一种考虑基底加固处理的黄土隧道三台阶施工方法与流程

本发明涉及隧道施工技术领域，尤其涉及一种考虑基底加固处理的黄土隧道三台阶施工方法。

背景技术：

自21世纪以来，随着国家经济的迅速发展，我国的隧道建设日新月异，取得了举世瞩目的成就。交通是国民经济的命脉，对国家发展具有重大的推动作用。但我国是一个多山的国家，西北部更是以黄土山岭居多，因此公路、铁路等都要通过修建隧道来克服这种地形和高程的障碍，从而改善路线技术指标、缩短里程和行车时间、保持道路顺直、提高运营效益和安全保障。然而我国幅员辽阔，公路、铁路干线网遍布全国各地，复杂多元的地形地貌、地质概况、水文气象等不断地给隧道施工带来新的困难和问题。

随着我国高速铁路和公路网的规划和完善，公、铁交通量的迅速增长，迫切需要修建大量的大跨度隧道，然而隧道跨度增大，高跨比减小，隧道断面越趋近扁平状的拱形结构，开挖后应力在侧壁处较大，开挖宽度越大，轴力也越大，特别当侧压系数小时，拱脚应力集中更加明显，对隧道基底承载力也提出了更高的要求。

由于黄土的土质结构疏松，层理不明显，孔隙、垂直节理发育，具有多孔性、结构疏松、密度低、遇水易崩解等特点，隧道开挖后地基承载力远远小于普通地基，加之黄土常具有湿陷性，在遇水侵蚀或者较大荷载的作用下洞身会产生较大沉降，这样的基底很难满足隧道建设对承载力的要求，因此就需要通过施做加固措施对黄土隧道基底进行加固处理。

根据黄土本身的工程特性，考虑隧道的埋深、开挖断面、含水量及新老黄土地层差异，并结合当前隧道施工设备和技术等方面，目前黄土隧道主要的施工方法有弧形导坑预留核心土上下台阶法、三台阶七步开挖法、cd法、crd法和双侧壁导坑法等。一般地，围岩地质较好时（ⅰ--ⅲ级围岩），在满足隧道质量和施工安全的前提下，优先采用台阶法（视实际监控量测情况选用预留核心土上下台阶或三台阶七步开挖）；在围岩地质较差时（ⅳ--ⅴ级围岩），考虑到围岩条件及施工安全，尤其是隧道在进洞时复杂的山岭地质条件，优先采用cd法或crd法；在围岩情况更差的情况下（ⅵ级围岩），宜优先采用双侧壁导坑法开挖。

对于黄土隧道开挖过程中的基底加固，一方面，很多岩质及老黄土地层中修建的隧道，其基底承载力一般满足要求，传统的隧道对基底加固措施考虑较少；另一方面考虑到隧道结构的特殊性，在初期支护没有封闭的条件下，黄土隧道开挖后长时间的施做基底加固工程，存在较高的风险，因此传统的施工方法是在仰拱封闭之后“返工”隧道基底加固工程。然而隧道内作业空间狭小，大型机械化设备受限，施工周期长、扰动大，尽管在初支封闭之后“返工”基底加固，同样会影响后续作业线的推进，增加隧道施工及后期运营风险。

因此，如何将基底加固处理与黄土隧道施工方法科学合理的结合是当前黄土隧道施工技术探索的热点。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种考虑基底加固处理的黄土隧道三台阶施工方法，其在确保隧道安全施工的前提下，通过施做基底加固措施来提高隧道基底承载力，确保了隧道施工的安全和后期运营的稳定。

