大断面黄土隧道机械配套和施工工艺.docx

1、大断面黄土隧道机械配套和施工工艺大断面黄土隧道机械配套和施工工艺（朱华平）内容摘要郑西铁路客运专线黄土隧道，开挖面积近170m2，洞口段大部分为浅埋、偏压、湿陷性黄土，隧道开挖后地表沉降及初期支护的变形均比较大，洞身大部分地段为级围岩，稳定性较好，沉降也较小，现国内外并没有成熟的大断面黄土隧道变形稳定性判别标准，对大断面黄土隧道的设计、施工均缺乏认识与经验。本文通过对郑西线潼洛川、高桥、凤凰岭三座大断面湿陷性黄土隧道的施工，分析与总结出大断面黄土隧道级围岩CRD法开挖、级围岩弧形导坑法开挖施工的合理工序、步长、人员、机械设备配置，确定出切合实际的进度指标和各个工序的作业循环时间；结合施工取得的

2、经验教训，总结出大断面湿陷性黄土隧道施工安全与质量控制要点，并提出需进一步研究探讨的施工技术方案，如级围岩的开挖方法、拱墙脚的加强设计、增加开挖预留沉落量、初期支护变形不趋于稳定而二衬需提前施作且加强设计、浅埋段地表全封闭防水处理及洞内需加固消除湿陷性而进度缓慢增加斜井确保工期等问题。关键词客运专线 大断面黄土隧道 机械配套 施工工艺1、工程概况郑西客运专线设计时速350Km/h，由我单位施工的有潼洛川隧道，全长3817m；高桥隧道，全长1458m；凤凰岭隧道，全长842m。隧道位于陕西省潼关县与华阴市，隧道洞身位于I级黄土台塬区，表层为第四系上更新统风积砂质黄土及黏质黄土，下伏第四系中更新统

3、风积砂质黄土及黏质黄土，中间夹有数层古土壤层。隧道洞口段基本为浅埋，埋深在545米之间，且有不同程度的湿陷性。级围岩开挖面积近170m2，设计采用CRD法施工。级围岩采用弧形导坑法开挖。2、大断面湿陷性黄土隧道设计参数隧道内轮廓采用铁道部新近优化后的时速350km客运专线隧道内轮廓，轨面以上有效内净空面积按100m2设计，隧道衬砌采用曲墙带仰拱的封闭结构，二衬和仰拱均采用C35防水钢筋混凝土，暗挖段采用复合式衬砌。级围岩采用喷锚初期支护，全断面设I25a型钢钢架，间距1榀/0.6m，拱部设42超前小导管（l-4.5m，环向间距40cm，外插角510，搭接长度1.5m），小导管内充填M20水泥砂

4、浆。拱部120范围内采用22药包锚杆，L-2.5m，间距11m；边墙22砂浆锚杆，L-4m，间距11m，梅花型布置；湿陷性黄土地段拱部120范围内不设系统锚杆。钢筋网：Q235 8，拱墙布设，钢筋网间距2020cm。喷混凝土采用C25喷混凝土，拱墙喷层掺加聚丙烯微纤维，掺量1.2kg/m(3)，厚度35cm。二衬混凝土采用C35钢筋砼，厚60cm。预留变形量为10cm。级围岩采用喷锚初期支护，全断面设1榀/0.8m工20a型钢钢架，局部含水量较大地段拱部设42超前小导管（l-3.5m，环向间距40cm，外插角510，搭接长度1.5m），小导管内充填M20水泥砂浆。拱部120范围内采用22药包锚

