大断面湿陷性黄土隧道开挖施工技术总结

大断面湿陷性黄土隧道开挖施工技术总结 第 1 页 共 19 页 郑西铁路客运专线郑西铁路客运专线 大断面湿陷性黄土隧道开挖施工技术大断面湿陷性黄土隧道开挖施工技术 编制 苏编制 苏 杰杰 审核 李东红审核 李东红 中铁二十三局集团第四工程有限公司中铁二十三局集团第四工程有限公司 郑西线四项目部郑西线四项目部 2007 7 30 大断面湿陷性黄土隧道开挖施工技术总结 第 2 页 共 19 页 目目 录录 1引言引言 3 2隧道区工程地质特征隧道区工程地质特征 3 3施工方法的选择施工方法的选择 4 4弧形导坑法开挖弧形导坑法开挖 5 4 1工法简介 5 4 2实例分析 5 4 3施工机具及劳力组织 7 4 4施工要点 8 5CRD 法法 9 5 1工法简介 9 5 2实例分析 10 6监控量测监控量测 13 6 1量测的项目及主要方法 14 6 2量测的施做要点 14 6 3实际量测结论 15 7隧道地基湿陷性的处理隧道地基湿陷性的处理 18 7 1地质情况 18 7 2施工参数 18 7 3施工方法及结论 18 8主要结论主要结论 18 大断面湿陷性黄土隧道开挖施工技术总结 第 3 页 共 19 页 大断面湿陷性黄土隧道开挖施工技术大断面湿陷性黄土隧道开挖施工技术 摘要 本文是在结合郑西客运专线凤凰岭隧道进口和高桥隧道 出口 1120m 的施工基础上 对大断面湿陷性黄土隧道施工开挖技术 进行总结 重点阐述了弧形导坑法和 CRD 法的适用条件 施工工艺 及具体施工要点 同时通过监控量测分析了黄土隧道的部分变形规 律 指出该法较好地解决了黄土隧道施工中的诸多技术难题 是目 前大断面黄土隧道施工中行之有效的施工方法 值得推广 1 引言引言 郑西铁路客运专线隧道工程有两个显著的特点 1 是我国第 一条穿越黄土地区的高速铁路隧道 2 按照设计时速 350km 的要 求隧道轨面以上有效内净空面积 100m2 开挖面积高达 164m2 黄土是我国北方地区常见的一种特殊土 是第四纪干旱 半干 旱气候条件下形成的 其基本色调是黄色 颗粒成分以粉粒为主 一般无明显层理 具柱状节理 垂直节理发育 直立性强 新黄土 多具湿陷性 由于受对黄土认识的局限及缺少大断面隧道施工的经 验 研究大断面黄土隧道的施工方法 控制围岩变形是有其现实意 义的 2 隧道区工程地质特征隧道区工程地质特征 凤凰岭隧道进口段和高桥隧道出口段通过区范围地层岩性简单 为 I 级黄土台塬区 洞口及表层为第四系上更新统风积砂质黄土 Q3eol3 下伏第四系中更新统风积砂质黄土 Q2eol3 中间夹有数 大断面湿陷性黄土隧道开挖施工技术总结 第 4 页 共 19 页 层古土壤层 具体描述如下 1 砂质黄土 Q3eol3 属新黄土 淡黄色 厚度 30 40m 土 质均一 粉土质 下部含有少量白色钙丝及蜗牛壳 其中 0 3m 结 构疏松 具孔隙 垂直节理发育 坚硬 级普通土 为松软土 120kPa 3m 以下 结构较紧密 局部含有少量针状孔隙 坚 硬 级普通土 150kPa 具湿陷性 湿陷土层厚 30m 土体 总体上属中压缩性土 局部 地表以下至 5 米范围内 属高压缩性 土 2 砂质黄土 Q2eol3 浅棕黄 浅黄色 厚度大于 25 m 中 间夹有 1 2 层 1 0 2 0m 厚的棕红色古土壤层 