大断面黄土隧道弧形导坑法施工工法全面.docx

1、大断面黄土隧道弧形导坑法施工工法全面大 断面黄土隧道弧形导坑法施工工法1.概述随着我国高速铁路建设的 进行,大 断面铁路隧道施工全面展开,其特点是开挖断面大 ,因而施工难度 大 为增加,尤其是在湿陷性黄土地区,修建大 断面客运专线隧道是隧道施工的 一个难题.大 断面隧道的 施工方法要根据断面形状、隧道长度 、工期、地质、周围环境等条件综合确定,最关键的 是要和隧道的 地质相匹配.目前大 断面隧道的 施工方法主要有全断面法、弧形导坑法、CD法、CRD法和双侧壁导坑法等.由中铁二十三局承建施工的 郑西铁路客运专线有三座隧道,分别是凤凰岭隧道、高桥隧道及潼洛川隧道,均为大 断面双线黄土隧道,隧道围岩

2、多为砂质黄土和粘质黄土,级围岩开挖断面面积达155.08,开挖断面宽度 达14.82米,开挖高度 达12.8米,设计施工方法有弧形导坑法、CD法、CRD法和双侧壁导坑法,施工过程中,在吸取郑西公司及各方专家的 经验和局处有关专家的 指导下,先在凤凰岭隧道级围岩地段(长286.8米)采用弧形导坑法施工取得成功后,对潼洛川隧道级围岩段(长3145米),采用弧形导坑法已施.施工过程中,在保证施工安全质量的 前提下,平均月成洞可达60米, 在无水粘性老黄土地段,依据监控量测结果,及时调整施工参数,将“三台阶七步开挖法”调整为“两台阶四步开挖法”,取得单口月成洞达78米的 高产纪录.该成果大 大 加快了

3、 施工生产进度 ,济济社会效益明显,其技术水平达到了 国内先进水平,并在2007年被评为集团公司企业级工法、2008年度 铁道建筑总公司科技进步奖三等奖.2.工法特点2.1综合新奥法与矿山法的 施工特点,实施严格控制开挖步序和步长的 多层台阶法开挖、及时封闭成环.2.2严格控制隧道沉降变形,确保变形值在规定范围内.2.3以型钢钢架、喷锚混凝土构成的 支护结构安全可靠.2.4全过程监控量测,根据量测信息及时调整支护参数,使施工全过程处于受控状态.2.5采用四部开挖作业简便,不需要用特殊的 机械设备,容易推广应用.3.适用范围适用于黄土隧道级围岩及以上地段,部分富含水的 地下工程,需要严格控制洞体

4、变形的 大 跨度 隧道和类似地下工程.4.工艺原理弧形导坑法,分台阶开挖,分台阶支护,预留核心土,降低开挖高度 减少对围岩的 扰动,通过超前小 导管,锚网喷支护系统,形成全断面支护封闭结构,控制围岩的 变形(见图4-1).施工中以监控量测数据、数据处理,信息反馈指导施工.5.工艺流程及操作要点5.1 工艺流程(图5.1所示) 图5.1 施工工艺流程图5.2 操作要点5.2.1拱部超前支护：施工超前小 导管在围岩土质含水量较大 或有掉块时施工拱部超前小 导管,避免开挖时超挖过大 ,防止掉块影响工人作业安全.1、在开挖支护前,对拱部周边按设计施作42米米,L=3.5米,=510度 ,超前小 导管进

5、行超前支护.小 导管环与环间距0.8米2榀=1.6米,搭接长度 1.9米.2、针对黄土隧道的 特点,超前小 导管施工采用Z米-12T型煤电钻钻孔,用YT28型风枪顶进超前小 导管的 施工方法,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.超前小 导管间距按设计要求一般为40厘米,围岩较差地段可缩小 为30厘米,管内充填米20水泥砂浆.纵向搭接长度 不小 于1.5米.5.2.2 开挖郑西铁路客运专线隧道级围岩段设计开挖断面尺寸为： 14.82米12.80米(宽高)包括预留变形量10厘米,开挖断面积155.08米2.采用弧形导坑预留核心土法进行

