CN105673025A - 一种地下工程黄土隧道控制地表沉降施工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地下工程黄土隧道安全施工领域，特别涉及一种黄土隧道控制地表沉降施工工艺。该浅埋黄土隧道控制地表沉降施工工艺，针对性强，工艺简单，通过沉降变形监控量测措施，对隧道开挖施工实现了动态监控量测，对安全施工提供了可靠的数据保证；采用超前支护、刚拱架支撑以及及时喷射混凝土等措施，确保了隧道围岩结构的稳定；采用灰土挤密桩进行黄土层的加固处理，换填三七灰土，大大的提高了施工的安全性和结构的稳定性；施工过程中，选用生石灰进行化学改性，对黄土的性质进行优化，提高了黄土的强度，保证了隧道的稳定和安全。

Description

一种地下工程黄土隧道控制地表沉降施工工艺

技术领域

本发明专利涉及地下工程隧道施工领域，特别涉及一种浅埋黄土隧道控制地表沉降施工工艺。

背景技术

随着铁路工程的快速发展，黄土隧道工程施工和支护技术已逐渐发展，但是，黄土隧道因其黄土的材料特性、强度特性以及工程特性等，导致的地表沉降和变形坍塌事故时有发生。因此，针对黄土的特性展开研究，制定黄土隧道开挖施工和支护技术，深入研究地表沉降和变形控制措施十分有必要。

国外的研究主要是针对黄土区域隧道的施工和支护进行了研究；国内的研究则相对较复杂，一方面由于我国幅员辽阔，地形复杂，各地的地质和环境情况不尽相同，且存在较大的差异性，另一方面，不同的土质有着不同的特性，即便是同一种土在不同的地区，由于水质、环境、气候等导致的性质往往不同。国内大部分的学者，有的针对黄土隧道安全开挖和支护技术、地表沉降和变形的影响因素等进行研究，对黄土隧道的施工开挖技术研究相对较少，并且存在较多值得商榷之处；有的研究主要是针对黄土隧道进行研究，但是黄土区域黄土的性质复杂、多变，研究的成果具有相对的局限性；有的研究则是借助数值模拟对隧道的沉降和变形进行动态分析，但是隧道在施工过程中，各施工支护参数不断变化，模拟的结果和支护参数存在较大的误差；还有的研究在假定的条件下进行理论性的推导和可行性的分析，不具有工程实践性。

综合以上国内外研究，浅埋黄土隧道施工及地表沉降处理技术存在较多的缺陷和不足，本发明针对地下工程隧道黄土的工程特征、强度特性进行创新，提出了一种结合动态监控量测、现场施工、加固处理和化学改性处理的高效施工工艺，对黄土隧道施工开挖和支护工艺进行优化，对加快工期、完善管理和提高效益，具有重要的工程意义。。

发明内容

为了弥补现有黄土隧道地表沉降控制与处理技术的不足，本发明针对于黄土的膨胀特性，提供了一种膨胀性黄土区域隧道地表沉降控制和处理施工工艺，不仅对膨胀性黄土隧道地表沉降进行控制和处理，而且对地表沉降实现监控量测，并对膨胀性黄土土质进行了改性处理。

本发明是通过以下技术方案进行实现的：

（一）地下隧道膨胀土区域的沉降变形监控量测

（1）监控量测布置方案包括：包括拱顶下沉、上台阶收敛（水平）、地表沉降及横纵向位移和隧道地表观察等四部分内容。

（2）在隧道监测过程中，对隧道量测断面不少于7个，净空进行三次观测取平均值作为最后的记录数据。根据温度修正公式，对沉降变化值进行计算，并通过时间间隔，计算出变化速率，判断隧道沉降情况。