该层厚薄不一 呈 层状分布于砂质黄土中 砂质黄土 粉土质 土质均一 含零星蜗 牛壳和白色钙质菌丝 结构较致密 古土壤层为砂质黄土 内含较 多的白色钙质网膜和钙质结核 坚硬 级硬土 220kPa 属 中压缩性土 3 施工方法的选择施工方法的选择 除下穿等影响地表建筑物地段需考虑地表沉降外 大断面黄土 隧道的开挖施工控制重点主要是要有效地控制围岩变形 因此围岩 的情况决定了隧道施工方法的选择 大断面隧道开挖控制变形保证围岩稳定的方法原则上就是化大 为小 采用分步开挖 断面开挖时 如果掌子面稳定 无较大掉块 垮塌 无推移和挤出现象 初期支护刚度足够 则可以采用弧形导 坑预留核心土开挖的方法 如果掌子面开挖后不稳定则应缩小断面 大断面湿陷性黄土隧道开挖施工技术总结 第 5 页 共 19 页 加设中隔壁即 CD 法 在 CD 法的基础上再加设横撑就变为 CRD 法 对于埋深较大的 IV 级老黄土围岩 由于黄土具有直立性好 宜 成型的特点 在适用短进尺的条件下 有一定的围岩稳定时间 保 证在围岩未有大的变形掉块的情况下有足够的立架和喷锚作业时间 从而保证施工安全 可采用弧形导坑法 洞口浅埋段及 V 级围岩主要是新黄土 竖向节理发育 土质松 软 土颗粒间黏性差 围岩自稳能力差 土体受扰动后产生应力重 分布 上部土体宜沿破裂面形成楔形漏斗 造成拱顶失稳 为了保 证安全开挖断面应尽量缩小宜采用 CRD 法 4 弧形导坑法开挖弧形导坑法开挖 4 1工法简介工法简介 洞身开挖采用弧形导坑预留核心土施工 是指在隧道开挖过程 中分上中下和仰拱四部分 以前后六个不同的开挖面相互错开同时 开挖 然后分部同时支护 形成支护整体 缩短作业循环时间 逐 步向纵深推进的作业方法 其实质为台阶法的一种 拱部采用环形 导坑开挖 利用核心土施压掌子面 下部开挖也是先开挖两侧保持 中部土体不动 其核心是保证掌子面稳定 4 2实例分析实例分析 高桥隧道和凤凰岭隧道 IV 级围岩采用弧形导坑法开挖 上导坑 核心土距拱顶 1 5 2 0m 核心土两侧距开挖面约 2m 上导坑开挖高 度 4 2m 开挖跨度 13 86m 矢跨比为 0 34 开挖面积为 47 96m2 大断面湿陷性黄土隧道开挖施工技术总结 第 6 页 共 19 页 中部开挖高度 4 31m 开挖面积为 62 76m2 下部开挖高度 2 05m 上导坑型钢拱架由 3 个单元组成 每个单元长度为 5 975m 各单元 钢架之间采用 16 的钢板通过四套 M24 高强螺栓连接 具体施工步骤如下 4 2 1 上导坑开挖 首先在拱部 120 范围打设 42 超前小导管 相关施工参数 壁厚 3 5mm L 3 5m 环向间距 40cm 外插角 5 10 搭接 长度 1 5m 之后采用弧形开挖法预留核心土开挖上导坑 每循环 开挖长度控制在 0 8m 即一榀钢拱架的间距 开挖后及时喷射 4cm 厚砼 封闭作业面 第二 初喷后架设 I20a 钢架 上弧导分 3 节安 装 环向为钢板螺栓连接 纵向采用 42 钢管连接 环向间距为 1 0m 安装钢架完毕后立即施作锁脚锚管和系统锚杆 锁脚锚杆采 用 42 钢管 长度为 4 0m 每处设置两根 系统锚杆采用 22 药 包锚杆 长度为 2 5m 间距为 1 1m 梅花形布置 之后挂设钢筋网 大断面湿陷性黄土隧道开挖施工技术总结 第 7 页 