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大断面黄土隧道斜井转正洞垂直挑顶施工工法.docx

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断面 黄土 隧道 斜井 转正 垂直 施工
资源描述:
大断面黄土隧道斜井转正洞垂直挑顶施工工法中铁十一局集团第二工程有限公司吴英明 董瑞武 周光军1 前言客运专线黄土隧道开挖断面大,选择合理的斜井转正洞施工方法,对于保证隧道安全快速转入正洞具有非常重要的意义。当前黄土隧道斜井转正洞多采用圆曲线挑顶法,该工法工序复杂,工期长,造价高。中铁十一局集团施工的大(同)至西(安)客运专线位于陕西省合阳县、大荔县境内,马家庄隧道为标段重点控制工程,隧道出口与三号斜井正洞小里程方向为整个隧道全部贯通的关键线路。为了保证施工工期,加快施工进度,确保安全和施工质量,中铁十一局集团第二工程有限公司在大西铁路客运专线马家庄隧道 3#斜井转正洞施工,运用了公司研发大断面黄土隧道斜井转正洞垂直挑顶施工技术,施工中获得了较好的成果,并大大缩短了建设工期,取得了良好的技术经济效果,现经总结形成本工法。 2 工法特点2.0.1 斜井向正洞的断面转换一次成功,工序简单。 2.0.2 优化横向弧面导坑的尺寸和临时支护结构类型,施工安全系数高。2.0.3 优化横向挑顶方式,充分发挥了小型机械快速开挖的优势,缩短了建设工期。2.0.4 减少了圆曲线挑顶临时支护的施做和拆除数量,有效的节约了成本。3 适用范围本工法适用于大断面黄土隧道斜井断面小而正洞断面较大时斜井转正洞施工。4 工艺原理黄土隧道正洞与斜井三岔口处围岩空间三维受力复杂,尤其正洞横向挑顶开挖支护难度相当大,工作面小,技术难度高,开挖支护不当围岩很容易下沉变形,甚至发生塌方质量安全事故。因此必须制定科学合理的挑顶施工方案,并对三岔口进行加强支护。在斜井施工至与正洞设计二次衬砌最大跨度相交时,在交汇面处设置斜井初期支护加强环及托梁和立柱支撑,以解决三岔口处正洞初期支护的钢架落脚问题,及时完成斜井衬砌,衬砌终点端头面应与正洞该侧纵向开挖平行。采用人工风镐配合挖掘机,以 4.2m 宽的小导坑方式横向垂直进入正洞洞身并进行弧面挑顶开挖,开挖过程中及时采用I16 型钢棚架临时支顶支护。当隧道正洞拱部上导坑开挖面合格后及时初喷,施做正洞设计初期支护,其钢架拱脚落在托梁上,拱顶处纵向棚架横梁保留,拆除临时棚架两侧立撑。按相同方法将交叉口范围拱部上导坑沿主攻方向开挖支护两个循环(每循环进尺 0.8m) 。再反方向开挖支护两个循环(每循环进尺 0.8m) 。直至该段 9m 范围拱部封闭。接着扩挖正洞中部土体并将该段右半幅初期支护接长至最大跨度处。最后按环形预留核心土法进行隧道主攻或副攻方向上断面开挖,当上断面开挖达 40m 后,进行边墙落底及仰拱、填充施工,从而使正洞初期支护封闭成环,具备正常快速施工的安全条件。5 施工工艺流程及操作要点5.1 施工工艺流程图 见图 5.1-15.2 施工步骤、方法及工艺5.2.1 施工准备。根据斜井与正洞设计相交角度及复合式衬砌参数,对交叉口段斜井初期支护进行加强,确保下步正洞跨越斜井提供支护保障。由于斜井与正洞夹角较大为87°,所以直接由最后一榀钢架偏立法架立调整到与正洞纵向平行(详见图 5.2.1--1) ;考虑斜井初期支护最后一榀拱架也需承受正洞拱架及围岩传递的荷载,为了安全必须对其加强。在斜井末端即距正洞二衬最大跨度处内缘 15cm 处采用两榀Ⅰ20a 型钢并焊在一起作为加强环,改善受力条件。 (见图 5.2.1-2) 。