5、杆，L-2.5m，间距11m；边墙22砂浆锚杆，L-4m，间距11m，梅花型布置；钢筋网：Q235 8，拱墙布设，钢筋网间距2020cm。喷混凝土采用C25喷混凝土，拱墙喷层掺加聚丙烯微纤维，掺量1.2kg/m(3)，厚度35cm。二衬混凝土采用C35钢筋砼，厚60cm。预留变形量为10cm。衬砌支护参数：见“双线隧道复合衬砌支护参数”表。双线隧道复合衬砌支护参数表 围岩级别初期支护预留变形量二次衬砌喷层系统锚杆钢筋网钢架位置锚杆类型长度间距位置锚杆类型长度间距位置间距钢架类型间距拱墙仰拱cm（m）（m）（m）（m）（cm）榀m(cm）(cm）(cm）老黄土26拱部药包2.511边墙砂浆3.5

6、11全断面2020I20a1/0.8105060加强30药包2.511砂浆3.5112020I22a1/0.810506035药包2.511砂浆4112020I25a1/0.6106070新黄土35砂浆4112020I25a1/0.6106070下穿段35药包2.511砂浆4112020I25a1/0.6128080注：1、湿陷性黄土地段拱部不设系统锚杆，但需布置固定钢架用锚杆，每榀钢架设8根锚杆； 2、下穿段指高桥隧道出口段下穿南同蒲复线地段。隧道防排水采取“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则，满足地下工程国家一级防水标准。防水系统：全隧道拱墙敷设EVA防水板，防水板厚度1.5m

7、m，土工布重量400g/m2,隧道二次衬砌采用防水混凝土，其抗渗等级不小于P8。排水系统：隧道内设置双侧水沟，道床中心设置直径为16cm的半圆形排水明沟。隧道衬砌防水板背后环向设置100mmHDPE单壁打孔波纹管，间距812m，隧道两侧边墙墙脚外纵向分段设置100mmHDPE双壁打孔波纹管，每段纵向盲沟设置一处（底端）100mm泄水孔连接到隧道侧沟，泄水孔间距12m。施工缝及变形缝防水设计：施工缝及变形缝是隧道防排水的薄弱环节，施工缝表面涂界面剂并设置中埋式止水带、背贴式止水带防止地下水的渗入；变形缝防水采用中埋式止水带、背贴式止水带。3、大断面黄土隧道施工方法在施工工程中严格遵循“管超前，短

8、开挖，强支护，早封闭，勤量测”的原则，采用动态施工，实行网络信息化管理，加强地质超前预报，加强对地表、围岩和支护的监控量测，及时对信息进行分析，以科学、合理的施工方法做到优化施工。3.1施工方法3.1.1超前支护3.1.1.1级围超前支护级围岩开挖前沿拱部设计开挖轮廓线外10cm施作超前小导管（L4.5m,40cm），预注M20水泥砂浆加固地层。超前小导管外插角为35，纵向搭接长度不小于1.5m，采用ZM-12T型煤电钻钻孔，采用YT28型风枪顶进超前小导管，小导管插入孔内的长度不小于管长90%。尾部与型钢钢架焊接固定，JYZ2型注浆泵进行注浆作业。制作钢花管：42mm超前小导管在钢构件加工场

9、制作。前端做成尖锥形，尾部焊接8mm钢筋加劲箍，管壁上每隔15cm交错布置注浆孔，孔眼直径为68mm，详见图1注浆小导管加工图。小导管安装：采用ZM-12T型煤电钻钻设锚杆孔后，将小导管按设计要求插入孔中，或用YT28型风枪直接将小导管从型钢钢架上部中部顶入，外露端支撑于开挖面后方的钢架上，与钢架共同组成预支护体系。图1 注浆小导管加工图注浆：注浆设备采用JYZ2型注浆泵，注M20水泥砂浆，在管口处设止浆塞。水泥砂浆采用小型砂浆搅拌机拌制，注浆压力一般为0.51.0MPa。注浆前先喷射混凝土35cm封闭掌子面作止浆盘，注浆量一般为钻孔圆柱体的1.5倍，若注浆量超限，未达到压力要求，应调整浆液浓

