浅埋隧道双侧壁导坑法施工技术.docx

1、浅埋隧道双侧壁导坑法施工技术浅埋隧道双侧壁导坑法施工技术 摘要在客运专线隧道施工中,根据地质条件、机械设备情况和隧道设计要求,对于浅埋大跨度及地质条件很差的隧道,双侧壁导坑法开挖是一种较为理想的开挖法。双侧壁导坑法施工是以新奥法基本原理为依据,在开挖导坑时,尽量减少对围岩的扰动,导坑断面近似椭圆,周边轮廓圆顺,避免应力集中。初期支护采用钢架、锚杆、钢筋网、喷射混凝土等柔性支护体系,及时施作,使断面及早闭合,以充分利用围岩的自承能力,控制围岩变形。建立一整套围岩支护结构监控量测系统,进行信息化施工管理,随时掌握施工过程中的动态变化,合理安排,调整施工工艺和设计参数,确保施工安全。 关键词双侧壁导

2、坑 钢架 锚杆 围岩量测 中图分类号:TU74文献标识码:A 本文通过朋山隧道级围岩采用双侧壁导坑法现场施工过程,总结了客运专线铁路隧道在浅埋段地质条件较差时采用双侧壁导坑法的施工工艺和在施工过程中一些好的经验,双侧壁导坑法在软地质条件较差的弱围岩地段施工按照“短进尺、弱爆破、强支护、勤量测”的原则施工,及时进行围岩量测,根据围岩量测和支护应力、应变及位移等信息,对设计参数进行必要的调整和修改,以保证施工阶段和支护体系有足够的安全性。 1 朋山隧道工程概况 朋山隧道是福厦铁路III标段的重点控制工程。朋山隧道全长2395米,按250km/h客运专线双线隧道设计。 朋山隧道由于受新构造运动影响,

3、地壳升降频繁,沧海桑田,海陆几经变迁,隧道内级软弱围岩长为470m,隧道净宽14.98m。朋山隧道出口段埋深较浅,局部埋深不足3m。 级围岩地层岩性: 人工填筑层(Q4ml):成份为块石土、碎石土为主,颜色为灰黄、浅黄等杂色,稍湿潮湿,稍密密实,其余为黏性土、砂等填充。 粉质粘土(Q4dl+pl):灰黄、浅灰、灰白、砖红等色,硬塑状,局部呈软塑状,土质不均匀,含20%30%中粗砂,厚25m,局部厚10m。 朋山隧道470m处于浅埋级软弱围岩且为大跨度隧道,在隧道施工中为了保证施工安全采用双侧壁导坑法施工。 朋山隧道双侧壁导坑施工图 2 双侧壁导坑施工技术 朋山隧道级围岩段地质条件较差(为土质、

4、地下水较丰富、设计为级围岩),采用双侧壁导坑法施工。在施工中,严格按照设计、规范和施组进行隧道开挖施工,采用双侧壁导坑法施工保证了洞口地段的施工安全和施工质量。 2.1 双侧壁导坑法施工工艺原理 浅埋及围岩较差的隧道暗挖双侧壁导坑法施工是一项边开挖边支护的施工技术。其原理就是把整个隧道大断面分成多个小断面施工,每一小断面单独掘进,最后形成一个大的隧道,利用土层在开挖过程中短时间的自稳能力采用网状支护形式,使围岩或土层表面形成密贴型薄壁支护结构,用中隔壁承担部分受力。该方法主要适用于粘性土层、砂层、砂卵层等地质。 2.2 双侧壁导坑法施工工序 双侧壁导坑法适用于级围岩开挖施工。施工工序图见附图。

5、 工序1:(1)利用上一循环架立的钢架施作隧道侧壁42小导管及导坑侧壁22水平锚杆超前支护。(2)弱爆破开挖部。(3)喷混凝土封掌子面。(4)施作部导坑周围的初期支护,即初喷4cm厚混凝土,铺设钢筋网,架立型钢钢架和工18临时钢架,并设锁脚锚杆。(5)钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度。 工序2:(1)在滞后于部一段距离后,弱爆破开挖部。(2)导坑周边部分初喷4cm厚混凝土,铺设钢架网。(3)连接型钢钢架和工18临时钢架。(4)复喷混凝土到设计厚度。(5)回填部。 工序3:在滞后部一段距离后,开挖部并施作导坑周边的初期支护和临时支护,步骤及工序同1。 双侧壁导坑法施工工序图 工序4:开挖部并施

