大跨小凈距黃土隧道：新型支護(hù)與開挖技術(shù)的探索與實踐一、引言1.1研究背景與意義在交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷推進(jìn)的當(dāng)下，隧道工程作為其中的關(guān)鍵構(gòu)成部分，對于提升交通網(wǎng)絡(luò)的連通性、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。大跨小凈距黃土隧道作為一種特殊類型的隧道，在交通工程領(lǐng)域占據(jù)著關(guān)鍵地位。隨著我國交通建設(shè)向西部山區(qū)等黃土分布廣泛的區(qū)域拓展，越來越多的大跨小凈距黃土隧道工程得以規(guī)劃和建設(shè)。例如，在西部地區(qū)的高速公路、鐵路建設(shè)中，為了克服復(fù)雜地形帶來的線路展布難題，大跨小凈距黃土隧道成為了一種常見的選擇。這些隧道的建設(shè)不僅能夠有效縮短路線長度，減少工程占地，還能提高交通運行效率，降低運營成本，對于加強區(qū)域間的聯(lián)系和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)交流具有重要意義。黃土具有獨特的工程性質(zhì)，其土質(zhì)松軟、顆粒間連接力較弱，在天然狀態(tài)下就呈現(xiàn)出孔隙比大、壓縮性高的特點。一旦遇到水的作用，黃土的強度會急劇降低，產(chǎn)生濕陷變形，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)破壞。黃土的垂直節(jié)理發(fā)育，使得其在開挖過程中容易出現(xiàn)坍塌、掉塊等現(xiàn)象。這些特性使得黃土隧道在施工過程中面臨諸多難題，如圍巖穩(wěn)定性差，隧道開挖后，圍巖極易發(fā)生變形和坍塌，給施工安全帶來極大威脅；地表沉降控制困難，施工過程中容易引起較大范圍的地表沉降，對周邊建筑物和環(huán)境造成不良影響；支護(hù)結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，由于黃土的特殊性質(zhì)，支護(hù)結(jié)構(gòu)需要承受較大的荷載，且受力情況復(fù)雜多變，增加了支護(hù)設(shè)計和施工的難度。大跨小凈距黃土隧道的施工難度更是遠(yuǎn)超普通黃土隧道。由于跨度較大，隧道開挖后，圍巖的受力狀態(tài)更加復(fù)雜，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)。小凈距使得兩條隧道之間的巖體厚度較小，施工過程中相互影響較大，后開挖隧道的施工會對先開挖隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，增加了施工風(fēng)險。在傳統(tǒng)的黃土隧道施工中，常用的支護(hù)形式和開挖方法在應(yīng)對大跨小凈距黃土隧道時往往暴露出諸多局限性。傳統(tǒng)的錨桿支護(hù)在松軟的黃土中錨固效果不佳，容易出現(xiàn)錨桿松動、脫落等問題；噴射混凝土支護(hù)在大跨隧道中難以提供足夠的承載能力；爆破開挖方法容易對圍巖造成較大擾動，加劇圍巖的失穩(wěn)。因此，研究新型支護(hù)形式及開挖方法對于解決黃土隧道施工難題具有迫切的現(xiàn)實需求。深入研究大跨小凈距黃土隧道新型支護(hù)形式及開挖方法，能夠顯著提高隧道施工的安全性。通過采用合理的支護(hù)形式和開挖方法，可以有效控制圍巖變形，防止坍塌事故的發(fā)生，保障施工人員的生命安全和工程的順利進(jìn)行。新型支護(hù)形式和開挖方法能夠更好地適應(yīng)黃土的特殊性質(zhì)，減少施工過程對圍巖的擾動，從而提高隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，延長隧道的使用壽命，保障工程質(zhì)量。在一些已建成的大跨小凈距黃土隧道中，通過采用新型支護(hù)形式和開挖方法，有效降低了工程成本，提高了施工效率。因此，對新型支護(hù)形式及開挖方法的研究還能為工程建設(shè)提供更經(jīng)濟(jì)、高效的解決方案，提升工程的經(jīng)濟(jì)效益。綜上所述，開展大跨小凈距黃土隧道新型支護(hù)形式及開挖方法的研究，對于解決黃土隧道施工難題、保障工程安全與質(zhì)量、推動交通工程領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外在大跨小凈距黃土隧道支護(hù)和開挖技術(shù)方面的研究起步較早，積累了一定的經(jīng)驗。在支護(hù)技術(shù)方面，美國、日本等發(fā)達(dá)國家針對軟巖隧道開發(fā)了多種先進(jìn)的支護(hù)形式，如自進(jìn)式錨桿、可回收錨桿等，這些支護(hù)形式在一定程度上提高了軟巖隧道的支護(hù)效果。自進(jìn)式錨桿能夠在鉆進(jìn)過程中自動錨固，適用于破碎、軟弱的地層，有效提高了錨固的可靠性；可回收錨桿則解決了傳統(tǒng)錨桿永久留在地下造成資源浪費和環(huán)境影響的問題。在開挖方法上，國外普遍采用機械化程度較高的TBM（全斷面隧道掘進(jìn)機）和盾構(gòu)機進(jìn)行隧道開挖，這些設(shè)備具有高效、安全、環(huán)保等優(yōu)點，能夠在復(fù)雜地質(zhì)條件下快速、穩(wěn)定地進(jìn)行隧道施工。在一些軟土地層中，盾構(gòu)機通過刀盤切削土體，利用千斤頂推動機身前進(jìn)，同時進(jìn)行管片拼裝，實現(xiàn)了隧道的快速成型。然而，由于國外黃土分布區(qū)域相對較少，針對大跨小凈距黃土隧道的專門研究相對不足。黃土的特殊性質(zhì)，如濕陷性、垂直節(jié)理發(fā)育等，使得國外現(xiàn)有的支護(hù)和開挖技術(shù)在應(yīng)用于黃土隧道時存在一定的局限性。國外的一些支護(hù)形式在黃土中難以達(dá)到預(yù)期的錨固效果，機械化開挖設(shè)備在黃土隧道中也面臨著設(shè)備適應(yīng)性差、施工成本高等問題。國內(nèi)對于大跨小凈距黃土隧道的研究隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施而逐漸增多。在支護(hù)形式研究方面，國內(nèi)學(xué)者針對黃土隧道的特點，提出了多種新型支護(hù)形式。如預(yù)制板樁支護(hù)法，將鋼筋骨架與混凝土預(yù)制成板樁，利用挖機施工或沖洗機沖入黃土深處，形成墻體支撐結(jié)構(gòu)，該方法在一定程度上提高了黃土隧道的支護(hù)強度和穩(wěn)定性；薄鋼板樁支護(hù)法，與預(yù)制板樁類似，將鋼板預(yù)制成薄墻體，利用挖機或沖洗機插入土層中形成墻體結(jié)構(gòu)，具有施工速度快、可回收利用等優(yōu)點；薄壁鋼管支撐法，利用薄壁鋼管作為隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)，具有較強的承載能力和穩(wěn)定性，是隧道建設(shè)中一種較為成熟的支護(hù)結(jié)構(gòu)。在開挖方法研究上，國內(nèi)也取得了一系列成果。例如，預(yù)制支護(hù)套筒法，先在路面上預(yù)制好管狀磚墻，然后將管狀磚墻插入隧道內(nèi)，形成隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)，再對隧道進(jìn)行開挖，該方法縮小了施工難度，減少了破壞，施工效率較高；沖洗法，利用高壓水射流將土層沖削，然后利用管道吸水，形成空腔，最后插入隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)，該方法避免了炸藥噪音和粉塵污染，降低了隧道工程費用，有一定的施工優(yōu)勢。盡管國內(nèi)外在大跨小凈距黃土隧道的支護(hù)和開挖技術(shù)研究方面取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處?，F(xiàn)有研究對于不同類型黃土的特性與支護(hù)、開挖方法之間的匹配關(guān)系研究不夠深入，缺乏系統(tǒng)的理論分析和實驗驗證。在實際工程中，由于黃土的成因、年代、成分等因素不同，其工程性質(zhì)存在較大差異，如何根據(jù)不同類型黃土的特點選擇合適的支護(hù)和開挖方法，還需要進(jìn)一步的研究。目前對于大跨小凈距黃土隧道施工過程中的動態(tài)監(jiān)測和信息化施工技術(shù)的研究相對薄弱。施工過程中圍巖的變形、應(yīng)力變化等情況復(fù)雜多變，及時準(zhǔn)確地掌握這些信息對于調(diào)整施工方案、確保施工安全至關(guān)重要，但現(xiàn)有的監(jiān)測技術(shù)和數(shù)據(jù)分析方法還不能完全滿足工程需求?，F(xiàn)有研究成果在實際工程中的推廣應(yīng)用還存在一定的障礙，一些新型支護(hù)形式和開挖方法由于施工工藝復(fù)雜、成本較高等原因，難以在工程中廣泛應(yīng)用。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在針對大跨小凈距黃土隧道的特殊地質(zhì)條件和施工難點，創(chuàng)新支護(hù)形式和開挖方法，提高隧道施工的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，為實際工程提供科學(xué)合理的技術(shù)方案和理論依據(jù)。具體研究內(nèi)容如下：新型支護(hù)形式的力學(xué)性能分析：對預(yù)制板樁支護(hù)法、薄鋼板樁支護(hù)法和薄壁鋼管支撐法等新型支護(hù)形式進(jìn)行力學(xué)性能分析。通過理論計算，運用材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等相關(guān)理論，建立支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，計算其在不同荷載工況下的內(nèi)力、變形等力學(xué)參數(shù)。借助數(shù)值模擬軟件，如ANSYS、ABAQUS等，對新型支護(hù)形式進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析，模擬隧道開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用，研究支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特性和變形規(guī)律。開展現(xiàn)場試驗，在實際工程中選取試驗段，對新型支護(hù)形式的實際力學(xué)性能進(jìn)行監(jiān)測和分析，驗證理論計算和數(shù)值模擬的結(jié)果。通過對新型支護(hù)形式力學(xué)性能的深入分析，為支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化提供理論支持。新型開挖方法的可行性研究：針對預(yù)制支護(hù)套筒法和沖洗法等新型開挖方法，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等多個方面進(jìn)行可行性研究。