10、度继续注浆，直至符合注浆质量标准，确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙均为浆液充填，方可终止注浆。注浆先从拱顶开始向下注，先灌注“单”号孔，再灌注“双”号孔。注浆参数应根据注浆试验结果及现场情况适当调整。注浆作业中认真填写注浆记录，随时分析和改进，并注意观察施工支护工作面的状态，试挖掌子面，无明显渗水时，即可进行开挖作业。工艺流程图：参见图2小导管施工工艺框图 3.1.1.2级围超前支护本段级围岩主要以老黄土为主。设计要求在局部含水量大的地段，拱部采用42小导管进行超前支护。具体钻孔、插管施工方法同级围岩小导管施工方法。注浆：注浆采用M20砂浆，具体注浆方法及工艺同级围岩小导管注浆施工方法。 图2

11、小导管施工工艺框图3.1.2开挖3.1.2.1级围岩开挖黄土隧道级围岩采用CRD法进行开挖。其工艺流程见图3。级围岩段设计开挖断面尺寸为：15.20m13.18m（宽高），包括预留变形量10cm,开挖断面积163.81m2。CRD法开挖将断面分隔成左右两侧、上、下部及底部六个部分，根据临时支撑形式，先开挖左上导，开挖采用预留核心土法施工（核心土高度距拱顶1.61.8m,距边墙3m，距中隔壁2m，核心土顶部留一图3 级围岩开挖施工工艺流程图长1.5m平台便于人工操作，纵向为1：1降坡至开挖线底部），一次掘进1榀。采用挖掘机开挖，先开挖边墙处，再开挖中隔壁一侧，预留30cm，采用人工开挖至设计轮廓

12、线。再开挖右侧，右侧滞后左侧控制在10米以内。每侧上部台阶长度控制在3m左右；中部台阶长度控制在6m以内；下部开挖，根据仰拱施工离掌子面的距离不超过30米的原则及时跟进。洞内出碴采用挖掘机装碴，自卸汽车运输。开挖和装碴同时作业。3.1.2.2级围岩弧形导坑法开挖本线黄土隧道级围岩采用弧形导坑预留核心土法进行开挖。其工艺流程见图4。开挖方法级围岩段设计开挖断面尺寸为：14.82m12.80m（宽高）包括预留变形量10cm，开挖断面积155.08m2。采用弧形导坑预留核心土法进行开挖，将整个断面分成上、中、下以及底部四部分台阶错台开挖。其中上部超前中部35m，中部超前下部35m，下部超前底部10m

13、，逐级掘进开挖。为方便机械作业，上部开挖高度控制在4.5m左右，中部台阶高度也控制在4.5m左右，下部台阶控制在3.5m左右。级围岩局部含水量大的地方，在开挖前拱部环向以40cm间距采用L=3.5m长的42超前小导管对开挖岩体进行注浆预加固，待浆液达到一定强度后，采用小型挖掘机开挖，并预留一定厚度由人工持风镐修边到位，保证轮廓的圆顺和平整。开挖及出碴设备根据断面尺寸，级围岩开挖仍采用1台PC225型挖掘机开挖作业，按照左右分部交错开挖的方式开展开挖作业。根据各部开挖尺寸，图4 级围岩开挖施工工艺框图完全满足该挖掘机作业空间需要。洞内出碴采用PC225型挖掘机装碴，也可采用装载机配合装碴，自卸汽

14、车运输。开挖和装碴同时作业。开挖顺序级围岩按照弧形导坑预留核心土法开挖，整个断面分成上、中、下以及底部四个部分进行开挖，其中上部采用环形开挖预留核心土。根据开挖断面，为保证施工进度，达到黄土隧道快速施工的目的，各部在合理组织、相互协调配合施工的基础可分成左右侧上、中、下部按照开挖和支护工序顺序作业的方式开展施工，以解决各部开挖运输出碴的通道的问题；底部利用上部进行超前支护及钢拱架安装的作业时间一次开挖4.5m，这样可最大限度的减小各部施工的干扰问题。3.1.3 初期支护3.1.3.1级围岩初期支护每一部分开挖完成后，及时喷射4cm微纤维混凝土对围岩进行封闭。级围岩按照1榀/0.6m间距架立I2

