陕北湿陷性黄土隧道明洞段基坑开挖研究

陕北湿陷性黄土隧道明洞段基坑开挖研究

邱飞 

陕西建工机械施工集团有限公司 陕西西安  710032

摘要：以陕北地区湿陷性黄土隧道明洞段基坑开挖为研究对象，通过相关文献的综述和现场调研，分析了湿陷性黄土在开挖过程中的特性和问题。针对湿陷性黄土的特点，提出了相应的基坑开挖措施和技术，旨在提高工程的安全稳定性和施工效率。通过对实际工程案例的分析和对比，验证了所提措施的可行性和有效性。本研究对于陕北地区湿陷性黄土隧道明洞段基坑开挖具有一定的实际指导意义。

关键词：湿陷性黄土，隧道明洞段，基坑开挖，措施，技术

一、引言

1.1 研究背景和意义

隧道明洞段所处地区的地质条件复杂，围岩主要由人工造田形成的可塑～硬塑的粉质粘土、上更新统马兰黄土、中更新统统黄土及古土壤组成，围岩稳定性较差，容易出现大面积坍塌和侧壁小坍塌的问题。地下水相对较少，主要是孔隙裂隙水。然而，基坑开挖后，强降雨时地表水会沿着上部孔隙下渗，形成点、线状水流，增加了明洞段基坑开挖难度和风险。

陕北湿陷性黄土隧道明洞段基坑开挖的复杂地质条件和围岩稳定性差，容易引发坍塌和其他不稳定现象，对施工人员和工程设施的安全构成威胁。明洞段基坑开挖具有挑战性，对该地区或类似地区的基坑开挖技术积累和经验总结具有重要的参考价值。

1.2 国内外研究现状与进展

国内学者对基坑开挖技术进行了深入研究，提出了一系列适用于不同地质条件和工程要求的开挖方法和支护措施，如分段开挖、逆作法开挖、连续墙开挖等。国外一些隧道工程案例中采用了创新的基坑开挖技术，如盾构隧道法、机械挖掘法、爆破法等，以提高施工效率和减少对周围环境的影响。通过数值模拟和监测技术对隧道明洞段基坑开挖进行研究，建立了基坑开挖的数学模型，预测了围岩变形和支护结构的受力情况，并提出了相应的优化设计方法。对不同类型的支护结构进行了研究，包括钢支撑、预应力锚杆支护、地下连续墙支护等，以提高支护结构的稳定性和耐久性。

针对开挖过程中的边坡稳定性问题，相关学者进行了边坡稳定性分析和评估，提出了有效的支护措施和监测方法，包括锚杆挂网片锚喷防护、钢筋混凝土喷射支护等。同时要考虑地下水对基坑开挖具有重要影响，地下水的来源、水流规律和处理方法，包括降水排水系统、注浆固结技术、人工水文调控等。

综上所述，国内外在隧道明洞段基坑开挖方面的研究取得了一定的进展。然而，在湿陷性黄土等特殊地质条件下的基坑开挖研究方面仍存在一定的空白，需要进一步深入探索和解决。本文旨在填补这一空白，提出适用于陕北湿陷性黄土隧道明洞段基坑开挖的具体措施和技术，为相关工程提供可行性和有效性的指导。

1.3 研究目的和内容

1.3.1 研究目的

针对陕北地区湿陷性黄土隧道明洞段基坑开挖的特殊地质条件和技术要求，探索适用于该地区的基坑开挖措施和技术，以提高工程的安全性和施工效率。主要在于分析陕北湿陷性黄土的特性和问题，了解其对基坑开挖的影响；提出适应湿陷性黄土的基坑开挖措施和技术，包括前期调查与设计、基坑支护与加固、排水与降水、开挖方法与顺序等；验证所提措施的可行性和有效性，通过对实际工程案例的分析和对比，评估其在陕北湿陷性黄土隧道明洞段基坑开挖中的应用效果；提供对陕北地区湿陷性黄土隧道明洞段基坑开挖的实际指导，为类似工程提供参考和借鉴。

1.3.2 研究内容

提出适应湿陷性黄土的基坑开挖措施和技术，并选取具有代表性的陕北湿陷性黄土隧道明洞段基坑开挖工程案例，探讨实施过程中遇到的问题和解决方法，通过对比分析实际工程案例和设计方案，验证所提措施的可行性。

二、湿陷性黄土特性分析

2.1 湿陷性黄土的成因及物理力学性质

湿陷性黄土是黄土的一种特殊的工程地质性质。黄土具有在自重或外部荷重下，受水浸湿后结构迅速破坏发生突然下沉的性质。引起湿陷的原因是因为黄土以粉粒和亲水弱的矿物为主，具有大孔结构，天然含水量小，具有粘粒的强结合水连结和盐分的胶结连结，在干燥时可以承担一定荷重而变形不大，但浸湿后，土粒连结显著减弱，引起土结构破坏产生湿陷变形。

