双连拱隧道开挖施工技术研究.doc

双连拱隧道开挖施工技术研究摘要：文章结合太澳国家重点公路济源至晋城（省界）段高速公路省庄连拱隧道的施工，对双连拱隧道开挖的施工技术进行较为详细的阐述，重点介绍双连拱隧道类、类、类围岩的开挖、初期支护等施工技术。关键词：双连拱隧道 开挖 初期支护 技术研究0 引言由于双连拱隧道在与洞外线路平面接线及洞口位置的选择上较为灵活，使得越来越多的中短隧道采用此结构形式，尤其对地形复杂的山区高速公路具有较大的优势；但是双连拱隧道作为一种较新的隧道结构形式，存在施工相对工期长，施工繁琐、技术要求高等缺点，特别是左右洞开挖与支护交错进行，导致围岩应力变化和衬砌荷载转换复杂化；中墙顶部围岩因受多次开挖爆破的扰动，极易发生塌方。因此结合省庄双连拱隧道的施工，对双连拱隧道的开挖施工技术进行探讨和总结，以达到安全快速施工的目地。1 工程概况1.1 工程概况 太澳国家重点公路济源至晋城（省界）段高速公路省庄隧道，为双跨连拱式双向四车道高速公路隧道，进口桩号K10+942，出口桩号K11+145，全长203米，其中明洞长22米，暗洞181米。隧道最大埋深56.5m，净宽 10.25+2.91+10.2523.41m，净高 7.10m，建筑限界高5.0m。类围岩45米，类围岩68米，类围岩90米。全隧道均采用新奥法施工，柔性支护体系的复合式衬砌结构，并视地质、地层条件增设超前小导管注浆，挂网喷锚支护，二次钢筋混凝土衬砌。1.2 技术标准 省庄连拱隧道按山岭重区高速公路标准设计，主要设计标准：设计行车速度为80km/h，双跨连拱：净宽 10.25+2.91+10.2523.41m，净高 7.10m，建筑限界高5.0m，洞内路面设计荷载为公路级。1.3 地质概况 洞身穿过的地层为强弱风化灰岩、弱、微风化灰岩，其中类围岩45米，类围岩68米，类围岩90米。隧道进出口，即类围岩段为强弱风化灰岩，中厚层状构造，节理、裂隙发育，岩体较破碎，呈碎石状压碎结构，Vp=13502000m/s，围岩稳定性差，雨季时有滴水及渗流现象；弱风化灰岩，即类围岩段中厚层状构造，节理、裂隙较发育，岩体较破碎，呈碎石状压碎结构，Vp=20003050m/s，围岩稳定性较差，雨季时有滴水及渗流现象；微风化灰岩，即类围岩段厚层构造，呈大块状砌体结构，Vp=30503050m/s，围岩稳定性较好。1.4 气候、水文 隧道沿线属于暖温带大陆性季风气候，冬冷夏热，四季分明。降水集中在每年6、7、8、9四个月，年平均降水量600.3mm，年平均气温为14.3，最冷为1月，平均气温为0.2，最热为7月份，平均气温为27。本区年平均风速为2.2m/s，平时最大风速20m/s，极大风速为22m/s。隧道岩层未发现断层、褶皱，岩层内未发现渗水，主要靠大气降水补给。1.5 双连拱隧道的施工技术难点 隧道单洞开挖断面大，因此采用合理的开挖形式及施工顺序是保证施工安全、加快施工进度的关键；施工过程中由单侧施工过渡到双侧施工，围岩应力释放不平衡，使中墙承受较大偏心荷载，可能导致中墙失稳，因此合理选择开挖方式、先行洞和后行洞开挖工作面间距，直接关系道隧道整体结构的稳定性；因中墙顶部围岩至少受三次爆破扰动，受力最为不利，且两侧正洞开挖，特别是上台阶开挖时，会对中墙顶部围岩扰动较大，因此正洞上台阶爆破应严格按微震控制爆破施工。2 施工方案比选洞身开挖是双连拱隧道施工的关键，直接影响到工期和后继工序及工艺流程的正常进行，在施工方案讨论研究时，根据本隧道双跨连拱的特点，拟定了以下方案进行比选：2.1 类围岩开挖 由于类围岩节理、裂隙发育，岩体较破碎，围岩稳定性差，安全要求高，故采用三导洞法，中导洞先行，左导洞滞后中导洞，右导洞滞后左导洞，正台阶、预留核心土法施工，以稳定开挖面，开挖进尺按两榀拱架距离控制，中导洞掌子面超前主洞30米，侧导洞掌子面超前主洞15米，上下台阶掌子面间距20米。 2.2 类、类围岩开挖2.2.1 开挖方案比选 方案一：中导洞、正台阶环导分部法，特点：可使用中、小型机械施工，施工工序多，要求掌子面稳定性好、地面沉陷小，周边松弛控制较好，安全，适用范围：地质条件差、安全要求高。