（3）据量测结果及下沉量，应及时封闭仰拱混凝土。仰拱衬砌到掌子面的距离控制在30m内，不能偏大，仰拱采用半幅施工法。

（4）初期支护中确保拱顶混凝土密实，二次衬砌施工与掘进工作同时作业。

（二）黄土隧道膨胀土区域施工技术

（1）采用三台阶七步开挖法，先拱墙、拱部环形法开挖，保留核心土便于支撑。采取“管超前、短开挖、强支护、勤量测、及时封闭”的施工程序。在施工中应尽量减少对围岩产生扰动，防止水的浸泡，在开挖过程中尽可能缩短威严暴露时间，并及时衬砌。二次衬砌应在围岩和初期支护变形基本稳定，变形速率小于0.2～0.5mm/d后施做二衬为宜。

（2）黄土隧道超前支护

黄土隧道土质松散且易变形，采用管棚方案及小导管进行初期支护。

对于黄土松散地段，全断面设置I20b型钢钢架，间距1榀/0.6m，拱部设双排φ42超前小导管预支护，环向间距40cm，纵向间距3m，单根长4.5m，外插角5°～15°。

对于黄土较松散地段，全断面设置I20b型钢钢架，间距1榀/0.6m，拱部设φ89中管棚，长40m，环向间距40cm，外插角1°～3°，施工单位根据施工设备自行调整工作室断面。

对于黄土松散较严重地段，全断面设置I20b型钢钢架，间距1榀/0.6m，支护即拱部设φ108大管棚，长25m，环向间距40cm，外插角1°～3°。

（3）黄土隧道拱架支撑

超前管棚和超前小导管打入前方土体中时，需在管棚尾部加设型钢支撑。采用I20b型钢钢架，分段组装，通过钢垫板用φ20螺栓将各段连成整体。安装拱架时应紧贴开挖轮廓表面，并将管棚的管尾与之焊接，使棚管或超前小导管尾端担在钢拱架上，钢拱架之间环形每隔1m设1根纵向连接筋及安装钢筋网片，在拱脚处设置锁脚小导管。

（4）黄土隧道初期支护

开挖结束后，立即进行混凝土初期支护。混凝土施工采用拌合站拌合，运输车运输，混凝土喷射机喷射混凝土密实。初期支护边墙采用L=4.0m的Ф22普通砂浆锚杆，间距1.0m布置。

（三）膨胀性黄土加固处理

（1）采用灰土挤密桩进行黄土层的加固处理。灰土桩成孔挤密，选用沉管、冲击、夯扩、爆扩等方法。严禁挖孔成孔，成孔桩挤密应间隔分批进行，成孔后及时夯填。

（2）孔底在填料前必须夯实。孔内填料采用三七灰土，填料时，分层回填夯实，压实系数不小于0.97。

（3）灰土桩施工前，场地应平整，必须清楚地上、地下一切障碍物。场地低洼时回填粘性土料，地表过软时应采取防止施工机械失稳的措施。

（4）灰土桩施工后，去掉基底以下表层35cm厚的松动层，设置50cm厚的三七灰土，并分层夯实。在基坑周围设置防水板，防水板入土深度不小于1.0m。

（四）膨胀性黄土改性处理

针对于蒙脱石晶体的稳定性、土体中颗粒单元间的联结强度等问题，采用黄土改性的措施进行处理。

（1）施工过程中，选用生石灰进行化学改性，生石灰成分选用CaO含量为73.45％，MgO含量为0.57％，质量掺合比取5.0％、压实含水量取为23.0％。

（2）对于弱黄土，采用石灰砂和砾石作为混合改性材料，用6％石灰改性后，控制最佳含水量为19％，当含水量达到20％时，强度指标达到理想状态。

（3）当砾石的掺量达到45％时，砾石骨架作用形成，石灰土填满孔隙，具有良好的密实性。当粗料含量超过70％以后，由于骨架完全有粗颗粒形成，细料填满孔隙密实情况较差。

