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浅埋大跨度黄土隧道采用偏心CD环形开挖施工工法.docx

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浅埋大 跨度 黄土 隧道 采用 偏心 CD 环形 开挖 施工
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浅埋大跨度黄土隧道采用偏心 CD 环形开挖施工工法中铁十一局集团第五工程有限公司 乔红彦 杜松 1 前言在西北黄土高原地区,已修建了为数众多的铁路隧道、公路隧道、仓库和各种用途的洞室,但超浅埋大跨度湿陷性黄土隧道(洞室)并不多见。随着科学技术和经济建设的发展,在幅员辽阔的黄土地区将会修建更多、更大跨度的铁路、公路隧道及其他地下工程。黄土地质条件复杂、遇水易发生湿陷的特性,大大增加了超浅埋大跨度黄土隧道(洞室)开挖及支护技术的难度。中铁十一局集团第五工程有限公司在施工平阳高速公路阳曲 1 号隧道的过程中,联合西安科技大学共同对“浅埋大跨度黄土公路隧道施工过程控制的关键技术”积极进行探索、科研公关。通过对高含水率黄土成因、地质结构特征及主要物理力学性质参数;冻融环境下高含水率黄土的力学性质;高含水率大跨度黄土隧道围岩的变形规律及其稳定性评价方法;高含水率大跨度黄土公路隧道灾变演化规律及控灾措施进行反复研究、实践。成功研发了浅埋大跨度黄土隧道偏心 CD 环形开挖施工技术。偏心 CD 环形开挖施工技术在平阳高速公路阳曲 1 号隧道的成功运用,具有较好的社会经济效益。 2 工法特点2.1 与普通土质隧道开挖相比,由于受到地层埋深及结构物跨度的影响,以及大断面的限制,本工法采用分部开挖可以划分围岩断面,促使围岩应力从新分布,先掘进小导坑可以提前释放围岩应力,降低围岩冒顶、塌方的发生概率。采用本工法掘进过程中,根据西安科技大学对掌子面黄土的特性研究反馈信息,结合掌子面地质情况,严格控制衬砌安全距离,保证初支体系的稳定。2.2 超浅埋大跨度黄土隧道采用偏心 CD 环形开挖施工,较双侧壁导坑施工,工序简洁,便于施工组织管理,可加快施工进度,缩短工期。2.3 隧道采用偏心 CD 工法施工过程中,应认真贯彻“提前加固,及时衬砌,连续监测”的施工原则,通过开挖前超前导管预加固地层,开挖过程中采取快支护、强支护,全过程勤测量等措施,有效地控制地表沉降和拱顶下沉,确保工程质量和施工安全。采用监控量测信息技术指导施工,使施工处于受控状态。3 适用范围本工法适用于大跨度超浅埋自稳性较好黄土隧道施工。4 工艺原理浅埋地层大跨度黄土隧道采用偏心 CD 环形开挖法施工是根据“预加固、短进尺、强支护、早封闭、勤测量”的原理,通过监测隧道拱顶沉降及周边收敛等数值,不断优化开挖方案,采用分部开挖形式、合理选择开挖进尺、缩短各工序衔接时间、严格控制衬砌安全距离等方法,避免因开挖方法不当和仰拱、二次衬砌滞后导致隧道拱顶下沉、掌子面崩塌等病害的发生,以保证黄土隧道在浅埋地段的施工安全。根据隧道拱顶沉降监测和周边收敛数据,确定合理的分部开挖形式和衬砌安全距离,偏心 CD 环形开挖施工采用偏心导坑+环形开挖法分部前后错开开挖,开挖过程中,左侧小导坑超前开挖支护,降低隧道相对围岩级别,提前释放围岩应力,右导坑结合拱部环形同步跟进施工,快速闭合支护结构,减少对围岩的扰动,分部支护,形成支护整体;缩短作业循环时间,逐步向纵深推进,形成开挖及施作初期支护,混凝土仰拱紧跟掌子面及时施作构成稳固的支护体系。