复杂地质条件下大断面隧道施工技术研究报告.docx

1、复杂地质条件下大断面隧道施工技术研究报告复杂地质条件下大断面隧道施工技术研 究 报 告评审技术文件之一复杂地质条件下大断面隧道施工技术研究总报告集团有限公司二00 年 月一、概述1、工程简介某市地铁某号线第七合同段全长1.834公里。由某路站某某站区间、某地铁站、某地铁站环岛站区间三部分组成。设施工竖井3座。区间隧道均为暗挖，由于设计与3号线联络线、存车线和交叉渡线的需要，区间隧道断面复杂多变，共设计13种断面。其中某路站某某站区间右线325m范围内集中设计11种断面形式（见表1）。复合式衬砌，大管棚和小导管超前支护，格栅钢架、钢筋网、喷混凝土初期支护，C30钢筋混凝土二次衬砌。 区间隧道断面

2、结构尺寸 表1衬砌类型断面形式结构尺寸(宽高 m)长度m标准断面单跨标准断面6.06.33左线1601、右线12101-1断面三连拱断面22.5510.5右线16.882-2断面单跨大断面13.49.11右线13.983-3断面单跨大断面12.29.34右线159.244-4断面单跨大断面12.49.54右线7.085-5断面双层框架结构2014.2右线10.66-6断面不对称双连拱断面17.69.79右线24.457-7断面不对称双连拱断面14.98.45右线25.278-8断面对称双连拱断面11.76.8右线16.19-9断面单跨大断面7.37.1右线13.1910-10断面单跨大断面6.

3、86.89右线11.812、周边建（构）筑物区间隧道埋深810m，穿越城市公园，隧道边界距城市小河0.59.0m，隧道经过地段下穿5处建构筑物：新江南大酒店、加油加气站、车辆管理所办公楼、机械研究所的索塔拉锚基础和河道疏浚工程暗河。3、地质情况区间隧道地层主要为粉细砂层和粉质粘土层，根据铁路隧道设计规范，为级围岩，属于松土和普通土。4、地下水情况地下水有台地潜水和层间潜水，水位较高，接近自然地面。施工时采取降水措施，水位降至隧道底板1.0m以下，确保隧道在无水状态下施工。二、工程特点1、区间设计断面多达13种，属典型的大断面洞群段落，采用6种施工方法，不同施工方法间转换多，断面间接口多。2、区

4、间11断面为三连拱隧道，埋深浅，跨度达22.5m，施工步序多，施工难度大。3、区间下穿多种建筑物和管线，要求地面沉降量控制在30mm内，地表沉降要求严格。隧道隆起量控制在10mm内。三、关键技术1、地铁三连拱浅埋隧道施工效应分步模拟分析技术区间11断面为三连拱隧道，结构扁平，处于浅埋粉细砂地层，施工中隧道结构所受荷载加大，结构应力集中比较单拱隧道更趋复杂化，隧道成型和围岩稳定性控制的难度增大，稍有不慎，极易造成围岩过度变形，威胁区间管线和地表建筑物安全，甚至坍塌，严重影响施工进度和质量，因此选择合理的开挖方式和支护参数，保证围岩和结构的稳定极其关键。采用弹塑性有限单元法，对三连拱不同施工阶段、

5、不同荷载条件的受力特性和形变量进行模拟和分析，为确定合理的施工方案提供理论参考。根据区间隧道地质情况，采用FLAK软件、显式有限差分方法进行分析。2、水平定向钻进施工隧道长大管棚技术本标段区间隧道在大断面施工、穿越地表建筑物时设计均采用108mm大管棚超前支护，累计数量达15213延米。大管棚施工速度和质量的好坏直接影响着施工进展。受竖井口和洞内作业场地施工空间的制约，普通管棚钻机具有移位困难、洞内作业需先扩挖工作室的问题，钻进过程中钻头的方向难于控制，棚管偏位严重是普通钻机管棚作业中的通病，并且在城市地铁扩挖工作室不利于对管线和建筑物的保护。本项目在国内首次采用HGT-100水平钻机对隧道大