图 5.1-1 施工工艺流程图加工临时棚架回填修筑斜坡道导坑方式横向垂直开挖支护正洞左半幅施工准备斜井初期支护加强施做托梁施做斜井加强段二次衬砌导坑方式横向垂直开挖支护正洞右半幅正洞两侧对称开挖支护上台阶右半幅初期支护接长正洞两侧对称开挖支护上台阶 40m正洞两侧左右开挖支护中台阶 34m正洞两侧左右开挖支护下台阶 30m开挖正洞仰拱斜井转正洞完成图 5.2.1-1 斜井进入正洞平面图(尺寸标注单位:cm)5.2.2 斜井初期支护加强。为解决交叉口段正洞上断面拱架落脚位置及牢固性,在斜井初期支护加强环钢架拱顶上沿正洞方向设置纵向水平托梁,托梁采用 I25b 型钢,两端联接 I25b 型钢立柱支撑至主洞墙底。为防基底承载力不够导致支护下沉,先夯实基底,立柱底部加焊 30*20*2cm 钢板,另加提前预制的钢筋混凝土垫块(50*50*50cm) 。型钢托梁顶面按间距 0.8m 焊接 30*20*2cm 厚钢板,以解决交叉口段主洞设计拱部钢架左侧落脚问题(具体见图 5.2-2) 。对托梁及支撑进行锚、喷防护,锚杆尾部弯折 90°后与托梁、支撑焊接在一起,按设计厚度喷射混凝土时,托梁范围暂不喷射。5.2.3 施做托梁。及时施作斜井加强段(8m)二次喷射混凝土衬砌,铺设双层环向 Φ22受力钢筋,间距 20cm,纵向铺设 φ14 连接钢筋,间距 30cm,立间距 1m 的 I18 的钢架后,喷射 35cm 厚度 C25 混凝土,为交叉口提供有力的支撑。其二次喷射混凝土衬砌终点端头面必须与正洞该侧纵向开挖平行,并伸出加强环 5cm。5.2.4 二衬混凝土施工完 24 小时后,撤出斜井二衬台车,先回填土修筑斜坡道后,采用临时轮胎式轻型小挖机以 4.5m 宽的小导坑方式横向垂直进入正洞洞身拱部,并进行拱顶上导坑弧人工配合机械开挖范围① ②③ ④ ⑤⑥ 2榀 I0a型 钢加 强 环I28b型 钢托 梁 及 立 柱 挑 顶 时 I16型 钢 棚 架左 线 中 线 隧 道 中 线西 安 左 线 中 线 大 同初 期 支 护 拱 顶 I16型 钢 棚 架挑 顶 时 I16型 钢 棚 架面挑顶开挖正洞左半幅,即图 5.2-3 第一阶段部分。进入正洞范围后其开挖及初期支护需比正洞拱部相应设计标高加大,以预留临时支护厚度及足够的变形量。开挖过程中采用I16 号工字钢临时棚架及时支护。当隧道正洞拱部上导坑开挖面临时支护合格后,移除临时棚架一侧竖撑,施做该侧初期支护(先拆除后支护) ,其拱顶处纵向棚架横梁将作为永久支护。5.2.5 开挖支护正洞右半幅,即图 5.2-3 第二阶段部分,施工步骤同 5.2.4 步。5.2.6 待拱部上导坑初期支护稳定后再采用人工风镐及作业台架向正洞大小里程方向对称开挖拱部上导坑,进尺 0.8m,开挖土方经人工清运至斜井后,由装载机及汽车运至洞外弃碴场。开挖合格后立即初喷,及时施作初期支护。5.2.7 拱部上台阶 9m 范围开挖支护完成后,采用挖机逐段扩挖中上部土体,并将右半幅初期支护接长至起拱线处,即图 5.2.7-3 第三阶段部分。5.2.8 在上台阶初期支护完成后,采用三台阶七步开挖法向正洞大小里程方向开挖支护 10m 后。为确保安全,该段正洞 40m 范围上导弧分两次开挖支护至最大跨度(中台阶)处。前期开挖采用人工配合机械的方法,随着工作面的扩大,视实际情况创造条件采用以挖机开挖为主、人工修边为辅。5.2.9 当上断面两个掌子面距离达到 40m 时,开始下台阶边墙落底施工。落底施工按主、次攻方向,拉开下断面中槽,左右边墙前后错开 2~3m 进行落底开挖支护,每循环进尺 1.6m,同时向前推进。与此同时,主副上断面掌子面继续向前短进尺掘进。5.2.10 当左、右侧边墙连续落底支护达到 30m 时,开始分段开挖全幅仰拱,每次开挖3m,及时施作仰拱衬砌混凝土及填充混凝土,使初期支护封闭成环,斜井转正洞施工完成。5.3 施工注意事项正洞与横洞相交地段处于复杂的三维受力状态,为保证正洞安全挑顶施工的完成,正洞初期支护必须座落于一个牢固的落脚平台,同时应加强该段正洞初期支护的锁脚锚杆及系统锚杆施工,防止拱架下沉。