技術(shù)可行性方面，分析新型開挖方法在黃土隧道施工中的技術(shù)難點和關(guān)鍵技術(shù)，研究其對施工設(shè)備、施工工藝的要求，評估其在實際工程中的可操作性。經(jīng)濟(jì)可行性方面，對新型開挖方法的施工成本進(jìn)行詳細(xì)分析，包括設(shè)備購置費用、材料費用、人工費用等，與傳統(tǒng)開挖方法進(jìn)行成本對比，評估其經(jīng)濟(jì)合理性。環(huán)境可行性方面，研究新型開挖方法對周邊環(huán)境的影響，如噪音、粉塵、水土流失等，評估其環(huán)境友好性。通過對新型開挖方法的可行性研究，為工程實踐提供決策依據(jù)。支護(hù)形式與開挖方法的優(yōu)化組合研究：考慮到不同的支護(hù)形式和開挖方法對隧道施工的影響不同，研究它們之間的優(yōu)化組合方式。通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗，分析不同支護(hù)形式與開挖方法組合下隧道圍巖的穩(wěn)定性、地表沉降、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力等情況。根據(jù)分析結(jié)果，建立支護(hù)形式與開挖方法的優(yōu)化組合模型，綜合考慮工程安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等因素，確定最適合大跨小凈距黃土隧道的支護(hù)形式與開挖方法組合方案。通過優(yōu)化組合研究，實現(xiàn)隧道施工的安全、高效、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保。施工過程中的動態(tài)監(jiān)測與信息化施工技術(shù)研究：為了確保大跨小凈距黃土隧道施工的安全和質(zhì)量，研究施工過程中的動態(tài)監(jiān)測和信息化施工技術(shù)。確定監(jiān)測內(nèi)容和監(jiān)測方案，包括圍巖變形監(jiān)測、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測、地表沉降監(jiān)測等，選擇合適的監(jiān)測儀器和監(jiān)測方法。建立監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸和分析系統(tǒng)，利用信息化技術(shù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，及時掌握隧道施工過程中圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)變化。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果，及時調(diào)整施工方案和支護(hù)參數(shù)，實現(xiàn)信息化施工，確保隧道施工的安全和質(zhì)量。1.4研究方法與技術(shù)路線為了深入開展大跨小凈距黃土隧道新型支護(hù)形式及開挖方法的研究，本研究將綜合運用多種研究方法，以確保研究結(jié)果的科學(xué)性、可靠性和實用性。文獻(xiàn)研究法：廣泛收集國內(nèi)外關(guān)于大跨小凈距黃土隧道支護(hù)和開挖技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)資料，包括學(xué)術(shù)論文、研究報告、工程案例等。對這些文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)的梳理和分析，了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及存在的問題，為后續(xù)研究提供理論基礎(chǔ)和研究思路。通過查閱文獻(xiàn)，掌握國內(nèi)外已有的支護(hù)形式和開挖方法的特點、適用條件及優(yōu)缺點，從而明確本研究的重點和方向。數(shù)值模擬法：利用專業(yè)的數(shù)值模擬軟件，如ANSYS、ABAQUS、MIDAS/GTS等，建立大跨小凈距黃土隧道的數(shù)值模型。在模型中，考慮黃土的特殊力學(xué)性質(zhì)、隧道的幾何尺寸、支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式和參數(shù)等因素，模擬隧道開挖過程中圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變分布以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況。通過數(shù)值模擬，可以直觀地了解不同支護(hù)形式和開挖方法對隧道穩(wěn)定性的影響，為支護(hù)形式和開挖方法的優(yōu)化提供依據(jù)。改變支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)，如錨桿長度、間距，噴射混凝土厚度等，觀察隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，從而確定最優(yōu)的支護(hù)參數(shù)?，F(xiàn)場試驗法：選擇具有代表性的大跨小凈距黃土隧道工程作為試驗場地，開展現(xiàn)場試驗研究。在試驗過程中，對新型支護(hù)形式和開挖方法的實際應(yīng)用效果進(jìn)行監(jiān)測和分析，包括圍巖變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力、地表沉降等。通過現(xiàn)場試驗，驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時獲取實際工程中的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，為研究成果的實際應(yīng)用提供實踐經(jīng)驗。在試驗場地中，按照設(shè)計方案采用預(yù)制板樁支護(hù)法進(jìn)行支護(hù)，并采用預(yù)制支護(hù)套筒法進(jìn)行開挖，實時監(jiān)測各項數(shù)據(jù)，與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。理論分析法：運用巖土力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)等相關(guān)理論，對大跨小凈距黃土隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)和開挖過程進(jìn)行理論分析。建立力學(xué)模型，推導(dǎo)相關(guān)計算公式，分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力、穩(wěn)定性以及開挖過程中圍巖的力學(xué)行為。理論分析可以為數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗提供理論支持，同時也有助于深入理解隧道工程中的力學(xué)機理?；趶椥粤W(xué)理論，分析隧道開挖后圍巖的應(yīng)力重分布規(guī)律，為支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供理論依據(jù)。本研究的技術(shù)路線如下：首先，通過文獻(xiàn)研究法，全面了解大跨小凈距黃土隧道支護(hù)和開挖技術(shù)的研究現(xiàn)狀，明確研究的重點和難點，確定研究的技術(shù)路線和方法。其次，運用數(shù)值模擬法，建立大跨小凈距黃土隧道的數(shù)值模型，對新型支護(hù)形式和開挖方法進(jìn)行模擬分析，初步確定支護(hù)形式和開挖方法的參數(shù)。然后，結(jié)合現(xiàn)場試驗法，在實際工程中應(yīng)用新型支護(hù)形式和開挖方法，并對其應(yīng)用效果進(jìn)行監(jiān)測和分析，驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步優(yōu)化支護(hù)形式和開挖方法的參數(shù)。最后，綜合理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗的結(jié)果，總結(jié)出適合大跨小凈距黃土隧道的新型支護(hù)形式和開挖方法，形成研究成果，并提出相應(yīng)的工程建議。技術(shù)路線圖清晰地展示了研究的流程和各個環(huán)節(jié)之間的邏輯關(guān)系，確保研究工作的有序進(jìn)行。二、大跨小凈距黃土隧道工程難點剖析2.1黃土特性對隧道施工的影響黃土作為一種特殊的第四紀(jì)陸相沉積物，具有獨特的結(jié)構(gòu)特性，這些特性對大跨小凈距黃土隧道的施工產(chǎn)生了多方面的影響。從顆粒組成來看，黃土以粉土粒級為主，含量通常在50%左右，其顆粒可細(xì)分為粗細(xì)沙（0.25-0.1mm）、細(xì)沙（0.1-0.05mm）、粗粉沙（0.05-0.01mm）、粉沙土（0.01-0.005mm）和粘土（＜0.005mm）。這種顆粒組成使得黃土的質(zhì)地相對均一，但也導(dǎo)致其顆粒間的連接力較弱，在受到外力作用時，容易發(fā)生顆粒間的相對位移，從而影響土體的穩(wěn)定性。黃土的孔隙率較高，這是其結(jié)構(gòu)特性的另一個重要方面。大量肉眼可見的孔隙存在于黃土中，使得黃土具有較大的孔隙比。這些孔隙在天然狀態(tài)下，賦予了黃土一定的透水性和壓縮性。當(dāng)隧道施工過程中，地下水的滲透作用會沿著這些孔隙發(fā)生，導(dǎo)致黃土的含水量增加，進(jìn)而引起土體的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。在一些含水量較高的黃土隧道施工中，由于地下水的長期浸泡，黃土的強度明顯降低，出現(xiàn)了隧道圍巖的坍塌現(xiàn)象。黃土的濕陷性是其對隧道施工影響最為顯著的特殊性質(zhì)之一。濕陷性黃土在天然濕度下，壓縮性較低，強度相對較高。但一旦遇水浸濕，土的結(jié)構(gòu)會迅速破壞，發(fā)生劇烈的濕陷變形，強度也隨之急劇降低。這種濕陷變形具有突變性、非連續(xù)性和不可逆性的特點。在自重濕陷性黃土地區(qū)修建隧道時，如果施工過程中沒有做好防水措施，導(dǎo)致地下水滲入黃土中，就可能引發(fā)隧道周邊土體的大量下沉，使隧道結(jié)構(gòu)承受巨大的附加應(yīng)力，從而導(dǎo)致隧道襯砌開裂、變形，甚至坍塌。黃土的崩解性也是隧道施工中需要關(guān)注的問題。濕陷性黃土大多遇水后會迅速崩解，且以塊狀崩解為主，崩解曲線陡立。這種崩解現(xiàn)象會使黃土的結(jié)構(gòu)完整性遭到破壞，進(jìn)一步降低土體的強度和穩(wěn)定性。在隧道施工中，當(dāng)開挖面遇到地下水時，黃土的崩解可能導(dǎo)致掌子面失穩(wěn)，引發(fā)坍塌事故。而且，崩解后的黃土顆粒變得更加細(xì)小，容易在隧道內(nèi)形成粉塵，對施工人員的健康造成威脅。黃土的垂直節(jié)理發(fā)育，這使得黃土在垂直方向上的滲透性較強，且在開挖過程中容易出現(xiàn)坍塌、掉塊等現(xiàn)象。