6、管棚施工进行了研究和尝试。该方法在钻进过程中能准确测定钻头在地下的位置和方向，根据钻头在钻进过程中的位置和方向同设计轨迹的差异，利用能进行调节方向的楔型钻头改变钻头的钻进方向，从而按设计要求的角度完成各种大管棚的施工。具有一次连续钻进长、管棚精度高、水平钻机在同一断面中不需扩挖工作室等优点。3、不同大断面施工及工法转换技术区间隧道共设计10种大断面，并且大断面集中于某路站某某站区间右线布置，属典型的大断面洞群段落。断面不同，采用的施工工法不同。根据断面情况分别采用CD法、CRD法、双侧壁导坑法、中洞法、侧洞法和双侧洞法等多种软弱地层隧道工法。相邻断面的施工工法转换是确保施工安全的关键环节，必须

7、采用技术措施才能实现安全过渡。断面转换分为两种：大断面向小断面转换和小断面向大断面转换。施工中重点研究断面转换中的分部开挖过渡技术和反向扩挖技术。四、主要成果通过某市地铁的施工，复杂大断面施工技术在以下方面取得研究成果：1、地铁三连拱浅埋隧道施工效应分步模拟分析技术采用FLAK软件、显式有限差分方法，对11断面拟采用的双侧洞法进行工况分析，模拟分析不同的施工工序对围岩应力应变的影响及每步工序产生的地表沉降值，找出关键工序，理论分析双侧洞法在地铁三联拱施工中的可行性，经分析研究，取得以下成果：采用双侧洞法左右对称开挖三连拱隧道能有效控制地表沉降。经计算，地表累计最大沉降为2.76cm，满足设计的

8、地表沉降3cm限值要求。各工序产生的地表沉降值见下表： 双侧洞法各开挖工序产生的沉降值 表2工序1234567891011累计沉降值 cm0.51.161.21.41.42.12.242.42.452.522.76三联拱隧道施工过程中两侧钢筋混凝土立柱对围岩体的支撑稳定具有非常显著的作用。连拱隧道由于跨度大的特点，其松弛塌落范围比单拱隧道要大得多，作用在支护衬砌结构上的荷载也要比单拱隧道大得多，计算表明，这些荷载施工过程中大部分由两侧立柱承担。因此，施工过程中应尽可能保护好立柱上部的岩体，防止过度损伤，并坚决杜绝超挖回填不密实的现象发生，避免降低围岩结构的承载能力。对今后的三连拱隧道施工具有指

9、导意义。2、水平定向钻进施工隧道长大管棚技术通过本项目的管棚施工研究，主要在管棚钻机的选择、钻头钻进过程中的方位监控、钻进过程中的纠偏方面取得以下成果：钻机选择：HGT100水平钻机在本项目中一次连续钻孔深度达52m，其特有的钻进轨迹微调功能使其在相同断面或断面变化不大的隧道中进行大管棚施工不需进行拱顶挑高和两侧扩挖的工作室施工准备。经多种钻孔设备比选，水平钻机具有很大优势。实践证明，水平钻机进行大管棚作业是成功的。钻头方位监控：通过研究，在钻头内安装特制的传感器，灵敏感知钻头方位。传感器直接由15V直流供电。通过显示屏显示钻头的工作位置，主要显示钻头倾角(水平角度)和面向角（左右方向）。钻进

10、纠偏：利用能进行调节方向的钻头（一般为楔型钻头）改变钻头的钻进角度。如根据需要可以把钻头调到12点（如钟表点位），即导向板朝下，直接顶进，此时由于导向板底板斜面面积大，受到一个向上的力，钻头轨迹就会朝上运动。同理在6点纠偏可以使钻头轨迹朝下，9点、3点分别为左、右纠偏方向。如果角度合适，钻机匀速旋转钻进，此时钻杆轨迹一般是平直的。所以导向钻头是上下纠偏的关键，为国内大管棚施工中首次使用。经开挖检查3根，距开孔50m处管棚垂直偏距分别是12cm、6cm、9cm，相邻钢管方向偏位分别为5、8、4cm，满足设计的垂直偏距小于20cm、相邻钢管方向偏距小于10cm的要求。3、软弱地层不同大断面施工工法