5 施工工艺流程及操作要点5.1 工艺施工流程工艺施工流程详见图 5.1图 5.1 浅埋黄土段偏心 CD 环形开挖施工方法示意图5.2 施工工艺流程(详见图 5.2)12345678910 101左 小 导 坑 拱 部 及 侧 壁 墙 拱 部 超 前 支 护 施 工 ;2左 小 导 坑 开 挖 ;3左 小 导 坑 、 侧 壁 墙 初 期 支 护 ;4环 形 导 坑 超 前 支 护 ;5环 形 导 坑 预 留 核 心 土 开 挖 ;环 形 导 坑 初 期 支 护 ;预 留 核 心 土 加 固 处 理 ;7左 幅 仰 拱 开 挖 、 初 期 支 护 及 二 次 衬 砌 ;8右 幅 仰 拱 开 挖 、 初 期 支 护 及 二 次 衬 砌 ;9整 体 浇 筑 二 次 衬 砌 。105.3 施工重点及注意事项5.3.1 施工准备做好场地的“三通一平”工作,隧道洞门因处于退耕还林区,植被及杂草相对较茂密,本着“早进晚出”的原则,尽量少破坏植被,减少洞口刷方工程和护坡工程量。边仰坡开挖后,及时进行“喷、锚、网、喷”支护,及时封闭土体,并做好边坡防排水施工。5.3.2 超前支护开挖前,对土体拱部和临时支护外侧拱腰以上部位采用 Φ42,L-4.5m,环向间距40cm,1:1 水泥砂浆进行围岩预加固处理,确保开挖时洞顶和侧墙土体稳定。5.3.3 洞身开挖及初支由于隧道开挖跨度大,为确保施工安全,开挖进尺每循环控制进尺为 50cm,采用左小导坑先行、预留核心土环形导坑紧随两个工作面施工(详见图 5.3.3) ,洞身开挖采用人工风镐修边配合挖掘机掘进,利于控制隧道超欠挖。1 人工风镐配合挖掘机沿开挖轮廓线自下而上开挖左小导坑,开挖后及时喷射 4cm 混凝土,封闭作业面,边墙初支和临时初支作业及时跟上,避免侧墙向导坑内崩塌。工字钢采用 I22b 钢架,拱架间距为 50cm,侧壁墙采用 I18 钢架。左小导坑初支拱架分 2 节安装,环向为法兰盘连接,纵向采用 φ22 连接筋连接,间距 1.0 米。安装完毕后即施作 φ42 锁脚小导管及拱部超前导管,长度 3.0m,间距 40cm;边墙采用 3.5mφ25 药包锚杆,间距 80cm;拱部 3.5mφ25 胀壳式锚杆,侧墙 2.0mφ22 药包锚杆,间距均为 1.0 m;挂设双层钢筋网,喷 29cm C25 喷射混凝土支护。2 第二步施工左小导坑超前施工后 3~5m 后,同时开挖环形导坑,预留核心土,按照上述方法进行支护。不良地质段应避免左右侧两个工作面同时施工。3 预留核心土处理环形导坑开挖结束后,及时封闭预留核心土,采用 C25 喷射混凝土,厚 10cm 喷射封闭,防止核心土裸露时间较长失稳而崩塌。图 5.2 偏心 CD 环形开挖施工工艺流程图左 小 导 坑预 留 核 心 土+环 形 导 坑12345678 910 10 预 留核 心 土临 时 支 护初 期 支 护初 期 支 护二 次 衬 砌二 次 衬 砌 仰 拱 衬 砌仰 拱 衬 砌超 前 地 质 预 报 清 理 掌 子 面 、 测 量 放 线施 作 超 前 支 护 、 注 浆开 挖 左 小 导 坑 , 进 尺 同 钢 架 间 距监控量测 初 喷 封 闭 岩 面架 立 钢 拱 架 、 临 时 钢 拱 架施 作 钢 筋 网 、 系 统 锚 杆锚 喷 支 护 至 设 计 厚 度 , 闭 合 成 环 开 挖 环 形 导 坑 , 进 尺 同 钢 架 间 距初 喷 封 闭 岩 面架 立 钢 拱 架 、 临 时 钢 拱 架施 作 钢 筋 网 、 系 统 锚 杆锚 喷 支 护 至 设 计 厚 度 , 闭 合 成 环对 预 留 核 心 土 进 行 加 固 处 理开 挖 预 留 核 心 土 , 必 要 时 封 闭 掌 子 面拆 除 3-5米 临 时 支 护 施 工 左 幅 仰 拱 监控量测监控量测施 工 右 幅 仰 拱监控量测 整 体 浇 注 二 衬 混 凝 土图 5.3.3 浅埋黄土段偏心 CD 环形开挖施工方法平面示意图3 预留核心土处理环形导坑开挖结束后,及时封闭预留核心土,采用 C25 喷射混凝土,厚 10cm 喷射封闭,防止核心土裸露时间较长失稳而崩塌。