5.3.1 斜井交叉口段施工,应加强初期支护,设计参数应比正常断面相应提高。5.3.2 交叉处加强环设置内 轨 顶 面仰 拱 填 充 面立 柱 支 撑I25a型 钢b型 钢托 梁 I2型 钢 拱 架 拱 脚 扩 大 落 至 托 梁初 期 支 护 30cm, 预 留 变 形 量 15cmI16型 钢 临 时 “门 形 ”棚 架斜 井 衬 砌 30cm斜 井 I16型 钢 。图 5.2.1-2 斜井交叉口托梁、支撑安装正面图(标注尺寸单位:cm)图 5.2.7-3 交叉口斜井及正洞支护结构尺寸图(标注尺寸单位:cm)I28b型 钢立 柱 支 撑5型 钢托 梁I2型 钢 拱 架 ,拱 架 间 距 80cm初 期 支 护 3斜井中心线 I16型 钢 支 撑2榀 I0a型 钢加 强 环内 轨 顶 面 隧道正洞中心线第 一 阶 段 : 人 工 拱 部 左 半 幅挑 顶 开 挖 及 支 护 , 每循 环 。 初 期 支 护 拱 顶设 临 时 棚 架 支 撑 第 二 阶 段 : 人 工 配 合 挖 机进 行 拱 部 右 半 幅 挑 顶 开 挖及 支 护 每 次 开 挖 支 护直 至 和 左 半 幅 相 应段 封 闭 。第 三 阶 段 : 中 部 及 右 半 幅 开 挖 、支 护 至 起 拱 线 处第 四 阶 段 : 采 用 环 形 开 挖 预 留核 心 土 法 分 别 进 行 上 断 面 主 攻和 次 攻 方 向 的 开 挖 与 支 护 第 五 阶 段 : 当 上 断 面 主 、 次 掌子 面 距 离 达 时 , 进 行 下 部断 面 及 边 墙 落 底 开 挖 与 支 护第 六 阶 段 : 当 边 墙 落 底 支 护 至 时 , 开 始 逐 段 进 行仰 拱 全 幅 开 挖 , 交 叉 口 段 每 次 不 超 过 , 其 它 不 超 过。 及 时 施 作 仰 拱 及 填 充 混 凝 土 , 初 期 支 护 封 闭 成 环 。准 备 阶 段 : 斜 井 初 期 支 护 加 强 、托 梁 及 立 柱 预 埋 、 斜 井 二 衬 施工 、 斜 坡 道 填 筑 。图 5.2-4 交叉口段斜井进正洞挑顶开挖顺序示意图(单位:cm)由于正洞开挖断面较大,为确保扩顶段正洞施工安全,在斜井与正洞交接处设置一加强环,加强环由 2 榀Ⅰ20a 型钢钢架并焊组成,钢架间采用 φ22 钢筋连接,根据施工方案对其进行准确定位加固,锁脚锚杆宜沿斜井与正洞交角平分线方向施作,并确保其质量。5.3.3 设置托梁,为正洞拱架提供落脚平台在斜井衬期支护加强环钢架拱顶上沿正洞方向设置纵向水平托梁,托梁采用 I25b 型钢,牢固焊接于斜井加强环拱顶,托梁长度超过 9m 时,居中联接接头除对焊外,另采用双面夹板(10mm 厚钢板)钻孔、高强螺栓拧紧、夹板四边骑缝焊等多重加固方式。托梁两端联接I25b 型钢立柱支撑至主洞墙底。喷射 C25 砼 25~30cm 厚覆盖加强环、立柱钢架,托梁范围暂不喷射,待正洞钢架落脚后一并喷射。及早施作斜井二次衬砌。5.3.4 正洞扩顶开挖,依据围岩稳定状态时采用Ⅰ16 临时棚架支撑顶部,棚架间距为0.8m,棚架间采用 φ22 钢筋焊接为整体,结合初喷混凝土 5cm,临时棚架横梁采用 20cm网喷,网格尺寸 20×20cm(临时棚架横梁将作为永久支护) ,形成临时支护体系,棚架结构尺寸见图 5.3.4-5,图中 H、b,根据现场情况确定尺寸,现场加工。5.3.5 人员配备。开挖作业人员 20 人;钢架、钢筋网及锚杆施工 15 人;喷射混凝土作业 14 人。图 5.3.4-5 临时棚架尺寸图6 材料与设备垂直挑顶法斜井转正洞施工主要材料与设备配备见表 1。