11、转化技术本项目设计大断面类型多达10种，从单拱、双连拱到三连拱，各种断面采用的施工方法各异，相互之间转换频繁。大断面向小断面转换大断面隧道向小断面隧道转换相对简单，由于开挖断面变小，围岩稳定性相对加强。转换过程中作业空间较大，操作方便，施工更趋安全性。一般在对大断面按设计采取支护措施后，采用直接转换法既可进入到小断面隧道施工。小断面向大断面转换小断面向大断面的工法转换，因开挖断面的增大，作业空间又受小断面的制约，进行施工转换难于一步到位。本项目采用渐变过渡法，在标准断面的台阶法向三连拱的双侧洞法转换及大断面的双侧壁导坑法向三连拱的双侧洞法转换过程中都取得了成功。分步过渡技术关键环节为：过渡段仰

12、角的选取，综合考虑应力变化复杂性、施工作业可操作性及后续反向扩挖的工作量，在粉砂和粘土层中宜选取30400；对过渡段附近510m小断面围岩注浆加固并施工二次衬砌；过渡段支护措施要加强，采取超前小导管注浆预加固岩体，格栅钢架根据过渡开挖净空定型加工，打设锁脚锚管等多种支护措施；严格控制开挖进尺，监控量测及时进行。反向扩挖技术对过渡段进行反向扩挖，分部拆除过渡段临时支护并施工符合要求的初期支护，以满足设计净空：对过渡段围岩进行径向注浆固结，小导管长度4m，注水泥浆；拆除前从大断面向小断面打设超前小管棚，超前小管棚长度以达到小断面并形成棚管为准，对超前小管棚注浆；严格控制拆除范围和拆除长度，CRD中

13、的临时仰拱及临时钢结构立柱只相应加长，不拆除；及时封闭拆除过程中小断面一侧暴露出的岩体。评审技术文件之二地铁三连拱浅埋隧道施工效应分步模拟分析技术集团有限公司二六年十一月一、 分析内容及目的为了在施工之前了解1-1断面三联拱隧道暗挖段施工过程中可能对地层产生的影响，明确这种影响的大小量级和范围，明确危险可能发生的部位、方式及应采取的施工对策，同时为现场监控量测提供管理基准和依据，对该暗挖段进行施工过程的动态分析，主要计算施工时对地表变形的影响。通过大型岩土工程软件FLAC模拟1-1断面施工顺序，确定每步开挖工序产生的沉降值，为科学制定方案提供依据，有效控制最大沉降在3cm以内。二、计算方法1、

14、 有限差分法基本原理FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Continua）是由美国Itasca Consulting Group Inc.开发的二维显式有限差分法程序，采用适合于模拟大变形问题的拉格朗日方法，即模型单元网格随着变形而不断更新。它可以模拟岩土或其他材料的二维力学行为。拉格朗日元法的名词渊源于流体力学。众所周知，在流体力学中研究流体质点运动的方法有两种。一种是定点观察的方法，称为欧拉法；另一种是随流观察的方法，称为拉格朗日法。后者是研究每个流体质点随时间而变化的情况，即着眼于某一个流体质点，研究它在任意一段时间内走出的轨迹、所具有的速度、压力等。将拉格

15、朗日法移植到固体力学中，将所研究的区域划分成网格，网格的节点就相当于流体的质点，然后按时步用拉格朗日法来研究网格节点的运动，这种方法就称为拉格朗日元法。这种方法不需要形成刚度矩阵，不用求解大型联立方程组，占用内存较少，便于用微机求解较大的工程问题。2、 FLAC程序的主要特点(1) 较低的硬件配置 由于FLAC程序采用的是显式有限差分方法，在运算过程中不必形成象有限元程序那样的整体刚度矩阵，因此程序运行所占的内存不大。(2) 强大的前后处理功能 FLAC由于提供了友好的用户界面，具有很强的前处理功能和后处理功能。差分网格生成较方便，而且可以很容易地用结构单元模拟梁、柱、桩、锚杆（索）等结构。(

