状态，可降低工作面土体的松驰范围，因此对于核心土的留设应引起足够的重视。8采用上下台阶法开挖时，其台阶总长度宜控制在1D 左右，核心土长度可在0.5D 左右；采用三台阶法施工时，其台阶总长度控
19、制在1.5D 左右，核心土长度可在0.5D 左右。,9施工时要特别注意拱脚与墙脚处断面，除了必要的大拱脚外，如超挖过大，应用浆砌片石回填，避免用碎石、土块回填。如发现该处土体承载力不够，应立即加设锚杆或采取其它措施进行加固。10拱脚处为了方便锁脚锚管施工，其工作空间可适当增大，锁脚锚管需与钢拱架同步施工，严禁滞后补作。保证锁拱锚杆的施做质量，真正起到锁定钢拱架的作用。,11增加钢拱架临时支撑：黄土地层承载力一般为120-300kpa。钢拱架下增设钢筋混凝土垫块，垫块宽度取35cm，高度20cm，纵向长度与开挖进尺相一致，保证立拱质量。12尽量缩短各个台阶的长度，及时施做加强的初期支护，尽可能早
20、的形成封闭的受力结构，避免或减少围岩的松弛变形。13无水黄土的粘滞系数大，围岩壁立性较好，但拱部地层稳定性较差，同时初期支护与围岩的粘结力较低，易产生拱脚步或墙脚步失稳，因此应注意对拱脚、墙脚以及边墙部位的保护。,14在开挖与灌筑仰拱前，为防止边墙向内位移，宜加设横梁顶紧。15喷射机所用的压力，一般以不超过0.2MPa为宜。16若拱部位于砂层时，为防止喷混凝土层塌落，可用4mm的密钢丝网紧贴开挖面作为固定初喷混凝土用。密网用两根8mm、长35cm的锚钉加以固定；也可用2根22mm的环向钢筋将网压紧在开挖面上，以防喷混凝土时钢丝网脱落。17钻锚杆孔时，宜采用干钻。锚杆宜采用药包式或早强砂浆式锚杆
21、。,18防止二次衬砌开裂。避免施工不当引起的开裂，严格控制温度收缩、干燥收缩而产生的裂缝。当混凝土强度达到8MPa以上才可拆模。通过采用水化热低的水泥、减少水泥用量、缩短混凝土灌注长度等措施可有效控制裂缝。19施工中如发现不安全因素时，应暂停开挖，加强临时支护，以便采取适应性的工序安排。,返回,四、几个观点 1黄土隧道与岩石隧道不同之处在于：岩石隧道随着开挖后围岩的收敛变形应力发生重分布，并可能达到新的平衡；而黄土隧道则会随着变形增加，破坏可能不断加剧，并引发衬砌砼的变形和开裂。故在黄土隧道设计和施工中，应把控制变形及其发展放在首位，从最大限度地保护围岩天然结构强度，减少变形产生裂缝造成土体强
22、度的损失出发，选择能有效控制变形的支护型式和施做方式，是隧道建设成败的关键因素。从这一观点出发，初期支护应该是刚性较大的，而非柔性的。此观点对于砂质黄土尤为重要。,2黄土隧道的必测项目的测试断面间距宜为6m。3黄土隧道施工的中标单位应该是合理报价单位。4弧形导坑高度不宜大于1.8m。5对于砂质新黄土隧道的衬砌结构宜为：钢架模湿喷混凝土初次支护+防水层+二次模筑衬砌。,6喷射混凝土宜为湿喷方式。干喷砼的主要缺点是：砼水灰比难以控制，均质性差、和易性差，离散性强，强度波动性大，强度水平低，作业环境差。7黄土隧道中系统锚杆无挤压加固作用。可以将系统锚杆改为带弯勾的锁拱锚杆，并注意打入的方向和角度。,谢谢大家！,