为解决上述问题，本发明所述的一种考虑基底加固处理的黄土隧道三台阶施工方法，在完成上台阶、中台阶的施工之后，按以下步骤施工下台阶：

（1）交错开挖下部左、右侧边墙，左、右侧边墙钢拱架交错落底，施作下边墙初期支护和架设微型钢管桩锁脚；

（2）开挖下部中间核心土至仰拱填充顶面标高，继而施作高压旋喷桩进行隧道基底处置；

（3）仰拱捡底开挖至设计开挖线，然后进行后续步骤即可。

优选地，按以下步骤完成上台阶、中台阶的施工：

上台阶一步开挖，施做上台阶初期支护并架设相应的锁脚锚杆；

中台阶分三步开挖，首先预留核心土，交错开挖左、右侧中台阶，然后施做中台阶左、右侧初期支护并架设相应的锁脚锚杆，最后开挖中台阶预留核心土。

优选地，按照与竖直方向呈30°～70°的夹角分别架设数根微型钢管桩。

优选地，按照与竖直方向呈30°、45°、60°分别架设三根微型钢管桩。

优选地，在施作下边墙初期支护过程中，使边墙呈竖直状，仰拱边墙连接处采用拱脚三角撑扩大结构，该结构包括用于连接边墙底部与仰拱起拱端的水平件以及用于连接边墙与水平件的斜向件；三者连接后形成直角三角形状。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明在下台阶左右侧边墙初支钢拱架落底后及时打设锁脚微型钢管桩，控制沉降，然后将下台阶中部核心土开挖至仰拱填充顶面标高，进而施做高压旋喷桩，待旋喷桩强度达到设计要求后仰拱捡底开挖至设计轮廓线，然后初期支护封闭成环，后续作业线推进。

可见，本发明将黄土隧道基底加固措施合理融入到隧道开挖、支护的过程中，合理规避了传统工法中“返工”加固基底的不利影响，而且“微型钢管桩+高压旋喷桩”的组合方式能够有效控制从隧道开挖到钢拱架落底后的收敛、沉降，确保后续开挖及旋喷桩施做期间的安全。

因此，本发明在确保隧道安全施工的前提下，通过施做基底加固措施来改善黄土隧道基底条件、提高隧道基底承载力，确保了隧道施工的安全和后期运营的稳定。

其中，隧道作业空间狭小，围岩及支护结构对扰动敏感，因此在众多的湿陷性黄土常用地基处理方法中旋喷桩法、树根桩法、挤密桩法、换填法等成为黄土地基隧道基底处理的首选。但是，综合考虑经济、技术、施工难度及扰动程度等多方面因素，本发明针对黄土山岭隧道，选用“微型钢管桩+高压旋喷桩”结合的基底加固措施。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明施工方法中隧道三台阶开挖横断面示意图。

图2为本发明施工方法中隧道三台阶开挖纵断面示意图。

图3为本发明施工方法的流程图。

图中：①、②-1、②-2等阿拉伯数字代表开挖顺序，ⅰ、ⅱ-1、ⅱ-2等罗马数字代表支护顺序；1—超前支护，2—第一锁脚锚杆，3—第二锁脚锚杆，4—微型钢管桩，5—高压旋喷桩。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种考虑基底加固处理的黄土隧道三台阶施工方法，包括如下步骤：

（1）上台阶一步开挖，施做上台阶初期支护并架设相应的第一锁脚锚杆2（也可以是锁脚锚管）。

（2）中台阶分三步开挖，首先预留核心土，交错开挖左、右侧中台阶，然后施做中台阶左、右侧初期支护并架设相应的第二锁脚锚杆3（也可以是锁脚锚管），最后开挖中台阶预留核心土。

