大跨度黄土隧道施工技术 论文.doc

1 大跨度黄土隧道施工技术 王德仙 1 工程概况 新庄岭隧道分上下行线 上行线长 1455m 下行线长 1422m 设计为单心圆断面 VI 级围岩开挖宽 度为 13 2m 高度 9 5m 横断面面积 106 7m2 V 级围岩开挖宽度 13 1m 高度 9 4m 横断面面积 101 1 m2 衬砌采用复合式 分两次模筑混凝土 一次衬砌为变截面结构 厚度为 50 70cm VI 级围岩段 45 65cm V 级围岩段 二次衬砌为等截面结构 厚度为 35cm 隧道穿越地层为第四系中更新统冲积老黄土 灰黄 褐黄色 为粉质亚粘土 Ip 9 5 土质均匀 局 部较疏松 层理和柱状节理发育 含水量为 11 18 山顶为水浇地 隧道洞身土体含水量较大 结 构稳定性较差 洞口浅埋段覆盖层为第四系上更新统风积黄土 层厚 4 6 40m 浅黄色 土质较松散 大孔隙 垂直节理发育 其中自重湿陷性黄土层厚 24m 黄土陷穴顺沟发育 呈串珠状 2 开挖方案 遵循 短开挖 强支护 勤量测 紧封闭 的原则 上下行线进出口共 4 个工作面同时作业 针对 不同地质条件采取不同的开挖方法 洞口 VI 级围岩浅埋段采用双侧壁导坑先墙后拱法施工 VI 级围岩深埋段及 V 级围岩采用矿山法正台阶先拱后墙法施工 拱部开挖宽 1 8m 环形带保留核心 土 开挖后即施行一次模筑衬砌 侧墙马口采用四步跳跃法施工 中间 4m 宽修成斜坡道 以保证上半 断面同时施工 3 V 级围岩施工 采用正台阶先拱墙 拱部环形法开挖 工作面多 进度快 保留核心土便于支撑 能保证围岩稳定 避免塌方 施工安全 根据黄土地质特性和施工工期要求 为避免塌方 贯彻短开挖原则 上导坑掘进每循环 2 4m 并根 据围岩状况 随时进行调整 每个掌子面配备 10 榀钢拱架 640 块 120cm 30cm 钢模板 1 台挖掘机 1 台装载机 6 台出碴运输车 开挖顺序如图 1 所示 I IIII III 1350 460 990 898 455 270223 180 180 35 管棚 180 图 1 V 级围岩开挖顺序图 3 1 先开挖拱顶环形 部 2 用洋镐沿开挖轮廓线由上向下开挖 配合铁耙将松土扒离掌子面 每次掘进 2 4m 拱顶中心处掌子 面要向前多掘进 0 5m 以备混凝土一次支护封顶 如果开挖时发现顶部土体有裂纹或疏松现象 应边开挖边支撑 支撑用杨木背板加 40 钢管 钢管 底部撑在核心土上 3 2 管棚超前支护 黄土隧道土质比较松散 且层厚一般为 20 60cm 开挖后易形成分层坍塌 故需较强的初期支护 采用管棚方案较适宜 钢管直径大 与土体接触面积大 接触密贴 没有空隙 有利于力的传递 而注 浆锚杆直径和刚性都较小 当注浆时 由于水泥浆内的水分对锚杆周围的土体侵蚀 使土体湿陷 周围 易形成空洞 起不到对土体的有效支撑 管棚支护纵向布置如图 2 所示 棚管用 40 钢管 长 3 4m 先用煤电钻沿开挖轮廓线在掌子面上 打眼 孔眼间距 35cm 深度 240cm 然后用大锤将钢管沿孔眼打入前方土体中 钢管外倾角约 16 200 开挖轮廓线 管棚 钢 花拱架 一次衬砌 45 16 图 2 管棚支护纵向布置图 单位 cm 3 3 开挖 II 部 II 部一次掘进 2 4m 人工配合机械开挖 出碴采用无轨式运输 柳州产 ZL50 装载机装碴 小松山 推 PC200 挖掘机配合 首先用挖掘机将一侧 