YJGF214-2006隧道“零仰坡”开挖进洞施工工法

隧道“零仰坡”开挖进洞施工工法YJGF214-2006中铁十二局集团有限公司邢利军 王法岭1.前言我国幅员辽阔，地质广博，在世界隧道工程领域中也堪称隧道大国，并正逐步向隧道强国的方向迈进。但是受隧道周边地形、地质、地貌、环境及气象等外部条件和隧道内部应力的影响，隧道洞口范围施工一直是隧道施工的难点，进洞方法直接影响整个隧道的施工进度和质量。近几年来，随着我国基础设施建设和环境保护的协调发展，隧道洞口的边仰坡和洞门区域减少植被破坏及绿化恢复越来越受工程各界的重视，在隧道洞口施工中正逐步杜绝深挖高填的做法，对洞门形式注重、工程与自然环境和谐、景观建设与环境保护提出越来越高的要求。传统的隧道进洞方法一般是采用高刷坡、大拉槽的方式，在洞口范围内自上而下刷边仰坡，对其进行喷锚等措施防护，在保证洞口稳定和有一定覆盖层厚度的情况下采取开挖上弧导方式进洞。许多实践经验证明.这种传统的隧道进洞方法容易大面积破坏原山体自然平衡体系；造成边仰坡开挖面积和防护圬工量增大，还可能引发边仰坡坍塌等洞口工程病害。中铁十二局集团有限公司在兰青二线铁路11座隧道建设中采用“零仰坡”开挖进洞法组织进洞施工，有效地解决洞口工程病害，保护了隧址区域自然环境，形成了隧道“零仰坡”开挖进洞施工工法。工法在确保隧道施工进洞安全和大幅减少运营期洞口地质治理以及环境保护方面效果明显，技术先进，有明显的经济和社会效益，并于2007年1月通过工法关键技术鉴定，达国内领先水平。2.工法特点2.1便于洞口开挖和洞身开挖工序转换，能尽快形成施工能力，有效缩短进洞时间。2.2先护后挖，开挖范围小，有利于洞口段的稳定，进洞安全有可靠的保证。2.3工程的防护和生态恢复工作量小，易形成“自然式”边坡，使隧道工程和大自然更加和谐。2.4为台车的加工和安装有效地提供时间和场地，大幅度减少施工干扰。3.适用范围本工法适用于公路、铁路隧道进洞施工.尤其适用于洞口地质差、埋深浅，对自然景观和生态环境要求高的软质围岩隧道进洞施工。4.工艺原理“零仰坡”开挖进洞方法主要是指在不破坏山体边坡稳定的前提下，根据洞口处山体的地形地貌，确定最小刷坡线或尽量不刷坡(可统称零开挖)，利用护拱(在不开挖山坡脚土体的情况下，洞口范围两侧开槽，在槽内施作工字钢拱架并浇筑混凝土，作为临时衬砌支护)创造进洞条件来保证安全快速环保进洞施工的一种方法。“零仰坡”开挖进洞与传统的大刷坡进洞在洞口应力上有很大的区别，与传统方法相比，纵向土压力大大减小，但同时洞口浅埋段增加了，对浅埋段的处理是此法成败的关键因素之一。该方法的洞口巩固采用分层、分段、自下而上、边防护边开挖的施工原则。以先墙后拱的顺序开挖和施工临时衬砌支护，仰拱容易及早形成和快速封闭，大大缩短了洞口段临时衬砌支护的成环周期，在临时衬砌支护闭合成环条件的防护下进洞施工。5.施工工艺流程及操作要点5.1工艺流程零仰坡开挖进洞施工工艺流程见图5.1。图5.1零仰坡开挖进洞施工工艺流程5.2施工要点5.2.1施工顺序“零仰坡”开挖法进洞施工示意图5.2.l。图5.2.1“零仰坡”开挖进洞法施工示意图5.2.2测量放样根据隧道洞口的设计结构形式、洞口的地形标高和自然坡度详细计算出洞口最小开挖边仰坡边线的坐标和各桩中心坐标。利用隧道控制导线与以上计算坐标的相对关系，使用全站仪在地面上确定出边仰坡最小刷坡轮廓线，并以此控制洞口边仰坡的开挖，多数情况下，边仰坡开挖为修整清表和开挖小型平台等工作，可采用人工开挖，避免机械施工对洞口的挠动。在洞口开挖前按设计要求做好洞顶截水沟和地表防排水系统。