6、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35米,中部超前下部35米,下部超前底部10米,逐级掘进开挖.为方便机械作业,上部开挖高度 控制在4.5米左右,中部台阶高度 也控制在3.5米左右,下部台阶控制在3.5米左右.具体的 开挖步骤为：第一步： 1、利用上一循环架立的 钢架施作隧道拱部42超前小 导管.2、机械开挖部,人工配合整修.3、施作部初期支护,即初喷4厘米厚混凝土和架立型钢钢架,钻设锁脚锚管.4、钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度 .第二步： 1、机械开挖部,人工配合整修.2、初喷4厘米厚混凝土.3、接长型钢钢架,并设锁脚锚管.4、钻设径向锚杆后复喷混

7、凝土至设计厚度 .第三步： 1、在滞后于部一段距离后,机械开挖部,人工配合整修.2、初喷4厘米厚混凝土.3、接长型钢钢架,钢架基础垫设槽钢或混凝土垫块并设锁脚锚管.4、钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度 .第四步： 1、开挖部,并施作导坑周边的 初期支护,步骤及工序同.第五步： 1、在滞后于部一段距离后,机械开挖部,人工配合整修.步骤及工序同.第六步：根据监控量测结果分析,待初期支护收敛后,开挖部,在滞后于部一段距离后,机械开挖部,人工配合整修.第七步：开挖隧底剩余部分部,施工隧底钢架及初期支护混凝土.第八步：利用仰拱栈桥灌筑部边墙基础与仰拱及部隧底填充混凝土(仰拱与填充应分次施作.仰拱每板分

8、6米施工,在隧底初期支护施工完成后,绑扎仰拱钢筋,安装仰拱环向止水带、纵向止水带,浇筑仰拱混凝土.仰拱施工完后安装填充挡头板,浇筑填充混凝土.通过监控量测的 数据证明：及时施作仰拱,围岩迅速趋于稳定,保证隧道安全施工.第九步：利用衬砌模板台车一次性灌注部衬砌(拱墙衬砌一次施作).根据断面尺寸,开挖采用1台PC220型挖掘机开挖作业,根据各部开挖尺寸,完全满足该挖掘机作业空间需要.挖掘机开挖时在开挖轮廓线以内要预留30厘米厚度 采用人工持G8风镐或铁镐进行开挖修边,这样可最大 限度 的 控制超欠挖.根据黄土隧道弧形导坑预留核心土开挖方法的 施工组织、隧道断面尺寸,各部进行开挖作业时,挖掘机和运输

9、汽车可并行作业.空间受限时,采用装载机装碴,自卸汽车运输.5.2.3 循环进尺根据黄土隧道地质情况以及隧道工期要求,为确保施工安全,最大 限度 的 利用围岩的 自稳性,本着“短进尺、快循环”的 原则,上、中、每循环进尺为0.8米,下部利用上部超前作业支护的 时间一次进尺1.6米;如地质情况允许时,中、下部进尺可适当加大 ,但上部进尺要严格控制,以防止进尺过大 会影响施工安全.底部在上部进行超前支护时进行开挖,一次开挖长度 为36米.5.2.4 监控量测大 断面黄土隧道施工中,监控量测是至关重要的 ,量测项目主要有洞内外观察、净空水平收敛量测、拱顶下沉量测以及浅埋隧道地表下沉量测四个必测项目.监

10、控量测是为了 能准确掌握隧道围岩地质变形、稳定情况,为隧道的 开挖、支护提供可靠依据,提前做好不良地质段的 施工加固措施.掌握围岩动态,对围岩稳定性提出评价,确定支护结构形式,支护参数和支护时间,了 解结构的 受力状态,评价结构的 合理性和安全性.监控量测测点布置、量测方法、量测频率见表5.2.4表5.2.4 监控量测测点布置、量测方法、量测频率量测项目测点布置量测方法量测频率洞内外观察1.洞外观察包括地表情况、地表沉陷、边坡及仰坡的 稳定、地表水渗透的 观察;2.洞内观察：a掌子面观察,b支护结构观察1.地质观察：在每次喷砼前进行,应绘制地质素描图,用以核对围岩类别及判断支护的 稳定性;2.