II 部的土体由上至下开挖 1 0m 并将土扒出核心土范围以外 便于装载机装碴 开挖时侧面开挖轮廓线处预留厚 50 cm 土体 原因是挖掘机开挖时对土体的振动比较大 如果直接按轮 廓线开挖易造成土体坍方 形成超挖 然后人工用洋镐将预留的 50 cm 土体沿轮廓线开挖 边开挖边支 撑 同时出碴 而此时 挖掘机则换至另一侧 II 部进行开挖 如此左右侧交替 注意开挖时 拱脚处至 少留深 20 cm 土用人工开挖 严禁拱脚超挖 防止因拱脚原状土被破坏造成混凝土衬砌时拱架下沉 黄土隧道拱腰处土体最易发生坍方 所以在进行 II 部开挖时 应边开挖边加固 加固方法为简易支 撑 即用杨木板紧贴开挖轮廓表面 用 40 钢管支撑在核心上 支撑间距 1 0 m 交错布置 待进行一 次模筑混凝土支护时边浇筑混凝土边将木板取出 3 4 格栅支撑 黄土隧道土体松散 超前管棚打入前方土体中时 需在管棚尾部加设格栅支撑 加强初期支护 格 栅采用 20cm 20cm 断面的钢花拱 分 3 段组装 通过钢垫板用 16 螺栓将 3 段连成整体 安装钢花拱 时应紧贴开挖轮廓表面 并将管棚的管尾与之焊接 使棚管尾端担在钢花拱上 最大限度地发挥管棚的 作用 钢花拱之间每隔 1m 设 1 根 25 纵向连接筋 3 5 开挖 III 部 核心土整形 3 格栅支撑安设完毕后 用挖掘机将 III 部土挖除 核心土顶面修成平台 平台沿隧道纵向宽度 3 6m 并在核心土的中间高度处再修一纵向宽度约为 1 2m 的二级平台 以备一次模筑混凝土时人工上料 使用 这样核心土纵向长度约 4 8m 可对前方掌子面土体起支撑作用 3 6 立钢拱架和模板 拱部开挖完毕后 进行衬砌宽度和拱脚高程放样 然后立模工班按放样点位将钢拱架立好 钢拱架 用工字钢制作 模板用 120cm 30cm 钢模 档头模板用木模 3 7 初期支护 黄土隧道在开挖后 30h 内围岩变形较大 如不及时支护 极易发生塌方 故开挖结束后 应立即进 行混凝土初期支护 混凝土施工采用拌合站拌合 运输车运输 人工上料 插入式振动棒捣固 左右侧 交替浇筑 混凝土封顶时应注意将顶部捣固密实 并用自制小铲从挡头模板处将混凝土填塞密实 3 8 开挖下导坑 下导坑边墙施工与上导坑之间的距离保持 60 80m 为宜 距离过短影响上导坑机械作业 距离过长 会使已施工的拱部下沉 造成二次衬砌厚度不够 影响下步工序施工 下导坑边墙施工采用四部跳跃法 左 右边墙错开 每个马口开挖长度为 2 4m 先用挖掘机挖中槽 中槽宽 4 0m 长 20m 不宜过宽 过长 宽度原则上能保证上导坑施工机械通过即可 否则左 右拱脚 下的土体由于受到拱圈的挤压 向中槽处靠拢 容易使拱圈下沉 严重者可使拱圈混凝土产生裂缝 中 槽挖成斜坡形式 使上 下导坑连接 然后用人工左 右错开开挖马口 边墙的格栅支撑应与拱部格栅上 下对正 并焊接牢 格栅安设完毕后 将拱脚表面的混凝土凿毛 用钢刷清理干净 之后模筑衬砌一次混凝土 封口用干硬性混凝土人工分次填满捣实 4 V 级围岩浅埋段施工要点 隧道上行进口 下行出口段各 10m 均采用双侧壁导坑先墙后拱法施工顺序施工 1 人工挖 2 个侧壁导坑 导坑宽 4 0m 高 3 0m 拱形 导坑一次掘进 2 0m 2 架立边墙格栅支撑 立模浇筑一次混凝土衬砌 3 人工开挖拱部环行部位 宽度 1 8m 留核心土 4 施作 40 超前管棚 钢管长 3 m 间距 