5.3.4 仰拱施工黄土隧道在开挖后受各种地质和施工因素的影响,在施工前期围岩变化较大,支护体系应快速封闭成环,根据掌子面的空间效应,掌子面距仰拱最大距离以不超过 25 米为宜,仰拱采用半幅施工,开挖长度以 3~4 米最为安全,防止边墙拱脚处收敛,造成喷射混凝土开裂和拱架下沉。仰拱开挖后,应及时施作仰拱钢架及喷混凝土支护。5.3.5 防排水施工1 施工防排水黄土遇水软化,施工中选用煤电钻和矿用电动岩石钻机施作锚杆和小导管,尽量减少开挖面的施工用水量,加快对开挖掌子面的封闭处理,缩短土体裸露时间。另外,对于开挖后出现的渗漏水,宜引不宜堵,采用集水坑形式集中处理,对于土体含水量超过 20%的地段,仰拱开挖后,及时初喷 5cm 混凝土予以封闭处理。2 结构防排水防排水的施工原则是以排水为主,防排结合,综合治理,形成完整的防排水体系,使隧道防水可靠,排水畅通。复合式衬砌采用 Φ50 双壁打孔波纹管、LDPE 防水板和土工布进行环向防水;采用 Φ116 双壁打孔波纹管、中心排水沟及排水边沟进行横向、纵向排水。为保证隧道排水畅通,在隧道两侧边墙处每 50m 设一对边沟检查井,以便对纵向排水管进行疏通和清理。隧道洞身防水层设计为防水板与土工布两部分,采用无钉铺设工艺。施工时在土工布上贴上衬垫,然后采用射钉枪钉上水泥钉,随后铺设防水板。用热合机焊接形成双焊缝,每天焊缝宽 25mm,防水板搭接宽度不小于 10cm。防水板采用专用熔接器热熔在衬垫上,不能将防水板绷得太紧,以免拉裂。5.3.6 衬砌边墙、拱部采用 9m 可调式全自动液压台车,混凝土采用洞外自动计量拌合站拌制,混凝土罐车运输至洞内,经输送泵泵送入模。5.3.7 监控量测技术监控量测是地下工程尤其是软弱段围岩施工中的重要内容,是监视围岩和支护稳定性的重要手段,它能知道施工、预报险情、确保安全。需进行监控量测的项目详见表 5.3.7。表 5.3.7 监控量测项目一览表监 测 项 目 方 法 及 仪 器 设 备 监 测 布 设 原 则 监 测 频 率 备 注地 质 及 支护 状 况 观察岩 性 、 结 构 面 产状 及 支 护 裂 缝 观察 和 描 述 、 地 质罗 盘 仪 等 。掌 子 面 及 初 期 支护 后 的 地 段 进 行观 察每 次 开 挖 及 初 期支 护 后周 边 位 移 收 敛 仪每 10m~ 50m 一个 断 面 , 每 个 断面 2~ 3 对 测 点1d~ 15d, 1~ 2次/d; 16d~ 30d, 1 次/2d; 1~ 3 月 ,1~ 2 次 /周 ; 3月 以 上 , 2 次 /月开 挖 后 及时 埋 设 测点拱 顶 下 沉 水 平 仪 、 水 准 尺或 测 杆每 10m~ 50m 一个 断 面 , 每 个 断面 2~ 3 对 测 点1d~ 15d, 1~ 2次/d; 16d~ 30d, 1 次/2d; 1~ 3 月 ,1~ 2 次 /周 ; 3月 以 上 , 2 次 /月开 挖 后 及时 埋 设 测点超 前 地 质预 报 TSP202间 隔 50m~ 100m一 个 断 面地 表 沉 降 精 密 水 准 仪 、 钢尺浅 埋 段 沿 隧 道 中线 , 每 隔5m~ 10m 布 设 一开 挖 初 期 1~ 2次 /d; 开 挖 后 期1 次 /2~ 3d开 挖 前 提前 埋 设 测点组 测 点根据测量结果,绘制位移-时间曲线,进行回归分析,判断围岩及支护稳定情况,及时反馈,以指导施工。