表 6.1-1 材料与设备表 H16临临4.5h序号 名称 规格型号 数量 用途1 备用发电机 GF200(200) 1 停电时用2 装载机 ZLC30 1 装土方3 电动空压机 20m3(130KW) 24 自卸车 东风大力神 280 4 运土方5 小型挖掘机 PZ70 1 开挖6 轴流通风机 2×55kw 1 通风除尘7 洒水车 1 斜井内、外撒水消尘8 挖掘机 PC-200 1 开挖9 钢架弯曲机 新购 1 加工钢拱架10 电焊机 BX1-315 5 钢筋、型钢焊接11 砼湿喷机 TK500 2 喷射混凝土12 洋镐 把 若干 人工修边13 凿岩风镐 把 6 施工锚杆、锚管14 照明灯 盏 7 照明15 水准仪 南方 DS32 1 施工放线、沉降观测16 全站仪 南方 NTS350 1 施工放线17 钢管 φ42 240m 超前小导管7.质量控制7.1 质量标准本工法执行现有公路、铁路、水利施工技术规范和质量验收评定标准。《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》 (TB10753-2010) , 《高速铁路隧道工程施工技术指南》 (铁建设〔2010〕241 号) , 《锚杆喷射混凝土支护技术规范》 (GB50086-2001) ,《铁路隧道工程施工安全技术规程》 (TB10304-2009) , 《地下工程防水技术规范》(GB20108-2001) , 《客运专线铁路电力牵引供电工程施工质量验收暂行标准》 (铁建设〔2006〕167 号) , 《施工现场临时用电安全技术规范》 (JGJ46-2005),《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》 (铁建设〔2006〕167 号) , 《铁路混凝土工程施工技术指南》(铁建设〔2010〕241 号) , 《铁路防雷、电磁兼容及接地工程技术暂行规定》 (铁建设〔2007〕39 号) , 《铁路隧道监控量测技术规程》 (TB10121-2007) 。7.2 质量控制措施7.2.1 建立量测小组和现场地质小组,并建立超前地质预报机制,严格按照量测规范和设计要求,每天至少进行 6 次观测,准确掌握沉降和收敛情况,并及时进行分析、反馈,根据实际情况指导现场施工。一旦发现变形过大或其它异常情况,立即暂停开挖施工,采取应急加固措施,并上报处理。7.2.2 施工前做好各种相关施工准备,按方案要求配置好劳力、机械设备及工程材料,施工中严格按本方案、相应技术交底及规范要求施作。7.2.3 交叉口段斜井衬砌应及早施作,挡头板沿正洞线路方向安设。7.2.4 拱架加工时加强弧长、弧度和连接板方向的控制,在加工场设置钢架试拼平台,检验钢架的半径、高度和宽度。7.2.5 为保证喷射混凝土放任厚度和质量,采用预埋钢筋头和二次补喷控制。8.安全措施8.0.1 建立安全生产组织机构,建立强有力的安全生产保证体系;指挥部、各项目部和架子队均成立安全生产领导小组。8.0.2 坚持“安全第一,预防为主”的方针和“管生产必须管安全”的原则进行安全生产管理,做到生产和安全工作同时计划、布置、检查、总结和评比。8.0.3 制定挑顶施工的安全应急预案,做好应急材料、物资的储备。8.0.4 现场技术人员及专职安全人员必须昼夜轮流跟班指导监控,督促各类安全、质量措施落到实处。8.0.5 沿隧道墙脚地面设置一条救生应急通道,管道采用直径不小于 150mm、壁厚不小于 8 mm 钢管,应急管道内设应急水管(饮用) ,电话线、照明线等,管口距掌子面距离大于 12m,另一端延伸至已施做衬砌段外 1-2 倍洞径,应急通道根据掌子面的前移而移动,以保证洞内外保持联系。8.0.6 掌子面附近设应急工具包,以存应急电筒、灯具活动扳手、钢锯、锤子、钢钎、电话机等应急工具;掌子面设应急救生包,内存 10 人左右一天应急食物及饮用水,并备包扎纱布、消毒药水、常用外伤用药等,应急食品定期更换,以便自救和逃以使用。