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竖直方向超近距离立体交叉隧道综合施工工法.docx

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竖直 方向 近距离 立体交叉 隧道 综合 施工
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竖直方向超近距离立体交叉隧道综合施工工法中铁十一局集团有限公司 中铁十一局集团第五工程有限公司黄才华 唐达昆 王元清 任荣 王碧军1 前言温福铁路琯头岭隧道位于福建省连江县琯头镇境内,全长 4103m,起讫里程DK277+557~DK281+660。隧道在 DK280+950~281+100 段下穿已运营的同 (江)三(亚)高速公路琯头岭隧道左右线(左右线净距 50sin36°) ,开挖轮廓线拱顶距公路隧道基底约 2.9m,平面交角约 36°,属于典型的竖直方向超近距离立体交叉隧道。铁路隧道此段围岩设计判别Ⅲ级,是温福铁路 18 项重难点工程之一,温福铁路隧道下穿同 (江)三(亚)高速公路琯头岭隧道施工过程中,需满足最大允许沉降≤3mm,最大质点震动速度 ≤4cm/s 的安全指标,保证既有公路隧道结构混凝土拉应变≤0.005%,压应变≤0.03 %的要求。在交叉铁路隧道施工过程中,严格按照预定的方案组织施工,确保了铁路隧道施工安全及既有公路隧道的稳定及运营安全,取得了良好的经济效益和社会效益,为方便推广,总结形成本工法。交叉隧道平面关系如图 1.0-1图 1.0-1 交叉隧道平面关系图2 工法特点2.0.1 通过 TSP、钻孔取芯等超前地质探测手段判定围岩情况,为有限元数值分析提供有效参数依据。2.0.2 采用 ANSYS 软件对隧道开挖过程进行模拟,确认整个开挖过程隧道周边围岩拉应力区存在的具体里程范围、具体空间位置及上下两隧间岩板应力变化情况,确定开挖施工过程中的最危险段和警示段。根据数值模拟计算结果,确定科学合理的开挖方法及支护参数,满足施工和营运安全需要。2.0.3 采用微震控制光面爆破技术,通过控制最大一段爆破用药量和减弱爆破振速传递以及减少爆破振动波叠加,调整起爆顺序,最大限度的减轻对开挖对周边围岩的扰动,有效确保了既有隧道的结构稳定性。2.0.4 通过对拱顶沉降及水平收敛、洞内支护应力、爆破振速、既有高速公路地表沉降和既有高速公路隧道二次衬砌表面应力的监测,并就此对地表沉降产生的影响进行分析,针对各施工环节产生的影响采取了相应科学合理的控制措施,全面解决地表沉降控制问题。3 适用范围适用于隧道竖直方向超近距离立体交叉穿越、超薄层下穿既有线等结构物的施工。4 工艺原理针对在地下空间不断开发利用中,两条隧道竖直方向超近距离立体交叉穿越时的特点,通过 TSP、超前探孔等超前地质探测手段判定围岩情况,采用 ANSYS 软件对隧道开挖过程进行模拟,确认整个开挖过程隧道周边围岩拉应力区存在的具体里程范围、具体空间位置及上下两隧间岩板应力变化情况,根据数值模拟计算结果,确定优化开挖方法及支护参数;通过对爆破振速的监控,凭借控制最大一段爆破用量、减弱爆破振速传递、减少爆破振动波叠加、优化炮眼的布置等方法,严格控制最大质点震动速度≤4cm/s 的安全指标以内;通过对下穿隧道围岩收敛与初支应力和上孔隧道沉降变形与二衬应力的监测,掌握结构和既有隧道的受力、应力状态,从而对支护效果和稳定性进行评价、制定相应措施,这些措施有效地规避超薄覆盖层下穿隧道大变形及坍塌的风险,避免了人员伤亡和财产损失,确保了施工和运营的安全。 