六车道大跨浅埋双联拱隧道施工工法

1 目目 录录 一 前言一 前言 1 二 工法特点二 工法特点 3 三 适用三 适用范范围围 3 四 工法原理及关键技术四 工法原理及关键技术 3 五 工艺流程及操作要点五 工艺流程及操作要点 4 一 工艺流程 一 工艺流程 4 1 三导洞施工法 见图 2 4 2 中导洞 分部开挖法 见图 3 5 3 施工工艺流程 见图 4 5 二 操作要点 二 操作要点 6 1 洞口工程施工准备 6 2 长管棚施工 6 3 反压回填土及地表导管注浆 7 4 中导洞开挖 8 5 侧导洞开挖 8 6 中隔墙施工 参见图 6 8 7 正洞施工 9 8 支护体系施工 9 9 防排水体系 10 10 二次衬砌施工 10 11 监控量测 11 六 机具设备六 机具设备 13 七 劳动力组织七 劳动力组织 13 八 质量控制八 质量控制 14 九 安全措施九 安全措施 14 十 效益分析十 效益分析 14 十一 工程实例十一 工程实例 15 2 六车道大跨浅埋双连拱隧道施工工法六车道大跨浅埋双连拱隧道施工工法 林永强 崔根群 辛国平 陈锐 中铁隧道集团有限公司第一工程处 一 前言一 前言 双连拱隧道是在高速公路通过山势不高 长度较短 上下行线在此分离不开的地 段设置双跨连拱隧道 具有易于选线 节约用地 有利环保等优点 但造价一般较高 随着我国的高等级公路的迅猛发展 在建或拟建的众多高速公路均已按六车道进行规 划设计或预留 特别是在山区面积所占比例大 地形条件复杂的山岭重丘地区 如我 国的中西部 将出现越来越多的六车道大跨双联拱隧道 如 上海至武威国家重点公 路河南境南阳内乡至西坪段 宛坪高速 连续出现了 16 座六车道双连拱隧道 国内十 分罕见 其隧道单跨断面为多心圆结构 边墙为曲墙 中墙为直墙 单跨净宽 14 1m 净高 8 2m 左右洞之间通过 2 4m 厚的钢筋砼中隔墙相连 初期支护采用工字 钢拱架 中空注浆锚杆 挂钢筋网 喷砼等形式 二衬采用独特的 夹心式 模筑双 层钢筋砼结构 参见图 1 14 17 34 衬砌中心线行车道中心线 0 25 2 线 路 中 心 线 14 7 29 设计高程 TDT350土工膜 1 5毫米厚LDPE防水板 C25钢筋混凝土衬砌50厘米 16cm厚预留变形量 8钢筋网 20cm 20cm 25a钢拱架 间距75cm C25喷射混凝土30厘米 型弹簧排水管 25a钢拱架 间距75cm C25喷射混凝土30厘米 C25钢筋混凝土仰拱50厘米 C15片石混凝土回填 0 84 14 17 34 14 7 29 32 12 0 67 56 54 设计高程 衬砌中心线行车道中心线 2 PVC 100 4 0 25 52 59 43 0 4 40 32 12 0 52 59 11 图 1 六车道大跨连拱隧道断面结构图 十六座隧道均具有以下几个特点 1 浅埋 地质条件复杂 因隧道通过的地段一般山势较低 最大埋深在 40 至 80 米之间 围岩风化严重 软弱破碎 节理发育 地表水直接影响隧道内涌水量 2 跨度大 开挖跨度达 32 6m 使得中隔墙将承担比一般连拱隧道更大的压力 中隔墙更容易下沉 3 偏压 由于跨度大 左右洞的埋深不同 整条隧道存在不同程度的偏压 特别 是洞口段偏压比较严重 造成进洞困难 3 4 施工工序复杂 大跨双连拱隧道的施工必须分多工序多步骤进行 各个工序间 相互影响大 施工组织要求科学合理 5 防水困难 连拱隧道中隔墙顶漏水是一个通病 采用 夹心式 衬砌结构科学 解决了中隔墙防水层施作问题 