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大跨度黄土隧道安全施工应对措施
作者：孟兆伟
来源：《价值工程》2014年第13期
摘要： 根据山西中南部铁路通道吕梁指挥部管段内黄土隧道比例高，安全管理风险大的特点，通过对区域内黄土特性的深入研究和分析，形成了吕梁指挥部管段内黄土隧道施工安全管理的一套卡控措施，对全线黄土隧道施工安全管理提供了强有力的指导。
Abstract： The loess tunnel occupies a large proportion in the Lvliang command section of central and southern Shanxi railway channel， so there are big risks for safety management. Through in-depth analysis of the characteristics of the loess in the area， a set of controlling measures is formed， which can provide strong guidance for the whole line loess tunnel construction safety management.
关键词： 大跨度黄土隧道；黄土特性；施工安全；应对措施
Key words： large-span loess tunnel；loess characteristics；construction safety；countermeasures
中图分类号：U455.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）13-0116-03 0 引言
随着铁路建设的不断发展，隧道施工作为地下工程重要的一种，施工安全越来越受到更加严峻的挑战，施工安全管理工作面临更大的压力，山西中南部铁路通道是我国第一条按30T轴重设计和施工的重载铁路，隧道规模大，安全风险高，施工安全管理尤为重要。 1 工程概况
石楼隧道位于山西省吕梁市石楼县与隰县境内，为黄土高原丘陵地貌，地形起伏较大，隧道最大埋深约为252m，最小埋深约为10m。本隧道为单洞双线隧道，线间距为4.0m。隧道进口里程为DK221+415，出口里程为DK234+225，全长12802m。隧道共设置斜井4座，长度分别为：320m、605m、940m、440m。石楼隧道作为全线重点隧道，黄土比例高，施工难度大，安全风险高。
2 黄土隧道地质情况
在隧道施工过程中，如果地基属于黄土土质，对于这种土质，受到物理力学特性、结构、构造及水的作用的影响和制约，进而在一定程度上导致土体的自承能力出现不足。
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2.1 黄土特性
2.1.1 老黄土基本特性 对于老黄土来说，由于地质的严密积压过程的处理，在一定程度上使得颗粒间的大孔隙不具有湿陷性，进一步提高了土体的承载力。对于老黄土来说，由于埋藏深度较大，与新黄土相比，其含水率相对比较高，通常情况下达到15～40%，但是与隧道位置原始地应力相比强度要低，在这种情况下容易引发屈服，进而在一定程度上形成塑性区，导致塑性发生变形。
2.1.2 新黄土特性 对于新黄土来说通常情况下覆盖在老黄土之上，并且新黄土的厚度在30～50米之间，同时在一定程度上显现出质地均匀，含水率小，含水率一般情况下在5～15%，新黄土土质多孔，呈松散结构，在一定程度上受到节理切割的影响和制约，在垂直节理面上容易形成竖向的软弱层，通常情况下，对于软弱层来说，由于自身的粘聚力较小，并且软弱面相互切割，在这种情况下容易形成与周边围岩粘聚力较小的面状体，在开挖下部隧道的过程中，受开挖扰动，以及支护存在缺陷的影响，在自身重力的作用下容易出现塌方现象。 2.2 强度变化特性