5 施工工艺流程及操作要点 5.1 综合施工工艺流程见图 5.1-1 施工工艺流程图 5.2 施工工法操作要点5.2.1 超前地质预报评价围岩情况在进行隧道下穿施工前,由于隧道勘测时,地质勘探不可能做到全覆盖,为了准确探明交叉段的岩层构造特征与水文地质特征,为施工方案的选取提供地质资料依据,有必要对下穿段围岩情况进行评价。1 TSP探测1)测线测点布置沿 隧 道 一 侧 洞 壁 布 置 24 个 爆 破 点 ,爆 破 点 平 行 于 隧 道 底 面 呈 直 线 排 列 ,孔 距 1.5m,孔深 1.5m, 炮 孔 垂 直 于 边 墙 向 下 倾 斜 15~ 200, 以 利 于 灌 水 堵 孔 。 距 最 后 的 爆 破 点 15~ 20m 处 设 接 收 器 点 ( 在 一 侧 或 双 侧 ) ,接 收 器 安 装 孔 的 孔 深 2m, 内 置 接 收 传 感 器 。 图 5.2.1-1 为 观 测 系 统 与 隧 道 关 系 平 面 示 系 平面 示 意 图 , 图 5.2.1-2 为 TSP 隧 道 超 前 地 质 预 报 布 孔 要 求 示 意 图 。2)探测:逐次引爆爆破点的炸药(约 25-150g,根据围岩不同适时调整),制造出小型地震波,地震波遇到节理面、地层层面、破碎带界面和溶洞、暗河等不良地质界面时,将产生反射施 工 调 查 及 前 期 准 备TSP超 前 地 质 探 测 、 超 前 地 质 钻 孔 软 件 建 模 分 析爆 破 参 数 、 开 挖 及 支 护 形 式 的 比 选 与 确 认三 台 阶 临 时 仰 拱 法 开 挖初 期 支 护 、 钢 拱 架 及 锚 喷 施 工支 护 参 数 评 价支 护 参 数 具 优 化上 报 监 理 与 设 计 院布 设 收 敛 、 应 力 、 沉 降 控 制 点洞 内 外 监 控 量 测 资 料 调 研监 测 设 计量 测 结 果 综 合 处 理 、 分 析量 测 结 果 的 综 合 评 价初 期 支 护 结 构 、 上 孔 隧 道 运 营 安 全 性 分 析地 层 、 支 护 结 构 动 态 及 现 状 分 析 说 明 、 提 交 修 正 设 计 、 施 工 建 议二 次 衬 砌 施 工 结 束图 5.1-1 施工工艺流程图波,反射波的强度及传送时间反映了相关界面的性质、产状、据接受点的距离。3)数据接收及处理:接受传感器将接受到的反射波数据传输给记录仪电脑储存起来,利用处理软件对储存的数据进行处理,形成反映隧道相关界面的隧道影像点图,由分析人员进行解释,得到前方的地质情况。接收器孔21.5m1.5m 2.5m1.5m掌子面52 米接收器孔115 米炮孔 S1 S2 S3 S23 S24隧道轴 TA图 5.2.1-1 观测系统与隧道关系平面示意图图 5.2.1-2 TSP 隧道超前地质预报布孔要求2 钻孔取芯:结合 TSP 成果,对隧道施行 5 个孔的钻孔取芯。钻孔采用煤炭科学研究总院重庆分院生产 ZK-150 地质钻机,配 φ75 钻头,通过取芯判断掌子面地质情况及参数,钻孔布置见图 5.2.1-1 钻孔布置图。图5.2.1-3钻孔布置图掌子面3 围岩地质判释通过钻孔取芯,超前钻孔取芯见图5.2.1-4结合TSP探测,对下穿地段围岩情况进行判释。 