共 19 页 片 钢筋网片采用 8 钢筋 网格间距为 20cm 第三 在钢架 锚 杆和钢筋网施作完成后及时复喷 C25 砼至 26cm 从而完成上导坑的 施工形成较稳定的承载拱 4 2 2 左侧中部和右侧下部开挖 在承载拱的支护下 交错开挖左侧中部和右侧下部马口 先后 按同样方法进行支护 使同一断面处暴露开挖面仅限于单侧 且不 同时处于悬空状态 4 2 3 右侧中部和左侧下部开挖 方法同上 4 2 4 开挖中部上中下台三部分预留土 4 2 5 分段开挖仰拱 施做仰拱支护 仰拱二衬和仰拱填充 4 3施工机具及劳力组织施工机具及劳力组织 开挖支护完成一个循环即上导坑开挖一榀 中部及下部单侧各 两榀 所需时间为 8 小时 共分三段施工 其中机械开挖 1 小时 人工修整挂网立架 3 5 小时 其中出碴平行作业用时 0 5 小时 喷 锚 3 5 小时 开挖机械人员配置 现代 320 型挖掘机 1 台 司机 2 人 柳工 50 侧翻装载机 1 台 司机 2 人 重庆 16 吨铁马自卸汽车 4 辆 司 机 4 人 G8 风镐 8 台 开挖用人工共 14 人 不包括司机 其中上 部 9 人 中部 3 人 下部 2 人 喷锚机械人员配置 湿喷机两台 3 立方罐车两台 人员共设 两班每班设置 9 人 其中湿喷机司机 2 人 喷锚操作手 4 人 共设 喷头 2 个 每个设 2 人 其它辅助人员 3 人 罐车司机 2 人 大断面湿陷性黄土隧道开挖施工技术总结 第 8 页 共 19 页 根据以上的施工组织 单口每天可完成三个循环 按 80cm 间 距 每天可掘进 2 4m 月进尺 80m 左右 实际最高记录月进尺达 100m 4 4施工要点施工要点 4 4 1 浅埋段和含水量较大地段设置超前小导管 根据开挖情况 可减小环向设置间距直到消除拱部开挖掉块现象为止 深埋和地质 情况较好地段开挖无掉块现象可不设 锁脚锚管是保证初期支护安全的重要措施 通过试验和量测表 明断面拱脚和墙脚位置受到较大的侧压力 此处的锚杆就充当了拉 杆作用 以保证工字钢在受到侧向力时不发生向洞内的位移变形 同时可以起到抑制拱架整体下沉的作用 从而保证初支结构在施工 过程中受力稳定 根据实际变形情况除认真施做锁脚锚杆保证质量 外 在每分节处可增设 2 根 即由原设计的 2 根增为 4 根 根据监 控量测资料该措施对控制初支变形效果显著 4 4 2 扩大拱墙脚是较少拱顶下沉量的有效措施 扩大拱墙脚增 大承压面积 既有利于施工过程中竖向压力的传递 也有利于该节 点横向受力的稳定 实际施工中拱脚宽度由设计的 80cm 扩大为 100cm 墙脚由设计的 50cm 扩大为 80cm 4 4 3 采用在拱墙脚下垫设槽钢或砼垫块 以增大地基承载力 减小初期支护闭合前的整体下沉量 4 4 4 加密初期支护钢架的纵向连接钢管 提高钢架间的整体受 力能力 一般可在可从设计的环向间距 1 0m 调整为 0 8m 即可 大断面湿陷性黄土隧道开挖施工技术总结 第 9 页 共 19 页 4 4 5 开挖时严格控制超前挖 若钢架背后与围岩不密贴可采用 同级砼垫块添塞密实或采用注浆保证初期支护钢架背后无空洞以利 于钢架和围岩形成联合支护体共同受力 4 4 6 严格控制钢架的加工和安装质量 使其线性圆顺避免应力 集中 另外钢架间连接牢固必要时可加焊钢筋 4 4 7 