16、3) 实现对多种材料和多种工况的模拟 FLAC程序可以使用弹性模型、莫尔库仑模型、横观各向同性模型、应变强化和软化模型、修正剑桥模型、Drucker-Prager模型等多种材料本构模型，可以模拟地应力场生成、边坡或地下洞室开挖、波在土中的传播、土与结构动力相互作用、地下渗流等问题。另外，程序还包括界面模型，可用来模拟岩土体中的结构面（层面、软弱面、断裂面、滑动面等）等复杂的地质条件。3、模型建立 有限元计算模型如图1所示，尺寸为60m35m，底部采用固定约束，两端边界处沿水平方向固定约束。模型上面为地表，取为自由边界。强度准则采用莫尔-库仑准则，变形模式采用大应变模型。施工过程中采取了降水措施

17、，模型不考虑水的影响。图1 模拟分析计算模型区间1-1断面穿越的部位的地上物为一栋三层高临时建筑。隧道北侧为北土城西路。隧道南侧为小月河，与小月河的最小距离为8.6米。支护结构采用复合式衬砌，初期支护采用喷射混凝土、钢筋网、锚杆和格栅钢架；二衬为防水钢筋混凝土。开挖前沿全断面拱部开挖轮廓线外施作小导管注浆超前支护,预以加固地层，并作超前支护辅助施工。支护结构的模型如下：初衬结构：首先用空单元（null）模拟隧道开挖，在使用350mm厚初衬部分单元格复活，并赋予表1所列钢筋混凝土衬砌参数来模拟。超前注浆：采用在注浆范围内提高网格力学参数来模拟。参数见表1 。二次衬砌：550mm厚的二衬部分单元格

18、复活，并予表1所列钢筋混凝土衬砌参数来模拟二次衬砌。中隔墙采用beam结构单元来模拟。表1 模型物理力学参数素填土163.20.30.01912.5粉土195.10.450.03128.9粘质粉土204.30.420.04423地层加固区2439180.241.340初衬混凝土24105000.193.535二衬混凝土26280000.175.0354、 工况模拟及结果分析施工工况本区段施工顺序如图2所示。图2双侧洞法施工步序图序号施 工 步 骤说 明1按图示施工顺序，施工超前小导管加固地层，开挖土体。及时施作初期支护及临时支护格栅喷层，封闭支护体系。各导坑之间距离为5.0米。2分段拆除3、4

19、部内虚线示意处仰拱，一次拆除长度不大于5.0米。施作中隔墙防水层，整体浇注中隔墙结构混凝土(A部分)，预留结构防水层、钢筋接头，并将拆除部分临时仰拱与中墙顶紧。3分段拆除1、2部内临时支护，一次拆除长度不大于5.0米。施作边跨防水层，整体浇注边跨结构混凝土(B部分)，完成边跨结构圬工。4边跨混凝土全部达到设计强度后，按图示施工顺序，施工临时小导管加固地层，开挖土体。及时施作初期支护及临时支护格栅喷层，封闭支护体系。5中洞全部贯通后，拆除部分竖向临时支护，一次拆除长度不大于5.0米，铺设中洞拱部防水板，浇注部分混凝土(C部分)，待混凝土达到设计强度后架设临时竖撑。6拆除部分竖向临时支护，一次拆除

20、长度不大于5.0米，铺设中洞拱部防水板，浇注中洞顶拱分混凝土(D部分)。D、C纵距不小于15米。7拆除部分竖向临时支护，一次拆除长度不大于5.0米，铺设中洞拱部防水板，浇注中洞底部剩余混凝土(E部分)。8浇注中洞底部二衬混凝土，二衬结构施工完毕。模拟分析过程根据具体施工过程，本次计算分析分以下步骤进行：第一步：开挖1号导洞，施作初期支护及临时支护。第二步：开挖2号导洞，施作初期支护及临时支护。第三步：开挖3号导洞，施作初期支护及临时支护。第四步：开挖4号导洞，施作初期支护及临时支护。第五步：分段拆除3、4号导洞内临时支撑，浇筑中隔墙结构。第六步：拆除1、2号导洞内临时支撑，浇筑二衬混凝土。第七