但由于跨度大 中隔墙部位的水量更加集中 水压大 对防水层的要求高 必须精细施工 中铁隧道集团在其中三座隧道的施工中 根据六车道双连拱隧道埋深浅 跨度大 的特点 通过科学的施工组织 采用三导洞法及分部开挖法 结合超前管棚 地表反 压回填 地表预注浆等辅助措施 以监控量测为指导 不断优化施工方案进行动态管 理 安全快速地通过强风化细砂岩层夹薄层泥岩 成功解决了中隔墙下沉开裂 中隔 墙渗漏水的质量通病 遥遥领先其它隧道率先完成施工任务 为此 通过对三座隧道 的施工工艺 包括进洞方案 开挖方法 衬砌施工 特殊问题的处理等方面进行总结 形成了本工法 二 工法特点二 工法特点 1 采用稳妥合理的进洞方案 合理安排中导洞提前正洞 6 7m 进洞 同时进行左 右正洞的超前大管棚 地表反压回填 地表预注浆等辅助措施 同时施工互不干扰 有利于进洞安全并缩短工期 1 个月 2 中导洞先行 侧导洞跟进 三导洞同行不同步的施工组织安排 实现安全快速 施工 3 级以上围岩地段采用中导洞法 取消侧导洞 正洞采用分部开挖法 减少临 时支护投入 施工经济高效 4 按 管超前 短进尺 弱爆破 强支护 早封闭 勤量测 方针组织施工 特 别注重钢支撑及锁脚锚杆作用 确保隧道安全 5 无钉热熔铺设防水板技术 做到隧道不渗不漏水 三 适用范围三 适用范围 1 开挖横跨度 32 0m 高度 11 1m 围岩类别为 级的公路六车道双连拱 隧道 2 四车道公路连拱隧道 3 其它类似的地下工程可参照进行应用和推广 四 工法原理及关键技术四 工法原理及关键技术 4 一 工法原理 一 工法原理 1 根据隧道 早进晚出 原则 避免大挖大刷 隧道尽可能提前进洞 洞顶覆盖 层达 2m 时便可进洞 进洞前 采取 89 或 108 超前大管硼 地表返压回填 地表 预注浆等一些必要措施提前加固洞口 2 根据六车道大跨连拱隧道的结构特点 尽快优先贯通中导洞 尽早施作中隔墙 为左右正洞的开挖创造条件 为此 中导洞尽可能提前进洞 采用台阶法或全断面法 开挖 汽车配合装载机出碴 快速掘进 3 中导洞贯通后 先行浇筑中隔墙基础 墙身采用两片整体式钢模板台车一次性 模注完成 4 左右正洞的洞口浅埋段及 级围岩段采用侧壁导洞法施工 级围岩以上取消 侧导洞 采用环形开挖分部法施工 5 仰拱紧跟掌子面下部 起到早封闭作用 并尽早施作二衬 确保洞口安全 明 洞衬砌先行施工 左右明洞采用两台液压模板台车并排 对称整体浇注 6 开挖支护严格按新奥法原理组织施工 7 合理组织各工作面人员与机械 资源优化组合 二 关键技术 1 中隔墙的防开裂 抗偏压及防下沉技术 2 各导洞之间及左右正洞之间错开距离的合理确定 3 预留变形量的合理确定 4 防排水层的施工工艺技术 五 工艺流程及操作要点五 工艺流程及操作要点 一 工艺流程 一 工艺流程 1 级围岩段采用三导洞法 见图 2 中导洞台阶法 或全断面 开挖 临时支护 侧导洞台阶法开挖 临时支护 模注中隔墙基础及墙身 并回填下部及安装横向支撑 中墙顶部空洞注水泥砂浆 超前支护 正洞上部开挖及初期支护 5 正洞中部开挖 正洞下部仰拱开挖及初期支护 仰拱填充 全断面模注二次衬砌钢筋砼 2 级围岩采用中导洞法 见图 3 中导洞台阶法 或全断面 开挖 临时支护 模注中隔墙基础及墙身 并回填下部及安装横向支撑 假设左侧正洞浅埋先 行开挖 横支撑安在右侧 反之安在左侧 中墙顶部空洞注水泥砂浆 超前支护 上部弧形导坑开挖 初期支护 中部核心土开挖 侧部开挖 初期支护 下部仰拱一次性开挖支护 仰拱填充 