大断面黄土隧道弧形导坑法施工工法

　 大断面黄土隧道弧形导坑法施工工法 法 1 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,隧道围岩多为砂质黄土和粘质黄土,Ⅳ级围岩开挖断面面积达 155.08 ㎡,开挖断面宽度达 14.82m,开挖高度达 12.8m,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 XX 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Ⅳ级围岩地段(长286.8m)采用弧形导坑法施工取得成功后,对潼洛川隧道Ⅳ级围岩段(长 3145m),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 60m, 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 78m 的高产纪录。该成果大大加快了施工生产进度,济济社会效益明显,其技术水平达到了国内先进水平,并在 20__年被评为 XX 公司企业级工法、20__年度铁道建 XX 公司科技进步奖三等奖。

　2 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 3. . 适 用范围

　适用于黄土隧道Ⅳ级围岩及以上地段,部分富含水的地下工程,需要严格控制洞体变形的大跨度隧道和类似地下工程。

　4 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。

　 ⅪⅨ⑥④二次衬砌喷混凝土系统径向锚杆拱部超前支护①②隧底填充仰拱初期支护ф42纵向连接钢管钢架，纵向间距0.8m约300约300弧形导坑法施工工序纵断面示意图Ⅺ24315钢架约350 约400隧道中线③④Ⅺ②①　　　约300边墙基座 初期支护之喷混凝土 隧底填充拱墙二次衬砌弧形导坑法施工工序平面示意图说明：本图尺寸除钢筋尺寸以

　 mm 计外，余均以 cm 计。弧形导坑施工工序横断面环向间距1.0mⅨ超前支护图4-1 黄土隧道弧形导坑法施工工序图8Ⅹ约300Ⅹ仰拱678 8ⅨⅪⅪⅪⅩ约350③⑤约300⑦⑧此处未示初期支护之钢架⑤⑥ ⑦⑧ⅨⅨⅨ

　 5 5. . 工 艺流程及操作要点

　5 5. .1 1

　工艺流程( (图 图 5 5. .1 1 所示) )

　 图 图 5 5. .1 1

　施工工艺流程图

　 测量放线 拱部超前支护 上部环行开挖、出碴 核心土及中部开挖、出碴 中部初期支护 下部开挖、出碴 下部初期支护 底部开挖 超前地质预报 仰拱填充施工 下一工序 上部初期支护 底部初期支护 仰拱衬砌 围岩监控量测 围岩监控量测 围岩监控量测 围岩监控量测 上中下部进行四个循环 围岩稳定性评判、 修正施工方案，确定二次衬砌施作时间

　 5 5. .2 2

　操作要点

　5 5. .2 2. .1 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Φ42mm,L=3.5m,α=5～10 度,超前小导管进行超前支护。小导管环与环间距 0.8m×2 榀=1.6m,搭接长度 1.9m。

　2、针对黄土隧道的特点,超前小导管施工采用 ZM-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,JYZ－2 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 40cm,围岩较差地段可缩小为 30cm,管内充填 M20 水泥砂浆。纵向搭接长度不小于 1.5m。

　5 5. .2 2. .2 2

　开挖

　郑西铁路客运专线隧道Ⅳ级围岩段设计开挖断面尺寸为: 14.82m×12.80m(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 3～5m,中部超前下部 3～5m,下部超前底部 10m,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3.5m 左右,下部台阶控制在 3.5m 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Ф42 超前小导管。2、机械开挖①部,人工配合整修。3、施作①部初期支护,即初喷 4cm 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②部,人工配合整修。2、初喷 4cm 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凝土至设计厚度。

　第三步: 1、在滞后于②部一段距离后,机械开挖③部,人工配合整修。2、初喷 4cm 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④部,并施作导坑周边的初期支护,步骤及工序同②。

　第五步: 1、在滞后于④部一段距离后,机械开挖⑤部,人工配合整修。步骤及工序同③。

　 第六步:根据监控量测结果分析,待初期支护收敛后,开挖⑥部,在滞后于⑥部一段距离后,机械开挖⑦部,人工配合整修。

　第七步:开挖隧底剩余部分⑧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Ⅸ部边墙基础与仰拱及Ⅹ部隧底填充混凝土(仰拱与填充应分次施作。仰拱每板分 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Ⅺ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30cm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 5. .2 2. .3 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 0.8m,下部利用上部超前作业支护的时间一次进尺 1.6m；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 3～6m。

　5 5. .2 2. .4 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 表 5 5. .2 2. .4 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.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 10～20m 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－Ⅳ收验计,开挖后 3～6 小时且在下一循环开挖前进行初读数。

　U≥5㎜/d或距开挖面距离(0～1)b:2 次/d； 5 ㎜≥U≥0.2 ㎜/d 或距开挖面距离(1～2)b:1 次/d； 0.2㎜≥U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 10～20m 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3～6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 5m 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 3～5 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 20mm/d 时,则需要加强支护,否则可能使围岩失稳,造成坍塌。

　3、周边位移速度小于 0.1～0.2mm/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 5. .2 2. .5 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 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 ZM-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 表 6 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 1

　2 装载机 CLG856 台 1

　3 风镐 G8 台 9

　4 风枪 YT28 台 4

　5 钻机 ZM-12T 个 2

　6 混凝土湿喷机 TK500-5C 台 3

　7 混凝土输送泵 HBT-60 台 1

　8 混凝土搅拌站 JS750 台 1

　9 自卸汽车 三菱 8t 辆 4

　10 电动空压机 20m3 /min 台 3

　11 钢筋调直机 GT4-10 台 1

　12 钢筋切断机 GQ40 台 1

　13 衬砌台车 定制 台 1

　14 射钉器 NS301 个 4

　 15 混凝土输送车 6 m3

　辆 3

　16 热风焊枪 THRF 个 2

　17 交流电焊机 BX1-500 台 8

　18 注浆泵 JYZ-2 台 2

　19 收敛计 SWJ-IV 台 1

　20 全站仪 TOPCON 台 1

　21 水准仪 S3 台 2

　22 防水板热合机 TH-5M 台 1

　 7 7. . 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[2005]160 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》的限差之内。

　隧道横向贯通误差限差:100mm。

　高程贯通限差:50mm。

　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TMS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 1000m 的重叠狭长菱形边角网。在菱形的重叠部分,施加长约 5m 的高精度(±0.1～0.3mm)因瓦线尺测距边...