35cm 5 架立格栅支撑 格栅用 20cm 20cm 钢花拱 间隔 1m 设纵向连接筋 6 立模浇筑拱部一次混凝土衬砌 5 主要技术对策 5 1 拱部沉降和拱脚收敛的控制 黄土隧道与石质隧道的最大不同点就是拱部沉降和拱脚收敛较大 针对这种情况我们采取了以下措 施 5 1 1 监控量测 在隧道施工过程中 从第一组衬砌开始 一个断面内在拱顶和 2 个拱脚处埋设 3 个观测点 用收敛 计和水平仪分别观测拱脚水平收敛值和拱顶下沉值 随着隧道施工的前进 每隔 10m 作一个观测断面 最前端的一个断面紧跟掌子面 前 7d 每天观测 1 次 以后 1 个月内 3d 观测 1 次 之后每月观测 1 次 4 通过观测发现在拱部一次衬砌施工完毕至边墙开挖前 拱顶下沉 6 8cm 拱脚收敛 1 2cm 在边 墙开挖后拱部发生第二次下沉 下沉量为 6 8cm 收敛量基本不变 根据观测结果及时反馈至施工中去 将原有预留沉降量 15cm 变为 17cm 有效地保证了二次衬砌的 厚度 5 1 2 及时封闭仰拱 据量测 在一次混凝土初期支护完成后 隧道拱顶下沉约 12 16cm 为避免继续变形 应及时封闭 仰拱混凝土 仰拱与马口之间的距离保持 20cm 为宜 不能偏大 仰拱采用半幅施工法 保证上下导坑 作业的进行 当半幅施工 30cm 左右 再换至另外半幅 5 1 3 及时封闭二次衬砌永久支护 一次衬砌封顶时 受工作面的限制 可能造成封顶混凝土不密实 而两侧拱腰处向内挤的压力很大 如果不及时施作二次衬砌永久支护 容易在拱顶造成裂缝 针对以上情况我们在施工中每个洞口配备了 1 台边顶拱式混凝土衬砌钢模台车 二次衬砌施工与上下洞口同时作业 5 1 4 加设锁脚锚杆 在拱脚处每侧加设 2 根锁脚锚杆 锚杆为 40 钢管 长 2m 垂直于拱脚外侧面打入土中 1 5m 剩 余 0 5m 与一次衬砌混凝土浇筑在一起 5 2 预防塌方 在开挖过程中 应遵循短开挖 强支护的原则 随时观察土质情况 发现土质疏松 节理发育时 加设调整循环进尺 同时加密管棚钢管数量 及时跟进一次衬砌 缩短开挖与衬砌之间时间间隔 如发 生塌方 必须用同强度等级的混凝土填塞密实 6 结论 黄土隧道采用正台阶先拱后墙 拱部环形 保留核心土法开挖有以下优黄土隧道采用正台阶先拱后墙 拱部环形 保留核心土法开挖有以下优 点 点 1 与锚喷法施工比较 有施工速度快 安全 节约投资的优点 单口平均月进尺 90m 最高单口 月进尺 120m 2 可以有效控制塌方 拱部沉降与收敛 使隧道各部的尺寸达到设计要求 保证永久支护混凝土厚度 5 全站仪免棱镜测距技术在隧道施工测量中的应用 张立军 刘知义 林海剑 1 前言 全站仪以其高度自动化和准确快捷的定位功能在目前工程测量工具上确立了其统治地位 许多新技 术运用到全站仪的制造和使用当中 如无反射棱镜测距 目标自动识别与瞄准 动态目标自动跟踪 无 线遥控 用户编程 联机控制等 在隧道控制测量中 全站仪业已普及 但以其作为隧道施工测量的测 量工具并不多见 新建隧道施工中的最主要工序 如掘进掌子面放样 断面测量及围岩净空位移量测等 与工程的经济效益 安全质量有着根本的联系 免棱镜测距技术的应用 通过辐射测量极坐标的方式 能够准确 快速地完成隧道掘进放样 断面测量 围岩净空位移量测等主要施工测量工作 全部测量内 业利用计算机自动处理 为隧道施工测量带来技术革命 为整个工程节约时间 减少投资 本文以新原 