5.2.2 数值模拟及开挖方案确定1参数以及数学模型选取图5.2.1-4超前钻孔取芯照片1)围岩参数选取:根据上述围岩地质的判释,将围岩密度 ;变形模量E、泊松比、内摩擦角 、粘聚力C参数选取;2)支护参数选取:选取的二次衬砌砼标号, 并根据铁路隧道设计规范, 选取材料弹性模量E、密度 。3)数学模型:荷载包括围岩自重,既有高速公路隧道中的车辆荷载( 70 t货车)。根据降震要求和施工进度要求,选定上台阶每循环进尺1m,中、下台阶每循环进尺2m,上、中、下台阶各相距5m进行计算。2计算流程1)计算初始地应力场;2)开挖至距离两隧道轴线交点20m处应力状态;3)开挖至距离两隧道轴线交点10m处应力状态;4)开挖至距离两隧道轴线正下方应力状态;5)开挖至经过隧道轴线10m时,应力状态;6)按每步开挖1m进行计算。3计算结果开挖过程中隧道围岩周围主应力的变化, 通过数值模拟计算, 得出结果并做如下分析;1)在初始应力状态下,第一主应力与拉应力的关系;2)当开挖至距离两隧道轴线交点 20 m 处时,第一、第二主应力与拉应力的关系;3)随着开挖工作面的推进,第一、第二、第三主应力出现拉应力的情况;4)最大拉应力的出现的部位。5)最大拉应力出现的地方及大小;5)围岩主应力 R1 出现的地方及大小。4 开挖方案的分析、比选与确定1)根据模拟计算,选取开挖方法。因本交叉段基本都可以满足围岩稳定的要求,高速公路隧道的底板下沉值也满足安全要求;并且此段围岩岩体完整,单轴饱和抗压强度Rc>60Mpa,节理裂隙和地下水不发育,物探弹性波速度 V=4784~5841m/s(>4500m/s) ,根据试验段围岩量测数据及超前地质预报结果分析,隧道开挖后水平方向的收敛几乎为零,围岩整体性较好、自稳能力强。 2)为了减少爆破振动的影响,将爆破产生的高速公路隧道底板最大质点振动速度控制在 4cm/s 以内,最大限度的减少爆破对上下两隧间的岩板扰动,充分利用岩板自稳,必须采用分部开挖的方法,以控制一次起爆的总炸药量。3)分部开挖施工可以用到的分部开挖方法有:CD 及 CRD 法、双侧壁导坑法、下导洞法、三台阶法。经综合比较三台阶法爆破顺序自上而下,上台阶爆破完成后,中下台阶爆破不会对两隧间岩板产生较大扰动;初支钢架分三步形成,随挖随支,开挖工程中可以及时支护,便于紧急情况时采取应急措施。在临近小净距段前 10m,先试验三台阶法,经过爆破振速测试和围岩监控量测后,决定采用三台阶临时仰拱法开挖。5调整超前(初期)支护方案1)超前支护的调整根据数值模拟计算结果,开挖过程中最大拉应力为0.366MPa,数值较小。该区间围岩抗压试验强度为150MPa,劈裂抗拉强度为12MPa。数据表明岩层的本身的抗拉能力远远大于开挖过程中岩层所承受的计算拉应力,为了保证两隧间岩板的完整性, 充分发挥岩层的自承作用,鉴于设计所采用的超前长管棚具有施工周期长,对上下隧道间的岩板破坏性大等缺点,对超前支护施工方案作了调整,取消长管棚,改为小导管。2)初期支护的调整同时根据数字模拟结果,对初期支护也作了调整,对铁路隧道边墙附近无较大拉应力区,将φ32预应力锚杆变更为φ22砂浆锚杆。5.2.3 微振控制爆破设计1钻爆设计根据拟定的三台阶,上台阶分左右幅四步开挖的方案,初步炮眼布置、装药结构见图5.2.3-1。图5.2.3-1三台阶临时仰拱法钻爆设计2确定最大一段爆破用药量最大一段爆破药量为上台阶左半幅的掏槽眼,最大一段爆破用药量为上台阶第一部分的开挖,依据公式 5.2.3.1 计算微震爆破作业段最大一段允许装药量为 3.1kg( 约 21 节 150g药卷)2 号岩石硝铵炸药,单次起爆最大用药量 90 kg。