在施工过程中，出现塌方，其中强度是主要的影响因素。开挖隧道的过程，可以说就是重新分布地层内应力的过程，在开挖隧道前，在天然应力的作用下，土体处于平衡状态，开挖隧道后，开挖扰动破坏了原始的平衡状态，在洞身周围导致围岩应力重新分布，由于黄土的强度比较低，开挖后，如果应力大于黄土本身的强度，在这种情况下，就会产生径向塑形位移，进而在一定程度上形成塑形松动区，一部分应力被释放，一部分向外部传递，松动区周边继续发生塑形变形，同时向外进行扩大。 2.3 工程特性
对于标段内的黄土，该土体比较特殊，通常情况下形成于第四纪的干旱、半干旱的条件下，进而在一定程度上使得黄色成为基本色调，其颗粒成分主要是粉粒，颗粒直径通常情况下都小于0.005mm，在整个颗粒中约占50～75%，整个颗粒中几乎没有大于0.25mm的颗粒。对于黄土来说，由于自身的层理不明显，并且在一定程度上具有柱状节理，同时垂直节理发育，具有较强的直立性，彼此在水平方向上的连接性降低，黄土的强度也随之降低，从而引起初期支护受力不均导致出现开裂变形和塌方，尤其洞身处于水位线以下的隧道，土体在水的作用下更易大幅降低强度出现塌方。所以说黄土的多裂隙性、湿陷性和崩解性等特点，导致了黄土隧道施工安全的管理难度进一步 提高。
3 施工安全技术措施
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隧道施工，严格规章制度，以隧道施工“六达标”为工作重点，通过标准化管理，对隧道施工、监理、设计、指挥部等加大监管的力度，在一定程度上落实安全措施和规范要求，进一步确保隧道施工的安全性。
3.1 黄土及软弱围岩总体施工要求 变形速度快、突发性和湿陷特性这是新黄土的主要特点，对于老黄土来说，则是蠕变特性，以及软弱围岩应力分布不均，尤其在地下水的作用下，洞身易产生不均匀沉降，稳定变形通常情况下需要一个较长的过程。因此，需要对开挖的空间、支护时间进行控制，在隧道内进行初期支护，即使在短期内无收敛和变形现象，通常情况下也需要及时进行二次衬砌。
3.2 施工前准备 在对隧道进行施工前，通常情况下，需要详细勘察施工图和地质条件、地形地貌等，在一定程度上进行详细记录与分析，进而提前发现问题，提出设计优化方案。如果隧道施工风险较高，需要对风险进行评估，为了确保施工的安全性，需要编制安全施工方案及风险防范措施，并且在施工前，将安全技术对施工人员进行交底。
3.3 洞口施工 标段内隧道洞口多位于新黄土内，干燥时的强度较高，但是受大气降水的影响后，土体逐渐趋于饱和，塑形变形增大，尤其在反复的干湿膨胀和收缩下，土体极易出现裂隙，导致土体强度大幅降低，并在大气降水的不断催化作用下，洞口易出现塌陷、滑坡和坍塌，施工安全管理难度加大，所以说隧道洞口的安全和稳定受到黄土稳定性的影响和制约。 隧道进洞前，通常情况下，需要对隧道洞口的偏压、浅埋或者滑坡体范围等进行核对，如果隧道位于新黄土内和特软弱围岩，并且埋藏较浅时，在这种情况下需要对进洞的位置进行慎重的考虑。 3.4 隧道开挖
3.4.1 开挖方法 在隧道开挖过程中，采用二台阶法、三台阶七步流程开挖法进行施工，通常情况下需要设置临时的仰拱进而在一定程度上对Ⅴ级及Ⅴ级加强地段进行相应的处理。在隧道开挖过程中，施工方法主要采用短台阶法进行施工，为了确保开挖的安全性，对于同一台阶，通常情况下，两侧的开挖需要错开至少3～4米，并且在一定程度上不允许在同一台阶的同一断面上同时开挖。
3.4.2 循环进尺和开挖步距 严格控制各个台阶的循环进尺，在单次开挖循环进尺方面，上台阶控制在1～2榀拱架，中台阶及下台阶控制在2榀拱架。在台阶施工长度方面，三台阶法控制在5米，二台阶法控制在10米，仰拱一次开挖长度应控制3m以内，仰拱及二衬的步距无论Ⅳ还是Ⅴ都应按照统一指标进行控制，且应比“铁建设[2010]120号文”的要求提高5米的标准进行执行。
3.4.3 开挖方式 开挖黄土隧道后，全面贯彻落实人工配合机械开挖，使用大型机械设备一次开挖到位的现象在施工现象杜绝出现。在施工过程中，通常情况下需要预留一定的开挖断