5.2.3临时衬砌边墙拉槽施工中视地形、地貌、地质情况可采用拉槽或挖井的形式开挖临时支护衬砌的两侧边墙部位。开挖过程中，尽量保留两边墙间的山体(核心土)不受破坏，以维持洞口山体稳定和下步采用台阶等方法进洞时利于形成开挖工作平台。边墙部位采用CAT挖机对称向山体推进拉(挖)槽，每边墙开挖宽度24m，对失稳的坑壁采用顶撑、挂网锚喷、护壁等适当的防护，对于石质边坡可采用风镐或挖机辅以预裂爆破分层开挖。基底埋置深度一般应不小于1m，若埋深不满足或地基承载力小于隧道设计仰拱底基承载力时，可采取加深基础、夯实换填、锚固和注浆等措施处理。5.2.4钢拱架架立按设计在现场制作并拼装钢拱架，钢拱架应准确定位，确保钢架及支护临时衬砌(护拱钢架)混凝土不侵入隧道二衬限界，保证隧道二衬厚度满足设计要求。钢拱架架立过程中要避免钢架发生翘扭和偏斜，每两榀钢拱架架设完后，用环向间距为0-61.0m的22螺纹钢纵向焊于两榀钢拱架上以固定钢架，保证其稳定及整体受力，同时也可以辅以锁脚锚杆将钢拱架固定。钢拱架底部连接板要立于稳固的基础上或者置于混凝土(浆砌片石)垫层上。钢架可先立边墙部位，待边墙混凝土施工完毕终凝后架立拱部钢拱架，也可一次性架设完毕。5.2.5边墙支模和浇筑边墙的内外模可采用组合钢模板等材料现场拼装固定。钢拱架下内模板可用扇形支撑撑于核心土上；外模支撑于外层山体边坡上(若地质允许，外层山体边坡可选则尽量大的坡度，以外山体作为外模板)；挡头模内用8的钢筋焊接在钢架上拉住，外用50钢管(或其他型钢管材)斜支撑于地面。边墙浇筑混凝土时，视现场实际情况，采用浇筑至起拱线位置或连同拱部一起浇筑的方式。一次浇筑时需将工字钢拱架一次成型，分次浇筑时要预留出拱部钢拱架的拱脚和边墙钢拱架连接钢板，并在混凝土接茬处设置接茬钢筋。如果一个浇筑段长度不能将全部套拱完成则需预留连接筋(视地质和现场情况，适当情况下也可采用喷射混凝土护拱)。5.2.6拱部施工拱部按没计先施工超前支护与拱部工字钢拱架(至少l榀)焊接牢固，若为大管棚支护则先需在钢架上定出导向管的位置.然后将导向管焊在工字钢上。拱部超前支护和工字钢拱架施工完毕后，浇筑临时衬砌拱部混凝土，拱部要考虑预留一定的沉降量。5.2.7洞内段护拱施工.、待护拱(临时衬砌支护)初期达到一定强度后拆模，在护拱的保护下采用三台阶法(或其他方法进洞。护拱长度一般为25m，混凝土厚度为4060cm。若由于山形、部分拱部(靠山体里)未施做。进洞后继续施做23m护拱。下导拉开后及时将拱部钢拱架接下来，施工洞内护拱的边墙后及时开挖仰拱并尽早封闭成环。施工隧道二次衬砌前，在护拱(临时衬砌支护)上铺设防水材料。5.2.8涮口段二衬混凝土施工在进入正洞一定距离(视地质情况决定距离长度)，洞内施工正常，工序渊整到位后，从加强洞口稳定和工程实际需要出发，可组织洞口段二次衬脚和洞门的施做，洞门可采取和洞内施工平行作业的方式，雨季前完成。洞门混凝土与洞身衬砌用同级混凝土整体浇筑；洞口边仰坡与衬砌外缘相交处填塞密实。表层覆土植草木绿化处理，做到人文景观和自然景观有机统一，使其与自然环境更加协调。5.2.9监控量测监控量测是隧道施工管理中的一个重要环节。其对隧道进洞过程中洞口段围岩支护体系的稳定性状态进行监测，是确保进洞施工及结构安全、指导施工顺序、便利施工管理的重要手段。施工过程中主要进行的量测项目、测点布置及方法见表5.2.9-1，量测频率见表5.2.9-2，对量测数据进行分析和反馈，以量测分析资料为基础及时修正初期支护设计参数，并为二次衬砌施作时问提供依据。变形管理等级见表5.2.9-3。