全断面模注二次衬砌钢筋砼 6 3 施工工艺流程 见图 4 二 操作要点 二 操作要点 1 洞口工程施工准备 测量出左右线的洞口纵断面 按 早进晚出 原则 比选最佳进洞口位置 开挖 出洞口管棚施工平台 并对边仰坡进行喷锚支护 做好洞顶排水系统 2 长管棚施工 1 设计参数 采用长为 20 40m 的 89 或 108 超前大管棚支护 钢管为热 轧无缝钢管 节长 8 米 环向间距 40cm 外插角 3 2 设置位置 明洞衬砌轮廓线以外 30cm 中导洞顶及左右正洞上部 60 范围 3 导向墙 套拱 厚 60 80cm 长 1 5 2m 采用 I20 钢拱架 C25 混凝土 中导洞开挖支护 模注中隔墙基础 墙身砼 中隔墙基础回填土 安装横支撑 中隔墙顶部空洞注浆处理 左右侧导洞开挖支护 浅埋侧正洞上部开挖支护另一侧正洞上部开挖 支护 正洞中部开挖 正洞下部仰拱开挖支护 拆除临时支撑 仰拱及填充 全断面模注二次衬砌钢筋砼 地表返压回填及注浆 施工准备 洞口长管棚施工管棚准备 遇有偏压现象时 进洞 6m 开挖 8m 图 4 大跨连拱隧道施工工艺流程图 7 模注砼或喷射砼 左右侧导向墙在中导洞顶部应相连 成 m 形状 导向墙两端延 伸至墙脚 设在稳定的基础之上 导向墙中部与提前进洞的中导洞初期支护相连 将 中间悬空部分托起 形成稳定结构 4 施工技术要点 a 洞口预留核心土 经人工整修 夯实 使其表面圆顺 铺设 3mm 厚的钢板 作 为导向墙混凝土施工的内模 导向管的位置及方向精确定位 b 每节钢管用丝扣连接 同一断面内接头数量不超过 50 相邻钢管的接头相错量 不小于 1m 施工时 把孔编为奇数和偶数 奇数孔钢管组合方式为 8 8 4m 偶数孔钢 管组合方式为 4 8 8m c 采用 MK 5 型液压钻机 钻机操作平台必须牢固 安全 架立钻机时应精确核定 孔位 保证钻机钻杆线与管棚设计轴线吻合以及钻机在钻进过程中不发生偏移和倾斜 钻完一孔立即顶进钢管 管口处设置排气管 钢管与孔口处的间隙用麻团堵塞紧密 保证注浆时浆液不溢出 d 采用液压注浆机注浆 水灰比为 0 5 1 2 1 注浆压力为 0 8MPa 1 2Mpa 注浆过程中专人负责检查注浆效果 并作好记录 3 反压回填土及地表导管注浆 隧道洞口段埋深浅 多为坡积物和人工弃土覆盖 存在偏压 自承能力差 存在坍 塌 冒顶隐患 采用反压回填土增加浅埋侧覆盖层厚度以减少偏压 同时进行地表注 浆固结围岩和上覆层 使原为主动荷载的上覆层变成能承载的承载拱 同时达到固结堵 水的目的 以保证安全进洞 参见图 5 回填标高线 2 线 路 中 心 线 挡 墙 22 1 5 注浆导管 2 开挖轮廓线 图5 地表反压回填及注浆示意图 8 1 反压回填施工 回填前先挖去软弱土 清除表土 灌木及危石 采用土石回填 用推土机和 5T 自 卸汽车推运土石混合料 用 18T 振动压路机分层压实 每层压实厚 25cm 压实度 95 2 小导管地表注浆 注浆钻孔直径 50 壁厚 5mm 注浆孔间距 150 150cm 梅花型布置 浆液 地表至拱顶压注 1 1 水泥砂浆 注浆终压 1 0Mpa 压注范围 隧道开挖轮廓线以外 2 米的所有反压回填段 4 中导洞开挖 级围岩段采用台阶法开挖 台阶长度 5 6m 上下台阶均利用简易台架进行 开挖支护作业 级围岩采用全断面开挖 断面开挖高度应比设计高出 10cm 便于中 隔墙立模 当为土质围岩时直接用挖掘机开挖 人工修整周边轮廓 必要时采用弱爆 破 出碴采用汽车配合装载机 临时支护紧跟掌子面 5 