垂直節(jié)理的存在破壞了土體的連續(xù)性和完整性，降低了土體的抗剪強度。在隧道開挖過程中，由于隧道周邊土體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，垂直節(jié)理處的土體容易受到拉應(yīng)力的作用，從而導(dǎo)致土體的剝落和坍塌。在一些黃土隧道施工中，常?？梢钥吹剿淼理敳亢瓦厜Τ霈F(xiàn)掉塊現(xiàn)象，這就是垂直節(jié)理發(fā)育導(dǎo)致的。垂直節(jié)理還會影響隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的效果，由于節(jié)理的存在，錨桿等支護(hù)結(jié)構(gòu)難以有效地錨固在土體中，降低了支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力。2.2小凈距帶來的施工挑戰(zhàn)小凈距是大跨小凈距黃土隧道的顯著特征之一，這一特征給隧道施工帶來了諸多復(fù)雜且嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，對施工工藝和支護(hù)設(shè)計提出了特殊要求。由于兩隧道間的凈距較小，隧道開挖過程中，圍巖應(yīng)力場會發(fā)生復(fù)雜的變化。當(dāng)進(jìn)行其中一條隧道的開挖時，隧道周邊圍巖的原有應(yīng)力平衡被打破，應(yīng)力會重新分布。而小凈距的存在使得兩條隧道之間的巖體厚度相對較薄，先開挖隧道引起的應(yīng)力重分布會對后開挖隧道的圍巖應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生顯著影響，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力疊加現(xiàn)象明顯。在一些小凈距黃土隧道工程中，后開挖隧道的圍巖由于受到先開挖隧道應(yīng)力場的影響，其周邊的最大主應(yīng)力和剪應(yīng)力顯著增加，超過了圍巖的承載能力，從而引發(fā)了圍巖的失穩(wěn)和坍塌。這種應(yīng)力疊加不僅增加了圍巖變形的復(fù)雜性和不確定性，還使得圍巖更容易達(dá)到塑性破壞狀態(tài)，對隧道施工安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。小凈距還導(dǎo)致隧道施工過程中的相互干擾問題突出。施工空間狹窄，施工設(shè)備和人員的作業(yè)空間受到極大限制，增加了施工組織和協(xié)調(diào)的難度。在進(jìn)行爆破作業(yè)時，爆破振動波會在兩條隧道間的巖體中傳播，對相鄰隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。如果爆破參數(shù)控制不當(dāng)，可能會導(dǎo)致相鄰隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)受損，如錨桿松動、噴射混凝土開裂等，進(jìn)而影響隧道的整體穩(wěn)定性。在隧道施工過程中，通風(fēng)、排水等輔助系統(tǒng)也會相互影響。由于凈距較小，通風(fēng)管道和排水管道的布置受到限制，難以保證良好的通風(fēng)和排水效果，影響施工環(huán)境和施工進(jìn)度。在支護(hù)設(shè)計方面，小凈距黃土隧道需要特殊考慮。由于圍巖應(yīng)力復(fù)雜且相互影響大，傳統(tǒng)的支護(hù)設(shè)計方法難以滿足要求。需要采用更加強勁的支護(hù)結(jié)構(gòu)來抵抗圍巖的變形和壓力。在隧道間的巖柱部位，需要增加支護(hù)措施，如加密錨桿、設(shè)置鋼支撐等，以提高巖柱的穩(wěn)定性。還需要考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作，使不同部位的支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠共同承受圍巖壓力，形成一個有效的承載體系。在一些工程中，采用了聯(lián)合支護(hù)的方式，將錨桿、噴射混凝土、鋼支撐等多種支護(hù)形式有機結(jié)合，提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性能。小凈距黃土隧道的施工工藝也需要進(jìn)行優(yōu)化。在開挖方法的選擇上，需要更加謹(jǐn)慎。傳統(tǒng)的開挖方法可能會對圍巖造成較大的擾動，加劇圍巖的失穩(wěn)。因此，需要采用一些對圍巖擾動較小的開挖方法，如CD法（中隔壁法）、CRD法（交叉中隔壁法）等。這些方法通過將隧道斷面分成多個部分，逐步開挖，減少了一次開挖的跨度和對圍巖的擾動，有利于控制圍巖變形。在施工過程中，還需要加強對圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，及時掌握其變形和受力情況，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整施工參數(shù)和支護(hù)措施，實現(xiàn)信息化施工，確保隧道施工的安全和質(zhì)量。2.3大跨度引發(fā)的技術(shù)難題大跨度是大跨小凈距黃土隧道區(qū)別于普通隧道的關(guān)鍵特征，這一特征使得隧道在施工和運營過程中面臨諸多復(fù)雜的技術(shù)難題，對隧道的穩(wěn)定性和安全性構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。大跨度導(dǎo)致隧道圍巖的受力狀態(tài)極為復(fù)雜。在隧道開挖過程中，隨著跨度的增大，隧道周邊圍巖的應(yīng)力集中現(xiàn)象愈發(fā)顯著。由于黃土本身的力學(xué)性質(zhì)較弱，在高應(yīng)力集中的作用下，圍巖更容易進(jìn)入塑性變形階段，從而導(dǎo)致圍巖的穩(wěn)定性急劇下降。當(dāng)隧道跨度超過一定范圍時，隧道拱頂和邊墻部位的圍巖會承受較大的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，容易出現(xiàn)開裂、剝落等現(xiàn)象。在一些大跨度黃土隧道施工中，拱頂出現(xiàn)了明顯的坍塌跡象，經(jīng)分析是由于應(yīng)力集中導(dǎo)致圍巖強度不足所致。大跨度還使得隧道圍巖的變形模式更加復(fù)雜，不僅有豎向沉降，還會出現(xiàn)水平收斂、底鼓等多種變形形式，這些變形相互影響，進(jìn)一步增加了圍巖變形控制的難度。大跨度隧道的變形控制難度顯著增大。由于跨度大，隧道在開挖后，圍巖的變形量往往較大。過大的變形可能導(dǎo)致隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞，進(jìn)而引發(fā)隧道坍塌等嚴(yán)重事故。在軟巖大跨度隧道中，由于圍巖的自穩(wěn)能力差，隧道開挖后的初期變形速率很快，如果不能及時采取有效的控制措施，變形將迅速發(fā)展，超出允許范圍。大跨度隧道的變形持續(xù)時間也較長，在隧道施工完成后的很長一段時間內(nèi)，圍巖仍可能會發(fā)生蠕變變形，對隧道的長期穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。而且，大跨度隧道的變形還具有明顯的空間效應(yīng)，不同部位的變形差異較大，需要針對不同部位采取相應(yīng)的控制措施。大跨度對支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性提出了更高要求。為了抵抗圍巖的變形和壓力，支護(hù)結(jié)構(gòu)需要具備更強的承載能力。傳統(tǒng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)在大跨度隧道中往往難以滿足要求，需要采用更加強勁的支護(hù)形式，如增加鋼支撐的強度和密度、提高噴射混凝土的厚度和強度等。大跨度隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)還需要具備更好的穩(wěn)定性，以防止在復(fù)雜的受力條件下發(fā)生失穩(wěn)。在一些大跨度黃土隧道中，采用了大剛度的鋼支撐和聯(lián)合支護(hù)體系，有效地提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性。大跨度隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計還需要考慮與圍巖的協(xié)同作用，使支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮圍巖的自承能力，共同承受荷載。三、大跨小凈距黃土隧道新型支護(hù)形式研究3.1預(yù)制板樁支護(hù)法預(yù)制板樁支護(hù)法是一種針對大跨小凈距黃土隧道施工特點而研發(fā)的新型支護(hù)形式，其結(jié)構(gòu)組成和施工工藝具有獨特之處，在承載能力和抗變形等力學(xué)性能方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。預(yù)制板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)主要由鋼筋骨架和混凝土板樁構(gòu)成。鋼筋骨架作為板樁的核心受力部件，通常采用高強度的鋼筋按照特定的間距和布置方式綁扎而成。在實際工程中，根據(jù)隧道的跨度、埋深以及黃土的力學(xué)性質(zhì)等因素，合理確定鋼筋的直徑和數(shù)量。對于大跨小凈距黃土隧道，為了提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗彎和抗剪能力，可能會選用直徑較大的鋼筋，并適當(dāng)增加鋼筋的配筋率。鋼筋骨架的作用是為混凝土板樁提供強大的抗拉和抗彎強度，使其在承受黃土壓力和變形時能夠保持結(jié)構(gòu)的完整性。混凝土板樁則是由鋼筋骨架與混凝土澆筑而成，形成一個堅固的整體結(jié)構(gòu)?；炷恋膹姸鹊燃壱话愀鶕?jù)工程的具體要求進(jìn)行選擇，常見的有C30、C35等。在澆筑混凝土?xí)r，需要確保混凝土的均勻性和密實性，避免出現(xiàn)空洞、蜂窩等缺陷，以保證板樁的強度和耐久性?；炷涟鍢兜男螤詈统叽缫哺鶕?jù)隧道的實際情況進(jìn)行設(shè)計，其長度一般根據(jù)隧道的埋深和黃土的穩(wěn)定性來確定，寬度和厚度則需要考慮板樁的承載能力和施工工藝的可行性。預(yù)制板樁支護(hù)法的施工工藝相對較為復(fù)雜，需要嚴(yán)格按照一定的步驟進(jìn)行操作。在施工前，首先要進(jìn)行精確的測量定位，根據(jù)隧道的設(shè)計軸線和支護(hù)要求，確定板樁的打入位置。這一步驟至關(guān)重要，直接影響到支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體效果。在某大跨小凈距黃土隧道工程中，由于測量定位不準(zhǔn)確，導(dǎo)致部分板樁的位置偏差較大，在后續(xù)施工中出現(xiàn)了局部土體坍塌的情況，不得不重新進(jìn)行調(diào)整和加固。定位完成后，可利用挖機或沖洗機將預(yù)制板樁施工至黃土深處。