21、步：开挖5号导洞，施作初期支护及临时支护。第八步：开挖6号导洞，施作初期支护及临时支护。第九步：开挖7号导洞，施作初期支护及临时支护。第十步：开挖8号导洞，施作初期支护及临时支护。第十一步：拆除导洞内临时支撑，浇筑二衬混凝土。模拟结果分析在整个施工过程中，到第十一步累计引起的沉降达到最大，为2.76cm。每一步施工引起的沉降见图3至13。图3 第一步位移图（沉降值为0.5cm）图4 第二步围岩位移图（沉降值为1.16cm）图5 第三步围岩位移图（沉降值为1.2cm）图6 第四步围岩位移图（沉降值为1.4cm）图7 第五步围岩位移图（沉降值为1.4cm）图8 第六步围岩位移图（沉降值为2.1cm

22、）图9第七步围岩位移图（沉降值为2.24cm）图10 第八步围岩位移图（沉降值为2.4cm）图11 第九步围岩位移图（沉降值为2.45cm）图12 第十步围岩位移图（沉降值为2.52cm）图13 第十一步围岩位移图（沉降值为2.76cm） 5、施工控制标准根据以上分析结果，为了总变形值在控制范围内，按照允许值的70%、80%作为预警值、报警值；并在每一施工步骤中进行分解（表2），作为施工过程中分步控制的标准，确保每一步序的沉降值都在控制指标内。表2 分步控制标准施工步骤最大沉降控制标准（cm）预警值报警值控制值第一步：开挖1号导洞，施作初期支护及临时支护。0.350.40.50第二步：开挖2号

23、导洞，施作初期支护及临时支护。0.810.931.16第三步：开挖3号导洞，施作初期支护及临时支护。0.840.961.20第四步：开挖4号导洞，施作初期支护及临时支护。0.981.121.40第五步：分段拆除3、4号导洞内临时支撑，浇筑中隔墙结构。0.981.121.40第六步：拆除1、2号导洞内临时支撑，浇筑二衬混凝土。1.471.682.10第七步：开挖5号导洞，施作初期支护及临时支护。1.571.792.24第八步：开挖6号导洞，施作初期支护及临时支护。1.681.922.40第九步：开挖7号导洞，施作初期支护及临时支护。1.721.962.45第十步：开挖8号导洞，施作初期支护及临时

24、支护。1.762.022.52第十一步：拆除导洞内临时支撑，浇筑二衬混凝土。1.932.212.76三、结论1、通过对施工过程的分步模拟分析，建立了分步控制沉降的施工控制模式，把总的沉降值控制在每一施工步骤中进行分解，确保每一步序沉降值都在控制指标内，以确保最终的沉降不超限。2、采用双侧洞法施工三连拱隧道施工，能够满足沉降不超过3cm的要求。 3、设计的支护参数合理，小导管注浆加固地层能够明显减少沉降值。4、中隔墙在三联拱隧道施工中具有非常重要的作用，施工中必须保证中隔墙与隧道支护结构的连接。评审技术文件之三水平定向钻进施工隧道长大管棚技术集团有限公司二六年十一月城市人口的日益增加对城市的交通

25、运输带来了一系列巨大的挑战。要解决这一交通难题必须尽快建立大容量轨道交通。为了实现上述目标，各大城市都把轨道交通建设纳入到城市建设的重点规划当中。一般城市所处位置大部分在各种冲积平原上，围岩属于、级围岩。并且城市轨道交通建设工程的大部分要下穿城市已有的建、构筑物，公路、铁路、市政管网。故地铁在暗挖施工过程中，线路位置的选择因受限于公路、铁路的类型、环保情况及城市发展等条件，使得隧道的位置、高度及覆盖地层厚度等均处于非理想情况。并且隧道在开挖过程中总会遇到断层或软弱、破碎地层，常常引起工程问题。城市轨道交通建设中一直试图发展一套能确实解决上述问题的工法。近年来国内外在地铁施工过程中采用了浅埋暗挖

26、法、超潜埋暗挖法等施工方法作为新奥法在城市轨道施工中的具体运用。超前支护大管棚工法作为通过软弱围岩、建构筑物的一种辅助支护手段在浅埋暗挖法中普遍被采用。目前国内外广泛采用的大管棚法均一次性施作较短距离，常常需在隧道内预先设置管棚工作室，影响工效和经济。为解决上述问题，我项目部经过探索、在施工中采用了“水平定向钻进施工隧道长大管棚技术”进行长管棚施工，管棚钻机布设在暗挖隧道内部一次性管棚打设超过52米。在此基础上，研究了在隧道中如何高效进行大管棚的施工方法。一、主要优势1、一次性施工长度加大在本方法采用前，暗挖隧道内部进行管棚施工时管棚一次成型的长度一般在20米左右。采用了“水平定向钻进施工隧道