侧导洞开挖 侧导洞采用上下台阶法施工 施工方法同中导 洞 因断面较小 侧导洞的出碴用装运机械倒运 至洞外 偏压浅埋或围岩较差的侧导洞先行 并 要滞后中导洞至少 10m 另一侧导洞滞后先行侧导 洞至少 10m 当围岩情况比较好时 可以先只开挖 上部 下部等正洞仰拱一起开挖 中导洞与侧导洞开挖中的地质情况应记录详尽 为正洞开挖作地质预报 6 中隔墙施工 参见图 6 1 施工安排 中隔墙是连拱隧道的关键部位 也是施工的重点 在进洞条件允许的情况下 为缩 短工期 中导洞开挖到一定里程后即可转入中隔墙施工 中导洞从另一端继续开挖 当开挖贯通时中隔墙也施工到贯通点 中导洞开挖人员即可转入正洞施工 由中导洞 向正洞转换工序时中导洞开挖长度可按下式计算 K L D J D S 1 钢拱架落脚处 支撑 回填土石回填土石 模板台车 图6 中隔墙施工示意图 支撑 9 式中 K 先施工端中导洞开挖长度 m L 中导洞全长 m D 中导洞开挖日进尺 m d J 中隔墙基础砼施工日进尺 m d S 中隔墙墙身砼施工日进尺 m d 2 中隔墙基础 a 采用大块拼装钢模板 泵送砼每循环浇注 9m b 为增加中隔墙的地基承载力及抗倾覆能力 基底浮碴必须清干净 并设地基锚杆 RD25N 中空注浆锚杆 长 3m 端头嵌入墙基 50cm 间距 100 75cm c 基础两侧及时回填土石 3 中隔墙墙身 a 浇筑墙身前 在中导洞拱顶设径向 RD25N 中空注浆锚杆 长 3m 间距 100 75cm 外露 50cm 与墙顶相接 增强中隔墙的抗侧翻能力 b 采用整体式中隔墙衬砌台车 泵送砼每循环浇注 9m 模板安装时 顶部预留出 正洞初期支护的落脚平台 并预埋连接钢板 c 每隔 4 5m 顶部预留一根 50mm 注浆管 脱模后及时注 1 1 水泥砂浆 防脱空 d 假设左正洞准备先开挖 那么在中隔墙的右侧必须提前安装横向支撑 防止横向 水平推力对墙体的破坏 一般浅埋偏压或围岩较差侧正洞先行施工 来确定支撑方向 7 正洞施工 待中隔墙砼达到 70 强度后 可进行正洞上部开挖施工 正洞分上中下三部开挖 上部采用环形开挖 超前 5 6m 中部预留核心土 光面弱爆破 汽车配合装载机出碴 严格控制每循环进尺 浅埋段 0 75m 级围岩深埋段 1 5m 级围岩段 2m 支护紧 跟掌子面 左右洞宜同时开挖 但不能齐头并进 错开 8 10 米较合适 一方面相互影响小 另一方面对中隔墙产生的水平推力小 8 支护体系施工 1 超前小导管支护 导管采用 5m 长 50 5 热轧无缝钢管 环向间距 40cm 搭接长度不小于 100cm 外插角 6 采用 YT28 风钻沿隧道纵向以 6 外插角钻孔 孔径稍大于管径 65 小导管尾部焊在钢拱架上 顶进时注意保护管口不变形 并对开挖面及相临界面喷砼 10 封闭 管口设止浆塞 采用 1 1 水泥浆灌注 施工配合比经现场试验确定 注浆终压 为 0 5MPa 1 0MPa 能保持压力 2min 即表明达到注浆效果 2 初期支护 采用工字钢拱架 喷锚网喷 支护 级围岩段采用 I25a 工字钢 间距为 0 75m 级围岩采用 I20b 工字钢 间距为 1m 锚杆采用 RD25N 中空注浆锚杆 喷砼 采用湿喷工艺 初期支护施工工艺见流程图 7 施工要点 a 确保钢拱架的加工质量 采用液压弯拱机加工 平面翘曲度控制在允许范围内 加工好的拱架先在平整的场地上预拼 检查合格批量加工 编号存放 b 钢拱架安装时 拱脚置于牢固的基础 连接钢板的螺 栓必须拧紧 接钢板企缝焊接 确保整体拱架发挥承力作用 