大跨度黄土隧道新奥法施工工法1.docx
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大跨度黄土隧道新奥法施工工法1
大跨度黄土隧道新奥法施工工法
一、前言
在黄土地区，已修建了为数众多的铁路隧道、公路隧道、仓库和各种用途的洞室，但大跨度的隧道并不多见，随着科学技术和经济建设的发展，在幅员辽阔的黄土地区修建大跨度的铁路、公路隧道及其它地下工程在所难免。
黄土地质条件较差，遇水易发生湿陷；大跨度的黄土隧道开挖及支护技术难度较大。
由中铁一局集团第三工程公司施工的黑山寺大跨度（开挖跨度12.54m）黄土隧道采用新奥法施工技术取得成功，具有较好的社会经济效益。
本工法是在黑山寺隧道的施工过程中形成的。
二、工法特点
（一）大跨度黄土隧道采用分部开挖，初期支护由钢拱架、喷锚等组成，二次衬砌采用模筑混凝土施工，施工技术可行、安全可靠。
（二）大跨度黄土隧道采用新奥法施工，便于机械操作，提高机械利用率，可加快施工进度，缩短工期。
（三）采用监控量测信息技术指导施工，使施工处于受控状态。
三、适用范围
本工法适用于在黄土地区修建大跨度铁路、公路隧道，对黄土地区修建其它地下工程亦有参考价值。
四、施工工艺
（一）工艺原理
大跨度黄土隧道施工以新奥法的基本原理为依据，以“短开挖、快封闭、强支护、勤量测”为指导。
在洞室开挖后立即将开挖暴露出来的围岩进行喷锚及钢拱支护，由于这种支护是柔性的，容许围岩有一定的变形，达到一定的稳定状态，然后在初期支护的掩护下施做二次衬砌，充分发挥围岩的自持能力，因而使得二次衬砌承担的山体压力较小，而且施工过程不需要进行支撑顶替，避免围岩崩塌而产生较大的松驰压力，保证衬砌和围岩密贴且使衬砌有良好的稳定性。
（二）工艺流程
施工工艺流程图见图1。
图1大跨度黄土隧道施工工艺流程图
（三）施工要点
1.施工准备
（1）风、水、电管线敷设、施工便道、施工现场布置，机具设备、人员配置、材料准备、修建防排水设施等。
（2）根据地质勘探资料和施工设计，详细分析了解工程地质和水文地质情况，制定相应的施工方法和措施，认真编制施工组织设计，制定施工监测计划。
2.隧道开挖施工
开挖采用正台阶分步开挖法，也称环形开挖留核心土法施工，分步施工顺序如图2所示。
这种施工方法适用于土质易坍塌的软弱围岩隧道，上部留核心土支挡开挖工作面，利于及时做拱部初期支护以增强开挖工作面的稳定性，核心土及下部开挖在初期支护保护下进行。
说明：
先开挖上半断面环形1后立即施作初期支护I；再开挖上半断面核心土2及开挖下半断面中槽3；然后开挖下半断面两侧土4后立即施做初期支护II；仰拱III及时封闭成环；最后进行二次衬砌IV施工。
图2隧道分步施工顺序图
一般环形开挖进尺控制在0.5～1.0m，土质较好时，开挖进尺一般能达到1～2m，上下台阶距离一般控制在4～6m左右，这样不仅有利于施工安全，而且有利于上台阶出土。
上半断面采用人工及风镐配合开挖，机动翻斗车运输，由掌子面弃到下断面运出，开挖1工序后及时进行I工序初期支护，再开挖2工序。
下半断面用挖掘机开挖，自卸车运输，先开挖中槽3工序，拉开一定距离后（中槽不宜挖得太长），再开挖4工序，及时进行初期支护。
初期支护必须紧跟开挖进行，开挖完后及时施作仰拱封闭成环。
3.初期支护施工
（1）施工程序：
测量定位→钻孔→锚杆支护→喷混凝土→安设钢拱架→挂设钢筋网→喷混凝土
（2）通过对地质及支护状态、隧道周边位移、拱顶下沉、地表沉陷、钢拱架应力、锚杆拉拔力等的监控量测，判断支护是否稳定与可靠，必要时调整支护参数。