量测项目、测点布置及方法 表5.2.9-1序号量测项目测点布置量测方法及要求仪器1洞外观察开挖、支护后进行地形、地貌、岩性、产状及支护裂缝观察或描述，查看边仰坡有无开裂、起壳，地表有无裂纹地质罗盘2地表下沉隧道洞口进行地表沉降量测，横断面方向沿隧道中心及两侧间距25m处设地表下沉测点，监测范围在隧道开挖影响范围以外地表下沉量测在开挖工作面前方，隧道埋深与隧道开挖高度之和处开始，直到衬砌结构封闭、下沉基本停止时为止精密水准仪铟瓦尺3周边位移临时衬砌洞口端、与山体交界处、洞内端在内轨顶面以上2.5m，左右两侧对称布置量测点开挖后按要求迅速安装测点并编号，初读数应在开挖后l2h内读取激光断面仪收敛计4拱顶下沉与水平收敛断面对应拱顶设量测点混凝土(喷混凝土)施工后迅速在拱顶设点精密水准仪收敛计铟瓦尺量测频率表 表5.2.9-2类型量测频率变形速度(mm/d)量测断面距开挖工作面距离普通围岩12次/d5(01)B1次/d15(12)B1次/2d0.51(12)B1次/2d0.20.5(25)B1次/周5B注：B为隧道开挖宽度。变形管理等级表 表5.2.9-3管理等级管理位移施工状态U(2U0/3)停工，采取特殊措施后方可施工注：u为实测位移值；U0为最大允许位移值。6.材料与设备本工法无需特殊说明的材料，采用的主要施工机具设备见表6。主要施工机具设备表 表6序号作业项目机具设备名称规格型号单位数量1混凝土施工搅拌站JS500+PL800套12混凝土输送车CAl4l台23混凝土输送泵HBT60台14插入式捣固器台55开挖风镐C-10A台46挖掘机CAT320台17自卸车ND3320S台28钢筋工程钢筋切断机QJ-40台19钢筋弯折机WG-40台110电焊机BY2500台211电动空压机L-20/8-l台112冷弯机LM-22台113测量全站仪GT5台114经纬仪010B台115水准仪NA2台116塔尺把117小钢尺把218其他发电机250GF台17.质量控制7.1工程质量控制标准7.1.1本工法严格遵守现行的隧道施工技术规范及验收标准。7.1.2开挖、钢架和模板安装施工允许偏差按表7.1.2执行。7.1.3超前支护施工允许偏差按表7.1.3执行。开挖、钢架和模板安装允许偏差表 表7.1.2序号项目允许偏差检验方法检验数量1开挖基底地基承载力不小于没计值静力触探标准贯入试验每洞口不少于3处2钢架间距100mm尺量每榀钢架3横向50mm尺量每榀钢架4高程50mm尺量每榀钢架5垂直度2尺量、垂球每榀钢架6保护层-5mm尺量每榀钢架7模板基础轴线偏移15mm尺量每边不少于2处8表面平整度5mm2m靠尺不少于3处9相临模表面高低差2mm尺量每处10底、顶面高程10mm测量不少于1处11起拱线10mm尺量每处12拱顶0+10mm尺量每处超前支护施工允许偏差表 表7.1.3序号项目外插角孔间距孔深检验方法检验数量1小导管250mm0+50mm仪器测量、尺量每环3根2大管棚1150mm50mm仪器测量、尺量全部检查7.2质量保证措施7.2.1严格原材料进场前检验控制，从源头上杜绝质量隐患，混凝土施工中对各种原材严格计量，控制坍落度损失，严禁现场随意加水，确保混凝土的密实度和抗裂性，配比必须经过试验研究，科学比选确定。灌注混凝土作业中应左右对称灌注。坚持“用试验、测量数据指导施工”的原则。7.2.2根据地质情况，确定足够的预留变形量，确保二次衬砌施工质量和结构尺寸满足设计要求。控制进尺，仰拱及时封闭。7.2.3钢构件下料按l：1在大样台上进行加工，保证钢结构加工精度，焊点(缝)强度严格把关，在加工厂统一加工经检验合格后运至施工现场。