15、5a型钢钢架，纵向采用42钢管连接，间距100X100cm。打设22系统锚杆、42锁脚锚管，挂铺820X20cm钢筋网。首先将预先在加工场地试拼装合格的型钢钢架动至洞口等准备工作，根据测量放线定出的钢架位置打设钢架定位钢筋，分段安装钢架，两垫板用螺栓连接牢固，钢架与定位钢筋焊接固定，打设系统锚杆，挂铺钢筋网片，打设锁脚锚杆，待锚杆的砂浆有一定强度后安装锚杆垫板，拧紧螺栓，最后作好喷射混凝土厚度标志等喷射混凝土准备工作。检查合格后，进行喷射微纤维混凝土施工。首先试运转空压机，湿喷机等机械设备，调节好湿喷机的送风风压并用高压风清洗好工作岩面上的浮碴及粉尘，混凝土工作自下而上分片分层进行，分片高度为

16、45m，分层厚度为边墙69cm，拱部56cm。达到喷射厚度后用人工凿除存在空鼓及凹凸不平部分，最后喷射混凝土找平，使混凝土平整度满足验标要求，完成一个初期支护施工循环。2小时后进行喷雾养护，一天两次，连续14天以上。3.1.3.1级围岩初期支护每一循环开挖完成后，及时喷射4cm微纤维混凝土对围岩进行封闭。级围岩按照1榀/0.8m间距架立I20a型钢钢架，纵向采用42钢管连接，间距100X100cm。打设22系统锚杆、42锁脚锚管，挂铺820X20cm钢筋网。施工方法同级围岩初期支护。3.1.4仰拱及仰拱填充仰拱施工是在隧道隧底初期支护完成后进行施工。为不影响机械车辆通行，仰拱、仰拱填充利用栈桥

17、平台进行混凝土施工。混凝土在洞外采用拌和站集中拌和，混凝土搅拌运输车运至洞内进行浇筑。从仰拱开挖到浇筑混凝土之间，隧道是处于最不稳定的状态。级围岩一般均位于浅埋段，根据监控量测表明，隧道整体下沉量较大，因此，开挖隧底时，采用人工开挖，挖一榀接一榀，杜绝机械开挖。开挖至设计标高后，先将隧底虚碴、杂物、等清除干净（不允许出现欠挖，超挖部分采用同级砼回填）后及时喷射混凝土4cm封底，然后安装底部初期支护钢架，及时接长中隔壁钢架，要求中隔壁钢架立在底部钢架上。喷射C25混凝土厚度35cm。考虑浅埋隧道下沉量较大，为安全起见，此段中隔壁钢架直接浇筑在仰拱和仰拱填充混凝土之中。仰拱分段施工，施工采用大样板

18、，按仰拱设计厚度及形状施工。由仰拱中心向两侧对称施工，一次完成，仰拱砼采用C35防水钢筋混凝土，采用插入式振捣器，加强振捣，保证砼施工质量。仰拱施工缝内设中埋式止水带，确保位置准确，用定位夹固定牢靠。施工缝浇筑混凝土前，应将其表面凿毛。清除浮粒和杂物，用水冲洗干净，保持湿润，涂刷界面剂并及时浇筑混凝土。每排仰拱应预留连接筋。仰拱浇筑不应有纵向施工缝。仰拱与填充分两次施工，不得将仰拱及填充整体浇筑。隧道仰拱上部填充砼施工前先清洗仰拱上虚碴及杂物，排除积水。填充砼表面要求平整，横坡、纵坡与设计一致。仰拱施工缝与填充砼施工缝相互错开，要求施工缝顺直、平整及凿毛清洗。仰拱施工与掘进工作平行进行，为解决