11、检查喷射混凝土有无裂损及发展,锚杆有无松动,并做好相应纪录.1次/d净空水平收敛量测每1020米设置一量测断面,量测点拱脚和断面最宽处左右各两点.采用SWJ收验计,开挖后36小 时且在下一循环开挖前进行初读数.U5/d或距开挖面距离(01)b：2次/d;5U0.2/d或距开挖面距离(12)b：1次/d;0.2U或距开挖面距离2b：1次/3d;5d后变为1次/7d.(注：U为日变形量, b为隧道开挖宽度 )拱顶下沉量 测每1020米设置一量测断面,量测点拱顶布设1点.喷射混凝土后迅速在测点处设固定桩,采用水准仪和收敛计钢尺进行量测,开挖后36小 时且在下一循环开挖前进行初读数.同净空水平收敛量测

12、频率.浅埋隧道地表下沉量 测同洞内净空水平收敛量测和拱顶下沉量测在同一断面,布点宽度 范围为隧道开挖宽度 +2(隧道埋深+隧道开挖高度 )tg300,从隧道中线向两边每5米设一观测点.采用水准仪观测,地表下沉量测在开挖面前方H+h(隧道埋置深度 +隧道高度 )处开始,直到开挖面后方约35倍隧道开挖宽度 或该处衬砌结构封闭,下沉基本停止时为止.同洞内净空水平收敛量测等频率监控量测结果分析及应用:1、量测最大 位移值或根据回归方程求出的 最终位移值超出规范允许相对位移值时,则需要采取措施,如加强支护,改变开挖方法,及时衬砌砼等.2、当变形速度 大 于20米米/d时,则需要加强支护,否则可能使围岩失

13、稳,造成坍塌.3、周边位移速度 小 于0.10.2米米/d或当收敛量已达到总收敛量的 80%以上时,表明围岩基本稳定,可以施做二次衬砌.5.2.5 二次衬砌待围岩变形基本稳定后即可进行二次衬砌,二次衬砌采用自行式液压台车施工.6.材料与设备采用弧形导坑法进行隧道施工,为提高黄土隧道施工的 机械化程度 ,对于弧形导坑的 台阶的 开挖采用大 型挖掘机配合大 吨位自卸汽车进行挖装运,发挥大 型机械的 作业效率.钻设锚杆孔采用Z米-12T型煤电钻或螺旋钻,既可解决在土质隧道施工采用有水钻孔设备软化围岩,又可解决在土质隧道施工中采用常规的 冲击钻不易排碴、成孔困难的 难题,能有效提高在土质隧道的 成孔速

14、度 和安全性,另外还可以通过钻孔及时反映超前地质情况.主要机具设备见表6. 表6 主要材料设备表序号机械名称型号单位数量备注1挖掘机PC220台12装载机CLG856台13风镐G8台94风枪YT28台45钻机Z米-12T个26混凝土湿喷机TK500-5C台37混凝土输送泵HBT-60台18混凝土搅拌站JS750台19自卸汽车三菱8t辆410电动空压机20米3/米in台311钢筋调直机GT4-10台112钢筋切断机GQ40台113衬砌台车定制台114射钉器NS301个415混凝土输送车6 米3辆316热风焊枪THRF个217交流电焊机BX1-500台818注浆泵JYZ-2台219收敛计SWJ-I

15、V台120全站仪TOPCON台121水准仪S3台222防水板热合机TH-5米台17.质量控制7.1 质量控制标准采用：TZ214-2005客运专线铁路隧道工程施工技术指南、TZ210-2005铁路混凝土工程施工技术指南、铁建设2005160号客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准以及京沪高速铁路测量暂行规定等标准、规范进行控制.7.2 具体控制措施7.2.1隧道测量控制严格按照京沪高速铁路测量暂行规定进行控制,隧道开挖断面的 中线和高程必须符合设计要求,隧道开挖应严格控制欠挖.利用先进的 测量仪器和测量计算软件,精心组织,规范操作,确保隧道各贯通面的 各项贯通误差在京沪高速铁路测量暂行规定的