高速公路雁门关隧道施工为例 介绍应用全站仪免棱镜测距这一新兴技术来进行隧道开挖放样 断面测 量及围岩净空位移量测等隧道施工日常测量工作 2 工程概况 新原高速公路雁门关隧道位于山西代县境内 为目前国内高速公路最长隧道 是新原高速公路的咽 喉控制工程 设计为 4 车道双洞单向行驶隧道 左洞长 5235 米 右洞长 5323 米 净宽 10 米 净高 6 米 6B 合同段为出口段 全长 5175 米 左洞长 2560 米 右洞长 2615 米 该段地质条件复杂 其中 III 类 及以下围岩占全段的 76 8 成为该隧道施工的难点 隧道施工中掘进放样 开挖后断面测量及围岩监 测等测量任务重 尤其是超欠挖所带来的经济损失更是不容忽视 对此 选择徕卡 TCRA1101 型免棱镜 测距全站仪来进行开挖放样 断面测量及围岩净空位移量测等主要日常测量工作 徕卡 TCRA1101 型全 站仪 测角精度为 1 5 测距精度为 2 2ppm 免棱镜测量标称距离为 250m 3 免棱镜测距技术的应用 3 1 掘进掌子面断面放样 放样前 先将隧道设计参数如洞门点坐标及高程 纵坡参数 开挖断面形状等通过有关程序输入仪 器内存 放样时仪器可置于导线点或利用自由测站 后方交会程序完成设站工作 包括设置测站点三维 坐标 仪器高 方位角 为使仪器与掌子面距离不至于太远 仪器一般不直接安置于导线点上 而通常 采用后方交会方式来完成仪器的设站工作 临时后视点可埋设在边墙上 但须注意检查其稳定性 仪器建站后 首先瞄准掌子面 仅用激光点对准 激光与望远镜同轴 测出掌子面至仪器站的距离 仪器计算出掌子面的里程 根据里程及有关输入的参数定位掌子面开挖断面 而后开始进行开挖轮廓线 上点的测设 放样点可按设置间距从左到右 从中间向两侧等不同顺序测设 当红色激光指向第一个点 位确定后 点上红油漆就完成一个点位的放样工作 按操作键仪器在马达的驱动下转向下一个点 依此 类推放样完所有的点 见图 1 6 自由测站断面测量 后视点 围岩净空位移量测点 自由测站围岩净空位移量测 自由测站开挖断面放样 图 1 免棱镜测距技术应用示意图 当掌子面不平时 应增加每个点位的测量次数 一般设为 3 至 6 次 并给出点的允许偏差 仪器每 测一次得所测点位的三维坐标并计算出激光点离设计轮廓的偏移值 将修正偏移值后重测其坐标值 重 算偏移值 若偏移值在允许偏差范围内 激光点处位置即可认为是开挖轮廓线上的点 否则重测 利用此程序还可以放样出掌子面每一个炮孔的设计位置 3 2 断面测量 徕卡 TCRA1101 PLUS 型全站仪机内配置有两个程序可以进行断面测量 一个是在所测断面内的任 一位置安设仪器 可用后方交会 自由测站或已知站点设站 确定仪器的三维坐标及设置方位角 然后 启动断面测量程序 设置好有关参数后 仪器在司服马达的驱动下照准布于隧道轴线法线的竖直平面旋 转一周 同时按设置间隔距离测取仪器到各测点的距离及角度 并存储于仪器内存或 PC 卡上 即完成 一个断面的外业测量工作 图 1 所示 另一断面测量程序是仪器不一定安置在所测断面垂直面内 建站 工作同前 可测取仪器免棱镜测程内的所有需测的断面 此方法优点在于不用频繁搬动仪器 可测取任 一需测断面 但开挖后的断面表面凹凸不平 断面每个点位的测取需重复多次 对衬砌后轮廓规则的断 面此法测量速度将大大快于前一种方法 将不同断面的外业测量记录输入装有相应断面测量后处理软件的计算机 