仰拱紧跟是确保初期支护安全的根本措施 仰拱及回填砼 要紧跟掌子面施做 一般距离控制在 30m 以内 以利于尽早形成完 整的筒形封闭环 根据监控量测数据及时跟进二衬的施工以利于尽 早形成完整的隧道受力结构 一般距离控制在距掌子面 60m 以内 特殊地段单独考虑 4 4 8 机械开挖时预留 30cm 由人工开挖 较少对围岩的扰动 并保证岩面圆顺 及时初喷 4cm 砼以封闭暴露围岩 增强岩体的整 体性 为初期支护的后续工作争取安全时间 施工时初喷是在开挖 的渣堆上进行的 待把未被渣堆覆盖的开挖面初喷完成后再出渣 4 4 9 适当给支护预留变形量 施工前期可采用 15cm 的预留 量 根据工艺及措施的优化 通过监控量测及时进行调整 4 4 10合理控制步长 上中下三部分的步长控制在 3 5m 上 导坑每次开挖一榀钢架的距离 中下部根据地质情况可一次开挖 1 2 榀钢架的间距 仰拱开挖控制在 3 5m 5 CRD 法法 5 1工法简介工法简介 CRD 法是大断面隧道施工的有效手段 它将大跨度隧道分为若 大断面湿陷性黄土隧道开挖施工技术总结 第 10 页 共 19 页 干块进行分布施工 由于将大跨度隧道采用网格状支护在横竖向均 进行了支撑 各自形成封闭的筒形结构 支护体系稳定 5 2实例分析实例分析 凤凰岭隧道进口 120mV 级围岩施工采用了 CRD 法施工 该法 是用中隔壁将整个开挖断面分隔为左右两侧 先开挖隧道一侧的上 下台阶并及时施做相应的中隔壁和临时横撑形成各自单独的封闭环 再开挖另一侧的上下台阶施做相应中隔壁和横撑 最后开挖仰拱拆 除临时支护体系形成完整的隧道初期支护结构 进而施做二衬结构 5 2 1 CRD 法初支施工参数 拱部设 108 超前长管棚 L 20m 外插角 1 3 洞身拱 部 120 范围设 42 超前小导管 壁厚 3 5mm L 4 5m 40cm 外插角 5 10 搭接长度 1 5m 系统锚杆拱部 120 范围设 22 药包锚杆 L 2 5m 间距 1 0 1 0m 梅花型布置 边墙设置 20MnSi 22 砂浆锚杆 L 4 0 间距 1 0 1 0m 梅花型布置 拱 墙脚处每分部开挖隧道两侧钢架分节处各设 2 根 42 锁脚锚管 L 4m 钢架采用 I25a 型钢 钢架间距榀 0 6m 每榀钢架分 8 节 钢架间采用 42 钢管连接 环向间距 1m 初期支护厚度为 35cm 中隔壁喷层厚度为 25cm 钢筋网采用 Q235 8 钢筋 网格间距 20 20cm 大断面湿陷性黄土隧道开挖施工技术总结 第 11 页 共 19 页 5 2 2 施工步骤简述如下 上台阶开挖采用弧形开挖预留核心土的施工方法 类似于弧形 导坑法的上导坑施工 核心土高度距离拱顶 1 5 2 0m 距边墙和中 隔壁约 2m 核心土顶部留有 1 5m 的工作平台便于人工操作 核心 尾部为 1 1 的斜坡 根据地质情况一次进尺控制在 1 2 榀钢架间距 的距离 上部开挖高度在 6 6m 左右 下台阶应左右交错开挖 错开间距不小于 2m 先开挖边墙一侧 再开挖中隔壁一侧 避免上台阶的初支在同一断面处于悬空状态 单侧每次进尺控制在 2 3 榀钢架间距的距离 下部开挖高度在 4 2m 左右 上下台阶长度控制在 3 5m 中隔壁左右两侧开挖的间距控制在 10 15m 左右 拆除下部横撑开挖仰拱 