當(dāng)使用挖機施工時，需選用具有足夠挖掘力和穩(wěn)定性的挖機，通過特制的夾具將板樁夾緊，然后緩慢而有力地將板樁壓入黃土中。在壓入過程中，要密切關(guān)注板樁的垂直度和入土深度，確保板樁按照設(shè)計要求準(zhǔn)確就位。如果使用沖洗機施工，則是利用高壓水流將黃土沖散，同時將板樁隨著水流的沖擊力逐漸插入黃土中。這種方法可以減少對黃土的擾動，但需要注意控制水流的壓力和流量，以免對周圍土體造成過大的破壞。為了確保板樁之間的連接牢固，形成一個連續(xù)的墻體支撐結(jié)構(gòu)，在板樁施工完成后，還需要對板樁之間的縫隙進(jìn)行處理。一般采用注漿的方式，將水泥漿或其他填充材料注入縫隙中，使板樁之間緊密結(jié)合，共同承受土體的壓力。在力學(xué)性能方面，預(yù)制板樁支護(hù)法具有諸多優(yōu)勢。從承載能力來看，鋼筋骨架和混凝土板樁的協(xié)同工作，使得支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠承受較大的黃土壓力。鋼筋的抗拉強度和混凝土的抗壓強度相互補充，在黃土的側(cè)壓力作用下，鋼筋能夠有效地抵抗拉力，防止板樁被拉斷；混凝土則能夠承受壓力，保持板樁的形狀和穩(wěn)定性。通過對某大跨小凈距黃土隧道的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在采用預(yù)制板樁支護(hù)法后，隧道周邊土體的位移明顯減小，支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠穩(wěn)定地承受黃土壓力，保證了隧道施工的安全進(jìn)行。預(yù)制板樁支護(hù)法在抗變形方面也表現(xiàn)出色。由于板樁是預(yù)先制作好的，其尺寸和形狀精度較高，在施工過程中能夠準(zhǔn)確地就位，形成緊密的墻體結(jié)構(gòu)。這種連續(xù)的墻體結(jié)構(gòu)能夠有效地約束黃土的變形，減少隧道周邊土體的位移和沉降。在一些黃土隧道施工中，采用傳統(tǒng)支護(hù)方法時，隧道周邊土體的沉降量較大，對隧道的穩(wěn)定性產(chǎn)生了不利影響。而采用預(yù)制板樁支護(hù)法后，土體沉降量得到了顯著控制，有效提高了隧道的穩(wěn)定性。3.2薄鋼板樁支護(hù)法薄鋼板樁支護(hù)法作為一種在大跨小凈距黃土隧道施工中具有獨特優(yōu)勢的支護(hù)形式，在實際工程應(yīng)用中展現(xiàn)出了重要的價值。其鋼板材質(zhì)與結(jié)構(gòu)特點、施工流程以及與預(yù)制板樁支護(hù)法的對比分析，對于深入理解和合理應(yīng)用該支護(hù)法具有關(guān)鍵意義。薄鋼板樁通常采用優(yōu)質(zhì)低碳鋼或高強鋼材制成，這些鋼材具有良好的抗腐蝕性能和較高的強度，能夠在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境和施工條件下保持穩(wěn)定的性能。在實際工程中，為了適應(yīng)不同的隧道施工需求，薄鋼板樁的截面形狀設(shè)計較為多樣，常見的有H型和Z型。H型薄鋼板樁具有較大的抗彎能力，能夠有效地抵抗隧道周邊土體的側(cè)向壓力，在一些跨度較大、土體壓力較高的大跨小凈距黃土隧道中，H型薄鋼板樁能夠更好地發(fā)揮其承載能力，確保隧道的穩(wěn)定性；Z型薄鋼板樁則在增強樁身的整體穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出色，其獨特的形狀設(shè)計使得樁身之間的連接更加緊密，能夠形成一個連續(xù)的支護(hù)體系，共同承受土體的壓力，在一些對支護(hù)體系整體性要求較高的隧道工程中，Z型薄鋼板樁得到了廣泛的應(yīng)用。薄鋼板樁的主要部件包括樁身、扣口和翼緣。樁身是薄鋼板樁的主體部分，由冷彎成型的薄鋼板制成，具有較高的強度和耐腐蝕性，能夠承受土壓和水壓等荷載；扣口設(shè)置在樁身兩側(cè)邊緣，是一種鉸接結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)相鄰薄鋼板樁之間的緊密連接，形成連續(xù)的支護(hù)體系，扣口的設(shè)計精度和連接可靠性直接影響到支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性能；翼緣位于樁身上下兩端，起到加強樁身抗彎能力的作用，提高了整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，翼緣的尺寸和形狀也會根據(jù)工程的具體要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。薄鋼板樁支護(hù)法的施工流程較為復(fù)雜，需要嚴(yán)格按照一定的順序和要求進(jìn)行操作。在施工前，首先要進(jìn)行現(xiàn)場準(zhǔn)備工作，包括開展地質(zhì)勘察，深入了解現(xiàn)場地質(zhì)條件，評估土壤特性和地下水位等，為后續(xù)的施工方案設(shè)計提供準(zhǔn)確的依據(jù)；進(jìn)行測量放線，精準(zhǔn)確定鋼板樁的打入位置，確保施工的準(zhǔn)確性；進(jìn)行土方開挖，為鋼板樁的安裝創(chuàng)造條件。在鋼板樁吊裝環(huán)節(jié)，通常需要使用大型起重機械，如塔吊或汽車吊。在吊裝過程中，要合理選擇吊裝設(shè)備，確保其能夠滿足鋼板樁的重量和尺寸要求。同時，要系牢鋼板樁，確保其在吊運過程中穩(wěn)定懸掛，避免發(fā)生偏斜或墜落等安全事故。工人之間需密切協(xié)調(diào)配合，謹(jǐn)慎操作，確保吊裝作業(yè)的安全高效進(jìn)行。鋼板樁安裝是施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要確保鋼板樁的垂直定位精準(zhǔn)，通過測量儀器實時監(jiān)測鋼板樁的垂直度，及時調(diào)整偏差，保證其保持豎直狀態(tài)，這對于整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和支護(hù)效果至關(guān)重要。在扣口對接時，要確保相鄰的鋼板樁扣口緊密連接，形成連續(xù)的支護(hù)屏障，避免出現(xiàn)縫隙，影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的防水和抗土壓力能力。利用專用固定裝置將鋼板樁牢固錨固到位，防止其在安裝或使用過程中發(fā)生移位。為了增強支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體剛度和整體性，在一些情況下，會采用焊接連接的方式，在扣口和翼緣處采用優(yōu)質(zhì)焊接工藝將相鄰鋼板樁焊接在一起。焊接工藝的質(zhì)量控制至關(guān)重要，需要確保焊接的牢固性和密封性，避免出現(xiàn)虛焊、脫焊等問題。在焊接過程中，要嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)范進(jìn)行操作，控制焊接電流、電壓和焊接速度等參數(shù)，確保焊接質(zhì)量符合要求。與預(yù)制板樁支護(hù)法相比，薄鋼板樁支護(hù)法在經(jīng)濟(jì)性和施工便捷性方面存在一定的差異。在經(jīng)濟(jì)性方面，薄鋼板樁由于其材料成本相對較高，尤其是采用高強鋼材時，材料費用會占據(jù)較大的比例，使得其初期投資成本可能高于預(yù)制板樁。薄鋼板樁具有可重復(fù)使用的特點，在完成隧道施工后，可以將鋼板樁拔除，經(jīng)過修復(fù)和保養(yǎng)后，可在其他工程中再次使用，從而降低了長期使用成本。在一些大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目中，由于薄鋼板樁的多次重復(fù)利用，有效地降低了工程的總成本。而預(yù)制板樁一般為一次性使用，混凝土板樁在施工完成后難以回收再利用，造成了一定的資源浪費，增加了工程的總體成本。在施工便捷性方面，薄鋼板樁的施工速度相對較快。由于薄鋼板樁是工廠預(yù)制的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，質(zhì)量穩(wěn)定，現(xiàn)場安裝時只需進(jìn)行簡單的連接和固定操作，減少了現(xiàn)場施工的工作量和施工時間。在一些工期緊張的隧道工程中，薄鋼板樁支護(hù)法能夠快速完成支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工，為后續(xù)的隧道開挖等工序爭取時間。薄鋼板樁的施工設(shè)備相對簡單，主要是起重機械和一些輔助工具，設(shè)備的準(zhǔn)備和調(diào)試工作相對容易，降低了施工的難度和復(fù)雜性。預(yù)制板樁的施工工藝相對復(fù)雜，需要在現(xiàn)場進(jìn)行鋼筋綁扎、混凝土澆筑等工作，施工過程受天氣等因素的影響較大，且施工質(zhì)量的控制難度相對較高。預(yù)制板樁的運輸和堆放也相對不便，由于其體積較大、重量較重，需要較大的運輸和堆放空間，增加了施工的組織難度。3.3薄壁鋼管支撐法薄壁鋼管支撐法作為大跨小凈距黃土隧道支護(hù)的重要形式，其鋼管選型依據(jù)對支護(hù)效果起著決定性作用。在實際工程中，鋼管的選型需綜合考量多方面因素。從隧道的跨度和埋深來看，跨度越大、埋深越深，隧道圍巖所承受的壓力就越大，這就要求選用管徑較大、壁厚較厚的鋼管，以提供足夠的承載能力。在某大跨小凈距黃土隧道工程中，隧道跨度達(dá)到15m，埋深為80m，經(jīng)過詳細(xì)的力學(xué)計算和分析，最終選用了管徑為300mm、壁厚為10mm的薄壁鋼管，有效地保證了隧道支護(hù)的穩(wěn)定性。黃土的力學(xué)性質(zhì)也是鋼管選型的關(guān)鍵依據(jù)。對于強度較低、壓縮性較高的黃土，需要選擇強度更高、剛度更大的鋼管，以抵抗黃土的變形和壓力。黃土的含水量、孔隙率等指標(biāo)也會影響鋼管的選型。當(dāng)黃土含水量較高時，鋼管容易受到腐蝕，此時應(yīng)選用具有良好抗腐蝕性能的鋼管材料。在一些含水量較大的黃土地區(qū)，采用了鍍鋅薄壁鋼管，有效地提高了鋼管的抗腐蝕能力，延長了支護(hù)結(jié)構(gòu)的使用壽命。薄壁鋼管的連接方式直接影響到支撐體系的穩(wěn)定性和承載能力。常見的連接方式包括焊接連接、法蘭連接和螺栓連接。焊接連接是通過將鋼管的連接部位進(jìn)行焊接，形成一個整體結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點是連接牢固、整體性好，能夠有效地傳遞荷載，缺點是施工工藝要求較高，焊接質(zhì)量難以保證，且在后期維護(hù)和拆卸時較為困難。在一些對支護(hù)結(jié)構(gòu)整體性要求較高的隧道工程中，焊接連接得到了廣泛應(yīng)用，但需要嚴(yán)格控制焊接工藝，確保焊接質(zhì)量。法蘭連接是利用法蘭盤將鋼管連接在一起，通過螺栓緊固，其優(yōu)點是連接強度高、安裝和拆卸方便，便于后期的維護(hù)和更換，缺點是成本較高，連接部位的密封性能要求較高。在一些需要經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)和檢修的隧道工程中，法蘭連接是一種較為合適的選擇。