5.3.8 注意事项1 大跨度黄土隧道施工应严格遵循“管超前、短开挖、勤测量、强支护、快封闭、早成环、稳中求快”的原则。2 黄土遇水,力学效应发生显著变化,施工中应加强对水的管理,可采取集中排水的办法。3 仰拱应及时紧跟导坑开挖,即可以保护地基,防止翻浆冒泥,也有利于车辆行驶及文明施工的加强。4 左右侧两个工作面前后距离不宜过大,开挖过程中应注意将核心土保留完好,导坑开挖后根据围岩情况喷射混凝土封闭开挖面和侧壁墙。5 超前小导管支护较一般设计应加密,可每循环施作超前管棚支护,消除掉块及小型冒顶等拱顶脱空病害。6 初支钢架拱脚处加垫混凝土预制块或钢板,拱架背后喷填密实,锁脚钢管及边墙锚杆视围岩情况适当加密布设,拱部锚杆可适当减少。7 通过监控量测及时取得实测数据分析反馈用以修正设计参数和调整施工作业方法。8 及时闭合初支结构并施作仰拱衬砌,严格控制二衬与掌子面距离。6 材料与设备主要材料详见表 6-1表 6-1 主要施工材料序号 项目名称 材料名称 规格型号 序号 项目名称 材料名称 规格型号1 超前小导管 无缝钢管 φ42 5 钢筋网片 光圆钢筋 φ82 超前锚杆 螺纹钢 φ25 6 喷射混凝土 水泥 P042.53 早强砂浆锚杆 螺纹钢 φ22 7 型钢拱架 工字钢 I18、I204 中空注浆锚杆 钢质 RD25 8 锚杆 涨壳式锚杆 φ25主要施工机械配备参见表 6-2;主要作业工序劳动力配备参见表 6-3。表 6-2 主要施工机械配置表序号 机械名称 规格型号 单位 数量 序号 机械名称 规格型号 单位 数量1 挖掘机 PC200-6 台 2 10 装载机 ZLC50C 台 12 风镐 G10 把 20 11 装载机 ZLC50D 台 43 湿喷机 PZ-5-1 台 5 12 空压机 L-22/7 台 44 煤电钻 K3Y-2.5-380 台 28 13 碴车 15m³ 辆 85 钻机 KHYD75A 台 8 14 通风机 SDFN10 台 26 拌和机 JS500 台 2 15 输送泵 HBT60 台 27 拌和机 JS750 台 2 16 罐车 HJT-3A 辆 38 注浆机 KBY-50/70 台 2 17 台车 9 米 台 29 装载机 ZL40B 台 1表 6-3 主要作业工序劳动力配备表工序 工作内容 人数×班次 备注开挖 开挖、出碴 13×2=26 开挖班初期支护 初喷、挂网、立钢支撑、锚杆、复喷 25×2=50 初支班仰拱开挖、立模、浇筑混凝土 6×2=12铺设防水板、防水管道安设 4×2=8二次衬砌台车定位、预埋件安设、浇筑混凝土、脱模、养生 9×2=18二衬班注:以上时同一作业面两个洞直接施工人员的配置情况。7 质量控制7.1 质量标准本工法执行施工设计图纸、 《公路隧道施工技术规范》 (JTG F60-2009) 、 《公路工程质量检验评定标准》 (JTG F80/1-2004) 。7.2 质量措施7.2.1 洞身开挖过程中,应预留 10cm~20cm 采用人工手持风镐进行修整,避免超欠挖。7.2.2 钢支撑的锁脚锚杆应向下以 40°~45°角度斜插,以起到承载拱扩大拱脚的作用。7.2.3 钢架安设精度应从间距、垂直度等方面严格控制,避免侵入二衬,喷射混凝土时应先喷钢拱架两侧,包裹钢拱架,喷射时应注意钢架背后不能产生空洞。7.2.4 仰拱分开施作,分开不在 1/2 处断开,仰拱的钢筋应错开搭接,避免接头在同一个断面上。7.2.5 衬砌防水板的铺设应防止防水板与土工布连接部位破损(破损后应补焊) ,影响防水效果。7.2.6 预留、预埋件的安设应注意位置的准确性,避免倾斜现象出现。