6、作导坑周边系统支护和临时支护,步骤与工序2相同。 工序5:(1)利用上一循环架立的钢架施作42小导管并注浆超前支护(2)开挖部(3)喷混凝土封闭掌子面(4)导坑周边初喷4cm厚混凝土,架设拱部钢架,钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度。 工序6:开挖部。 工序7:(1)在滞后于一段距离后,弱爆破开挖部。(2)隧底周边部分初喷4cm厚混凝土.(3)安装钢架的仰拱部分使钢架全部封闭成环,复喷混凝土至设计厚度。 工序8:(1)根据监控量测结果分析,待初期支护收敛后,开挖回填土石及拆除工18临时钢架。(2)灌筑部边墙基础与仰拱,填充混凝土至设计标高。 工序9:灌筑仰拱填充部至设计高度。 工序10:利用衬

7、砌模板台车一次性灌筑部衬砌(拱墙衬砌一次施作)。 2.3 双侧壁导坑施工方法 2.3.1 双侧壁导坑法支护参数 2.3.2锚杆施工 根据地质条件、使用要求及锚固特性选择锚杆。拱部系统锚杆采用25中空注浆锚杆,边墙系统采用22砂浆锚杆。所有锚杆均设置钢垫板,垫板尺寸为150mm?50mm?mm。 砂浆锚杆施工工艺框图 (1)砂浆锚杆施工。钻孔使用YT-28凿岩机按照设计要求定出锚杆位置,孔位允许偏差150mm;钻孔与围岩壁面垂直,钻孔深度大于锚杆长度10cm。锚杆施工在初喷混凝土后进行,保证锚杆垫板有一个平整的基面。间距(环向?鬃菹?.0?.6m),梅花形布置。在围岩破碎和应力较大的地段,适当增

8、加锚杆数量。锚杆注浆后,在砂浆凝固前,不敲击、碰撞和拉拔。 (2)中空注浆锚杆。中空注浆锚杆施工,钻孔使用YT-28凿岩机钻孔,钻孔前根据设计要求定出孔位,钻孔保持直线并与所在部位岩层结构面尽量垂直,钻孔直径42mm,钻孔深度大于锚杆设计长度10cm。见中空注浆锚杆工艺框图。 锚杆安装:中空锚杆按设计要求在厂家定做,使用前先检查锚杆孔中有无异物堵塞,如有异物清理干净。锚杆由人工安设,保持锚杆的外露长度1015cm,然后安装止浆塞。 注浆准备:为了保证连续不间断注浆,注浆前认真检查注浆泵的状况是否良好,配件是否备齐。检查制浆的原材料是否备齐,质量是否合格。浆液采用水泥浆,检查无问题后开始注浆。

9、中空注浆锚杆施工工艺框图 注浆作业:迅速将锚杆、注浆管及注浆泵用快速接头连接好。开动注浆泵注浆,直至浆液从孔口周边溢出或压力表达到设计压力值为止。每根锚杆必须“一气呵成”。一根锚杆完成后,迅速卸下注浆软管和锚杆接头,清洗后移至下一根锚杆使用。若停泵时间较长,则在下根锚杆注浆前放掉注浆管内残留的水泥浆。注浆过程中,每次移位前及时清洗快速接头,以保证注浆连续进行。浆液严格按配合比配制,并随配随用,以免浆液在注浆管、注浆泵中凝结。注浆过程中若出现堵管现象,及时清理锚杆、注浆软管和注浆泵;当注浆泵的压力表显示有压力,则卸压后再拆接头进行处理。为保证注浆效果,严格控制注浆压力,橡胶止浆塞打入孔口不小于3

10、0cm,而且要待排完气之后立即用快凝水泥砂浆封闭止浆塞以外的钻孔。 2.3.3 钢筋网安设 钢筋网采用8圆钢,网格尺寸采用200mm?00mm,搭接长度为12个网格,采用焊接。挂钢筋网在系统锚杆施作后安设。钢筋网根据被支护岩面的实际起伏形状铺设,并在初喷混凝土后进行,钢筋网与锚杆连接,点焊在一起,使钢筋网在喷射时不晃动。施作前,初喷4cm厚混凝土形成钢筋保护层。 2.3.4 钢架施工 型钢钢架采用I20工字钢,在材料加工厂每榀钢架加工完成后放在硬化的水泥地面试拼装,考虑隧道围岩预留变形量15cm,周边拼装允许误差为3cm,平面翘曲小于2cm。洞内安装在初喷混凝土之后进行,与定位系筋、锚杆联接。