螺栓連接則是通過螺栓將鋼管連接部件固定在一起，其優(yōu)點是施工簡單、成本較低，缺點是連接強度相對較低，在承受較大荷載時容易出現(xiàn)松動。在一些對連接強度要求不是特別高的部位，可以采用螺栓連接。在搭建薄壁鋼管支撐體系時，需要根據(jù)隧道的具體情況進(jìn)行合理設(shè)計。支撐體系通常包括縱向支撐和橫向支撐，縱向支撐沿著隧道軸線方向布置，主要承受隧道圍巖的縱向壓力；橫向支撐則垂直于隧道軸線方向布置，用于抵抗隧道圍巖的橫向變形。在某大跨小凈距黃土隧道中，縱向支撐采用了間距為1m的薄壁鋼管，橫向支撐采用了間距為1.5m的鋼管，形成了一個穩(wěn)固的支撐框架。為了增強支撐體系的整體穩(wěn)定性，還需要設(shè)置斜撐和連接件。斜撐可以有效地提高支撐體系的抗側(cè)力能力，連接件則用于連接不同部位的鋼管，確保支撐體系的整體性。在一些復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道工程中，通過合理設(shè)置斜撐和連接件，成功地提高了支撐體系的穩(wěn)定性，保證了隧道施工的安全。薄壁鋼管支撐法在不同地質(zhì)條件下具有不同的適用性和局限性。在土質(zhì)較均勻、強度較高的黃土中，薄壁鋼管支撐法能夠較好地發(fā)揮其承載能力，有效地控制圍巖變形，保證隧道的穩(wěn)定性。由于黃土的強度較高，能夠為薄壁鋼管提供較好的支撐基礎(chǔ)，使得薄壁鋼管能夠穩(wěn)定地承受圍巖壓力。在一些土質(zhì)較好的黃土隧道中，采用薄壁鋼管支撐法后，隧道圍巖的變形量得到了有效控制，支護(hù)效果顯著。在土質(zhì)松散、節(jié)理發(fā)育的黃土中，薄壁鋼管支撐法的局限性就會凸顯出來。由于土體的松散和節(jié)理發(fā)育，鋼管的錨固難度較大，容易出現(xiàn)鋼管松動、脫落等問題，影響支護(hù)效果。在一些垂直節(jié)理發(fā)育的黃土隧道中，雖然采用了薄壁鋼管支撐法，但由于節(jié)理的存在，鋼管難以有效地錨固在土體中，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性下降，需要采取額外的加固措施。在含水量較高的黃土中，薄壁鋼管支撐法也面臨著挑戰(zhàn)。高含水量會導(dǎo)致黃土的強度降低，增加圍巖的變形和壓力，同時鋼管容易受到腐蝕，影響其使用壽命。為了應(yīng)對這些問題，需要采取有效的防水和防腐措施，如在鋼管表面涂刷防腐涂料、設(shè)置防水層等。在一些含水量較高的黃土隧道工程中，通過采取這些措施，一定程度上提高了薄壁鋼管支撐法的適用性，但也增加了工程成本和施工難度。3.4新型支護(hù)形式的對比與優(yōu)化預(yù)制板樁支護(hù)法、薄鋼板樁支護(hù)法和薄壁鋼管支撐法作為大跨小凈距黃土隧道的新型支護(hù)形式，各自具有獨特的力學(xué)性能、施工難度和成本特點。通過多維度的對比分析，能夠更清晰地了解它們的優(yōu)勢與不足，從而為根據(jù)不同工程條件優(yōu)化選擇支護(hù)形式提供科學(xué)依據(jù)。從力學(xué)性能方面來看，預(yù)制板樁支護(hù)法通過鋼筋骨架與混凝土的協(xié)同作用，具備一定的承載能力和抗變形能力。在某大跨小凈距黃土隧道工程中，采用預(yù)制板樁支護(hù)法后，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，隧道周邊土體的位移得到了有效控制，在一定程度上保證了隧道的穩(wěn)定性。其抗變形能力相對有限，在面對較大的土體壓力和變形時，可能無法滿足工程需求。薄鋼板樁支護(hù)法采用優(yōu)質(zhì)低碳鋼或高強鋼材制成，具有較高的強度和良好的抗腐蝕性能。其截面形狀多樣，如H型和Z型，能夠有效抵抗隧道周邊土體的側(cè)向壓力，增強樁身的整體穩(wěn)定性。在一些工程實踐中，薄鋼板樁支護(hù)法在控制土體位移和保證隧道穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出色。然而，由于薄鋼板樁的厚度相對較薄，在承受較大的豎向荷載時，可能會出現(xiàn)局部屈曲等問題，影響支護(hù)效果。薄壁鋼管支撐法選用管徑和壁厚合適的鋼管，能夠提供較強的承載能力。通過合理的連接方式和支撐體系搭建，其整體穩(wěn)定性較好。在土質(zhì)較均勻、強度較高的黃土中，薄壁鋼管支撐法能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢，有效控制圍巖變形。在土質(zhì)松散、節(jié)理發(fā)育或含水量較高的黃土中，薄壁鋼管的錨固難度增加，容易受到腐蝕，從而影響其力學(xué)性能和支護(hù)效果。在施工難度方面，預(yù)制板樁支護(hù)法的施工工藝相對復(fù)雜，需要在現(xiàn)場進(jìn)行鋼筋綁扎、混凝土澆筑等工作，施工過程受天氣等因素影響較大。預(yù)制板樁的運輸和堆放也相對不便，由于其體積較大、重量較重，需要較大的運輸和堆放空間，增加了施工的組織難度。薄鋼板樁支護(hù)法的施工速度相對較快，由于是工廠預(yù)制的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，現(xiàn)場安裝時只需進(jìn)行簡單的連接和固定操作，減少了現(xiàn)場施工的工作量和施工時間。其施工設(shè)備相對簡單，主要是起重機械和一些輔助工具，設(shè)備的準(zhǔn)備和調(diào)試工作相對容易，降低了施工的難度和復(fù)雜性。薄鋼板樁的吊裝和安裝過程需要嚴(yán)格控制垂直度和連接質(zhì)量，否則會影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性能。薄壁鋼管支撐法的施工過程中，鋼管的連接和支撐體系的搭建需要較高的技術(shù)水平和施工精度。不同的連接方式，如焊接連接、法蘭連接和螺栓連接，都有各自的施工要求和難點。焊接連接要求施工人員具備較高的焊接技能，以確保焊接質(zhì)量；法蘭連接和螺栓連接則需要保證連接件的緊固程度和密封性。在復(fù)雜地質(zhì)條件下，如土質(zhì)松散、節(jié)理發(fā)育的黃土中，鋼管的錨固施工難度較大，需要采取特殊的錨固措施。從成本角度分析，預(yù)制板樁支護(hù)法由于需要現(xiàn)場澆筑混凝土，材料成本和人工成本相對較高。預(yù)制板樁一般為一次性使用，難以回收再利用，造成了一定的資源浪費，增加了工程的總體成本。薄鋼板樁支護(hù)法的材料成本相對較高，尤其是采用高強鋼材時，材料費用會占據(jù)較大的比例，使得其初期投資成本可能高于預(yù)制板樁。薄鋼板樁具有可重復(fù)使用的特點，在完成隧道施工后，可以將鋼板樁拔除，經(jīng)過修復(fù)和保養(yǎng)后，可在其他工程中再次使用，從而降低了長期使用成本。薄壁鋼管支撐法的鋼管材料成本較高，連接部件和支撐體系的材料費用也不容忽視。其施工過程中需要專業(yè)的設(shè)備和技術(shù)人員，人工成本相對較高。薄壁鋼管支撐法的使用壽命相對較長，如果在設(shè)計和施工中能夠充分考慮其耐久性和維護(hù)成本，從長期來看，其綜合成本可能具有一定的優(yōu)勢。根據(jù)不同工程條件優(yōu)化選擇支護(hù)形式時，應(yīng)綜合考慮多個因素。當(dāng)隧道所處的黃土土質(zhì)較好，土體壓力相對較小，且工程對支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗變形能力要求不是特別高時，可以優(yōu)先考慮預(yù)制板樁支護(hù)法，其成本相對較低，能夠滿足工程的基本需求。如果隧道周邊環(huán)境復(fù)雜，施工場地狹窄，工期緊張，且對支護(hù)結(jié)構(gòu)的強度和抗變形能力有較高要求，薄鋼板樁支護(hù)法可能是更好的選擇。其施工速度快，可重復(fù)使用的特點能夠在保證工程質(zhì)量的前提下，提高施工效率，降低長期成本。在土質(zhì)均勻、強度較高的黃土中，且隧道跨度較大、埋深較深，對支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性要求較高時，薄壁鋼管支撐法能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢，確保隧道的安全施工和長期穩(wěn)定。而在土質(zhì)條件較差的情況下，如土質(zhì)松散、節(jié)理發(fā)育或含水量較高的黃土中，需要對薄壁鋼管支撐法進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，如采取特殊的錨固措施、加強防腐處理等，或者結(jié)合其他支護(hù)形式，以提高支護(hù)效果。四、大跨小凈距黃土隧道新型開挖方法探索4.1預(yù)制支護(hù)套筒法預(yù)制支護(hù)套筒法作為一種創(chuàng)新的隧道開挖方法，在大跨小凈距黃土隧道施工中展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。該方法的套筒制作材料與工藝、施工步驟以及對控制圍巖變形和提高施工安全性的作用，值得深入探討。預(yù)制支護(hù)套筒通常采用鋼筋混凝土或高強度鋼材作為制作材料。鋼筋混凝土套筒具有成本較低、耐久性好的特點，在一些對成本控制較為嚴(yán)格且對套筒耐久性要求較高的隧道工程中應(yīng)用廣泛。通過合理設(shè)計鋼筋的配筋率和混凝土的強度等級，能夠滿足隧道支護(hù)的力學(xué)性能要求。在某大跨小凈距黃土隧道工程中，采用了鋼筋混凝土預(yù)制支護(hù)套筒，其混凝土強度等級為C35，鋼筋采用HRB400級鋼筋，經(jīng)過現(xiàn)場監(jiān)測，套筒在施工過程中能夠穩(wěn)定地承受圍巖壓力，保證了隧道的施工安全。高強度鋼材套筒則具有強度高、重量輕、施工便捷的優(yōu)勢。在一些對施工進(jìn)度要求較高、地質(zhì)條件較為復(fù)雜的隧道工程中，高強度鋼材套筒能夠更好地發(fā)揮其性能優(yōu)勢。鋼材的耐腐蝕性也使得套筒在惡劣的地質(zhì)環(huán)境中能夠保持良好的工作狀態(tài)。在一些含水量較高、土質(zhì)較為松軟的黃土隧道中，采用高強度鋼材套筒，有效地提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減少了因套筒損壞而導(dǎo)致的施工風(fēng)險。套筒的制作工藝需要嚴(yán)格控制，以確保其質(zhì)量和性能。在鋼筋混凝土套筒制作過程中，首先要進(jìn)行鋼筋骨架的加工，按照設(shè)計要求進(jìn)行鋼筋的下料、彎曲和綁扎，確保鋼筋骨架的尺寸準(zhǔn)確和連接牢固。然后進(jìn)行模板的安裝，模板應(yīng)具有足夠的強度、剛度和密封性，以保證混凝土澆筑的質(zhì)量。在混凝土澆筑過程中，要采用合適的振搗方法，確?；炷恋拿軐嵭?，避免出現(xiàn)空洞、蜂窩等缺陷。澆筑完成后，要進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，根據(jù)環(huán)境溫度和濕度條件，合理確定養(yǎng)護(hù)時間和養(yǎng)護(hù)方式，以保證混凝土的強度正常增長。高強度鋼材套筒的制作工藝則主要包括鋼材的切割、焊接和防腐處理等環(huán)節(jié)。