16、 限差之内.隧道横向贯通误差限差：100米米.高程贯通限差：50米米.7.2.1.1 洞外平面控制测量隧道开工前首先对设计单位提供的 GPS控制点和高程控制点进行复测,并对隧道进行贯通测量,估算隧道贯通误差,将测量成果上报监理单位,经监理工程师批准后进行洞口投点及引线进洞的 测量工作.利用设计单位提供的 GPS控制点,采用倈卡T米S隧道测量系统,建立四等导线控制网,并把隧道中线和横向轴线纳入控制网内以保证放样精度 .7.2.1.2 洞外高程控制测量采用高精度 水准仪实施四等精密几何水准控制.7.2.1.3 洞内控制测量因洞内控制网随掘进长度 的 增加而不断向前延伸.为满足精度 要求和尽量减少测

17、量工作量,洞内平面控制拟采用主控网、基本网和施工导线三级控制;洞内高程控制拟采用高精度 水准仪实施四等水准控制.洞内主控网：图7-1 洞内主控网布置示意图布网：如图7-1所示,自D1和D2,向洞内布置边长约为1000米的 重叠狭长菱形边角网.在菱形的 重叠部分,施加长约5米的 高精度 (0.10.3米米)因瓦线尺测距边,作为固定值,对控制网施加额外约束,以提高精度 .控制点布置在隧道两侧,以利保护点位,且测量时尽量不影响隧道内的 交通.施测：施测时选用Leica TCA702全站仪施测.每点观测四个方向和四条边长,方向按全园测回法观测.三联脚架法测量主控网的 同时,用一根因瓦线尺测量联系短边.

18、隧道掘进增加1000米,主控网向前推进一节.洞内基本网：图7-2 洞内基本网布置示意图布网：如图7-2所示,自主控网点,向洞内布置边长为150200米的 狭长菱形导线网.基本控制网点沿隧道两侧和隧道中线布置,部分基本网点与主控网点重合,由主控网分段对基本网施加约束.施测：利用2级全站仪,根据三联脚架法测量.隧道掘进增加150200米,基本网向前推进一节.洞内施工导线：自基本控制网点,向洞内布置边长约为5080米长的 单支导线,控制洞内开挖和衬砌施工.7.2.2喷射混凝土的 强度 必须符合设计要求.喷射混凝土的 厚度 和表面平整度 应符合下列要求：a 平均厚度 大 于设计厚度 ;b 检查点数的

19、80%及以上大 于设计厚度 ;c最小 厚度 不小 于设计厚度 2/3;d 表面平整度 的 允许偏差为100米米.对隧道初期支护喷射砼设计为喷射微纤维砼,喷射砼标号为C25,聚丙烯纤维含量为1.2千克/米3,喷射厚度 ：级围岩35厘米,级围岩26厘米.级围岩加强段30厘米.级围岩喷射微纤维系统支护分两次进行支护,第一次在开挖后先素喷微纤维砼5厘米封闭开挖面,在施作系统锚杆、型钢钢架、挂钢筋网后再复喷至设计厚度 ,并保证喷射砼覆盖钢架5厘米以上 .另外,级围岩开挖中喷射砼厚度 为25厘米.7.2.3锚杆质量控制锚杆安装的 数量、砂浆的 强度 等级应符合设计要求.锚杆安装允许偏差应符合下列规定：a

20、锚杆孔的 孔径应符合设计要求;b锚杆孔的 深度 应大 于锚杆长度 10厘米;c锚杆孔距允许偏差为15厘米;d锚杆插入长度 不得小 于设计长度 的 95%,且应位于孔的 中心.7.2.3.1药包锚杆本工程除湿陷性黄土级围岩段拱部不设系统锚杆外,其余地段均在拱部120范围内设药包锚杆.药包施工工艺流程为：钻孔清孔插入药包、杆体.钻孔采用煤电钻或螺旋钻;锚杆预先在洞外按设计要求加工制作,施工时锚杆钻孔位置及孔深必须精确,锚杆要除去油污、铁锈和杂质;药包要浸水湿润后填满锚杆孔并捣碎.药包随用随浸水,不得将浸水已硬化后的 药包用于填充锚杆孔.锚杆杆体插入时应注意旋转,使药包充分搅拌,锚杆打入后,安装垫板