27、长大管棚技术”后管棚的施工长度单向一次可以达到50米以上。一次性施工的大管棚减少了管棚搭接接头，避免在施工中由于管棚搭接造成的管棚挑高，故管棚的整体性较好。同时减少了搭接接头，降低工程成本。2、需用空间小管棚室的作用是将管棚施工用钻机放在一个较高的位置，钻机水平施工管棚。采用本方法后不用施工管棚室，在隧道初期支护的保护下直接进行管棚钻进即可。在级围岩暗挖隧道施工过程中，管棚室的取消等于将软弱地层施工断面减小，降低安全风险，减少工作量。3、准确钻进采用对管棚钻头的方向及钻杆的角度进行监测，通过反馈的角度信息及时调整钻头方向，使管棚与初支结构外轮廓始终保持在设计要求的距离。4、施工更为简便“水平定

28、向钻进施工隧道长大管棚技术”的采用完全改变以往管棚钻机的施工工艺及施工工序。该方法是将管棚使用的棚管加工成为钻机的钻杆，同时现场加工一次性使用的导向钻头。在施工中将钻孔、成孔、下管一次性完成，大大简化了施工步骤。二、水平定向钻进技术原理水平定向钻进施工大管棚方法原理是由水平定向钻进技术发展而来的。水平定向钻进方法是非开挖管线施工的一种方法。非开挖地下管线施工技术目前包括水平定向钻进技术、气动夯管锥技术、气动冲击技术、微型隧道技术等；水平定向钻进技术特点要求钻进过程中在导向系统的监测下能准确测定钻头在地下的位置和方向，同时根据钻头在钻进过程中的位置和方向同设计轨迹的差异，利用能进行调节方向的钻头

29、（一般为楔型钻头）改变钻头的钻进方向，到达目的地。并且利用钻杆的柔性沿设计线路轨迹钻进。图 1管棚钻头示意图 如图1所示：钻头内装有传感器，传感器直接由4节一号电池供电。传感器由重力应变片设计制作而成，采用一封闭的中空棒状体将重力应变片密闭加工成为传感器。传感器靠近钻头前端一侧及中间部分采用固定装置将传感器固定牢固，防止管棚内部通过泥浆时传感器变位。并且保证传感器的轴线与钻头的轴线同向。同时在传感器的末端伸出一条信号线及一条钢丝绳，钢丝绳作为回收传感器使用。信号线末端与显示屏相连，显示钻头的倾角(水平角度)、面向角(导向板的方向： 导向板朝上即为12点，如同钟面)。打设角度如果偏下，可以把钻头

30、调到6点，即导向板朝下，直接顶进，此时由于导向板底板斜面面积大，受到一个向上的力，钻头轨迹就会朝上运动。同理在12点纠偏可以使钻头轨迹朝下，9点、3点分别是为右、左纠偏方向。如果钻机在旋转钻进过程中保持匀速，此时钻杆轨迹一般是平直的。所以导向钻头是上下纠偏的关键。如图2所示，采用“水平定向钻进施工隧道长大管棚技术 ”两种断面在变形处的最大差值为800mm，在由小断面向大断面钻进管棚时，通过对管棚的通过位置进行控制，可以将变断面处的管棚一次施工到位。图2暗挖区间变断面图三、施工方案设计管棚采用108热轧无缝钢管，壁厚5mm，间距300mm，设于拱部，沿开挖轮廓外布置，管口中心外放至距开挖轮廓线300mm。在管施工中考虑到管棚作为钻机的钻杆直接钻入到地层内部，需要在管棚的钢管两端分别加工出内外丝扣，壁厚5mm钢管在钻进的过程中由于接头处加工后的管壁特别薄，造成脱扣现象，故施工中将钢管的壁厚可适当加厚。管棚外插角均为0.1，管内加设龙骨后灌注水泥浆