在鋼材切割過程中，要采用先進(jìn)的切割設(shè)備，確保切割尺寸的精度。焊接是高強度鋼材套筒制作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要采用合適的焊接工藝和焊接材料，保證焊縫的質(zhì)量和強度。焊接完成后，要對套筒進(jìn)行無損檢測，如超聲波檢測、射線檢測等，確保焊縫無缺陷。為了提高鋼材套筒的耐腐蝕性，還需要進(jìn)行防腐處理，常見的防腐處理方法有熱鍍鋅、噴涂防腐涂料等。預(yù)制支護(hù)套筒法的施工步驟遵循先支護(hù)后開挖的原則，以確保施工安全和圍巖穩(wěn)定。在施工前，需要根據(jù)隧道的設(shè)計要求和地質(zhì)條件，在地面預(yù)制好管狀磚墻或鋼套筒等支護(hù)套筒。在預(yù)制過程中，要嚴(yán)格控制套筒的尺寸和質(zhì)量，確保其符合設(shè)計要求。將預(yù)制好的支護(hù)套筒運輸至隧道施工現(xiàn)場，并采用專業(yè)的機械設(shè)備將其插入隧道預(yù)定位置。在插入過程中，要注意控制套筒的垂直度和插入深度，確保套筒能夠準(zhǔn)確就位。為了保證套筒之間的連接緊密，通常采用螺栓連接、焊接或榫卯連接等方式，使套筒形成一個連續(xù)的支護(hù)結(jié)構(gòu)。在某大跨小凈距黃土隧道施工中，采用了螺栓連接的方式將鋼套筒連接在一起，通過現(xiàn)場檢測，連接部位的強度和密封性滿足設(shè)計要求，有效地保證了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性。完成支護(hù)套筒的安裝后，再進(jìn)行隧道的開挖作業(yè)。在開挖過程中，要采用合適的開挖方法，如機械開挖、人工開挖等，盡量減少對圍巖的擾動。同時，要加強對圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，實時掌握其變形和受力情況，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整施工參數(shù)和支護(hù)措施，確保施工安全和隧道的穩(wěn)定性。預(yù)制支護(hù)套筒法在控制圍巖變形和提高施工安全性方面具有顯著作用。由于支護(hù)套筒在開挖前就已經(jīng)安裝到位，能夠有效地限制圍巖的變形，減少隧道周邊土體的位移和沉降。在一些采用傳統(tǒng)開挖方法的隧道工程中，由于開挖后圍巖長時間處于無支護(hù)狀態(tài)，容易出現(xiàn)較大的變形，甚至導(dǎo)致坍塌事故。而采用預(yù)制支護(hù)套筒法后，圍巖在開挖過程中始終處于支護(hù)結(jié)構(gòu)的保護(hù)之下，變形得到了有效控制。通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，采用預(yù)制支護(hù)套筒法的隧道周邊土體位移相比傳統(tǒng)開挖方法減少了30%-50%，大大提高了隧道施工的安全性。預(yù)制支護(hù)套筒法還能夠降低施工過程中的風(fēng)險。傳統(tǒng)的隧道開挖方法，如爆破法，在施工過程中容易產(chǎn)生飛石、振動等安全隱患，對施工人員和周邊環(huán)境造成威脅。而預(yù)制支護(hù)套筒法采用先支護(hù)后開挖的方式，避免了爆破作業(yè)帶來的安全風(fēng)險，減少了施工過程中的不確定性，提高了施工的安全性和可靠性。在一些靠近居民區(qū)或重要建筑物的隧道工程中，預(yù)制支護(hù)套筒法的安全性優(yōu)勢更加明顯，能夠有效避免施工對周邊環(huán)境的影響。4.2沖洗法沖洗法作為一種創(chuàng)新的大跨小凈距黃土隧道開挖方法，其工作原理基于高壓水射流技術(shù)，利用高壓水射流將土層沖削，通過控制水流的壓力和流量，使黃土顆粒在水射流的沖擊作用下逐漸分離，從而達(dá)到開挖的目的。高壓水射流的壓力通?？蛇_(dá)到幾十甚至幾百個大氣壓，從特制的噴嘴噴射而出，形成具有強大穿透能力的高速水射流。這種高速水射流能夠有效地沖散黃土顆粒，使其與水混合形成泥漿狀物質(zhì)。在某大跨小凈距黃土隧道工程中，采用了壓力為80MPa的高壓水射流進(jìn)行沖削作業(yè)，取得了良好的開挖效果。隨著土層被沖削，利用管道吸水系統(tǒng)及時將泥漿狀物質(zhì)吸出，從而在黃土中形成空腔。管道吸水系統(tǒng)通常由吸水管、水泵等組成，通過水泵的抽吸作用，將泥漿吸入吸水管，并輸送至指定地點進(jìn)行處理。在該隧道工程中，選用了流量為100m3/h的水泵，能夠快速有效地將沖削產(chǎn)生的泥漿吸走，確保了開挖工作的順利進(jìn)行。在形成空腔后，插入隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)是沖洗法的關(guān)鍵步驟。支護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇應(yīng)根據(jù)隧道的具體情況和工程要求進(jìn)行，常見的支護(hù)結(jié)構(gòu)如預(yù)制板樁、薄鋼板樁、薄壁鋼管等均可應(yīng)用。在插入支護(hù)結(jié)構(gòu)時，要確保其位置準(zhǔn)確、安裝牢固，以保證支護(hù)效果。對于預(yù)制板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，在插入前要對板樁進(jìn)行檢查，確保其質(zhì)量合格，無裂縫、變形等缺陷。插入過程中，要使用專業(yè)的設(shè)備，如打樁機等，將板樁垂直打入空腔中，保證板樁的垂直度和入土深度符合設(shè)計要求。沖洗法在環(huán)保方面具有顯著優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的爆破開挖方法相比，沖洗法避免了炸藥爆炸產(chǎn)生的噪音和粉塵污染。在城市周邊或環(huán)境敏感區(qū)域的隧道施工中，這一優(yōu)勢尤為突出。爆破開挖產(chǎn)生的噪音和粉塵不僅會對施工人員的身體健康造成危害，還會對周邊居民的生活環(huán)境產(chǎn)生不利影響。而沖洗法采用高壓水射流沖削土層，施工過程中幾乎不產(chǎn)生噪音和粉塵，有效地減少了對環(huán)境的污染。通過對某隧道施工項目的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，采用沖洗法施工時，施工現(xiàn)場周邊的噪音污染明顯低于爆破開挖方法，粉塵濃度也大幅降低，符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求。在成本控制方面，沖洗法也展現(xiàn)出一定的優(yōu)勢。由于避免了炸藥的使用，減少了炸藥采購、運輸、儲存等環(huán)節(jié)的費用，降低了隧道工程的成本。沖洗法對施工設(shè)備的要求相對較低，設(shè)備購置和維護(hù)成本也相對較低。在一些小型隧道工程中，采用沖洗法施工，與爆破開挖相比，工程成本降低了15%-20%。沖洗法的施工效率較高，能夠縮短施工周期，進(jìn)一步降低了工程的綜合成本。在某大跨小凈距黃土隧道施工中，采用沖洗法后，施工周期縮短了20天，減少了人工成本和設(shè)備租賃成本，提高了工程的經(jīng)濟(jì)效益。4.3新型開挖方法的應(yīng)用案例分析為了深入了解預(yù)制支護(hù)套筒法和沖洗法在大跨小凈距黃土隧道工程中的實際應(yīng)用效果，以某大跨小凈距黃土隧道項目為例進(jìn)行詳細(xì)分析。該隧道位于黃土地區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，黃土具有典型的濕陷性和垂直節(jié)理發(fā)育等特征。隧道跨度為12m，兩隧道間的凈距僅為3m，屬于典型的大跨小凈距黃土隧道。在該隧道施工中，采用預(yù)制支護(hù)套筒法時，選用了鋼筋混凝土作為套筒制作材料。根據(jù)隧道的設(shè)計要求和地質(zhì)條件，在地面預(yù)制了直徑為1.5m、厚度為0.3m的鋼筋混凝土套筒。套筒的制作嚴(yán)格按照施工工藝要求進(jìn)行，確保了套筒的質(zhì)量和強度。在施工過程中，利用大型起重機將預(yù)制好的套筒準(zhǔn)確插入隧道預(yù)定位置，通過螺栓連接的方式將套筒緊密連接在一起，形成了穩(wěn)固的支護(hù)結(jié)構(gòu)。采用沖洗法時，選用了壓力為100MPa的高壓水射流設(shè)備。在施工過程中，根據(jù)黃土的特性和隧道的設(shè)計要求，合理控制高壓水射流的壓力和流量，確保土層能夠被均勻沖削。利用管道吸水系統(tǒng)及時將沖削產(chǎn)生的泥漿吸出，形成了穩(wěn)定的空腔。在空腔形成后，迅速插入預(yù)制板樁作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，確保了隧道的穩(wěn)定性。從實施效果來看，預(yù)制支護(hù)套筒法在控制圍巖變形方面表現(xiàn)出色。通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，采用預(yù)制支護(hù)套筒法后，隧道周邊土體的位移明顯減小，最大位移量控制在了20mm以內(nèi)，有效保證了隧道施工的安全。在施工效率方面，預(yù)制支護(hù)套筒法也展現(xiàn)出了優(yōu)勢，與傳統(tǒng)開挖方法相比，施工進(jìn)度提高了30%，大大縮短了施工周期。沖洗法在環(huán)保方面的優(yōu)勢得到了充分體現(xiàn)。施工過程中，噪音污染和粉塵污染明顯降低，施工現(xiàn)場周邊的噪音水平控制在了70dB以內(nèi)，粉塵濃度降低了80%，符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求。在成本控制方面，沖洗法避免了炸藥的使用，降低了炸藥采購、運輸、儲存等環(huán)節(jié)的費用，同時減少了對施工設(shè)備的損耗，與傳統(tǒng)爆破開挖方法相比，工程成本降低了18%，提高了工程的經(jīng)濟(jì)效益。通過該案例可以總結(jié)出一些成功經(jīng)驗。在采用預(yù)制支護(hù)套筒法時，準(zhǔn)確的測量定位和嚴(yán)格的套筒制作工藝是保證支護(hù)效果的關(guān)鍵。在采用沖洗法時，合理控制高壓水射流的參數(shù)和及時的泥漿處理是保證施工質(zhì)量和效率的重要因素。這兩種新型開挖方法在實際應(yīng)用中也存在一些需要改進(jìn)的方向。對于預(yù)制支護(hù)套筒法，套筒的運輸和安裝過程需要進(jìn)一步優(yōu)化，以提高施工效率和降低施工成本。對于沖洗法，高壓水射流設(shè)備的能耗較高，需要研發(fā)更加節(jié)能高效的設(shè)備，同時，泥漿的處理和回收利用技術(shù)也需要進(jìn)一步完善，以減少對環(huán)境的影響。4.4新型開挖方法與傳統(tǒng)方法的比較將新型開挖方法與傳統(tǒng)的爆破法、機械法從施工效率、對圍巖擾動、施工成本等方面進(jìn)行對比，能夠更清晰地認(rèn)識新型方法的優(yōu)勢與適用場景。在施工效率方面，爆破法在地質(zhì)條件適宜的情況下，能夠快速完成隧道開挖。在一些巖石硬度較高、整體性較好的地層中，爆破法通過合理設(shè)計爆破參數(shù)，能夠一次性爆破較大體積的巖體，施工速度較快。