8.0.7 安设人员登录自动报警系统,以便及时发现采取救援措施。9.环保及节能措施9.0.1 建立环保、水保体系,制定全面而系统的环境与生态保护、水土保持的管理办法和措施,符合国家、铁道部及地方政府有关环保、水保的标准,坚持施工过程中对环保工作的持续监督检查。9.0.2 加强施工用水管理,防止水土流失。隧道施工中采用防水板和止水带等综合防排水措施,减少黄土中水分的流失,做到环保和节约水资源要求。9.0.3 通过该工法的应用,优化大断面黄土隧道的设计参数,节约锚杆的数量,从而节约建筑材料,达到节约能源的目的。9.0.4 斜井口和弃土场等及时修建弃砟挡土墙和疏通排水系统,做到先挡后弃,防止水土流失,对环境造成影响。9.0.5 工地现场设置足够的临时卫生设施,做好施工现场的卫生管理工作,生活垃圾堆放在指定地点,按规定及时清理或处理。9.0.6 加强施工机械和运输车辆安装消声器并加强维修保养,降低噪音。9.0.7 做好洞内外文明施工,保证良好的施工环境。10.效益分析10.0.1 经济效益本工法与圆曲线挑顶法相比,充分发挥小型机械快速开挖的优势,重点对原方案中横向弧面导坑的尺寸、开挖方式、临时支护结构类型及时进行了优化与调整,三号斜井紧用了 42 天,达到两个工作面正常施工条件,缩短了工程工期,降低了工程成本;同时减少了临时支撑的数量,节约了工程材料。 10.0.2 社会效益本工法实现了斜井向正洞的断面转换一次成功,在实施过程中,根据围岩稳定情况及监控量测数据,最终无安全事故、质量达标、快速完成了斜井进正洞施工,为以后大断面黄土隧道斜井转正洞施工提供了理论和实践依据,为全线最长马家庄隧道提前 150 天顺利贯通打下了坚实的基础,创造了黄土隧道快速施工的新纪录。为挑战长大隧道湿陷性黄土施工积累了宝贵经验。11.工程实例实例 1:2007 年 10 月~2011 年 12 月,由中铁十一局集团承建了包西铁路庆兴隧道位于陕西省蒲城县境内,紧邻洛宾镇庆兴村及蒙新庄,起迄里程 DK691+253~DK701+493,全长 10240m,该隧道为双线隧道,隧道除进、出口相向掘进外,还设有 5 座斜井辅助施工。其中四号斜井和新增斜井转正洞挑顶的施工中,同样采用本工法进行施工,经工后沉降观测和初期支护断面扫描,沉降量和断面尺寸均满足设计要求,质量达标,受到了建设单位和监理单位的高度评价。实例 2:由中铁十一局集团承建的大西铁路客运专线马家庄隧道全长 9362m,设计为双线大跨度黄土隧道,Ⅳ围岩开挖宽度 14.8m,开挖高度 12.68m,开挖面积 155.06㎡,围岩为黄土地质,含水率 7%~24%,属客运专线大断面黄土隧道。马家庄隧道三号斜井井口位于线路左侧冲沟边,斜井与线路左侧交于里程 DK718+800=XDK0+000,与线路大同方向平面交角为 87°,井身倾角 5°42′39″,斜井范围为 10%下坡,最小埋深 3.5m,最大埋深42m。斜井采用双车道断面,最大开挖断面 46.5㎡,车道净宽 6m。斜井Ⅴ级围岩 106m,Ⅳ级围岩 480m。斜井于 2010 年 9 月 16 日施工到 XDK0+000 处,开始斜井进正洞挑顶施工,至 9 月 28 日完成横向垂直导洞施工,进入正洞大里程上台阶开挖支护,10 月 19 日正洞大里程方向仰拱开始开挖支护,并封闭成环,10 月 29 日正洞小里程方向仰拱开始开挖支护,并封闭成环,至此斜井转正洞施工顺利完成,经工后沉降观测和初期支护断面扫描,沉降量和断面尺寸均满足设计要求,质量达标,受到了业主、设计、监理和质检单位的一致肯定。
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