Qmax=R 3×(Vkp/K)3/a 公式 5.2.3.1式中, Qmax—最大一段爆破药量,kg;I18临 时 钢 架开 挖 界 限单 元喷 Cm厚 20混 凝 土喷 Cm厚20混 凝 土 开 挖 界 限Ⅵ ⅥⅤ ⅥⅥVkp—安全速度,cm/s,设计要求 Vkp=4cm/s;R—爆破安全距离,m,根据炮眼布置图计算 R=7m K—地形、地质影响系数。考虑轮廓线上部 120°范围设减振孔,根据单位以前类似施工经验,结合爆破安全规程(GB 6722-86)取 K=80;a—衰减系数,根据爆破安全规程(GB 6722-86)及我单位以前类似施工经验取 a=1.9。5.2.4 开挖及初支洞身开挖及初支采用模拟计算后拟定的三台阶临时仰拱法,施工坚持“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则,每循环进尺控制在1m,初支钢架分三步形成,随挖随支,见图5.2.4-1三台阶临时仰拱法施工工序横断面。图5.2.4-1三台阶临时仰拱法施工工序横断面1①部开挖及支护1)利用上一循环架立的钢架施作隧道及中隔壁超前支护。2)爆破开挖①部。 3)施作①部周边的初期支护,即初喷4cm厚混凝土,架立Ι20a钢架及Ι18临时钢架,并设锁脚钢管。 4)导坑底部喷18cm厚混凝土,施作①部临时仰拱。5)钻设系统锚杆后,复喷混凝土至设计厚度。2②部开挖及支护1)爆破开挖②部2)施作②部周边的初期支护,即初喷4cm厚混凝土。3)导坑底部喷10cm厚混凝土,施作②部临时仰拱。4)钻设系统锚杆后,复喷混凝土至设计厚度。3③部开挖及支护1)在滞后于②部一段距离后弱爆破开挖③部。2)导坑底部喷10cm厚混凝土,施作③部临时仰拱。4④部开挖及支护1)在滞后于③部一段距离后弱爆破开挖④部。2)初喷4cm厚混凝土,架立Ι20a钢架,并设锁脚钢管。3)隧底周边喷混凝土至设计厚度。5灌注Ⅴ部仰拱及隧底填充(仰拱及隧底填充应分次操作)6根据监测结果分析待初期支护收敛后拆除临时钢架。7洞身出碴三台阶临时仰拱法开挖上半断面出碴采用反铲挖掘机装渣,下半断面及全断面法出碴采用反铲挖掘机配合侧卸式装载机装渣,自卸汽车运输至洞外弃碴场。5.2.5 下穿隧道开挖后的监控量测施工过程中,对爆破振动速度、洞内围岩表面位移、洞内支护结构应力进行了跟踪监测。1 爆破振动速度监测1)采用 DSVM-4C 型振动测试仪、891-Ⅱ型拾振器、计算机、打印机等组成的测试系统见图 5.2.5-1,进行监测。图 5.2.5-1 爆破振动测试系统示意2)该测试系统中的拾振器 1、拾振器 2、拾振器 3 分别测量振动速度的垂直分量 Vz、水平径向分量 Vr、水平切向分量 Vτ 。测量过程中计算机自动采集、存贮相关数据。3)监测结束后,及时对测试结果进行整理分析。2振速的控制根据检测结果,视情况按以下方法调整振速。1)优化炮眼的布置方式经比较分析,对于隧道的拱顶部位开挖采用斜眼掏槽在控制爆破振动方面优于直眼掏槽。对于二三台阶爆破,采用竖直钻孔方式,与采用水平钻眼方式比较,可节省炸药。2)爆破的合理时差选择对于短进尺的隧道爆破,其爆破振动速度峰值往往出现在掏糟爆破;对低段位,各排炮孔之间应有合理的时差间隔,由于地铁隧道一般断面较小,爆破所需要的毫秒雷管段数并要求很多,因此,毫秒雷管1—5段可跳段使用,防止振动叠加。