开挖可以分左右侧两次施工 也可根 据地质情况一次开挖成型 每次开挖长度控制在 3m 以内 底部开 大断面湿陷性黄土隧道开挖施工技术总结 第 12 页 共 19 页 挖高度在 2 5m 左右 5 2 3 施工要点 弧形导坑法的施工要点在本法中仍然适用 这里重点介绍 CRD 法临时支护系统的拆除 CRD 法在拆除临时支撑前各部室面积小且封闭成环受力结构稳 定 有关研究和工程实践表明 作用在中壁的轴力一般较大 这说 明中隔壁的功能得到了充分发挥 在施工中中隔壁进行了进一步优 化将原设计带曲率的变更为竖直的中隔壁 随着施工的推进 作为 临时支护的中隔壁将逐步被拆除 支护结构竖向承载能力部分丧失 围岩压力完全作用在四周的初期支护上 由于隧道开挖断面大 大 跨度支护结构的内力将有着明显的增加 拆除中间临时支撑时 初 期支护会因突然卸载而出现较大的变形 应力需重新分布 存在较 大的安全隐患 必须给予高度重视 拆除临时支护系统首先要考虑拆前整个支护系统是否已稳定 由于隧道围岩受力的蠕变特性 自隧道开挖至支护受力和围岩变形 趋于稳定需要有一段时间 隧道支护中隔壁拆除必须待隧道变形稳 定后方可进行 否则会诱发围岩应力重分布的突变乃至围岩失稳 支护结构破坏 在非稳定状态严禁拆除反而应采取加强措施 如在 中隔壁两侧采用 159 钢管设置竖向支撑 纵向间距 50cm 横撑接 头处设置 45 夹角的斜撑 中隔壁的拆除时机可通过围岩变形的量 测来判断 其次 在加强监控量测的基础上确保下道工序的及时跟 进 大断面湿陷性黄土隧道开挖施工技术总结 第 13 页 共 19 页 凤凰岭隧道进口临时支撑的拆除实际上是采取了比较保守的施 工方法 即在施做仰拱填充完毕后再拆除中隔壁 使部分中隔壁埋 置于填充砼之中造成浪费 但保险系数较大 在拆除之前整个初期 支护已经形成较稳定的受力结构 施工时根据衬砌的施工进度确定 拆除的长度和进度 拆除时要注意对成品的保护 施工时先破除中隔壁上部喷射砼 将水平横撑及竖撑钢架和环 向钢架连接处露出 中隔壁钢架采用简易支撑 错开拆除左侧上部 和下部间的横撑 再拆除右侧上中部之间的横撑 若拆除所有水平 支撑后 隧道仍处于稳定状态 则开始进行竖撑的拆除 拆除时应 按顺序错开进行拆除 同时加强变形观测 一旦发生变形异常应立即停止拆除并采用 加设临时竖撑进行加强处理 避免变形过大产生坍塌 5 2 4 施工机具及劳力组织 主要施工机械 挖掘机 1 台 装载机 2 台 出渣车 4 台 湿喷 机 4 台 风枪 4 台 风镐 10 把 空压机 2 台 施工人员 开挖 24 人 喷锚 18 人 司机 10 人 电工 1 人 按照以上机械人员配置凤凰岭隧道进口每月开挖进尺为 25 30m 6 监控量测监控量测 现场监控量测是 新奥法 设计施工的重要组成部分 施工须 根据监控量测情况实行动态控制 通过分析量测数据判定围岩在开 挖过程中的动态变化和支护结构的稳定状态 预测并据此确定相应 大断面湿陷性黄土隧道开挖施工技术总结 第 14 页 共 19 页 的施工措施 确保支护体系的稳定及施工人员的安全 6 1量测的项目及主要方法量测的项目及主要方法 6 1 1 洞内外观测 洞内观察分为开挖工作面观察和已施做段观察两部分 洞外观 察包括地表开裂 地表沉陷 边坡及仰坡稳定状态等情况 6 1 2 水平净空收敛量测 CRD 