c 钢拱架之间用纵向钢筋连接 d 在拱脚处增设两根砂浆锚杆并与钢拱架焊接 9 防排水体系 防排水结构采用夹心式 排水通路封闭成环 形成有效 的排水系统 参见图 8 1 隧道每 5m 环向布设 型弹簧排水半管与两侧墙脚 处纵向排水花管 PVC 100 4 相连 并用 PVC 100 4 排水管与中心排水沟横向连通 形成纵横向连通的完整排水体系 2 防水层采用复合式防水板 1 5mm 厚改性 LDPE 防水板和 450g m2 土工布 系吊带铺设 用热熔机焊缝 宽 10cm 防水板是否破损是防渗漏水的关键 必须处 理好突出物 锚杆 小导管头 防电焊烧伤 逐条缝逐面积排查及时修补 3 隧道内所有施工缝和变形缝均设置中埋式橡胶止水带 爆破 找顶 初喷 打锚杆 立钢架 挂网 喷砼 测量 打眼 注浆 打小导 管 养生 图 7 初期支护施工流程图 11 240 衬 砌 中 心 线 二次模筑砼衬砌 二次模筑砼衬砌 土工布 防水板 环向排水半管 中导坑喷射25 砼 钢支撑 线 路 中 心 线 A部大样图 模筑混凝土 土工布 防水板 环向 型弹簧排水管 初期支护 PVC 100 x4排水管 A 图8 中隔墙处防排水细部构造图 10 二次衬砌施工 1 仰拱紧跟正洞下部 仰拱初期支护一次性对接成环 并及时进行仰拱填充 仰拱填充整体浇筑施工 洞内车辆从简易便桥上通过 2 二次衬砌砼采用整体式模板台车 a 使用色拉油或新鲜机油作脱模剂 b 输送泵泵送入模 捣固棒配合附着式振动器捣固混凝土 混凝土对称分层浇注 边墙从墙脚往上压注 拱部从拱脚处压注 最后从拱顶低端处压注 杜绝混凝土自由 跌落 防止产生空洞 c 拱顶设 25 钢管排气孔 并作为拱顶空洞注浆孔 d 隧道明洞中墙与拱圈为整体性结构 需用 2 个模板台车并排 一次性整体浇注 外模采用木摸 边墙侧模板加固采用钢拱架 用方木或圆钢管支撑加固 中隔墙顶的木 模加固在砼外层钢筋上 由于明洞整体浇注的混凝土量大 特别是拱脚压力特别大 模板安装要确保牢固 避免跑模 明洞整体浇注施工参见图 9 边坡 钢管支撑 钢拱架 油缸 丝杠 油缸 木模 木模 填充面 衬 砌 中 心 线 路 线 中 心 线 中墙基础 边墙基础 衬砌砼 图9 明洞整体衬砌施工示意图 12 11 监控量测 1 监控目的 现场围岩监控量测是大跨连拱隧道十分关键的一环 通过监测及时对数据进行分 析 判断变形是否稳定 指导施工 重点解决以下几个问题 a 动态地确定开挖与支护预留变形量 b 判断围岩类别情况 合理确定开挖方法 如正洞开挖采用双侧导洞法 还是分 部开挖法 c 支护形式是否合理 d 断面超欠挖控制情况 2 监测项目 见表 1 表 1 主要监测项目及监测频率 项目名称方法及工具布 置监测频率 地质和支护 状况观察 岩性 结构面产状 及支护裂缝观察或 描述 地质罗盘等 开挖后及初期支护后 即进行 每次爆破后及初期支护之后 洞口浅埋段 地表下沉 精密水准仪 洞顶地表每 10 米一个横断 面 每断面 4 5m 一个点 刚进洞时 1 次 2 天 进到深 埋段后 1 次 周 周边位移 各种类型收敛计 或测杆 每 20 米一个断面 每断面 2 3 对测点 头 15 天 1 次 天 16 30 天 1 次 2 天 1 2 月 1 次 周 2 个月以上 1 3 次 月 拱顶下沉 水平仪 水准尺 钢尺或测杆 每 20 米一个断面与周边位移同时进行 锚杆抗拨力锚杆拉拨仪每 10 米一个断面每个断面至少做三根锚杆 断面测量断面仪 全站仪每 5 米一个断面每 5 米一个断面 