（4）根据隧道监控量测的分析结果逐榀加设临时仰拱及斜向支撑，加固隧道结构，保证稳定和安全。

本发明的有益效果是：该浅埋黄土隧道控制地表沉降施工工艺，针对性强，工艺简单，通过沉降变形监控量测措施，对隧道开挖施工实现了动态监控量测，对安全施工提供了可靠的数据保证；采用超前支护、刚拱架支撑以及及时喷射混凝土等措施，确保了隧道围岩结构的稳定；采用灰土挤密桩进行黄土层的加固处理，换填三七灰土，大大的提高了施工的安全性和结构的稳定性；施工过程中，选用生石灰进行化学改性，对黄土的性质进行优化，提高了黄土的强度，保证了隧道的稳定和安全。

附图说明

图1为地表沉降观测点布置图；

图2为拱顶下沉监测点布置图；

图3为地表沉降处理工艺；

附图标记：1、测点；2、预计破裂面；3、地面线；4、隧道中心线；5、埋深；6、水平相对净空测线；7、内轨顶面；8、起拱线；9、拱顶下沉测点。

具体实施方式

本发明是根据太兴铁路TXXS-2小河沟隧道DK73+779～DK73+834段、DK75+054～DK75+089段工程地质为背景，进行具体的实施方式说明：

在图1中，拱顶下沉采用水平仪、铟瓦尺和挂钩尺等进行量测，周边收敛采用收敛计进行量测，测点的安设应能保证在开挖后12小时（最迟不超过24小时）内和下一循环开挖前测到初次读数，并安设在距开挖面2m范围内；周边收敛测量的测点在同一断面内，并且宜在隧道浅埋地段进行，其测点的布置与拱顶下沉及周边收敛测量的测点在同一断面内；地表下沉量测在开挖面前方（h+9）m处开始（h为隧道埋深），直到开挖面后方40～65m下沉基本停止时为止，量测频率原则上采用1～2次/日的频率，量测采用精密水平仪进行量测，测点按普通水准点埋设，并在预计破裂面以外30m左右设基准点。在隧道监测过程中，对隧道断面净空进行三次观测取平均值作为最后的记录数据。根据温度修正公式，对沉降变化值进行计算，并通过时间间隔，计算出变化速率，判断隧道沉降情况。

在图3中，对小河沟隧道DK73+779～DK73+834段、DK75+054～DK75+089段膨胀性黄土隧道进行施工，施工工艺包括膨胀土区域黄土施工技术、灰土挤密桩加固处理工艺和生石灰化学改性处理工艺三部分。

第一步：膨胀土区域黄土隧道工技术

（1）采用三台阶七步开挖法，先拱墙、拱部环形法开挖，保留核心土便于支撑。采取“管超前、短开挖、强支护、勤量测、及时封闭”的施工程序。在施工中应尽量减少对围岩产生扰动，防止水的浸泡，在开挖过程中尽可能缩短威严暴露时间，并及时衬砌。二次衬砌应在围岩和初期支护变形基本稳定，变形速率小于0.2～0.5mm/d后施做二衬为宜。

（2）超前支护

黄土隧道土质松散且易变形，采用管棚方案及小导管进行初期支护。

对于黄土松散地段，全断面设置I20b型钢钢架，间距1榀/0.6m，拱部设双排φ42超前小导管预支护，环向间距40cm，纵向间距3m，单根长4.5m，外插角5°～15°。

对于黄土较松散地段，全断面设置I20b型钢钢架，间距1榀/0.6m，拱部设φ89中管棚，长40m，环向间距40cm，外插角1°～3°，施工单位根据施工设备自行调整工作室断面。

对于黄土松散较严重地段，全断面设置I20b型钢钢架，间距1榀/0.6m，支护即拱部设φ108大管棚，长25m，环向间距40cm，外插角1°～3°。

（3）拱架支撑

超前管棚和超前小导管打入前方土体中时，需在管棚尾部加设型钢支撑，加强初期支护。采用I20b型钢钢架，分段组装，通过钢垫板用φ20螺栓将各段连成整体。安装拱架时应紧贴开挖轮廓表面，并将管棚的管尾与之焊接，使棚管或超前小导管尾端担在钢拱架上，最大限度地发挥管棚的作用，钢拱架之间环形每隔1m设1根纵向连接筋及安装钢筋网片，在拱脚处设置锁脚小导管。