方案二：中导洞、正台阶分部法，特点：可使用大中型机械施工，施工工序较多，要求掌子面稳定性较好、地面沉陷较小，周边松弛控制较好，较安全，适用范围：工程跨度大、工期要求快。方案三：三导洞法，特点：可使用中小型机械施工，施工工序较多，要求掌子面稳定性好、地面沉陷较小，周边松弛控制较好，安全，适用范围：工程跨度大、安全要求快。由于类、类围岩中厚层状构造，节理、裂隙较发育，呈碎石状压碎、大块状砌体结构，围岩稳定性较好，经比选采用方案二，并对该方案上台阶长度进行比选：方案一：微台阶法，特点：台阶长度35米，初期支护闭合环能及时形成，施工安全；但所需工、料、机较多，工序交叉多，施工场面混乱，工序流程不清晰，地质条件差时不宜采用。方案二：短台阶法，特点：台阶长度560米，初期支护闭合环形成稍晚，施工较安全，上下台阶可独立进行流水作业，施工干扰小，工序紧凑，进度快。方案三：中长台阶法，特点：台阶长度60米以上，初期支护闭合环形成较晚，围岩较弱，破碎带及有地下水时对结构受力不利，上下台阶可独立进行流水作业，施工干扰小，工艺流程清晰。经比选采用方案二，最终选定中导洞、正短台阶分部法开挖方案。主洞开挖时上台阶长度30cm，二次衬砌紧跟，距离开挖面不大于50m，仰拱超前二次衬砌20m。中导洞、正短台阶分部法有以下特点：上下台阶施工工序较少，每道工序的施工空间，均可采用机械装渣和出渣运输，既方便施工，降低劳动强度，也节约了成本，加快了速度。有利于形成小段平行流水作业，作业面和作业时间集中，便于工、料、机调配。主洞开挖不需设临时支护，下台阶开挖在上台阶初期支护后施工，施工安全。开挖断面大，光爆死角少，断面圆顺，初期支护质量可靠。2.2.2 施工步骤 中导洞、正短台阶分部法施工顺序断面示意图详见图1，施工工艺流程详见图2。主洞洞口段上台阶施工时，预留核心土，以稳定开挖面，并作为预支护和初期支护的工作平台，核心土在施作拱部预支护及初期支护后挖除。类、类围岩段不留核心土，开挖后即进行初期支护施工。主洞施工按中导洞、左主洞、右主洞，即顺序开挖，下台阶开挖（1）（2）两步交替顺序施工，以便于上台阶出渣，同时为尽快施作仰拱及二次衬砌创造条件，（1）（2）两步均完成后，仰拱和仰拱回填部分虚碴暂不清除，以方便出碴，施作仰拱和仰拱回填前清除。 2.2.3 两主洞开挖间距 双连拱隧道两主洞开挖面的最小距离为先行洞施工对中墙内力影响的后期与后行洞施工对中墙内力影响的前期范围之和，即两主洞开挖面间距不小于18m；根据以上分析并考虑主洞开挖时爆破的影响，两主洞开挖工作面的间距不小于40m。3 施工工艺根据以上分析，结合省庄连拱隧道的实际情况，通过施工前多种方案比选，施工中进一步优化，最终选择了类围岩采用三导洞法、类、类围岩采用中导洞、正短台阶分部法开挖，施工顺序从出口端向进口端单向双洞相续掘进，既确保了工程的质量和安全，又加快了施工进度、降低了工程成本，确保了本隧道的节点工期。3.1 中导洞开挖施工3.1.1 中导洞开挖 中导洞开挖断面根据中墙顶半径及中墙高度确定，采用全断面开挖，微震光面爆破，炮眼布置、爆破参数严格按照爆破设计施工，并根据实际效果做完善调整，经多次优化，确定拱部周边眼间距40cm，侧墙周边眼间距50cm。钻眼采用手工风枪打眼，装碴采用1台侧翻装载机，8辆自卸车运输。每循环进尺控制在：类围岩0.5米1.0米，类围岩1.0米2.0米，类围岩2.5米3.0米。中导洞开挖后，按设计及时进行初期支护。3.1.2 中隔墙衬砌 中导洞开挖贯通后，进行中隔墙衬砌，衬砌自出口向进口推进，衬砌采用自制的大块组合钢模，混凝土采用混凝土输送泵泵送浇注的方法。中隔墙与拱顶间空隙采用KBY-50/7型注浆泵、分次压注水泥浆回填密实。主洞开挖时，在中隔墙顶部两侧与水平排水管对应设排水立管，排入中心排水沟中。3.2 主洞开挖施工3.2.1 施工临时支护 3.2.1.1 中墙衬砌完成后，主洞开挖爆破时产生的爆破波及飞石可能对中墙混凝土及中墙外露防水板造成损伤，危及隧道结构安全、影响防水效果。