（3）开挖断面达到要求尺寸，及时出碴后立即初喷混凝土4～5cm，然后打设锚杆，再按设计要求安装钢拱架、挂钢筋网、最后分层复喷混凝土直到厚度。
拱架与开挖轮廓之间所有间隙必须用喷射混凝土充填密实。
先喷拱架与轮廓之间间隙，再喷拱架周围，最后再喷拱架之间。
（4）锚杆采用早强砂浆锚杆体系或药包早强锚杆；锚杆间距一般情况下取1m，拱脚处需设锁脚锚杆；锚杆长度取决于围岩类别和开挖后的塑性区域，在软弱围岩中布置的系统锚杆，锚杆的长度应穿透软弱层和破碎体，固定在塑性区域以外。
实践和理论分析证明，在黄土地区修建隧道时，锚杆的设置是必要的。
（5）钢拱架的受力情况比较复杂，钢拱支护仍是必要的。
钢拱架采用型钢刚架，对Ⅱ类围岩，间距可取1.2m，对Ⅲ类围岩，间距可取1.5m。
4.防水及衬砌结构施工
（1）二次衬砌施工时应满足的要求：
①水平收敛（拱脚附近）速度小于0.2mm/d，或拱顶位移速率小于0.15mm/d；②施做二次衬砌前的收敛量已达总收敛量的80%以上。
（2）开挖支护完成后，在初期支护表面抹砂浆找平，再铺设一层土工布，后铺设防水板。
（3）防水层铺设完成以后，绑扎钢筋，架设整体式模板台车，浇灌二次衬砌混凝土。
（4）二次衬砌施工应尽量采用整体式模板台车施工，以提高工效和质量。
5.防排水措施
（1）采取洞内设集水坑和排水沟的排水设施，将洞内水引排至洞外。
（2）在洞顶设置排水沟，将洞顶水疏排至隧道开挖范围以外，减少地表水的渗入。
（3）地下水水量较大时，可采取井点降水的方法将地下水位降至隧道底以下。
（4）施工中管理好施工用水，不使废水浸流。
（5）妥善处理好陷穴、裂缝，以免地面积水浸蚀洞体周围，造成土体坍塌。
五、监控量测
（一）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
量测仪器和工具
测点布置
量测频率
1
围岩及支护状态
地质描述及拱架
支护状态观察
每一开挖环
开挖后立即进行
2
地表沉降
水准仪和
水平尺
每10～20m一个断面，每断面7～11个测点
H<2B时1～2次/天；H<5B时1次/2天；H>5B时1次/周
3
拱顶
下沉
水准仪、
钢尺等
每5-10m一个断面，每断面1-3个测点
H<2B时1～2次/天；H<5B时1次/2天；H>5B时1次/周
4
周边净空收敛位移
收敛仪
每5～10m一个断面，每断面3～5个测点
H<2B时1～2次/天；H<5B时1次/2天；H>5B时1次/周
5
隧道底部隆起
水平尺、水准仪
及钢尺等
未做仰拱段每5～10m一个断面，每断面1～3个测点
1次/天至做完仰拱结构为止
7
钢拱架内力及外力
支柱压力计或
其他测力计
每10～30榀钢拱架设一对测力计
H<2B时1～2次/天；H<5B时1次/2天；H>5B时1次/周
7
锚杆内力
锚杆测力计
及拉拔器
必要时进行
H<2B时1～2次/天；H<5B时1次/2天；H>5B时1次/周
注：
1.H为开挖面距量测断面的距离；B为隧道开挖宽度；
2.地质描述包括工程地质和水文地质。
（二）量测结果分析的几个结论
1.地面沉降：
无论Ⅱ类还是Ⅲ类围岩，洞口部若发生塌方滑坡，都会涉及地表，造成大的塌方，使进洞很困难，应采取对洞口仰坡提前进行喷锚支护的措施加固。
2.隧道周边净空收敛：
隧道开挖后，隧道净空变化值（收敛值）较小，并且离散性较大，围岩自稳能力较强，初期刚度较大。