19、仰拱施工和其他工序的干扰问题，采用型钢钢架进行拼装自制仰拱防干扰平台，形成立体交叉平行作业体系。 3.1.5中隔壁拆除中间支护系统的拆除时间由中间支护系统对后续工序作业的影响确定。考虑后续作业的及时跟进，中间支护系统对其产生的影响，在严格考证拆除中间支护系统的安全性之后，进行拆除。如围岩稳定条件满足设计要求，下部竖支撑可在仰拱填充作业前拆除，横支撑和上部竖支撑在隧道仰拱填充施工完成后防排水系统施作前一次性拆除。为保证施工安全，限制围岩变形，中间支护也可推迟到隧道仰拱填充施工完成后防排水系统施作前一次性全部拆除。一次性拆除长度以满足衬砌台车一次衬砌长度为宜。竖支撑拆除时要防止对支撑系统形成大的振

20、动和扰动。可采用风镐拆除钢支撑之间的喷射混凝土壁，对于中间支护系统和初期支护连接部位附着在钢架上的喷射混凝土用人工凿除，采用气焊烧断与初期支护连接部位，其他部位的附着喷射混凝土，在钢架拆除运出洞外后再进行处理。拆除过程中要加强监控量测，在变形稳定的前提下才能进行中隔壁的拆除。3.1.6 防排水施工、地表防水在大断面湿陷性黄土的开挖施工过程中，隧道洞身地表出现多处纵向、横向裂缝，使雨水轻易浸入，并根据量测结果表明雨水对地表下沉影响很大，每次下雨都会引起地表下沉突变，因此，需对地表进行全覆盖防水，并根据地形实际情况在地面上做临时排水沟，与天沟、排水沟连接，形成完整的地表防排水体系，防止雨水对地表下

21、沉造成不良影响。、洞身防排水防水系统：全隧道拱墙敷设EVA防水板，防水板厚度1.5mm，土工布重量400g/m2,隧道二次衬砌采用防水混凝土，其抗渗等级不小于P8。排水系统：隧道内设置双侧水沟，道床中心设置直径为16cm的半圆形排水明沟。隧道衬砌防水板背后环向设置100mmHDPE单壁打孔波纹管，间距815m，隧道两侧边墙墙脚外纵向分段设置100mmHDPE双壁打孔波纹管，每段纵向盲沟设置一处（底端）100mm泄水孔连接到隧道侧沟，泄水孔间距12m。施工缝及变形缝是隧道防排水的薄弱环节，施工缝表面涂界面剂并设置中埋式止水带、背贴式止水带防止地下水的渗入。变形缝防水采用中埋式止水带、背贴式止水带

22、。施工时利用自制多功能台车采用无锚钉铺挂工艺进行铺设。变形缝、施工缝处防水采用中埋式橡胶止水带、背贴式止水带。防水板采用热熔法手工焊接在塑料圆垫片上，焊接牢固，防止防水板脱落现象。3.1.7 衬砌施工拱墙二次衬砌采用全断面整体钢模衬砌台车、混凝土搅拌运输车运输、泵送砼灌注，插入式振捣器捣固，挡头模采用木模。混凝土浇筑要左右对称进行，防止钢模台车偏移。砼生产采用自动计量拌合站拌合，砼拌合站设置应满足冬季施工要求。仰拱、防排水系统以及钢筋绑扎超前衬砌1个循环完成。施工工艺流程如下：隧道衬砌施工工艺流程图3.2 人员、机械设备的合理配置根据潼洛川隧道、高桥隧道、凤凰岭隧道施工情况，大断面黄土隧道施工