（4）初期支护

开挖结束后，立即进行混凝土初期支护。混凝土施工采用拌合站拌合，运输车运输，混凝土喷射机喷射混凝土密实。初期支护边墙采用L=4.0m的Ф22普通砂浆锚杆，间距1.0m布置。

第二步：灰土挤密桩加固处理工艺：

（1）采用灰土挤密桩进行黄土层的加固处理。灰土桩成孔挤密，选用沉管、冲击、夯扩、爆扩等方法。严禁挖孔成孔，成孔桩挤密应间隔分批进行，成孔后及时夯填。

（2）孔底在填料前必须夯实。孔内填料采用三七灰土，填料时，分层回填夯实，压实系数不小于0.97。

（3）灰土桩施工前，场地应平整，必须清楚地上、地下一切障碍物。场地低洼时回填粘性土料，地表过软时应采取防止施工机械失稳的措施。

（4）灰土桩施工后，去掉基底以下表层35cm厚的松动层，设置50cm厚的三七灰土，并分层夯实。在基坑周围设置防水板，防水板入土深度不小于1.0m。

第三步：生石灰化学改性处理工艺：

（1）施工过程中，选用生石灰进行化学改性，生石灰成分选用CaO含量为73.45％，MgO含量为0.57％，质量掺合比取5.0％、压实含水量取为23.0％。

（2）对于弱黄土，采用石灰砂和砾石作为混合改性材料，用6％石灰改性后，控制最佳含水量为19％，当含水量达到20％时，强度指标达到理想状态。

（3）当砾石的掺量达到45％时，砾石骨架作用形成，石灰土填满孔隙，具有良好的密实性。当粗料含量超过70％以后，由于骨架完全有粗颗粒形成，细料填满孔隙密实情况较差。

（4）根据隧道监控量测的分析结果逐榀加设临时仰拱及斜向支撑，加固隧道结构，保证稳定和安全。

工程验证：

小河沟隧道设计为双线铁路隧道，黄土段DK75+043～DK75+557位于曲线上，DK73+754～DK75+450段坡率为3‰，DK75+450～DK75+557段坡率为8‰。隧道设计围岩结构为全段Ⅴ级，主要地质为黄土、砂质黄土。隧道进出口为第四系上更新统冲、风积（Q3eol+al）黄土层为砂质，下为上第三系黄土，σ=160～200KPa。隧道出口表层为第四系黄土（Q3eol+al），土质砂质，下伏黄土。地表出露砂质黄土和黄土，具有Ⅱ级自重湿陷性，土层的深度最大为13m；地表下20～60m为黄土。

太兴铁路TXXS-2小河沟隧道DK73+779～DK73+834段、DK75+054～DK75+089段进行验证施工支护，并对监测结果进行研究。每个隧道段选取七个典型断面，进行地表沉降量和拱顶下沉量的比较，经过分析可知：选取的DK73+779～DK73+834段和DK75+054～DK75+089段膨胀性隧道段地表沉降量和拱顶下沉量最大值均小于30mm，符合隧道施工支护标准。

Claims (5)

1.一种控制浅埋黄土隧道地表沉降施工工艺，其特征包括：监控量测布置、黄土施工工艺、黄土加固处理、黄土改性处理四部分。

2.根据权利要求1中所述，对沉降变形监控量测的施工工艺为：

（1）监控量测的具体内容包括拱顶下沉、上台阶收敛（水平）、地表沉降及横纵向位移和隧道地表观察等四部分内容；

（2）在隧道监测过程中，对隧道量测断面不少于7个，断面净空进行三次观测取平均值作为最后的记录数据；根据温度修正公式，对沉降变化值进行计算，并通过时间间隔，计算出变化速率，判断隧道沉降情况；