21、和紧固螺帽必须在水泥卷的 强度 达到10米Pa后进行.7.2.3.2 22砂浆锚杆22砂浆锚杆采用Z米-12T型煤电钻或螺旋钻钻设锚杆孔,既可解决在土质隧道施工采用有水设备软化围岩,又可解决在土质隧道施工中采用常规的 冲击钻不易排碴、成孔困难的 难题,提高在黄土隧道的 成孔速度 和安全性.针对黄土隧道特性,为增加砂浆锚杆的 紧固效果,采用先注浆后插杆体法施工,孔径比杆径大 15米米,孔位允许偏差为15米米;孔深大 于杆体长度 10厘米,钻孔方向应与初喷混凝土面垂直,孔钻好后用高压风冲洗干净,并用塞子塞紧孔口.锚杆及粘结剂材质符合设计要求,锚杆按设计要求尺寸截取,并整直、除锈和除油;粘结砂浆拌合

22、均匀,并调整其和易性,随拌随用,一次拌和的 砂浆在初凝前用完;先注浆后插杆时,注浆管应插到钻孔底,开始注浆后,徐徐均匀地将注浆管往外抽出,并始终保持注浆管口埋在砂浆内,以免浆中出现空洞;注浆体积略大 于需要体积,将注浆管全部抽出后,迅速插入杆体,用风枪送入杆体;杆体插入孔内的 长度 不得短于设计长度 的 95%.注浆是否饱满,可根据孔口是否有浆流出,杆体到位后要用木楔在孔口卡住.7.2.4钢筋网的 制作应符合设计要求.钢筋网的 安装位置应符合设计要求,并与锚杆联结牢固.钢筋网的 混凝土保护层厚度 不得小 于3厘米.钢筋网搭接长度 应为个网孔,允许偏差为50米米.并针对开挖断面的 形状,确定场外

23、制作或现场制作网片,若断面形状较规则,平整,采用场外制作网片,然后现场拼接;若断面形状不规则,起伏较大 ,则采用现场制作网片,现场拼接,与岩壁紧贴安装,预留保护层厚度 .挂网利用简易台车进行.7.2.5钢架的 结构尺寸应符合设计要求.钢架安装不得侵入二次衬砌断面,底部不得有虚碴,相邻钢架及各节钢架间的 连接应符合设计要求.钢架的 混凝土保护层厚度 不得小 于4厘米.表面覆盖层厚度 不得小 于3厘米.各节钢架成型后,要求尺寸准确,弧形圆顺,沿隧道周边轮廓误差不大 于3厘米.连接底板螺栓孔眼中间误差不超过0.5厘米;型钢钢架平放时,平面翘曲小 于2厘米.为保证各节钢架在全环封闭之前置于稳固的 地基

24、上,安装前清除各节钢架底脚下的 虚碴及杂物.并在钢架基脚处设槽钢以增加基底承载力,同时每侧安设2根42锁脚锚管将其锁定,底部开挖完成后,底部初期支护及时跟进,将钢架全环封闭.为防止钢架下沉,要加强对钢架的 径向固定;加强对钢架的 锁脚固定;加设钢架基础连接纵梁,扩大 开挖底脚,防止钢架悬空;及时喷射微纤维混凝土进行覆盖;加强对钢架的 应力和变形监测;防止施工过程中的 碰撞和损坏等措施.8、安全措施8.1 隧道内用电拆接频繁,安装、维修或拆除临时用电工程,必须由专职电工完成,电工必须持证上岗,实行定期检查制度 ,并做好检查记录.8.2 隧道内作业空间小 ,各种机械操作人员和车辆驾驶员,必须经过培

25、训并考试取得操作合格证;不将机械设备交给无本机操作证的 人员操作,对机械操作人员要建立档案,专人管理.8.3 开挖人员到达工作面时,由值班人员先检查工作面是否处于安全状态.开挖采用机械配合人工进行,施工中要注意施工人员严禁在挖掘机大 臂下活动,挖掘机开挖时要有专人指挥,以防止挖掘机司机视野受限,挖掘机臂碰撞初期支护表面.机械装碴时,断面满足装载机械安全运转,设置专人指挥,以免机械碰断电线或碰坏已做好的 初期支护,确保安全.在洞口处设置缓行标志,必要时安排人员指挥交通.洞内的 车辆、施工机械、模板台车等,在外缘设置低压红色闪光灯,组成限界显示设施.运输车辆在使用前详细检查,不带病工作.行驶车辆保

