7挤压性围岩隧道三台阶+临时仰拱施工工法.docx

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7挤压性围岩隧道三台阶+临时仰拱施工工法

挤压性围岩隧道“三台阶+临时仰拱”施工工法

1前言

交通隧道、水工隧道及其他地下工程穿越地下高应力以及软弱围岩，常易导致大变形等相关地质灾害。

根据大量文献检索，隧道工程围岩大变形已是困扰地下工程界的一个重大难题。

国内外多座隧道工程有不同形式和程度的围岩大变形情况记录，给工程建设造成极大的困难，运营以后病害也多。

1946年，Terzaghi首次提出了挤压性岩石和膨胀性岩石的概念，挤压性岩石是指侵入隧道（开挖轮廓面）后没有明显体积变化的岩石。

同时将围岩变形分为两类：

一是开挖形成应力重分布超过围岩强度而发生塑性化。

如果介质变形缓慢，就属于挤压（如果变形立刻发生，就是岩爆）；二是岩石中的某些矿物和水反应膨胀。

水及某些（膨胀性）矿物的存在，对于变形是必须的。

挤压性围岩的施工技术也是多种多样，目前主要有台阶法、双侧壁导坑法、CD法和CRD法等。

本工法主要根据中铁一局承建的襄渝二线新蜀河隧道的施工经验编写，介绍“三台阶+临时仰拱”法。

经鉴定该项施工方法针对挤压性围岩施工具有显著的技术创新，经济效益明显，对于后续施工相似围岩具有广泛的应用价值和指导意义。

2工法特点

隧道开挖的过程是在时间和空间上动态变化的过程，伴随着开挖面的向前推进，衬砌施工相对滞后，隧道围岩不断受到扰动，其受力和变形随时间与空间而逐渐发展。

挤压性围岩隧道更具有明显的“时空效应”。

较台阶法、双侧壁导坑法、CD法和CRD法等施工方法，具有以下特点：

2.1该施工方法将隧道根据实际分成多部分施工，空间小，减少了围岩的暴露范围，同时利于及时封闭。

2.2临时仰拱增加了横向支护刚度，利于变形控制。

2.3无需增加特殊设备，投入少，利于现场操作。

3适用范围

本工艺工法适用于Ⅴ-Ⅵ级挤压性围岩隧道施工，对于大跨地下工程及其它交通工程已有参考价值。

4工艺原理

三台阶+临时仰拱法是以“新奥法”基本原理为依据，在开挖时尽量减少对围岩的扰动；初期支护采用柔性支护，并及时使断面封闭，控制围岩变形；进行信息化施工管理，随时掌握施工过程的动态变化，合理安排，确保施工安全。

施工过程遵循“早预报、管超前、弱爆破、短进尺、少扰动、严治水、强支护、早封闭、勤量测、紧衬砌”的原则稳步前进。

开挖后立即进行初期支护，保证在最短时间封闭围岩，使初支成环，根据量测数据确定最佳二衬施工时间，尽早完成二衬施工。

5施工工艺流程及操作要点

5.1施工工艺流程

施工步骤如下：

仰拱及填充混凝土

图1“三台阶+临时仰拱”法施工步骤

2

衬砌

图2“三台阶+临时仰拱”法施工步序图

测量放样

图3施工工艺流程图

5.2施工要点

5.2.1施工准备

1风、水管、电线敷设、施工便道、施工场地布置，机械设备、人员配置、材料准备、修建防排水设施、修建环保、水保设施。

2根据设计资料详细分析了解工程地质、当地水文地质情况，制定合理的施工方案和施工措施，针对各工序制定专项施工方案。

5.2.2施工步骤

1上台阶开挖及支护

开挖之前进行超前支护，采用φ42×3.5mm无缝钢管，外插角5°～10°，搭接长度不得小于1.5m，环向间距40cm，在洞身变形较大或者地质条件较差的一侧可以适当加密。