11、钢架间设纵向连接筋,钢架间用喷混凝土填平。 安装前清除底脚下的虚碴和杂物。各钢架间以螺栓连接,连接板密贴。沿着钢架外缘每隔2m用混凝土预制垫块楔紧,钢架底脚置于牢固的基础上,为保证钢架能架设在稳固的地基上,施工中在钢架基脚部位预留0.150.2m原地基,架立钢架时挖槽就位,并在基础上放置槽28的槽钢以增加基底承载力,架立时垂直隧道中线。钢架密贴围岩与锚杆焊接牢固,钢架之间设置纵向连接筋,环向每米1根22的螺纹钢。在分部开挖时,钢架拱脚位置设置22的锁脚锚杆,锁脚锚杆长度6m,数量4根,下半部开挖后,钢架及时接长,封闭成环。钢架架立后尽快喷射混凝土作业,并将钢架全部覆盖,使钢架与喷混凝土共同受力

12、,喷射混凝土分层进行,每层厚度56cm左右,先从拱脚(墙脚)处向上喷射以防止上部喷射料虚掩拱脚(墙脚)不密实,造成强度不够,拱脚(墙脚)失稳。 2.3.5 喷射混凝土 朋山隧道喷射混凝土设计为C25耐腐蚀纤维混凝土,采用湿喷工艺。在喷射混凝土作业时,C25耐腐蚀纤维混凝土在洞外由混凝土拌合站拌和,混凝土搅拌运输车向洞内送料,空压机供风。施工工艺见喷射混凝土施工工序图。 喷射混凝土施工工序图 原材料的选择:P.O42.5级普通硅酸盐水泥;细度模数为2.53.0的中砂,洁净质硬;粒径为510mm的碎石,要求级配良好;速凝剂为山西永红速凝剂;改性聚酯纤维。 湿喷混凝土参考配合比:水泥:砂:碎石:水=

13、1:2.11:1.73:0.43,速凝剂的掺量为水泥用量的4%。 施工工艺:混凝土喷射机安装调试好后,在料斗上安装振动筛(筛孔10mm),以避免超粒径骨料进入喷射机。在受喷面布设喷混凝土钢筋径向钢筋,作为喷射混凝土厚度标识。用高压水或高压风将受喷面冲洗干净,而后即可开始喷射混凝土。 为提高工效和保证质量,喷射作业分片进行,可按照先边墙后拱脚,最后喷射拱顶的顺序。喷前先找平受喷面的凹处,再将喷头沿螺旋形路线缓慢均匀移动,每圈压前面半圈,绕圈直径约30cm,力求喷出的混凝土层面平顺光滑。 拱部和边墙高处进行喷射混凝土时,送风之前先打开计量泵(此时喷嘴朝下,以免速凝剂流入输送管内),以免高压混凝土拌

14、合物堵塞速凝剂环喷射孔。送风后调整风压,使之控制在0.450.7MPa之间,若风压过小,粗骨料则冲不进砂浆层而脱落,风压过大将导致回弹量增大。喷射压力与喷射机械手调配适当,根据喷射仪表反馈的信息及时调整风压和计量泵,控制好速凝剂掺量。 喷嘴与岩面的距离按规范执行,喷射方向尽量与受喷面垂直,拱部尽可能以直径方向喷射。一次喷射厚度边墙部为710cm,拱部为56cm,后层喷射时间在前层混凝土终凝后进行。施工时做好喷锚支护施工记录。 喷射混凝土终凝2h后,进行洒水湿润养护,时间不小于14d。 喷射过程中应及时检查混凝土的回弹率和实际配合比。喷射混凝土的回弹率:侧壁不应大于15%,拱部不应大于25%。

15、喷射完成后应检查喷射混凝土与岩面粘结情况,可用锤敲击检查。当有空鼓、脱壳时,应及时凿除,冲洗干净进行重喷,或采用压浆法充填。 初期支护表面应平整,无空鼓、裂缝、松酥,并对基面进行找平处理,平整度用2m靠尺检查,表面平整度允许偏差10cm。 3 围岩量测 现场监控量测是“新奥法原理”施工的三大要素之一,是复合式衬砌设计、施工的核心技术。朋山隧道按新奥法原理设计施工,施工中加强监控量测对准确判定围岩的安全状态、合理确定二次衬砌的施作时机非常重要。同时通过监测数据的反馈分析,可验证施工设计的科学性和合理性,以及施工方法、支护方案的可行性,以便及时、准确地调整支护参数,修正施工方法及施工程序,确保施工