（3）据量测结果及下沉量，应及时封闭仰拱混凝土；仰拱衬砌到掌子面的距离控制在30m内，不能偏大；仰拱采用半幅施工法，保证上下导坑作业的进行；

（4）初期支护中确保拱顶混凝土密实，两侧拱腰处向内挤的压力很大，因此，二次衬砌施工与掘进工作同时作业。

3.根据权利要求1中所述，对黄土施工的工艺为：

（1）采用三台阶七步开挖法，先拱墙、拱部环形法开挖，保留核心土便于支撑；采取“管超前、短开挖、强支护、勤量测、及时封闭”的施工程序；在施工中应尽量减少对围岩产生扰动，防止水的浸泡，在开挖过程中尽可能缩短威严暴露时间，并及时衬砌；二次衬砌应在围岩和初期支护变形基本稳定，变形速率小于0.2～0.5mm/d后施做二衬为宜；

（2）超前支护

黄土隧道土质松散且易变形，采用管棚方案及小导管进行初期支护；

对于黄土松散地段，全断面设置I20b型钢钢架，间距1榀/0.6m，拱部设双排φ42超前小导管预支护，环向间距40cm，纵向间距3m，单根长4.5m，外插角5°～15°；

对于黄土较松散地段，全断面设置I20b型钢钢架，间距1榀/0.6m，拱部设φ89中管棚，长40m，环向间距40cm，外插角1°～3°，施工单位根据施工设备自行调整工作室断面；

对于黄土松散较严重地段，全断面设置I20b型钢钢架，间距1榀/0.6m，支护即拱部设φ108大管棚，长25m，环向间距40cm，外插角1°～3°；

（3）拱架支撑

超前管棚和超前小导管打入前方土体中时，需在管棚尾部加设型钢支撑，加强初期支护；采用I20b型钢钢架，分段组装，通过钢垫板用φ20螺栓将各段连成整体；安装拱架时应紧贴开挖轮廓表面，并将管棚的管尾与之焊接，使棚管或超前小导管尾端担在钢拱架上，最大限度地发挥管棚的作用，钢拱架之间环形每隔1m设1根纵向连接筋及安装钢筋网片，在拱脚处设置锁脚小导管；

（4）初期支护

开挖结束后，立即进行混凝土初期支护；混凝土施工采用拌合站拌合，运输车运输，混凝土喷射机喷射混凝土密实；初期支护边墙采用L=4.0m的Ф22普通砂浆锚杆，间距1.0m布置。

4.根据权利要求1中所述，对膨胀性黄土加固处理的施工工艺为：

（1）采用灰土挤密桩进行黄土层的加固处理，灰土桩成孔挤密，选用沉管、冲击、夯扩、爆扩等方法，严禁挖孔成孔，成孔桩挤密应间隔分批进行，成孔后及时夯填；

（2）孔底在填料前必须夯实，孔内填料采用三七灰土，填料时，分层回填夯实，压实系数不小于0.97；

（3）灰土桩施工前，场地应平整，必须清楚地上、地下一切障碍物；场地低洼时回填粘性土料，地表过软时应采取防止施工机械失稳的措施；

（4）灰土桩施工后，去掉基底以下表层35cm厚的松动层，设置50cm厚的三七灰土，并分层夯实；在基坑周围设置防水板，防水板入土深度不小于1.0m。

5.根据权利要求1中所述，对膨胀性黄土改性处理的施工工艺为：

（1）施工过程中，选用生石灰进行化学改性，生石灰成分选用CaO含量为73.45％，MgO含量为0.57％，质量掺合比取5.0％、压实含水量取为23.0％；

（2）对于弱黄土，采用石灰砂和砾石作为混合改性材料，用6％石灰改性后，控制最佳含水量为19％，当含水量达到20％时，强度指标达到理想状态；

（3）当砾石的掺量达到45％时，砾石骨架作用形成，石灰土填满孔隙，具有良好的密实性；当粗料含量超过70％以后，由于骨架完全有粗颗粒形成，细料填满孔隙密实情况较差；

（4）根据隧道监控量测的分析结果逐榀加设临时仰拱及斜向支撑，加固隧道结构。