26、持一定间距,洞内道路加强养护.洞内倒车与转向,做到开灯、鸣笛或有人指挥.8.4 仰拱距掌子面的 距离保持在30米以内,衬砌距掌子面距离保持在60米以内.8.5 拱脚、墙脚的 基底必须采用人工开挖,并不得有浮渣和虚土.8.6 洞外储备一定数量的 300钢管,必要时进行临时支撑,控制隧道沉降量及变形.8.7 加强监控量测,及时反馈信息指导设计与施工,密切注意洞内围岩、地表状况,及时采取措施确保施工安全.8.8 做好超前地质预报.9、环保措施9.1在采用弧形导坑法进行隧道施工中,由于施工步骤多,应特别注意通风的 环保措施.9.1.1压入式进风管口设在距洞口20米左右的 位置,并做成烟囱式,防止污染空

27、气再流入洞内.压入式通风管的 出风口距工作面不大 于15米.9.1.2通风机装有保险装置,发生故障时能自动停机.通风系统定期检测通风量、风速、风压,检查通风设备的 供风能力和动力消耗并做好记录.9.1.3如通风设备出现事故或洞内通风受阻,所有人员撤离现场,在通风系统未恢复正常工作和经全面检查确认洞内已无有害气体之前,任何人均不得进入洞内.9.1.4施工场所的 通风机械噪声不得超过90分贝,如有超出,第一,检查风机消声器的 工作性能,第二,改装或增设消声器.9.1.5硬质风管安装顺直、严密;风管的 联结采用密封法兰盘接头,橡胶垫板,拧紧,尽最大 努力防漏降阻.9.2施工噪声、振动的 控制设备选型

28、优先考虑低噪声产品,设备底座设置防振基础.采取措施或改进施工方法,使施工噪声、振动达到施工场界环境标准.9.3在洞口、预制场等有污水产生的 生产设施位置设废水处理池,不将有害物质和未经处理的 施工废水直接排放.并备有临时的 污水汇集沉淀设施过滤施工排水.9.4保护隧道施工区的 环境卫生,定期清除垃圾,集运至当地环保部门指定的 地点掩埋或焚烧处理.9.5在施工区设置足够的 临时卫生设施,定期清扫处理.9.6施工现场设置的 油料库,其库房地、墙面做防渗漏处理,指派专人负责油料的 储存、使用、保管,防止油料跑、冒、滴、漏污染土质、水体.10、效益分析10.1 采用弧形导坑法施工,施工安全可靠,且节省

29、了 大 量的 水平、竖向、斜向的 临时支撑钢架,每米节约型钢约1.9t.10.2 工程质量可靠,由于弧形导坑法开挖尽快成环,对围岩扰动小 ,初期支护稳固,与二次衬砌结合紧密.10.3 采用弧形导坑法施工,施工循环时间短,可以加快工程进度 ,缩短工期,降低工程费用.11、应用实例中铁二十三局三公司承建的 郑西铁路客运专线潼洛川隧道,全长3817米,凤凰岭隧道出口,全长386.8米,均为大 断面双线黄土隧道,隧道围岩多为砂质黄土和粘质黄土,其中潼洛川隧道IV级围岩段长3145米,凤凰岭隧道IV级围岩段长286.8米.IV级围岩段开挖断面面积达155.08米2,开挖断面宽度 达14.82米,开挖高度 达12.8米.针对如此大 断面黄土隧道,采用弧形导坑法施工,坚持“管超前、严注浆,短进尺、强支护、勤量测、早封闭“的 隧道施工原则,使围岩收敛和下沉得到很好控制,并创下了 黄土、浅埋、双线铁路隧道施工,单口月成洞米78米的 高产纪录,目前凤凰岭隧道、潼洛川隧道已全部贯通,取得了 较好的 社会和经济效益.