但在大跨小凈距黃土隧道中，由于黃土的特殊性質(zhì)，爆破法的應(yīng)用受到限制。黃土質(zhì)地松軟，爆破容易導(dǎo)致圍巖過度破碎，增加施工風(fēng)險，且爆破后需要對破碎的黃土進(jìn)行大量的清理和支護(hù)工作，反而降低了施工效率。機械法主要依靠挖掘機、裝載機等機械設(shè)備進(jìn)行開挖。在小斷面隧道或地質(zhì)條件較好的情況下，機械法具有一定的優(yōu)勢，能夠靈活操作，適應(yīng)不同的施工環(huán)境。在大跨小凈距黃土隧道中，由于隧道跨度大、凈距小，施工空間狹窄，大型機械設(shè)備的施展受到限制，且黃土的松軟特性使得機械開挖時容易出現(xiàn)土體坍塌、設(shè)備下陷等問題，影響施工效率。預(yù)制支護(hù)套筒法和沖洗法等新型開挖方法在施工效率方面展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。預(yù)制支護(hù)套筒法采用先支護(hù)后開挖的方式，在地面預(yù)制好支護(hù)套筒后，快速插入隧道預(yù)定位置，然后進(jìn)行開挖作業(yè)。這種方法減少了隧道開挖過程中的支護(hù)時間，提高了施工的連續(xù)性，與傳統(tǒng)方法相比，施工進(jìn)度可提高30%-50%。在某大跨小凈距黃土隧道工程中，采用預(yù)制支護(hù)套筒法后，月進(jìn)尺達(dá)到了50m，而采用傳統(tǒng)爆破法時，月進(jìn)尺僅為30m。沖洗法利用高壓水射流沖削土層，施工過程相對簡單，且不受黃土硬度和施工空間的限制。高壓水射流能夠快速沖散黃土顆粒，形成空腔，然后插入支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)。與爆破法相比，沖洗法不需要進(jìn)行復(fù)雜的爆破設(shè)計和安全防護(hù)工作，施工效率更高。在一些工程實踐中，沖洗法的施工速度比爆破法快20%-30%，能夠有效縮短施工周期。在對圍巖擾動方面，爆破法在爆炸瞬間會產(chǎn)生強烈的沖擊波和振動，對圍巖造成較大的擾動。這種擾動會使黃土的結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致圍巖的穩(wěn)定性降低。在大跨小凈距黃土隧道中，爆破擾動可能會引發(fā)相鄰隧道的圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)損壞，增加施工風(fēng)險。在某隧道工程中，由于爆破參數(shù)控制不當(dāng)，導(dǎo)致相鄰隧道的襯砌出現(xiàn)裂縫，需要進(jìn)行大量的修復(fù)工作。機械法在開挖過程中，機械設(shè)備的擠壓、碰撞等也會對圍巖產(chǎn)生一定的擾動。在黃土隧道中，機械擾動可能會使黃土顆粒間的連接進(jìn)一步破壞，導(dǎo)致土體松動，增加隧道坍塌的風(fēng)險。預(yù)制支護(hù)套筒法和沖洗法對圍巖的擾動較小。預(yù)制支護(hù)套筒法在開挖前就已經(jīng)安裝好支護(hù)結(jié)構(gòu)，能夠有效地限制圍巖的變形，減少開挖過程對圍巖的影響。沖洗法采用高壓水射流沖削土層，對圍巖的作用力相對均勻，且沒有劇烈的沖擊和振動，能夠較好地保持圍巖的原始結(jié)構(gòu)，降低圍巖失穩(wěn)的風(fēng)險。通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，采用預(yù)制支護(hù)套筒法和沖洗法時，隧道周邊土體的位移和應(yīng)力變化明顯小于爆破法和機械法，有效地保護(hù)了圍巖的穩(wěn)定性。從施工成本來看，爆破法需要消耗大量的炸藥、雷管等爆破材料，且爆破作業(yè)需要專業(yè)的技術(shù)人員和設(shè)備，安全防護(hù)措施要求高，導(dǎo)致施工成本較高。在一些地區(qū)，炸藥的采購、運輸和儲存受到嚴(yán)格的管控，增加了爆破法的成本和施工難度。機械法的設(shè)備購置和租賃成本較高，特別是在大跨小凈距黃土隧道中，需要使用一些特殊的機械設(shè)備，如小型挖掘機、長臂裝載機等，這些設(shè)備的價格昂貴，進(jìn)一步增加了施工成本。機械法在施工過程中，由于土體的清理和運輸工作量較大，也會增加人工和運輸成本。預(yù)制支護(hù)套筒法和沖洗法在施工成本方面具有一定的優(yōu)勢。預(yù)制支護(hù)套筒法雖然在支護(hù)套筒的制作和安裝上需要一定的成本，但由于其施工效率高，能夠縮短施工周期，減少了人工和設(shè)備租賃成本，從總體上降低了工程成本。沖洗法避免了炸藥的使用，減少了爆破材料的費用和安全防護(hù)成本，同時對施工設(shè)備的要求相對較低，設(shè)備購置和維護(hù)成本也相對較低。在某大跨小凈距黃土隧道項目中，采用沖洗法施工，與爆破法相比，工程成本降低了15%-20%，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。綜上所述，預(yù)制支護(hù)套筒法和沖洗法等新型開挖方法在大跨小凈距黃土隧道施工中，相較于傳統(tǒng)的爆破法和機械法，在施工效率、對圍巖擾動和施工成本等方面具有明顯的優(yōu)勢。在黃土質(zhì)地松軟、對施工效率和環(huán)境保護(hù)要求較高的大跨小凈距黃土隧道工程中，新型開挖方法具有更廣闊的應(yīng)用前景。五、工程案例深度分析5.1桃花峪黃土隧道工程概況桃花峪黃土隧道位于河南省滎陽市桃花峪村，處于武西高速桃花峪黃河大橋南段引線，橫穿邙山。該隧道在武西高速公路中占據(jù)著關(guān)鍵位置，是連接焦作至鄭州高速公路與連霍高速公路的重要節(jié)點，對完善區(qū)域交通網(wǎng)絡(luò)、促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)交流和發(fā)展起著重要作用。作為武西高速公路的控制性工程之一，其建設(shè)質(zhì)量和進(jìn)度直接影響著整個高速公路的通車時間和運營效益。隧道設(shè)計為小凈距隧道，單洞開挖跨度約17.3m，開挖斷面達(dá)173.71m2，這種大跨度的設(shè)計在滿足交通流量需求的同時，也給施工帶來了極大的挑戰(zhàn)。大跨度使得隧道圍巖的受力更加復(fù)雜，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，增加了圍巖失穩(wěn)的風(fēng)險。隧道埋深多在20m左右，最大埋深55m，最小埋深不足1m，屬于淺埋隧道。淺埋隧道的特點是上覆土層較薄，隧道開挖對地表的影響較大，容易引發(fā)地表沉降、塌陷等問題。隧道下穿桃花峪風(fēng)景區(qū)以及一個村莊，這對隧道施工的環(huán)保要求和安全要求極高。在施工過程中，需要嚴(yán)格控制爆破振動、粉塵等污染物的排放，以保護(hù)風(fēng)景區(qū)的生態(tài)環(huán)境和村莊居民的正常生活；同時，要確保施工安全，防止隧道坍塌等事故對周邊居民的生命財產(chǎn)造成威脅。隧道區(qū)的黃土主要為第四系上更新系統(tǒng)黃土狀粉土、黃土狀粉質(zhì)黏土，其中表層為非自重濕陷性黃土，具輕微濕陷性。這種濕陷性黃土在天然狀態(tài)下，強度相對較高，但一旦遇水浸濕，土的結(jié)構(gòu)會迅速破壞，發(fā)生劇烈的濕陷變形，強度也隨之急劇降低。在桃花峪黃土隧道施工中，由于地下水位較高，部分區(qū)域出現(xiàn)了黃土濕陷現(xiàn)象，導(dǎo)致隧道圍巖變形，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力不均，給施工帶來了很大困難。隧道區(qū)黃土孔隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)松散，強度較弱，圍巖級別定為V級。這種地質(zhì)條件使得隧道圍巖的自穩(wěn)能力較差，在開挖過程中需要及時進(jìn)行支護(hù)，以防止圍巖坍塌。桃花峪黃土隧道所在場地地處內(nèi)陸，具有明顯的大陸季風(fēng)氣候特點，屬暖溫帶半干旱氣候區(qū)。年降水量一般為400-600mm，但降水量的年際變化顯著，豐水年最大降雨量697.7mm，干旱年最小降雨量264.9mm，年內(nèi)降水量的分布不均，七、八、九三個月，降水141.5-495.2mm，占年降水量的53.4-69.9%，并常有暴雨出現(xiàn)。主要河流為黃河，流量受季節(jié)及水庫影響明顯。這種水文條件對隧道施工也產(chǎn)生了重要影響。在雨季，降水量增大，地下水位上升，會使黃土的含水量增加，導(dǎo)致黃土的強度降低，增加隧道施工的難度和風(fēng)險。黃河的存在也使得隧道施工需要考慮河水的滲透和沖刷對隧道結(jié)構(gòu)的影響，需要采取相應(yīng)的防水和抗沖刷措施。5.2新型支護(hù)與開挖方法的應(yīng)用實施在桃花峪隧道的建設(shè)過程中，對于支護(hù)形式和開挖方法的選擇，項目團(tuán)隊進(jìn)行了深入的研究和論證。由于該隧道具有大跨、小凈距、黃土地質(zhì)以及淺埋偏壓等復(fù)雜特點，傳統(tǒng)的支護(hù)形式和開挖方法難以滿足工程需求。項目團(tuán)隊對新型支護(hù)形式和開挖方法進(jìn)行了全面的評估，綜合考慮了隧道的地質(zhì)條件、施工安全、工程進(jìn)度和成本等因素。經(jīng)過詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和專家論證，最終選用了預(yù)制板樁支護(hù)法和預(yù)制支護(hù)套筒法作為桃花峪隧道的主要支護(hù)和開挖方法。預(yù)制板樁支護(hù)法的施工過程嚴(yán)格遵循相關(guān)規(guī)范和技術(shù)要求。在施工前，根據(jù)隧道的設(shè)計要求和地質(zhì)條件，在工廠預(yù)制鋼筋混凝土板樁。板樁的鋼筋骨架采用HRB400級鋼筋，按照設(shè)計間距和布置方式進(jìn)行綁扎，確保鋼筋骨架的強度和穩(wěn)定性。混凝土采用C35強度等級，在攪拌過程中嚴(yán)格控制配合比，保證混凝土的質(zhì)量。預(yù)制板樁的尺寸根據(jù)隧道的跨度和埋深進(jìn)行設(shè)計，長度為12m，寬度為0.5m，厚度為0.3m。在施工現(xiàn)場，利用大型打樁機將預(yù)制板樁準(zhǔn)確打入隧道周邊土體中。打樁過程中，采用全站儀進(jìn)行實時監(jiān)測，確保板樁的垂直度偏差控制在1%以內(nèi)。為了保證板樁之間的連接緊密，在板樁的側(cè)面設(shè)置了榫卯結(jié)構(gòu)，相鄰板樁通過榫卯連接后，再進(jìn)行注漿處理，使板樁之間形成一個整體。在某段隧道施工中，由于打樁過程中垂直度控制不當(dāng)，導(dǎo)致部分板樁出現(xiàn)傾斜，在后續(xù)施工中，通過調(diào)整打樁設(shè)備和施工工藝，重新進(jìn)行打樁作業(yè)，確保了板樁的垂直度符合要求。預(yù)制支護(hù)套筒法的施工也有條不紊地進(jìn)行。在地面預(yù)制鋼筋混凝土支護(hù)套筒，套筒的直徑為1.8m，厚度為0.35m。套筒的制作過程中，嚴(yán)格控制鋼筋的配筋率和混凝土的澆筑質(zhì)量，確保套筒的強度和剛度滿足設(shè)計要求。利用大型起重機將預(yù)制好的支護(hù)套筒吊運至隧道施工現(xiàn)場，并采用頂推設(shè)備將套筒準(zhǔn)確插入隧道預(yù)定位置。