3)调整起爆顺序通过适当布置起爆顺序,首先破坏被爆岩石的拱形结构,使其具有自坍趋势,达到减少装药量的目的。4)减弱爆破振速传递上台阶开挖时,在拱部 120°范围开挖轮廓线上方 5cm 设减振空眼,空眼深 4.0m,间距 10cm,以便较好起到减弱爆破振动波传递的效果。5)减少爆破振动波叠加采用孔内控制微差起爆网络技术,加大爆破起爆段别,增加起爆间隔时间,采用1、5、7、9、11、13、15、17、19 段 9 个段别非电雷管间隔起爆,减小爆破振动波叠加,发挥微差爆破作用效果。另外炮眼堵塞采用水压爆破,炮眼中未装药部分全部用塑料水袋填塞密实,炮泥堵塞炮眼口,力求在同等爆破效果条件下减少炸药用量。周边眼用φ25×200 小药卷,不偶合装药,其余炮眼用 φ40×200 药卷,不偶合装药系数一般控制在 1.2(D=52/45)范围内。拾振器 1拾振器 2拾振器 3DSVM-4C 型振动测试仪 计算机机打印3 洞内围岩表面位移监测1)布点开挖完成后,对洞内拱顶下沉量及下沉速度、边墙水平收敛量及收敛速度进行监测,监测断面及测点的布设根据下穿隧道与上孔隧道相互关系、埋深情况等的要求,每隔5~20m 左右布置 1 个监测断面,共布置 7 个监测断面。各测点均采用钻孔混凝土灌注埋设,埋入基岩的深度不小于 0.3m;观测点在观测断面距开挖面 2.0m 范围内埋设,并在爆破后最短时间内下一次爆破前测读初始数据。布点详见图 5.2.5-1、图 5.2.5-2 图。图 5.2.5-1 监测点布设平面示意图图 5.2.5-2 洞内监测点布设示意图2)仪器及监测部位DS3200 精密水准仪、SETL1021 测微器、精密钢卷尺监测拱顶下沉;JSS30A 数显收敛仪监测洞内水平收敛。3)数据采集及分析按二级变形测量精度要求进行观测,拱顶下沉测试仪 器 的 读 数 精 度 为 0.1mm,观测点测站高差中误差≤0.5mm;周边水平收敛仪器的读数精度为0.01mm。每次采集的数据,进行初步分析处理后,24 h内提交观测成果,异常的观测数据随时测得随时提供。4 洞内围岩、支护结构压力量测洞内围岩压力、支护与衬砌间压力监测在 DK281+63.8、DK280+971 共布设了 2 个监测断面,采用安装振弦式传感器,频率接收仪获得频率读数,依据频率-量测参数率曲线换算出相应量测参量值来进行的。 1)量测仪器型号:GSJ-2A 型多功能电脑检测仪用于检测频率、存储数据,GH 型振弦式压力盒、配套的数学模型转换软件。 2)测点布置:必测项目和选测项目的各项量测内容尽量布置在同一个断面上。围岩压力、支护与衬砌间压力、每项每个断面布置 3 个测点,拱顶 1 个,拱腰 2 个,拱腰测点设置于结构圆心水平线上。pm5Yc@D3)量测仪器安装:围岩压力和支护与衬砌间压力项目是量测接触压力,采用电测振弦式压力盒,埋设压力盒要求与接触面紧密接触。仪器埋设完成后电缆进行统一编号,集中放置于事先设好的带锁铁箱内。4)量测频率及方法:a 围岩压力量测从埋设到二衬浇筑期间每天 1 次、之后根据压力变化情况可适当加密或加大量测间隔时间;b 支护与衬砌间压力量测从脱模后 1 周内每天1 次,之后可根据实际情况调整量测频率,最大不得超过 1 周一次。埋设 GH 型振弦式压力盒,电缆接出电缆统一安放在带锁铁箱内,压力盒将垂直作用的力转换为频率信号,用GSJ-2A 型便携式多功能电脑检测仪量测频率,并存储数据,用与 GH 型振弦式压力盒配套的精确数学模型计算出力值,每测点测三组数据,现场记录。