拱部超前支护后进行上台阶开挖，台阶高度为2～3m，长度3～5m。

开挖循环进尺根据初期支护钢架间距确定，一般控制在1m内，不得超过1.2m。

开挖后立即初喷3～5cm混凝土，并及时进行喷、锚、网、钢架系统支护施工。

在钢架拱脚处垫设预制混凝土块，在钢架拱脚处紧贴钢架两侧向下20°及40°，增设2根6m长的φ42锁脚锚管，锚管与钢架焊接牢固。

2上台阶临时仰拱

上台阶临时仰拱与上台阶初期支护同时施工，与拱部钢架采用焊接连接，并在上方用φ22的螺纹钢加肋焊。

仰拱设置I25a钢架，间距1.0m（与初期支护钢架间距相同），纵向采用[25槽钢连接，喷C20混凝土厚度30cm。

临时仰拱拆除滞后中台阶2m。

3中台阶开挖及支护

开挖进尺根据初期支护钢架间距确定，每循环1～2榀，一般控制在1m内，不得超过1.2m，左右侧台阶错开1～2m，开挖后立即初喷3～5cm混凝土，及时进行喷、锚、网、钢架系统支护施工，在钢架拱脚处垫设预制混凝土块，在钢架拱脚处紧贴钢架两侧向下20°及40°，增设2根6m长的φ42锁脚锚管，锚管与钢架焊接牢固。

4下台阶开挖及支护

开挖进尺根据初期支护钢架间距确定，每循环2～3榀，一般控制在1.5m内，不得超过2m，左右侧台阶错开2～3m，开挖后立即初喷3～5cm混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护施工。

架设钢架，在钢架拱脚处垫设预制混凝土块在钢架拱脚处紧贴钢架两侧向下20°及40°，增设2根6m长的φ42锁脚锚管，锚管与钢架焊接牢固。

5仰拱开挖

仰拱开挖长度根据围岩具体情况而定，一般为3～4m，开挖后及时施作仰拱初期支护、仰拱和仰拱填充。

仰拱施工期间采用栈桥保证洞内运输通行。

5.2.3监控量测

严格按照设计和规范要求进行拱顶下沉和周边位移量测，通过监控量测的信息反馈，及时调整支护参数，以保证施工安全。

监控量测中应注意：

1）为了取得开挖后围岩的早期状态变化数据，各测点应尽量靠近开挖面布置（不得大于2m），在爆破后24h内必须读取初读数。

2）周边位移、拱顶下沉及地表各测点应尽量集中布置在一个断面上以便测量成果的协调分析、综合运用。

3）量测时，先把钢尺拉出（拉出的长度稍大于基线长度）停放20min，使钢尺温度与环境温度基本一致。

4）当下台阶断面靠近上半量测断面时，适当增加量测频率。

主要施工监测项目见表1

表1监控量测项目表

序号

量测项目

量测方法和仪器

测点布置

测量频率

测量

精度

1

洞内外观测

现场观测，地质素描及初期支护状态观测

每榀拱架

施工前洞顶现场勘测，施工中开挖后进行

2

水平收敛量测

收敛仪、反射膜片配合全站仪

每10～30米一个断面，上下2条基线4个点

υ≥5mm（0～1B）2次/d；1≤υ＜5（1～2B）1次/d；0.5≤υ＜1（1～2B）1次/2～3d；0.2≤υ＜0.5（2～5B）1次/3d；υ＜0.2（＞5B）1次/7d。