16、安全。 3.1 量测的主要内容 3.1.1 量测项目、方法、设备及频率 根据规范的要求,结合朋山隧道的具体工程地质及水文地质条件,量测项目按必测和选测两部分安排,必测项目为洞内、外观察、围岩收敛、拱顶下沉,进行全隧道、全过程监测;选测项目为围岩压力量测。原则上仅在遇到断层等不良地质时根据需要作出安排,借以更准确掌握围岩的形变信息,作出更符合实际的分析和判断,确保隧道结构及施工安全。 3.1.2量测断面及测点布置 根据施工规范,不同的围岩级别量测断面间距不同。 围岩断面间距和每段面测点数量 围岩收敛、拱顶下沉和地表下沉(浅埋地段)等必测项目应设置在同一断面。在施工过程中,围岩特性比较突出地段加设

17、量测断面,每种岩层必须设置至少一个量测断面。 3.2 必测项目 3.2.1 围岩收敛及拱顶下沉观测 围岩收敛及拱顶下沉观测贯穿于隧道全长,收敛量测用精度0.1mm 收敛仪,拱顶下沉用精度1.0mm 水平仪和钢尺进行。围岩收敛、拱顶下沉量测应在开挖后12h 内得到初读数,最迟不得大于24h,且在下一循环开挖前必须完成。测点应牢固可靠、易于识别,并注意保护,严防爆破损坏。围岩收敛、拱顶下沉量测基点应与洞内、外水准基点建立联系。 3.2.2 洞内、外观察量测 根据客运专线铁路隧道工程施工技术指南要求,在隧道施工过程中应进行洞内、外观察,洞内观察可分为开挖面观察和已施工地段观察两部分。 (1)工作面观

18、察应在每次开挖后进行。观察中若发现围岩条件恶化,应立即采取相应的处理措施。观察后应及时绘制开挖工作面地质素描图。对已施工地段的观察每天至少进行一次,主要观察喷射混凝土、锚杆和钢架的工作状态。(2)洞外观察重点应在洞口段和洞身埋置深度较浅地段,其观察内容应包括地表开裂、地表沉陷、边坡及仰坡稳定状态、地表水渗透情况等。 3.3 监控量测管理 3.3.1 施工监测管理信息流程 根据隧道的地质条件、设计要求、开挖方式等制定监控量测方案。方案的内容包括:量测项目及方法、量测仪器的选择、测点布置、量测频率、数据处理等。监控量测作业根据监控量测流程进行。 3.3.2 资料的收集和管理 量测原始资料由量测工程

19、师进行整理,并对整理后的资料进行汇总。 地质素描资料,将纵、横剖面对应核对连接,形成隧道轴线工程地质纵剖面及围岩分类图。将开挖段观测资料按对应里程、部位进行汇总。将围岩收敛、拱顶下沉资料绘制成以时间(t)和位移U的关系曲线。 3.3.3 进行分析回归,建立管理等级 在监控量测采集数据过程中,由于测量仪器存在误差、外界环境影响,加之操作时的人为因素等,每次量测的数据都存在误差,实测数值需经过一定的数学处理才能直接应用,因此数据处理显得尤为重要。 (1)双曲函数。 U=(你给的例子中给的公式)即=b+ 令=,t=则 =b+at 这里系数a,b的求法步骤如下:(其中=,t=)(数值按照例子中给的)

20、求得上面的几个值后则 相关系数r的求法 之所以求r是找r的值最接近1的,来判断是选择采用双曲线公式,还是指数函数公式,还是对数函数公式。本例中双曲函数求得的r值最接近1,所以采用双曲线函数回归公式求U。求出a,b后 ,并根据r值(把双曲线,指数,对数的r值都算出来后比较,后面讲对数和指数的算法)判断选用双曲线回归公式后,就可以根据双曲线回归公式U=(你给的例子中给的公式)对应不同的T值求出U的回归值U=,最后可以求出例子中的U平均,标准差S等。 (2)对数函数。 U=a+b/log(1+T)(你给的例子中给的公式) 令t=1/log(1+T)则U=a+bt 这里系数a,b的求法步骤如下: 求得