7.2.7 加强二次衬砌混凝土的振捣,防止出现蜂窝、麻面现象。8、安全措施8.1 洞口段施工,首先要做好边、仰坡的防护,以及截、排水沟的施作。8.2 根据土体类别、土体含水量、埋深等情况,确定开挖进尺,避免冒进坍塌。仰拱宜采用半幅施工,避免全幅施工造成钢拱架悬空。8.3 开挖后,应及时施作初期支护,尽快封闭土体,使土体与支护共同受力。8.4 施工中应加强对水的疏导与处理,避免软化围岩。8.5 严格控制初期支护、仰拱支护及二次衬砌的安全距离,力争各工序合理作业。9 环保措施9.1 黄土隧道开挖采用机械配合人工开挖,避免炸药爆炸产生的有害气体和粉尘含量,减少了对空气的污染,节约了炸药等能源的消耗。9.2 通过对大断面黄土隧道采用分部开挖,充分利用人力和小型机具,减少了大型设备数量,从而减少了油料的消耗,达到节能和环保的要求。 9.3 对于黄土隧道中加强施工用水的管理,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,减少了黄土中水的流失,做到环保和节约水资源要求。9.4 优化了大断面黄土隧道的设计支护参数,节约了锚杆和混凝土的数量,从而节约建筑材料,起到了节约能源的目的。 9.5 大断面黄土隧道洞口和弃土场等及时修建挡护和排水系统,做到先挡后弃,防止水土流失,对环境造成影响。9.6 加强洞内电力、通风、给排水管线的管理,防止漏电、漏风伤人。经常性对隧道内道路洒水防尘。10 效益分析10.1 本工法是建立在科学理论分析和具体实践检验的基础之上,是传统工法的优化创新。通过不断的总结创新,采用科学合理的开挖方法,积极探索、大胆尝试改进施工工艺,开挖方法由开始的双侧壁导坑四部开挖法优化为偏心 CD 环形开挖两部开挖法,循环进尺由 0.5m 提升至 1.0m,工效提高了近 2 倍。同时,较双侧壁导坑工艺施工,采用该工法节约了一侧的临时支护,既节约了材料,又缩短了工期。10.2 通过监测,隧道拱顶沉降和周边收敛可控,各项指标均满足要求。本工法的成功应用,不仅保证了阳曲 1 号隧道工程质量和安全,保护了地表自然生态环境,而且节约了大量的人力、物力,缩短了工期,采用该工艺施工阳曲 1 号隧道约 1000 米,直接降低成本1700 万元。10.3 根据安全、质量评定标准,采用该工法施工阳曲 1 号隧道期间,从未出现过安全、质量事故,且在平阳高速公路 3 条特长隧道中率先贯通,赢得了较好的社会效益。11 应用实例11.1 阳曲 1 号隧道位于山西省太原市阳曲县,穿越凌井小盆地,阳曲小盆地和太原盆地 3 大地质构造单元。隧道为分离式双洞单向三车道高速公路特长隧道,隧道左线长 4685米,右线长 4711 米。隧道建筑限界净宽 14.5 米,净高 5.0 米,为平定至阳曲高速公路的重点控制性工程。隧道进口端黄土地质段全长 1213 米,土质围岩分界里程K93+857~K95+070,区段内隧道最大埋深 50.244m,普遍埋深为 14~23m ,覆盖层厚较薄,K94+039~K94+126 冲沟段埋深仅 2.92 米。隧道断面大,主洞开挖跨度 17.23m,开挖断面面积 162.08㎡,加宽带跨度 19.87m,开挖面积 202.3㎡。该隧道所处地理位置特殊,地质条件复杂,施工难度和安全风险极大,被业主单位确定为高风险隧道,其施工方法国内尚无先例可循。浅埋大跨度黄土隧道采用偏心 CD 环形开挖施工工法的成功应用,总结出一整套超浅埋、大跨度,高风险隧道施工工艺,在类似工程施工中具有很好的指导和参考价值。11.2 阳曲 2 号隧道
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