0.1mm

3

拱顶下沉

水准测量的方法，水准仪、钢尺等

每10～30米一个断面，1个点

1mm

4

锚杆拉拔试验

拉拔仪

每代表性地段1～2个断面

1%，且不小于3根。

0.01KN

注：

B—隧道开挖宽度，υ—变形速速,h0—隧道埋深

6材料与设备

“三台阶+临时仰拱”法将开挖施工作业面分成3部分，机械配套的合理与否，对施工影响较大。

配套机械多，造成机械浪费，否则将功效低。

因此施工时合理安排机械不但可以加快施工进度同时还可以节约施工成本。

施工中主要使用材料见表2

表2主要材料表

序号

材料名称

单位

延米数量

备注

1

C30衬砌砼

m3

18.30

2

C30仰拱砼

m3

2.79

3

C20仰拱填充

m3

3.91

4

初期支护

C25喷射混凝土

m3

8.63

钢筋网

Kg

104.72

系统锚杆

Ф22砂浆锚杆

根

23.00

m

69.00

型钢钢架

I25a工字钢架

榀

2.00

Kg

2377.22

钢板

Kg

261.14

Ф22连接钢筋

Kg

95.49

5

临时仰拱

I25a工字钢架

Kg

358.9

Ф22连接钢筋

Kg

26.82

C25喷射混凝土

m3

2.83

6

超前支护

Ф42注浆小导管

根

18.00

m

63.00

7

衬砌钢筋

Kg

2177.31

根据机械工作能力和实际工作量，单个工作面主要机械配备如表3。

表3单个开挖面机械设备配备表

序号

作业

机具设备名称

规格型号

单位

数量

备注

1

施工通风

轴流式通风机

SDF（c）-NO11

台

1

通风

2

施工照明

低压变压器

24v,10kw

台

4

掌子面及二衬施工平台

3

施工用电

发电机

250kw

台

1

备用

变压器

500kw

台

1

施工及生活用电

4

开挖

双液注浆机

LTC-60/S

台

1

超前注浆

挖掘机

CAT320B

台

1

开挖

自卸车

20t

辆

4

出碴

空压机

4L-20/8

台

3

高压供风

空压机

L2-10/8

台

1

高压供风

气腿式凿岩机

YT-28

台

8

风镐

G10

台

8

5

初期支护

工字钢弯曲机

GW1-200

台

1

型钢加工

钢筋弯曲机

GW

台

1

钢筋加工

钢筋切断调直机

GQ

台

1

钢筋加工

等离子切割机

GW

台

1

钢板切割

交流电焊机

BX1-500

台

6

钢架、网片加工及安装

台式钻床

24025

台

1

钢板加工

压浆机

台

1

锚杆注浆

混凝土湿喷机

TK-500

台

3

喷浆

6

衬砌

搅拌站

JS50025m3/h

台

2

混凝土罐车

东风

台

2

输送泵

三—

台

1

插入式捣固棒

4

7

量测及测量仪器

全站仪

莱卡402

台

1

方向控制

水准仪

莱卡N2

台

1

标高控制

塔尺

5m

个

2

标高控制

精密水准仪

莱卡N2

台

1

沉降观测

因瓦尺

个

1

收敛仪

JSS30A

个

2

量测

锚杆拉拔仪

BL—150B

个

1

锚杆拉拔

7劳动力组织

隧道施工劳动力组织包含开挖工班、支护工班、出渣工班、衬砌工班、砼生产工班、后勤保障和管服人员等。

洞内作业实行24小时连续作业，人员配备见表2。

表2单口作业劳动力配置

序号

工作项目

作业内容

人数

1

开挖

钻孔或风镐手

16

挖掘机司机

2

自卸车司机

4

2

初期支护

型钢加工

6

钢筋网片加工

2

钢架安装

8

喷射手

4

喷射机上料

6

搅拌机司机

2

混凝土搅拌运输罐车司机

4

3

衬砌

拌和站

4

衬砌钢筋

12

防水排水安装

4

装载机司机

2

输送泵司机

4

台车调试、模板安装

8

混凝土搅拌运输罐车司机

4

4

测量

技术员

2

测工

4

5

其它

现场管理人员

6

施工配合人员（电工、修理工、空压机司机）

15

8主要机具设备

“三台阶+临时仰拱”法将开挖施工作业面分成3部分，机械配套的合理与否，对施工影响较大。

配套机械多，造成机械浪费，否则将功效低。

因此施工时合理安排机械不但可以加快施工进度同时还可以节约施工成本。

根据机械工作能力和实际工作量，单个工作面主要机械配备如表3。

。

表3单个开挖面机械设备配备表

序号

作业

机具设备名称

规格型号

单位

数量

备注

1

施工通风

轴流式通风机

SDF（c）-NO110

台

1

通风

2

施工照明

低压变压器

24v,10kw

台

4

掌子面及二衬施工平台

3

施工用电

发电机

250kw

台

1

备用

变压器

500kw

台

1

施工及生活用电

4

开挖

双液注浆机

LTC-60/S

台

1

超前