隧道开挖并经喷锚支护后，净空收敛在短时期内的变化是紊乱的，一段时期拱脚内收，一段时期拱脚又向外扩张，而且其内收的幅度和内收的速率也比较大，围岩加在拱脚上的压力很大；从长期观测来看，拱脚部位的相对位移还是在向大的方向发展，遵循着隧道收敛的一般规律。
3.拱顶下沉：
初期拱顶处于上下来回波动状态，下沉速率0.04mm/d，初期支护四五天后，基本达到稳定状态，波动下沉速率在0.01mm/d左右，开挖下半断面后，又重新出现波动状态。
波动幅度在0.06mm/d左右，待下半断面支护后，又趋于稳定。
4.锚杆拉拔力：
隧道开挖后，洞室周边出现应力松驰带，而后继续向纵深方向发展。
采用砂浆锚杆将松驰带和密实土体联结在一起，给予及时加固，从而有效地控制围岩变形和位移速度。
因此，黄土隧道系统锚杆是不可缺少的，其系统锚杆的长度决定于围岩类别和开挖后的塑性区域，锚杆尾端必须穿透围岩的软弱层和破碎体，固定在塑性区域以外，方能起到锚杆支撑的作用。
5.钢拱架应力：
拱顶所承受应力最小，拱脚和墙部高于拱顶。
在黄土地区修建三车道隧道时，钢拱架间距1m过于保守，1.2m亦过于保守，1.8m不可靠。
对于Ⅱ类围岩，采用工18型钢刚架，间距为1.2m；对于Ⅲ类围岩，采用工18型钢刚架，间距为1.5m。
二次衬砌可采用0.25-0.3m厚。
6.大跨度黄土隧道受力特点：
上半断面开挖后，拱脚部位的应力和位移比较小，下半断面开挖后，拱脚处应力比较集中，内收外放幅度加剧，经支护后趋于稳定；边墙底部当仰拱土未挖走时，墙底应力较小，当仰拱土挖走后，墙底应力较大，内收外放幅度加剧，仰拱混凝土灌注一周后又逐步趋于稳定。
六、施工机具设备
表2单口作业所需设备
序号
作业
机具设备名称
规格型号
单位
数量
备注
1
施工通
风照明
轴流式通风机
90-1
台
1
通风
低压变压器
24V，20kw
台
1
掌子面照明
2
开挖
压风机
20m3/min,120kw
台
1
高压供风
风镐
G10
台
10
开挖
黄土电钻
自制
台
2
锚杆钻孔
翻斗车
JS-1J
台
5
出碴、进料
挖掘机
EX300
台
1
开挖
装载机
ZL50
台
1
出碴
自卸车
CA141
台
4
出碴
潜水泵
扬程50m
台
4
抽水
泥浆泵
100m3/h
台
2
排污水
3
初期
支护
钢筋切断机
GQ40-F
台
1
钢件加工
钢筋折弯机
GW40-1
台
1
电焊机
BX-300
台
3
台式钻床
24025
台
1
混凝土喷射机
TK-961
台
1
初期支护
混凝土搅拌机
JZC350
台
1
4
二次
衬砌
搅拌站
25m3/h，LS500
台
1
二衬混凝土施工
混凝土搅拌输送车
JGC5270GJB
台
2
混凝土输送泵
HB60D
台
1
插入式震动器
ZN35，ZN50
台
10
模板台车
自制
台
1
5
量测及测量仪器
全站仪
拓普康301
台
1
方向控制
经纬仪
J2
台
1
水准仪
C40
台
1
标高控制
塔尺
条
2
收敛计
GY-85
个
2
收敛值
锚杆拉拔仪
BL-150B
个
1
锚杆拉拔
七、劳动组织
表3单口作业劳动组织
序号
工作项目
作业内容
人数
1
开挖
风镐手
6
电钻手
2
挖掘机司机
2
自卸车司机
6
2
初期支护
钢架、锚杆、钢筋下料
2
制作钢架
4
洞内焊接
6
混凝土喷射手
2
锚杆制安
2
运料
2
搅拌机司机
1
搅拌机上料
4
3
量测及其他
技术员
2
测量工
3
4
二次衬砌
制安模板台车
8
灌混凝土
8
搅拌站
6
混凝土输送泵司机
2
5
其他
分队长
1
技术负责人