2.1.1 湿陷性黄土成因

（1）具有大量的孔隙，尤其是大孔隙，这是是否具有湿陷性和湿陷性强弱的基础。

（2）粒间的连结因水分增加而易于削弱和破坏。

（3）粉粒含量较高，粘粒含量低。

2.1.1 物理力学性质

（1）塑性较弱，液限一般26~34%，塑限常在16-20%之间，塑性指数多在8~14之间。

（2）含水较少，天然含水量一般在10~25%之间。

（3）压实程度很差，孔隙较大，孔隙率高，常为45~55%(孔隙比0.8~1.1)，千容重常仅1.3~1.5。

（4）透水性较强，具有明显的各向异性，垂直方向比水平方向要强得多，渗透系数可大数倍甚至数十倍。

（5）强度较高。尽管孔隙率很高，但压缩性仍属中等，抗剪强度较高。但新近堆积黄土（Q4）土质松软，强度低，压缩性高。

2.2 湿陷性黄土的工程特性和问题

湿陷性黄土在基坑开挖过程中容易发生坍塌，特别是存在大孔隙的情况下，由于连结的削弱和破坏，容易导致坑壁失稳；透水性较强，地下水在其内部容易发生渗流。在基坑开挖后，当遇到强降雨时，地表水体会沿着孔隙下渗，形成点状或线状水流。压实程度较差，孔隙率高，支护与加固难度较大。如果支护措施不当，容易导致边坡失稳、基坑变形等问题。由于湿陷性黄土的特性，如液塑性较弱、压实程度差等，施工过程中需要采取一系列的措施来确保施工安全和效率，这可能会增加施工时间和成本。

因此当隧道埋深较浅，进出口段隧底为湿陷性黄土层时，对明洞和隧底地基必须采取可靠的加固和防水措施。

三、基坑开挖措施与技术

3.1 基坑开挖、支护与加固

（1）施工前先施作洞口和明洞段截水天沟，完善排水系统，做好堑顶截、排水，开挖线外5～10m处设置截水天沟。隧道进洞前先按照设计图纸要求沿开挖区域施作拦水土坝，以截排地表水。

（2）测量放样后，向明暗分界里程开挖，该段落作为施工场地区段，并作为开挖通道。开挖采用自上而下按照设计坡比放坡开挖，并分级防护。开挖中随时检查边坡和仰坡，如有滑动、开裂等现象，保证边仰坡的稳定和施工安全。

（3）对洞口边仰坡进行临时锚喷防护，边坡采用φ22mm早强砂浆锚杆，L-3.5m，边坡间距1.5*1.5m，仰坡间距1.2*1.2m，梅花型布置；并挂设φ8钢筋网，网格尺寸20×20cm，喷射混凝土采用C25混凝土，厚度为10cm。

3.2 排水与降水

基坑靠近边坡底做临时排水沟、临时集水坑。在边坡底设置纵坡由明洞大小里程向中间段聚集，并施做临时排水沟及集水坑，集水坑设置防水措施，防止对底部的渗透，造成边坡失稳出现，根据地质渗水情况及天气变化情况安排专人进行集水坑抽排水。

3.3 施工方法与顺序

施工顺序为：测量放线→拦水坝施工→基坑开挖→开挖工作面→修整坡面→φ22早强锚杆施作→加工钢筋、绑扎钢筋网→喷浆→养护→开挖下一层工作面，重复以上工作直到完成。

3.3.1 拦水坝施工

测量班首先对控制点进行复核，做到准确无误，小桩号处拦水坝进行施工放线，然后放出天沟位置及边、仰坡的开挖边线，自上而下开挖，在开挖过程中根据施工需要进行边坡成型检查，要考虑施工便道的坡度缓和。

在明洞开挖前，先对小里程桩号外设置一道拦水土坝，建立完善的排水系统，防止地表水冲刷边坡。在拦土坝四周用水泥沙浆抹面防止雨水渗透，并清理四周地表，形成2%的横坡、纵坡，以便雨水能够流入并汇聚到自然沟渠中。在洞门开挖前，首先做好洞口场地的截排水系统，确保施工场地排水通畅。截水天沟与地面排水系统相连，确保地表水及时排出。

3.3.2 基坑开挖

挖土施工过程中多种机械联合作业，挖土→装车→运输→自卸弃土场，任何环节不匹配就会造成待车不足现象，因此在施工组织中要及时合理地调度和安排。

合理安排运土通道与掘进工作面的位置及施工次序，做到运土、排水、挖掘、防护互不干扰，以确保开挖顺利进行。待喷射混凝土强度达到设计强度的80%后，方可往下开挖下一层土；开挖的深度及作业顺序应保证裸露的边坡能在规定的时间内保持自立并在限定的时间内完成支护，并及时喷射混凝土面层。