其中，左、右侧中台阶交错开挖，避免上台阶拱脚同时悬空；交错长度不小于一个开挖循环。

（3）下台阶开挖分左、右侧边墙开挖、中间核心土开挖及下部仰拱捡底开挖四个部分进行，具体包括：

（31）交错开挖下部左、右侧边墙，左、右侧边墙钢拱架交错落底，施作下边墙初期支护（边墙初支钢拱架）和架设微型钢管桩4锁脚。

其中，左、右侧下边墙交错开挖，钢拱架交错落底，避免中台阶拱脚同时悬空；交错长度不小于一个开挖循环。

从下边墙钢拱架落底到基地处置旋喷桩施做并达到设计强度，间隔时间较长，钢拱架并未封闭成环，这就需要严格控制拱脚沉降及稳定。对此，考虑到微型钢管桩具有承载能力大、抗弯抗剪能力强、施工方便、快速承载、挤土效应明显等特点，可作为黄土隧道软基加固的优选方案，本发明采用微型钢管桩4进行锁脚，具体可以按照与竖直方向呈30°～70°的夹角分别架设数根微型钢管桩4，比如图1示出在30°、45°、60°架设三根微型钢管桩4。当然，这仅仅是举例子，具体的布置角度本领域技术人员根据不同的地质条件和施工监控量测进行调整即可，例如围岩的水平压力过大的时候可以适当将微型钢管桩的角度调大，即相应的为钢拱架提高抵抗水平压力的能力，如隧道拱脚发生了翘曲时可以适当减小微型钢管桩的角度。

进一步地，在施作下边墙初期支护过程中，可以使边墙呈竖直状，仰拱边墙连接处采用拱脚三角撑结构，该结构包括用于连接边墙底部与仰拱起拱端的水平件以及用于连接边墙与水平件的斜向件；三者连接后形成直角三角形状。利用竖向支撑和斜向支撑传递竖向力，水平支撑和斜向支撑传递水平力，这种对拱脚处边墙的处理形式能够有效改善结构受力体系，减小衬砌仰拱处的受力，对竖直形式的边墙具有较好的稳定支撑作用，同时能够增大仰拱与周围土体的接触面积，加强隧道初期支护的稳定性，进而提高隧道运行的安全性能。关于三角撑结构更多细节，可以参考申请号为2018219046180的专利文件。

在上述拱脚三角撑结构的基础上，微型钢管桩4的设置可以是：三根分别设在水平件靠近仰拱位置处、边墙底端、边墙上与斜向件连接处。本发明中微型钢管桩和拱脚三角撑的结合，能够有效控制拱脚沉降及稳定。

（32）开挖下部中间核心土至仰拱填充顶面标高，继而施作高压旋喷桩5进行隧道基底处置。

（33）仰拱捡底开挖至设计开挖线，然后进行仰拱浇筑、回填、二次衬砌浇筑等后续步骤即可。

在开挖过程中，在不影响隧道二次衬砌到掌子面距离极限的前提下控制开挖步距，进一步确保隧道施工的安全和后期运营的稳定。

基于上述实施例公开的施工方法，本发明另一实施例结合实际应用对施工方法详细内容进行阐述。在实际施工过程中，黄土隧道开挖应配备相应的开挖、支护设备，施工过程应采用机械化作业。参考图1~图3，施工方法具体包括以下内容。

一、超前支护作业

按照相关标准和设计文件施作超前支护1，包括管棚、超前小导管等。

二、开挖、支护作业

1.开挖上台阶①、上台阶初期支护ⅰ；

2.开挖中台阶②-1、中台阶初期支护ⅱ-1；

3.开挖中台阶②-2、中台阶初期支护ⅱ-2；

4.开挖中台阶核心土②-3；

5.开挖下台阶③-1、下台阶边墙初期支护ⅲ-1；

6.开挖下台阶③-2、下台阶边墙初期支护ⅲ-2；

7.开挖下台阶核心土③-3至仰拱回填顶面标高；

8.施作高压旋喷桩基底处置（采用小型机械）；

9.开挖下台阶③-4至设计开挖轮廓线、仰拱初期支护ⅳ；

10.仰拱二衬ⅴ（主要施工机械：液压仰拱栈桥配套弧形模板或简易栈桥配套液压仰拱弧形模板）；

11.仰拱回填ⅵ；

12.拱部及边墙二次衬砌ⅶ（主要施工机械：具备带膜注浆功能的二衬钢模台车，宜以变形台车为佳）；

三、其他施工作业

1.防水施工作业（可移动的专用作业台架）；

2.二衬检测、养护作业（二衬厚度检测台车，二衬养护台车）；

3.电缆槽施工作业（水沟电缆槽移动模板台车）及其他附属作业。

其中，主要施工机械：1.开挖机械：采用中小型挖掘机或铣挖机；2.装运出渣作业机械：采用适合于洞内作业空间的装载机、自卸车等；3.支护机械：混凝土湿喷机组、多功能钢拱架作业台架。

以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。