23、机械、人员的配置如下：3.2.1 CRD法施工人员、机械设备的合理配置CRD法施工主要施工机械配置如下表主要施工机具设备配置表序号机械名称单位数量备注1挖掘机台22装载机台23风镐台84风枪台45钻机个26混凝土湿喷机台67混凝土输送泵台28混凝土搅拌站台19自卸汽车辆410电动空压机台311钢架弯曲机台112钢筋调直机台113钢筋切断机台114衬砌台车台115射钉器个416混凝土输送车辆317热风焊枪个218交流电焊机台819注浆泵台320收敛计台121全站仪台122水准仪台223防水板热合机台1CRD法施工人员配置如下表：施工人员配置表序号人员构成人数（人）作业制备注1开挖班20二班制人工

24、配合机械开挖2架立型钢钢架及挂网15二班制3锚喷班8二班制4钢筋加工班15二班制包括型钢钢架加工5机械手班10三班制6混凝土班15三班制负责混凝土拌和与浇筑7防水板班15三班制8辅助人员10一班制 9管理人员10三班制10测量班3一班制11电工2二班制12焊工6二班制合计1293.2.2 弧形导坑法施工人员、机械设备的合理配置 弧形导坑法主要施工机械配置如下表主要施工机具设备配置表 序号机械名称单位数量备注1挖掘机台12装载机台13风镐台94风枪台45钻机个26混凝土湿喷机台37混凝土输送泵台18混凝土搅拌站台19自卸汽车辆410电动空压机台311钢架弯曲机台112钢筋调直机台113钢筋切断机

25、台114衬砌台车台115射钉器个416混凝土输送车辆317热风焊枪个218交流电焊机台819注浆泵台220收敛计台121全站仪台122水准仪台223防水板热合机台1弧形导坑法施工人员配置如下表：施工人员配置表序号人员构成人数（人）作业制备注1开挖班18两班制人工配合机械开挖（含立架）2注浆班7一班制3喷混凝土班14两班制4钢筋加工班16两班制包括型钢钢架加工5混凝土班6一班制衬砌及仰拱填充混凝土6防水板班6一班制7仰拱班6一班制8测量班3一班制9杂工班14一班制合计923.3 各工序循环作业时间及进度指标3.3.1CRD法施工各工序循环作业时间及进度指标根据对潼洛川、高桥、凤凰岭隧道CRD法及

26、弧形导坑法施工情况，CRD法及弧形导坑法施工各施工工序的循环时间及进度指标如下表：CRD开挖支护循环作业时间表左侧断面右侧断面备注序号工序名称作业时间（min）序号工序名称作业时间（min）上部上部1超前地质预报301每6循环预报一次每次钻孔5m2测量放线302测量放线303超前支护1203超前支护120每10循环施作一环41-开挖、出碴15049-开挖、出碴1505-径向锚杆、钢架、钢筋网安装1805-径向锚杆、钢架、钢筋网安装1806-喷射砼3006-喷射砼3002台喷射机同时作业7合计8107合计780下、底部下、底部1测量放线301测量放线3023-开挖、出碴 180211-开挖、出碴

27、 1803-径向锚杆、钢拱架、钢筋网安装1503-径向锚杆、钢拱架、钢筋网安装1504-喷射砼1204-喷射砼12056-开挖、出碴150614-开挖、出碴1506-仰拱钢架、钢筋网安装1207-仰拱钢架、钢筋网安装1207-仰拱喷射砼908-仰拱喷射砼908合计8409合计84010说明：1、上部开挖及支护占用直线时间760min（12.67h）。2、下部施工需用时间840 min（14h），与上部开挖支护工序交叉平行作业，不占用直线时间。3、上部每天施工1.89个循环，每循环进尺0.6m，日进尺1.13m，月进尺34m，计划按平均进尺30m。10说明：1、上部开挖及支护占用直线时间730min（12.17h）。2、下部施工需用时间840 min（14h），与上部开挖支护工序交叉平行作业，不占用直线时间。3、上部每天施工1.97个循环，每循环进尺0.6m，日进尺1.18m，月进尺35.4m，月平均进尺按30m。根据对大断面黄土隧道级围岩施工情况，月开挖进尺在30m/月，每月折合成洞米完成20米/月。弧形