3 测线和测点的布置 见图 10 11 图 10 导洞测点 测线布置图 13 O O 图 11 左右正洞测点 测线布置图 4 注意事项 a 必须成立一个由 2 3 人组成的量测小组 专门负责 b 量测点在初期支护施作时安设 在下一循环开挖前完成 并测取初读数 c 测点应部安设在距开挖工作面 2m 范围内 且不大于一个循环进尺 并应细心保 护 不受下一循环施工的破坏 d 各项位移的测点 一般布置在同一断面内 测点统一在一起 测设结果能互相 印证 共同分析和应用 e 特别注意中导洞及测导洞的开挖施工地质记录 对正洞来说是最好的 最准确 的超前地质预报方法 对其围岩情况应进行详细 准确的记录 指导正洞施工 六 机具设备六 机具设备 主要施工机具配备 按一座单口开挖隧道计 见表 2 表 2 主要机械设备一览表 序号机械名称规格型号数量 台 备注 1 变压器 S9 630 101 电力设备 2 电动空压机 LS 20HAC2 3 挖掘机 PC2001 4 装载机 ZLC40C1 5 装载机 ZLC50C1 6 自卸载重汽车 5t6 7 风钻 YT 2815 8 风镐 G10A6 9 通风机 DKJ NO102 开挖设备 10 回转钻机 MK 5D2 支护设备 14 11 砼喷射机湿式 TK961 3 12 注浆机 KBY 50 703 13 弯拱机0 250 2 14 电焊机 BX 315 14 15 砼输送泵 HBT602 16 砼运输车 TSB 63 17 强制砼拌合机 JS7502 18 中隔墙模板台车9 米 1 19 正洞液压模板台车9 米 2 衬砌设备 七 劳动力组织七 劳动力组织 主要作业工序劳动力配备见表 3 表 3 主要作业工序劳动力配备表 工序工作内容人数 班数备注 监控量测测量与量测7 1 7 人测量组 13 6 78 人三导洞开挖班 开挖支护 开挖 初喷 立钢支撑 挂网 锚杆 复喷 18 4 72 人两正洞开挖班 仰拱及填充8 2 16 人仰拱施工班 挂防水层 排水管4 2 8 人防水板施工班 钢筋绑扎 安装预埋件 台车定位25 2 50 人钢筋衬砌班 二次衬砌 混凝土灌注 脱模 养生7 2 14 人砼施工班 八 质量控制八 质量控制 严格执行 公路隧道施工规范 及 公路工程质量检验评定标准 JTG F80 1 2004 并在施工中注意以下事项 1 控制隧道超欠挖 初期支护紧贴围岩 防止初期支护背后出现空洞 超挖部位 应回填密实 2 拱架安装时 控制好中线及标高 保持与中线垂直 避免钢拱架侵入二次衬砌 拱架之间联结牢靠 螺丝拧紧 必要时将连接钢板焊接牢固 拱脚要落在稳定基岩上 避免出现悬空 且必须设置锁脚锚杆 3 仰拱采用分左右幅开挖 基底清理干净 不满足承载力要求时换填片石砼 4 保证防水板无破损 保证排水管道的畅通 15 5 模板台车加工刚度 尺寸 板缝 表面平整度等满足要求 减少错台 确保外 观质量 6 明洞衬砌混凝土的方量大 注意模板加固牢靠 以免跑模 九 安全措施九 安全措施 1 大跨连拱隧道断面大埋深浅 围岩情况复杂 坚持短进尺 早封闭 保证安全 2 洞口是隧道安全的关键 必须制定周密稳妥的进洞方案 3 左右洞加强调度协调 爆破时另一洞人员暂时撤离 4 下部开挖后仰拱及填充紧跟 尽快施作二次衬砌 5 坚持文明施工 注意洞内排水顺畅 避免水对拱脚 仰拱的浸泡 6 派专人负责监控量测 及时发现问题及时反馈信息 随时响应应急对策 十 效益分析十 效益分析 1 施工进度加快 宛坪高速项目中 共计 600 米六车道大跨隧道 仅用