3.3.3 边仰坡防护

边仰坡采用做好坡顶喷砼防护层与原坡面衔接，防止坡面风化，引起水土流失、导致边坡防护受到损坏。边坡防护形式为锚喷防护，采用φ22mm的早强砂浆锚杆，L-3.5m，间距1.5m*1.5m，梅花型布置；并挂设φ8钢筋网，网格尺寸20cm× 20cm，喷射混凝土采用C25混凝土，厚度为10cm。仰坡防护形式为锚喷防护，采用φ22mm的早强砂浆锚杆，L-3.5m，间距1.2m*1.2m，梅花型布置；并挂设φ8钢筋网，网格尺寸20cm×20cm，喷射混凝土采用C25混凝土，厚度为10cm。

3.3.4 基坑排水

基坑内距护坡周结构0.5m处设宽0.3m、深0.3m的排水沟，纵向坡度宜为0.3%。排水沟每隔50m设一个直径为2m的集水井，集水井深度1.5m，集水井内的水应随集随排;集水井、明沟随基坑开挖向下挖深；基坑周边设截水沟与集水井，防止地表水流入基坑。管井降水每次降深为开挖基面以下1m。集水坑内，有水则抽，无水则停。按时抽水，最初水位高，水量多，每次抽水出水时间长，间隔时间短，以后随水位下降，抽水的时间逐渐放长。排水沟和集水井采用水泥毯进行施工。

（1）水泥毯施工

边坡夯实及基层处理，人工配合机械沟渠边以河道边进行修整，要求表面平整、夯实，无块状杂物。要做到坡面无凹凸，线条顺滑平整，对土质松软部分要做夯实处理。为保证排水沟的施工质量，在排水沟清理后，禁止人员随意走动，避免对夯实的排水沟造成二次破坏。

（2）水泥毯铺贴

水泥毯铺贴顺序为逆水方向在下，由于水泥毯可以任意改变形状的性质，可以按照沟渠的形状进行铺设，铺设时尽量选取宽度大的水泥毯型号，减少水泥毯的搭接，沟渠底部的水泥毯要密贴合夯实的土层，不能留有缝隙，在铺设后碾压一遍，保证其贴合一层。水泥毯要伸沟渠边缘1000mm以上，作为顶部的固定和封闭预留。在两块水泥谈进行搭接时，水泥毯的搭接长度不小干100mm，铺贴后水泥谈应平整、顺直，搭接尺寸正确，不得扭曲。水泥毯总体铺贴顺序为:先高后低，同等高度，先远后近;同一立面卷材上面压下面。由于水泥毯与基层的粘结力相对较低，河道坡面较大时，水泥毯容易产生下滑现象，设置阶梯式抵抗段部拉力。

（3）坡面锚钉加固

为保证水泥毯能够与坡面贴合，采用U型锚钉对水泥毯进行加固，锚钉直径为14长度800mm，顶端外伸1000mm采用双锚钉进行固定，并采用防水混凝土进行覆盖，顶部埋入地下不少于300mm。

四、实际工程案例分析

4.1 工程背景

蟠龙隧道区间浅埋段设计为明洞施工，其中左线里程为ZK29+835-875，右线里程为YK29+778-818。明洞段基坑开挖上口宽度:99.75~105.18m，底口宽度67.13~68.56m，两级坡开挖，开挖坡比为1:1。边坡防护形式为施做锚杆挂网片锚喷防护，地表至基坑底开挖高度为15.57~20.39米。

蟠龙隧道左线ZK29+835~ZK29+875明挖段为浅埋段，该段洞室埋深2.0~50米，蟠龙隧道右线K29+778~K29+818明挖段为浅埋段，该段洞室埋深3.5~50米。左右线路从人工造田中部通过，洞室围岩主要为人工造田形成的可塑～硬塑的粉质粘土，上更新统马兰黄土，中更新统黄土及古土壤组成，围岩稳定性差，开挖后处理不当会出现大面积坍塌，侧壁经常出现小坍塌;地下水贫乏，类型以孔隙裂隙水为主，基坑开挖后，逢强降雨时，地表水体易沿上部孔隙下渗，形成点、线状水流。洞室开挖时应采取复合式支护形式，超前支护、封闭支护。围岩自稳性差，围岩综合判定为V级。