1
专职安全员
1
实验员
2
电工
1
修理工
2
压风机司机
1
运输车司机
4
输助人员
3
合计
84
八、质量控制
（一）按规范施工，可详细参阅公路、铁路隧道施工技术规范及验收标准。
（二）严格控制进料及加工
1.对混凝土骨料级配、含泥量及外加剂质量严格把关，坚持进一次料，抽检一次，不合格的料应清退，拌制时严格按配合比计量，缩短运输存放时间，随拌随用（一般加速凝剂混凝土不超过30min）。
2.钢构件下料按1:
1大样为准，加工时尺量减少热变形，加工完用模具检验校正，焊点强度应严格把关。
3.泵送混凝土应严格控制坍落度损失，严禁擅自加水，外加剂严格计量。
（三）加强施工管理
1.成立专门的质检小组，严肃质检程序，奖罚分明，质量不合格者必须返工。
2.喷射混凝土应严格按规范要求控制施工，努力减小超欠挖。
3.以新奥法原理指导施工。
4.加强监控量测，及时反馈信息，提高应变能力。
九、施工安全与环境保护措施
1.量测人员及专职安全员必须经过专业培训并取得证书，方准上岗作业。
2.必须加强全员的安全意识教育。
3.施工中如发现工作面有失稳可能，应及时采用喷射混凝土封闭、加设锚杆、架立钢支撑等加强支护。
4.施工时特别注意拱脚与墙脚处断面，如超挖过大，应用浆砌片石回填密实，如发现该处土体承载力不够，应立即采取措施进行加固。
5.施工中如发现不安全因素时，应暂停开挖，加强临时支护，以便采取适应性强的工序安排。
6.施工中做好监控量测工作，确立警戒值，根据量测结果指导施工。
如发现量测结果超出允许的范围，立即停止开挖，采取加强支撑、加固围岩等措施，确保围岩稳定和施工安全。
7.加强隧道的防排水，确保洞内施工环境处于良好状态。
8.加强洞内电力、通风、给排水管线的管理，防止漏电、漏风伤人。
9.加强机械保养维修，降低机械噪声和废气排放。
十、效益分析
1.与采用传统矿山法施工相比，可以节约大量的木材和水泥，降低工程造价，节约投资，同时可以节省大量的人力，提高机械效率，加快施工进度，缩短工期。
2.以往由于受到技术和经济条件的限制，在铁路特别是公路选线中往往以展线方式越过地形和高程的障碍而避免修建隧道，给运营带来了非常不利的影响，采用本工法可以在黄土地区修建大跨度的隧道，对铁路、公路选线提供了依据，而且会改善不利的运营条件，具有一定的社会经济效益。
3.大跨度黄土隧道采用新奥法施工技术对其它黄土地区修建地下工程的设计和施工有一定的借鉴意义。
十一、工程实例
由中铁一局集团第三工程公司承建的国道102线延安—子长改造工程黑山寺隧道，全长431m，最大开挖跨度12.5m，开挖高度9.07m，开挖面积101m2，隧道围岩为黄土地质，含水率为17～24%，属大跨度黄土公路隧道。
隧道采用新奥法技术施工：
开挖采用环形开挖留核心土法；初期支护采用喷锚支护，并设钢拱架，在土质软弱地段，工18型钢拱架每0.5～0.8m一榀，到土质良好后，每1m设一榀钢拱架，并挂设φ8钢筋网，C20混凝土喷护，3.5m长φ22螺纹钢锚杆锚固；二次衬砌采用模筑混凝土施工。
施工中对黄土做了土工试验，对地表沉降、拱顶下沉、钢拱变形、隧道收敛、锚杆拉拔力等进行量测分析，并采用弹塑性有限元分析法对支护结构的受力变形情况进行了分析，各项指标均符合设计和规范要求。
黑山寺大跨度黄土隧道采用新奥法技术施工获得成功，保证了施工工期和质量，取得了较好的社会经济效益。
执笔：
杨永强
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