5)数据采集及处理:为防止偶然误差,每测点每次量测三组数据,对比判断取值,做好原始记录;数据以周报(特殊情况形成日报)的形式提交量测成果,每月编写监测施工总结报告,提交相关部门。6)量测结果分析、整理:对比压力值是否满足规范要求,绘制压力与时间变化曲线图,综合拱顶下沉和水平收敛数据分析受力情况,分析压力随时间衰减规律等。整理原始记录资料,资料需体现测点埋设时间、地点、围岩级别、埋深、地质素描、离开挖面距离;量测时记录时间、压力值测点编号。 7)信息反馈:综合分析结果不能满足规范要求时,首先对支护结构、施工方法的合理性及其安全性进行评价,同时向上级单位申请修改设计,优化施工组织设计以指导未开挖段落施工。5.2.6 上孔隧道变形观测及沉降控制1上孔隧道变形观测上孔隧道地表沉降观测采用支导线法在隧道左右线地面各布设 3 排沉降观测线,每排 5个共 30 个地面沉降观测点采用支导线发,使用 DS3200 型水准仪、测微器和铟钢尺进行量测,仪器分辨率为 0.1mm,观测精度按二级变形测量的精度要求进行。经观测上孔隧道左右线地面沉降最大为-1.3mm,符合设计上对监控量测的要求,保证了既有高速公路隧道结构满足最大容许沉降 3mm 的要求。表 5.2.6-1 高速公路隧道表面应力监测断面及测点的位置监测断面里程 监测内容 测点位置 传感器型 号 传感器 编号 累计监测次数 传感器埋设 时间隧道右线 二次衬砌 右侧边墙 JBY-100 245# 86 2006.6.29左侧边墙 246# 72 2006.7.19YK33+350 表面应力左侧拱腰 207# 72 2006.7.19右侧边墙 247# 45 2006.8.19左侧边墙 248# 45 2006.8.19隧道左线ZK33+311 二次衬砌表面应力左侧拱腰JBY-100249# 45 2006.8.192 上孔隧道二衬应力监测上孔隧道二次衬砌表面应力的监测,分别在同三高速公路琯头岭隧道右线和左线各布设 3 个应变传感器,采用钢弦式传感器(JBY-100 表面应变计)和与之配套的测试仪器进行监测。传感器布设位置及里程见表 5.2.6-1。经观测上孔隧道左右线二次衬砌表面应力变化都不大,符合设计要求的保证既有高速公路隧道结构混凝土拉应变≤0.005%和压应变≤0.03%的要求。5.2.7 二次衬砌待隧道收敛剂沉降稳定后,准备二次衬砌施工。1 防水板敷设基面无酥松、起砂及大的明显的凹凸起伏后可进行防水板敷设。2 止水带安设止水带安设采用安设钢筋卡工艺施工。3 衬砌砼施工隧道二次衬砌在监控量测各测试项目的位移均达标后进行。衬砌钢筋在加工场预加工、施工现场绑扎与焊接。采用 9m 直、曲墙自行式液压钢模台车立模,砼于搅拌站集中拌制,砼运输车运输,输送泵泵送入模,两侧边墙采用插入式振捣器振实,拱部采用附着式振动器振实。4 回填注浆为防止初期支护与二次衬砌之间出现空洞或不密实,隧道二次衬砌施工完成并达到 70%强度后,全隧道衬砌背后进行回填注浆。 。6 材料与设备6.1 主要材料见表 6.1-1 表 6.2-1 主要材料表6.2 主要施工机械表见表 6.1-2 表 6.2-1 主要施工机械表材料名称 单位 数量Ⅰ级钢筋 t 481.22Ⅱ级钢筋 t 805.8型钢及钢板 t 412.3325#水泥 t 25578硝铵炸药 t 263.5导火线 m 20470雷管 个 555000
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