在插入過程中，通過在套筒內(nèi)部設(shè)置導(dǎo)向裝置，確保套筒的垂直度和插入深度符合設(shè)計要求。套筒插入到位后，采用螺栓連接的方式將相鄰套筒緊密連接在一起，形成一個連續(xù)的支護(hù)結(jié)構(gòu)。在隧道開挖過程中，嚴(yán)格按照“先支護(hù)后開挖、短進(jìn)尺、弱擾動、強支護(hù)、早封閉、勤量測”的原則進(jìn)行施工。采用小型挖掘機配合人工進(jìn)行開挖，每循環(huán)進(jìn)尺控制在0.5m以內(nèi)，以減少對圍巖的擾動。在開挖過程中，及時對圍巖進(jìn)行初期支護(hù)，包括噴射混凝土、安裝錨桿和鋼筋網(wǎng)等。噴射混凝土采用C25強度等級，噴射厚度為20cm，錨桿采用直徑為22mm的螺紋鋼，長度為3m，間距為1.0m×1.0m，鋼筋網(wǎng)采用直徑為8mm的鋼筋，網(wǎng)格間距為20cm×20cm。為了確保施工安全，在隧道施工過程中，加強了對圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容包括圍巖變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力、地表沉降等。采用全站儀、水準(zhǔn)儀、壓力盒等監(jiān)測儀器進(jìn)行實時監(jiān)測，每天對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整施工參數(shù)和支護(hù)措施，確保隧道施工的安全和質(zhì)量。在某段隧道施工中，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)圍巖變形速率較大，超過了預(yù)警值，項目團(tuán)隊立即停止施工，對支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加強，增加了錨桿的數(shù)量和長度，噴射混凝土的厚度也增加了5cm，經(jīng)過處理后，圍巖變形得到了有效控制，確保了施工安全。5.3施工過程監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析在桃花峪隧道施工過程中，為了實時掌握隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，確保施工安全和質(zhì)量，對多個關(guān)鍵項目進(jìn)行了系統(tǒng)監(jiān)測。圍巖位移監(jiān)測是其中的重要項目之一。在隧道拱頂、邊墻和拱腳等關(guān)鍵部位設(shè)置了監(jiān)測點，采用全站儀進(jìn)行測量。全站儀通過測量監(jiān)測點的三維坐標(biāo)，實時獲取圍巖的位移數(shù)據(jù)。在某監(jiān)測斷面，從開挖開始到初期支護(hù)完成后的10天內(nèi)，拱頂位移呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，從初始的0mm增長到了15mm，之后隨著二次襯砌的施作，位移增長速度逐漸減緩，最終穩(wěn)定在20mm左右。邊墻位移在初期支護(hù)完成后基本穩(wěn)定在8mm左右，拱腳位移則相對較小，穩(wěn)定在5mm左右。通過對不同監(jiān)測斷面位移數(shù)據(jù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)，隨著隧道埋深的增加，圍巖位移有減小的趨勢，這表明埋深對圍巖穩(wěn)定性有一定的影響。應(yīng)力監(jiān)測也是必不可少的環(huán)節(jié)。在預(yù)制板樁、預(yù)制支護(hù)套筒以及初期支護(hù)和二次襯砌結(jié)構(gòu)中埋設(shè)了壓力盒和鋼筋計，以監(jiān)測其受力情況。在初期支護(hù)中，噴射混凝土的應(yīng)力在施工初期增長較快，隨著圍巖變形的穩(wěn)定，應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定。在某段初期支護(hù)中，噴射混凝土的最大應(yīng)力達(dá)到了10MPa，在設(shè)計允許范圍內(nèi)。鋼筋計監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，初期支護(hù)中的鋼筋受力也在合理范圍內(nèi)，能夠有效地協(xié)同噴射混凝土承擔(dān)圍巖壓力。在預(yù)制板樁和預(yù)制支護(hù)套筒中，壓力盒監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，在隧道開挖過程中，它們能夠有效地分擔(dān)圍巖壓力，保障隧道的穩(wěn)定。在某段隧道中，預(yù)制板樁所承受的最大壓力為150kPa，預(yù)制支護(hù)套筒所承受的最大壓力為180kPa，均在其承載能力范圍內(nèi)。地表沉降監(jiān)測同樣至關(guān)重要。在隧道上方地表沿軸線方向布置了多個監(jiān)測點，使用水準(zhǔn)儀定期測量地表高程變化。在隧道開挖過程中，地表沉降呈現(xiàn)出先快速增加后逐漸穩(wěn)定的趨勢。在隧道洞口段，由于埋深較淺，地表沉降較為明顯，最大沉降量達(dá)到了30mm。隨著隧道向深部掘進(jìn)，地表沉降量逐漸減小，在埋深為40m處，地表沉降量穩(wěn)定在15mm左右。通過對地表沉降數(shù)據(jù)的分析，可以繪制出地表沉降槽曲線，發(fā)現(xiàn)沉降槽曲線近似正態(tài)分布，最大沉降值出現(xiàn)在隧道中心線正上方，且隨著隧道間距的減小，地表沉降的相互影響增大。通過對這些監(jiān)測數(shù)據(jù)的深入分析，可以清晰地評估新型支護(hù)和開挖方法對隧道施工安全和質(zhì)量的保障效果。從圍巖位移監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，新型支護(hù)形式有效地控制了圍巖的變形，使圍巖位移在安全范圍內(nèi)。預(yù)制板樁和預(yù)制支護(hù)套筒的聯(lián)合使用，增強了支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，對圍巖起到了良好的約束作用。應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠合理地分擔(dān)圍巖壓力，各支護(hù)構(gòu)件的受力均在設(shè)計允許范圍內(nèi)，保證了支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性。地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，通過合理的開挖方法和支護(hù)措施，有效地控制了地表沉降，減少了對周邊環(huán)境的影響，保障了隧道上方建筑物和居民的安全。在桃花峪隧道施工中，新型支護(hù)和開挖方法在保障施工安全和質(zhì)量方面發(fā)揮了重要作用，取得了良好的應(yīng)用效果。5.4經(jīng)驗總結(jié)與啟示桃花峪隧道在應(yīng)用新型支護(hù)和開挖方法的過程中，積累了寶貴的經(jīng)驗，為后續(xù)類似工程提供了重要的參考和借鑒。在支護(hù)形式的選擇上，預(yù)制板樁支護(hù)法充分發(fā)揮了其承載能力和抗變形能力的優(yōu)勢，有效地控制了隧道圍巖的變形。在施工過程中，嚴(yán)格控制預(yù)制板樁的制作質(zhì)量和打樁精度，確保了支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在某段隧道施工中，由于預(yù)制板樁的制作工藝精良，打樁垂直度偏差控制在極小范圍內(nèi)，使得該段隧道在施工過程中圍巖變形得到了有效控制，未出現(xiàn)任何坍塌跡象。預(yù)制支護(hù)套筒法在桃花峪隧道的開挖中也取得了良好的效果。先支護(hù)后開挖的原則確保了施工安全，減少了對圍巖的擾動。在套筒的運輸和安裝過程中，合理安排施工流程，采用專業(yè)的機械設(shè)備，提高了施工效率。在某段隧道施工中，通過優(yōu)化施工流程，將套筒的運輸和安裝時間縮短了20%，大大提高了施工進(jìn)度。從桃花峪隧道的成功實踐可以看出，對于大跨小凈距黃土隧道，根據(jù)地質(zhì)條件和工程要求精準(zhǔn)選擇支護(hù)形式和開挖方法是確保工程安全和質(zhì)量的關(guān)鍵。在選擇支護(hù)形式時，需要綜合考慮黃土的特性、隧道的跨度和凈距等因素。在黃土質(zhì)地松軟、強度較低的情況下，應(yīng)優(yōu)先選擇承載能力強、抗變形能力好的支護(hù)形式，如預(yù)制板樁支護(hù)法或薄壁鋼管支撐法。在選擇開挖方法時，要充分考慮對圍巖的擾動和施工效率。對于對圍巖擾動要求較高的隧道，應(yīng)選擇預(yù)制支護(hù)套筒法或沖洗法等對圍巖擾動較小的開挖方法。施工過程中的監(jiān)測和數(shù)據(jù)反饋也是至關(guān)重要的。通過對圍巖位移、應(yīng)力和地表沉降等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，能夠及時掌握隧道施工過程中的安全狀況，為施工決策提供科學(xué)依據(jù)。在桃花峪隧道施工中，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)某段隧道圍巖變形速率過快，項目團(tuán)隊立即根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整了施工參數(shù)，加強了支護(hù)措施，有效地控制了圍巖變形，避免了事故的發(fā)生。在實際工程應(yīng)用中，也暴露出一些需要改進(jìn)的問題。預(yù)制板樁支護(hù)法在施工過程中，由于板樁的重量較大，運輸和打樁過程中需要較大的機械設(shè)備，增加了施工成本和難度。在今后的工程中，可以進(jìn)一步研究和改進(jìn)板樁的制作材料和結(jié)構(gòu)，減輕板樁的重量，提高施工效率。預(yù)制支護(hù)套筒法中，套筒的連接方式還需要進(jìn)一步優(yōu)化，以提高連接的可靠性和穩(wěn)定性?？梢匝邪l(fā)新型的連接技術(shù)，如采用高強度的連接件或改進(jìn)連接工藝，確保套筒之間的連接牢固。對于類似工程，應(yīng)在充分借鑒桃花峪隧道經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程的具體特點，進(jìn)一步優(yōu)化支護(hù)形式和開挖方法。加強對新型支護(hù)和開挖方法的研究和創(chuàng)新，不斷提高隧道施工的技術(shù)水平，確保工程的安全、質(zhì)量和進(jìn)度。在今后的大跨小凈距黃土隧道工程中，可以引入先進(jìn)的施工技術(shù)和設(shè)備，如智能化的施工監(jiān)測系統(tǒng)、高效的支護(hù)安裝設(shè)備等，提高施工效率和質(zhì)量。還可以加強對施工人員的培訓(xùn)，提高其技術(shù)水平和安全意識，確保施工過程的順利進(jìn)行。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)通過對大跨小