因此在主洞开挖过程中，采取以下防护措施，对中墙衬砌及中墙外露防水板的防护工作特别重要。加强主洞开挖的光面爆破控制，使爆破产生的渣块小，飞石冲击力弱。为平衡因先行洞开挖后对中墙产生的偏压，先行洞上台阶开挖前中墙右侧采用钢支撑或木支撑，每段支撑长度约为60m，随主洞开挖，将支撑相应向前推进。对中墙外露防水板采用5mm橡胶板覆盖，并用沙袋压牢。3.2.1.2 超前小导管施工 隧道施工开挖时采用50小导管注浆超前支护，导管长度为5米，环向间距40cm，外插角8度。3.2.1.3 超前锚杆施工 砂浆锚杆设置位置，结合开挖岩体结构产状确定，尽可能垂直结构面打入，以起到更好的作用。锚杆用风枪打孔，先用注浆泵将孔内注满早强砂浆，再用锚固机将锚杆置入。锚杆尾端焊接在钢拱架上，以便共同受力。锚杆拉拔检验：按规定的数量和部位抽检。3.2.1.4 安装钢拱架。用分部开挖时，按工字钢设计分节高度确定拱部及边墙的开挖高度，以方便钢拱架分节安装。钢拱架节间以螺栓联接，其周圈力求与围岩密贴，支撑于岩基上的要支垫稳固，空隙较大处以高标号混凝土填塞，较小处用喷混凝土填满，以使其尽早发挥作用。沿隧道周圈将其同锚杆尾部进行焊接，以便共同受力。钢拱架拼装完成后及时用纵向连接钢筋同相临拱架连接，形成整体结构。3.2.2 左、右主洞开挖 3.2.2.1 类围岩浅埋段采用三导洞法开挖 由于类围岩节理、裂隙发育，岩体较破碎，围岩稳定性差，安全要求高，故采用三导洞法，中导洞先行，左导洞滞后中导洞，右导洞滞后左导洞，正台阶、预留核心土法施工，以稳定开挖面，开挖进尺按两榀拱架距离控制，每循环进尺1.01.6m，中导洞掌子面超前主洞距离30米，侧导洞掌子面超前主洞距离15米，上下台阶掌子面间距20米。采用微震光面爆破，人工利用简易台架装药联线；上台阶循环作业两次，下台阶循环作业一次。上台阶出碴采用侧卸式轮式装载机装碴，8t自卸汽车运碴。清除顶部危石采用人工和长臂反铲相结合。施工按“先深探，管超前、浆严注、短进尺、弱爆破、强支护、紧封闭、早成环、勤测量”的原则进行，按设计要求及时进行监控量测。施工开挖、支护流程：侧导洞超前小导管注浆预支护；侧导洞开挖；侧导洞初期支护；主洞超前小导管注浆预支护；中隔墙空洞临时支护；主洞上台阶开挖；主洞上部初期支护；主洞下台阶开挖；主洞下台阶初期支护；拆除导洞钢拱架，现浇仰拱；铺设防水层，模筑二次衬砌。3.2.2.2 类围岩段中导洞、正短台阶分部法开挖 采用中导洞、正短台阶分部法开挖方案，上下台阶全断面一次开挖成型，上台阶开挖高度为4.5米。上台阶搭设简易开挖台架，采用人工手持风钻打眼。上台阶钻眼深度为33.5米，循环进尺3米；下台阶钻眼深度3.5米，循环进尺3米。施工中严格控制各洞掌子面间的距离，左右主洞掌子面间距不小于40m，单洞开挖时上台阶长度30m，二次衬砌紧跟，距离开挖面不大于50m，仰拱超前二次衬砌20m，并根据监控量测结果及围岩稳定情况及时调整开挖、支护措施。开挖前采用超前砂浆锚杆等进行预加固，开挖后及时按设计喷射混凝土、打设锚杆、安装钢拱架，随后分层喷混凝土至设计厚度进行初期支护。施工按“管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、强支护、紧封闭、早成环、勤测量”的原则进行，按设计要求及时进行监控量测。施工进入不良地质地段前，采用超前钻探来探明地质和水文地质情况，对易失稳易坍塌的地段，对掌子面进行喷射混凝土封闭，喷层厚度为35cm。3.2.2.3 类围岩段中导洞、正短台阶分部法开挖。采用中导洞、正短台阶分部法开挖方案，上下台阶全断面一次开挖成型，上台阶开挖高度为4.5米。上台阶搭设简易开挖台架，采用人工手持风钻打眼。上台阶钻眼深度为33.5米，循环进尺3米；下台阶钻眼深度3.5米，循环进尺3米。施工中严格控制各洞掌子面间的距离，左右主洞掌子面间距不小于40m，单洞开挖时上台阶长度30m，二次衬砌紧跟，距离开挖面不大于50m，仰拱超前二次衬砌20m，并根据监