21、上面的几个值后则 相关系数r的求法 之所以求r是找r的值最接近1的,来判断是选择采用双曲线公式,还是指数函数公式,还是对数函数公式,求出a,b后 ,如果根据r值判断选用对数函数回归公式,就可以根据对数回归公式U=a+b/log(1+T)(你给的例子中给的公式)对应不同的T值求出U的回归值U=a+b/log(1+T),最后可以求出例子中的U平均,标准差S等。 (3)指数函数。 U=ae-(bT)(你给的例子中给的公式,不过我看不清楚是b/T,还是bT)令 = lny A=lnat=-T,则 = A-bT=A+bt 这里系数A,b的求法步骤如下: 求得上面的几个值后则 由A=lna,知道a=eA

22、相关系数r的求法 之所以求r,是找r的值最接近1的,来判断是选择采用双曲线公式,还是指数函数公式,还是对数函数公式,求出a,b后 ,如果根据r值判断选用指数函数回归公式,就可以根据指数回归公式U=ae-(bT)(你给的例子中给的公式)对应不同的T值求出U的回归值U=ae-(bT),最后可以求出例子中的U平均,标准差S等。 对此需要用相关系数r 的值来衡量该方程与散点拟合是否最佳。相关分析是研究测试数据中 的比值关系,这仅是对一个散点而言,而许多散点其比值为 则相关系数r 为: 当相关r 愈接近1 时,回归效果愈佳,回归方程与离散点的拟合程度也就愈好。 3.3.4 曲线分析 由数据处理得到的位移

23、与时间曲线,可以直观地反映隧道的变形情况,同时可以从曲线相邻点的切线变化预报隧道的变形趋势。如果曲线上的相邻点的切线变化很小,且与时间(t)轴线几乎平行,则表明隧道的变形趋于稳定,且变形量很小,如图(a)所示。如果曲线上相邻点的切线变化很小,但与时间(t)轴夹角较大,则说明隧道正处于变形阶段,并且夹角越大,变形越大,如图(b)。这时就应加强对变形点的观测,以便作进一步分析。如果曲线上相邻的切线突然变化很大,即曲线上出现了拐点,就表明观测点变形速度突然变大,如图(c)所示。这时就应该把这一情况及时反映给现场技术人员,以便及时对该段加强支护,以防出现塌方。 3.3.5 根据位移变化速度判别 围岩收

24、敛速度持续大于1.0mm/d 时,围岩处于急剧变形状态,应加强初期支护系统。 围岩收敛速度小于0.2mm/d 时,围岩达到基本稳定。 在浅埋地段以及膨胀性和挤压性围岩等情况下,应采用其他指标判别。 3.3.6 根据位移时态曲线的形态来判别 当围岩位移速率不断下降时(du2/d2t0),围岩进入危险状态,必须立即停止掘进,加强支护。 3.3.7 朋山隧道出口量测关系曲线图形式 3.3.8 地质素描及观察 地质素描及观察贯穿于隧道施工全过程,全范围,由具有地质素描专业知识及技能、经过专业学校学习的地质员担任,每次掘进循环后尚未进行喷射混凝土支护前,对掌子面及开挖周边围岩情况进行观察记录,对岩性进行

25、判别,用罗盘仪、钢尺等器具测量岩层的走向、倾角、厚度,描绘纵、横剖面图,测量岩层渗水量,及时填写围岩类别卡,对开挖地段的围岩进行判定。此外,还必须每天至少对已开挖地段进行一次观察,并详细记录观测资料岩层或喷射混凝土有无开裂、剥落,钢支承有无变形,有无渗漏水,已衬砌地段有无开裂等,每天观察后,对资料及时整理,以便及时编汇地质素描图及对施工进行反馈。 4 总结 在朋山隧道浅埋软弱围岩采用双侧壁导坑法施工过程中,积累了丰富的经验,双侧壁导坑法支护虽然开挖断面多,扰动大,初次支护全断面闭合时间长,但每个小断面都是在开挖后各自闭合的,在施工中间变形不大,以此使施工安全保证大大加强。围岩量测技能在隧道施工中的的熟练应用,使得量测信息及时反馈并准确地引导隧道施工顺利通过围岩段,保证了在隧道施工过程中没有发生一起塌方事故,为施工安全、质量提供了牢固基础和有力保障。 参考文献 1客运专线铁路隧道工程施工技术指南(TZ2142005).中国铁道出版社.2005-09-22实施. 2客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准(铁建设2005160号).中国铁道出版社.2005-09-17实施. 3福厦施隧-23(福厦线隧道设计图第七册).铁道第二勘察设计院.2005-12实施. 4福厦施隧02(福厦线铁路双线隧道辅助施工措施及施工方法).铁道第二勘察设计院.2005-11实施.