图4.1 开挖断面示意图

4.2 基坑开挖设计

根据前期方案设计，基坑开挖上口宽度：99.75~105.18m，底口宽度67.13~68.56m，基坑分两级开挖，平台宽度:2m，开挖坡比1:1，边坡防护形式为锚喷防护，采用φ22mm 的早强砂浆锚杆，L-3.5m，间距1.5m*1.5m，梅花型布置;并挂设中8钢筋网，网格尺寸20cm×20cm，喷射混凝土采用C25混凝土，厚度为10cm。，仰坡防护形式为锚喷防护，采用业22mm 的早强砂浆锚杆，L-3.5m，间距1.2m*1.2m，梅花型布置;并挂设φ8钢筋网，网格尺寸20cm× 20cm，喷射混凝土采用C25混凝土，厚度为10cm。

4.3 施工注意事项

4.3.1 喷射混凝土

在喷射混凝土之前，应清除坡面上残留的土块、土渣等松散物质，调整喷射机的工作风压使其适中，过高则喷射速度快，动能大，回弹多；过低则喷射速度慢，压实力小，混凝土强度低。

作业开始时，应先送风，再开机、再给料；结束时，应待料喷完后，再停风。向喷射机供料应稳定均匀；机器正常运转时，料斗内应保持足够的存料。喷射机的工作台风压，应满足喷头外的压力在0.1兆帕左右。喷射作业完毕或因故中断喷射时，必须将喷射机和输料管内的积料清除干净。

4.3.2 基坑开挖

基坑土方首层开挖深度为2m，每水平段长度不超过12m，作业中应严格按要求分段、分层进行，严禁超挖。开挖后应及时封闭临空面，应在24h内喷射混凝土面层；在淤泥质地层中开挖时，应在12h内喷射混凝土面层。

4.3.3 基坑排水

（1）排水沟应距护坡周结构0.5m处设置，宽度为0.3m，深度为0.3m。沟底应保持一定的纵向坡度，宜为0.3%，以保证排水的畅通性和流速。

（2）每隔50m设置一个直径为2m的集水井，深度为1.5m。集水井内的水应随即进行排放。同时，在基坑周边设置截水沟和集水井，防止地表水流入基坑。

（3）水泥毯是排水沟的覆盖材料，需要保证施工质量。在施工前，对排水沟进行清理，并禁止人员随意走动，以避免对已夯实的排水沟造成破坏。水泥毯的铺贴应按逆水方向进行，紧密贴合夯实的土层，避免留有缝隙。同时，对水泥毯进行碾压，确保其贴合一致。此外，需要设置U型锚钉对水泥毯进行加固，以保证其与坡面的贴合性

4.4 基坑开挖措施的可行性和有效性分析

天然放坡计算条件：

计算方法：瑞典条分法

应力状态：有效应力法

稳定计算合算地层考虑孔隙水压力：否

基坑底面以下的截至计算深度：0.00m

基坑底面以下滑裂面搜索步长：5.00m

条分法中的土条宽度：0.40m

整体稳定安全系数：1.20

表5.1-1  土层参数表

图5.1 整体稳定性验算示意图

表5.1-2  整体稳定性验算结果表

综合来看，采用瑞典条分法和有效应力法对天然放坡进行计算和稳定性分析，得出了满足施工要求的整体稳定性结果。在施工过程中，天然放坡的稳定性得到了充分考虑和保证，为基坑工程的顺利进行提供了安全可靠的保证。

五、结论

陕北湿陷性黄土具有大量孔隙、粒间连结易削弱和破坏、含水较少、压实程度差、透水性强和强度较高等特点。然而，由于围岩稳定性差、地下水贫乏以及地表水渗透等因素，基坑开挖容易导致土体坍塌和侧壁小坍塌的问题。

本论文对陕北湿陷性黄土隧道明洞段基坑开挖进行了全面的研究和分析，为解决这些问题，论文提出了基坑排水的目的和方法，包括排低浅层潜水和地表水、降低土体含水率以提高抗剪强度稳定性。针对基坑内的排水沟布置，论文建议在基坑周边设置排水沟、集水井和截水沟，有效防止地表水流入基坑。此外，水泥毯的施工和坡面锚钉加固等措施也被提出，以增强基坑边坡的稳定性和抗滑性。通过研究发现，采用瑞典条分法和有效应力法进行稳定性分析，结合实际稳定性验算，证明基坑的整体稳定性满足施工要求。研究成果对于指导实际工程中的基坑开挖和防护工作具有重要的理论和实践意义。

参考文献

[1]王池,黎昌源,王元文. 急流松软地质条件下深基坑开挖技术[J]. 四川建筑, 2022, 42(06):195-196+199.

[2]王江. 地铁明挖车站基坑开挖施工技术[J]. 工程机械与维修, 2021(04):92-94.

[3]蔡敏俊. 明挖隧道深基坑开挖的安全防护施工技术探讨[J]. 福建交通科技, 2022(11):85-88.

[4]谢杰. 灰土法处理湿陷性黄土地基施工技术[J]. 四川水泥, 2018(01):343-344.