法分布多 断面小 且各部分断面形式多 且有临时支撑 的影响 适用全站仪视线受阻 故选用 JSS30A 型收敛计进行量测 IV 级弧形导坑法考虑断面较大 尤其上部高度较高 后期挂设收敛 计等仪器困难大 还有使用其它辅助工具 另外水平收敛和拱顶下 沉要分开量测 花费时间多 容易和其它施工工序发生冲突 抗施 工干扰能力差 效率低 因此采用徕卡 TCR702 全站仪进行无尺量 测 6 1 3 拱顶下沉量测 为了便于数据的采集两种开挖方法均采用无尺量测 6 1 4 地表下沉量测 隧道浅埋地段地表下沉量测与洞内净空变化和拱顶下沉在同一 横断面内 地表下沉量测应在开挖工作面前方 隧道埋深及隧道开 挖高度之和处开始 直至二衬结构封闭 下沉基本结束为止 观测 频率与洞内形同 现场实际由第一勘察设计院完成 6 2量测的施做要点量测的施做要点 6 2 1 及时设置各种观测标志 大断面湿陷性黄土隧道开挖施工技术总结 第 15 页 共 19 页 6 2 2 及时收集各观测的初始数据 6 2 3 及时将各项量测观察到的数据进行分析 并绘制位移与时 间的关系曲线及位移与开挖面距离的关系曲线 6 3实际量测结论实际量测结论 6 3 1 时间性 在与时间相关的规律表现上 隧道较明显的变形主要发生在掌 子面开挖后的 3 5 天 此后一周内逐渐趋于稳定 一周后只有微小 的变形 如下列图 1 图 4 所示 图 1 大断面湿陷性黄土隧道开挖施工技术总结 第 16 页 共 19 页 图 2 图 3 图 4 6 3 2 工序相关性 6 3 2 1隧道变形情况 尤其是拱顶沉降和净空收敛这两项与 施工工序有很强的相关性 大于 75 的沉降量发生在隧道上部导坑 和中部开挖的过程中 隧道封闭成环基本可以停止隧道变形 具体 数据参看表 1 大断面湿陷性黄土隧道开挖施工技术总结 第 17 页 共 19 页 隧道变形情况汇总表 单位 mm 表 1 围岩 类型 VIV 开挖 步骤 最大值最小值平均值 开挖 步骤 最大值最小值平均值 左上 导坑 5 21 121 12 13 6 4 上 导坑 14 66 221 8 14 36 2 左下 导坑 11 18 32 1 28 14 3 中部 左侧 11 18 132 4 16 15 1 右上 导坑 6 8 43 1 12 7 2 中部 右侧 10 22 51 3 18 4 1 右下 导坑 5 20 31 13 34 10 3 下部 左侧 12 20 31 2 07 10 1 左仰 拱 3 14 22 4 03 6 1 下部 右侧 13 21 42 5 18 6 2 右仰 拱 3 11 33 5 03 5 1仰拱5 51 43 5 04 17 1 变 形 值 总值127 200 3833 36 846 85 14总值67 198 3110 39 337 88 8 说明 1 表中的数值 a b c 具体含义为 a 代表地表沉降值 b 代 表拱顶沉降值 c 代表净空收敛值 2 总值 一项并非对表中上面对应的数据的汇总 而是相应 值 地表沉降 拱顶沉降 净空收敛 的总量的最大 最小 平均 值 3 V 级围岩的变形值的总值包括了中隔壁拆除后的沉降值和支 护完成到隧道二次衬砌 变形停止 之前的变形值 6 3 3 隧道水平净空收敛值相对拱顶沉降要小的多 6 3 4 隧道埋深超过 40m 时 洞内外的变形没有太大