7.2.4开挖支护、立模严格按设计交底执行，防止临时衬砌混凝土侵入隧道二衬限界。7.2.5严格监测操作管理制度，加强施工沉降、边坡形变的观测和评估。8.安全措施8.1各种爆破、量测人员、专职安全人员等特种作业人员必须经过专业培训并取得证书持证上岗。8.2建立完善安全管理体制，加强全员安全意识教育。8.3加强机械保养维修，降低机械噪声及废气排放，改善作业环境。8.4加强现场管理，保持清洁卫生，便道和弃碴厂洒水降尘。8.5对洞口施工过程实行全过程监控。尤其要做好围岩监控量测工作，预防洞口塌方。二次衬砌按适时衬砌的原则进行，根据围岩量测资料，在围岩和初期支护变形趋于稳定后进行。在围岩变形速率较大无法趋于稳定地段采用加强初期支护，对衬砌混凝土配筋等方法来保证施工与隧道支护体系结构安全。8.6编制应急预案，明确抢险具体措施并进行应急演练。8.7建立安全生产责任制，细化考核办法，坚持日常检查，定期考核，严格奖罚，及时兑现，消灭隐患，堵塞漏洞。9.环保措施9.1建立专职的环境保护管理组织机构，健全环境保护管理体系，强化环保管理，广泛宣传教育，提高思想认识，加强环保意识。9.2坚持环境保护工作“三同时”的原则，与设计、施工统筹规划、同步运作。9.3精心保护原有植被，对合同规定的施工限界内的植物、草皮、树木等做到尽力维护原状，严禁超范围砍伐。必要时采取迁移保护，工程完工后及时恢复。9.4拌合站设过滤、沉淀池，废料集中弃于指定弃碴场。施工废水、废油，采用隔油池过滤等有效措施加以处理，不超标排放，污染周围水环境。9.5在运输水泥、砂石料等易飞扬物料时用篷布覆盖严密，并装量适中，不得超限运输。配备专用洒水车，对施工现场和运输道路经常进行洒水湿润，减少扬尘。9.6机械车辆途经施工生活营地或居住场所时应减速慢行，不鸣喇叭。合理安排施工作业时间，尽量降低夜间车辆出人频率，夜间施工不得安排噪声很大的机械。9.7开工前与地方环保等相关部门相互了解，加强联系，理顺与其他接口单位的关系，并积极配合接口单位环保、水保方案的实施，为其提供合格的单位工程。9.8建立“三级”检查落实制度，即领导层抓全面，管理层抓重点，实施层抓具体落实。内部建立“包保责任制”，运用行政和经济手段，加强环保工作的落实。9.9实行“环保否决制”，即施工作业活动不符合环保要求的项目不得开工，具有强制否决权。10.效益分析10.1经济效益10.1.1先支护后开挖进洞更安全，开挖范围最小，洞口工程的防护工作量和生态恢复工作量最小，同时使工程投资大幅减少。10.1.2开挖与原山体过渡流畅，极大的避免洞口大面积开挖而诱发的顺层/牵引滑坡、仰坡塌方、堆积体复活等地质灾害，大量节省了工后的治理费用，大幅度降低建成后因地质原因引起运营安全事故的风险问题。10.1.3进洞周期短、工序转换快，一般较传统的套拱法可提前l520d进洞，形成开挖能力、工期效益不言而喻。10.1.4以兰青线增建二线铁路杨家店双线单洞隧道出口为例，与传统进洞方法施工经济效益分析对比数据表见表l0.1.4。经济效益分析对比表 表l0.1.4序号对比项目“零仰坡”进洞法传统方式进洞法备注l洞口刷坡面积15320m22进洞发生直接费用3.49.6万元3边仰坡防护02.6万元4洞口绿化1000元说明：1.杨家店隧道位于湟水河老鸦峡谷左岸半山坡，地处低中山区，地形起伏，切割严重，最小埋深约35m，进出口施工场地狭窄。洞口地质为第四系中更新统砂质黄土，有级自重湿陷性，易剥塌。2.两种方法均进洞采用超前小导管，本项超前支护费用表中未计。10.2社会效益随着国民经济和社会的发展，人民生活水平和环境意识的提高，环境保护成为瞩目关注的事情，而零仰