计算机经过分析 计算与 理论断面比较等处理过程 最后输出实测及理论断面比较图形 断面面积 超 欠挖面积等有关参数 见图 2 7 隧 道 断 面 图 测量工程师签名 平均超出 15 253厘米 工程名称 开挖断面 加宽5cm 监理工程师签名 1 80 欠挖面积 0 563平方米 超出面积 5 566平方米 理论面积 91 122平方米 实测面积 96 125平方米 YK 112 794 132 成图时间 02 06 17 图 2 断面测量成果输出图 3 3 围岩净空位移量测 隧道采用钻爆法施工 根据新奥法基本原理 运用围岩监控量测来掌握施工过程中围岩变形及支护 状况 及时准确获取监测信息 并指导施工 以达到安全 可靠 经济的目的 为快速 高效 准确完 成围岩净空位移量测任务 采用三维非接触量测新技术 其基本原理是利用全站仪自由设站远距离测定 量测点点位不同时段的三维坐标 将测量数据输入计算机进行后处理 最后输出监测成果 全站仪内相 应配围岩收敛检测模块 计算机内配围岩收敛分析处理输出模块 自由设站三维非接触观测系统由观测主机全站仪 反射靶标 后视基准点及计算机组成 后视基准点要求稳固 其坐标可根据现场情况自行设置或利用隧道内控制测量的导线点 反射靶标 采用 3mm 厚的薄铝板制成 70 80mm 的方板 表面贴上 60 60mm 的反射膜片 中间钻直径为 3mm 的 小孔 用膨胀螺栓锚固在初期支护的表面或点焊在初期支护的钢筋上 按有关规范要求在隧道内进行点 位布置 测量时中心小孔为照准点 观测时反射膜片与仪器光轴的倾斜角度应不大于 30 度 以减少照准 对测距的影响 观测前 对全站仪进行调校 使仪器处于最佳状态 观测时 打开仪器的角度改正及补偿器功能 并对仪器进行气压和温度的气象改正 观测采用记录测量模式 所有观测数据均存储在模块内 全站仪采用自由设站 但为了消除膜片倾斜对测距的影响 每次量测时测站位置应大致相同 观测 时采用三次重复设站 每次设站采用双盘测回结合三次重复照准的冗余观测方法 即每一测站上分别用 两个盘位连续 重复照准三次目标点 然后取平均值作为一次设站观测的结果 量测频率主要根据位移 速度和测点距开挖面的距离而定 一般在测点埋设初期测试频率每天 1 3 次 随着围岩渐趋稳定 量测 次数减少 当出现不稳定征兆时 增加量测次数 当围岩达到基本稳定后 以 1 次 3 日的频率量测 2 周 8 若无明显变形 则可结束量测 将每次测量记录按要求输入装有后处理程序的计算机 计算机将自动分析处理量测数据 并相应输 出量测成果 并打印报表 4 结论 免棱镜测距技术应用于隧道测量有如下优点 1 测量速度快 掘进放样 断面测量 围岩净空位移量测等每一断面均可在几分钟内完成 2 准确 一是测设定点精度准确 其精度可依工程所需而定 可达几毫米的精度 二是固定性 程序编制时 要求仪器自动寻找断面上相同的点 即虽掌子面里程不同 但所放样各点在隧道纵向上相对于隧道中线 轨面的位置固定 且各点在开挖轮廓线上间距一致 这为钻眼爆破带来极大便利 测点即是炮眼 炮 眼间距固定 每茬炮钻眼在断面同一位置 为钻眼角度提供很好的参考方向 使整个隧道炮眼顺直 进 一步减少超欠挖 减少安全质量隐患 同理 如有必要 也可将需要的爆破设计炮眼位置准确放样出来 如掏槽眼等 为提高爆破效果提供技术援助 3 设站灵活 因为仪器可用距离后方交会设站 这就给测量带来很大灵活性 可以在不同