大跨度软弱围岩偏压隧道施工技术

大跨度软弱围岩偏压隧道施工技术1、技术背景软弱围岩中大跨度（大断面）公路隧道传统主要开挖方法有:中壁法、双侧导坑法及传统台阶法。在工程实践中，中壁法和双侧导坑法有以下很难克服的缺点:施工空间小，限制了大型施工机械的应用，降低了工效;临时支护多，投入大，施工成本高;施工中各工序相互干扰较大，施工进度缓慢。而传统台阶法虽然具有施工进度快、利于大型设备施工等优势，但是会有沉降过大导致结构出现不稳定的情况。XX高速18标XX隧道设计采用分离式，最大开挖宽度达16m，净宽14.00m；最大开挖高度达10m，净高8.065m，属于大跨度隧道；隧道测设线通过段高程在1258.1—1086.8之间，相对高差171.3m，由于地形原因，XX隧道存在偏压问题，部分地段属于浅埋偏压软弱围岩隧道施工；根据勘察成果，隧道洞身段围岩节理裂隙发育，岩石质量较差。总体而言，XX隧道施工具有隧道开挖断面大（跨度大）、围岩软弱破碎、地质条件复杂、洞口段存在浅埋偏压情况、业主要求工期短等难点。我单位在XX隧道施工中采取预留留核心土台阶法施工，取得了良好的效果。该工法通过工程实践证明：拱顶最终下沉值满足规范和设计要求，安全、质量得到强有力的保障；且工程进度较快、经济上更为合理、适合大型设备作业等优点，在大跨度软弱围岩偏压隧道施工过程中得到了大理推广。

2、技术简介本文所介绍的跨度软弱围岩偏压隧道施工技术核心是采用预留核心土台阶法施工隧道开挖，介绍的施工技术施工阶段为超前支护到仰拱施工完成。预留核心土台阶法以新奥法为指导原理，在施工过程中实施分步平行掘进，将掌子面分成多个作业面进行开挖；采取超前支护、钢拱架、系统锚杆、网喷混凝土等快速有效的支护措施，构成稳固的初期支护体系，保护围岩的天然承载力，有效抑制围岩变形；通过隧道净空收敛量测、拱顶下沉、拱顶下沉以及围岩内部位移量等监控量测技术监控洞室稳定状态和评价隧道变形特征，为判断围岩、隧道的稳定提供依据，分析支护结构的可靠程度及有效性。预留核心土台阶法有如下技术优点:(1)施工空间大，可以引入大型施工机械，多作业面平行施工，施工速度快;(2)在地质条件复杂、软硬围岩相间的隧道中施工时，便于调整施工方法;(3)能适应不同跨度和多种断面形式，无需拆除临时施工支护，节省投资;(4)混凝土仰拱超前施作，不仅便于初期支护及早闭合成环，而且改变了洞内作业环境;(5)无需增加特殊设备，投入少，操作性强，易推广。3.适用范围预留核心土台阶法配合超前支护措施可适用于大跨度的地质条件较差、软弱围岩隧道开挖施工；包括软弱浅埋段、偏压段施工。但是不适用于黄土隧道、大规模断层隧道、溶洞隧道、流沙隧道、覆盖层超薄的隧道、V级围岩以上等隧道的施工。4.施工工艺流程及操作要点4.1施工工艺流程表4.1.1留核心土法开挖工艺流程施工中的开挖、支护顺序说明：Ⅰ.主洞全断面长管棚或小导管超前注浆预支护;2.上半断面弧形开挖;Ⅲ.上半断面初期支护(安装钢拱架、挂钢筋网、安装锚杆、喷砼);4.上部核心土开挖;5.下部核心土开挖;6.左侧下导开挖(偏压段覆盖层浅测);Ⅶ.左侧导洞下半断面初期支护;8.右侧导洞下半断面开挖;Ⅸ.左侧导洞下半断面初期支护;10.仰拱开挖;Ⅺ.仰拱初期支护;Ⅻ仰拱浇筑;注意：表中阿拉伯数字代表开挖步序，罗马数字代表支护施工顺序。4.2施工操作要点4.2.1超前管棚施工要点1、护拱做为长管棚导向墙，护拱纵长2m，确保护供地基承载力符合设计要求。孔口管作为管棚的导向管，它安设的平面位置、倾角、外插角的准确度，直接影响管棚质量；应用水准仪配合坡度板设定孔口管的角度，检查无误后，浇筑护拱砼。2、钻机定位时，要求与已设定好的孔口管方向平行，必须反复调整，精确核定钻机位置，确保钻机、钻杆、轴线与孔口管轴线相吻合。3、为了便于安装钢管，钻头直径采用φ127mm，岩质较好时可以一次成孔。钻进时产生坍孔，卡钻时，需补注浆后再钻进。钻机开钻时，应低速低压，待成孔10m后可根据地址情况逐渐调整钻速及风压。孔钻好后，用地质岩芯钻杆配合钻头进行反复扫孔，清除浮渣，然后用高压风从孔底向孔口清理钻渣。4、长管棚采用Φ108热轧无缝钢管，壁厚5.5mm，管节长度4-6m，采用丝扣相接，接头相互错开，管口段2.0m钢管不开孔，其余部分按15cm间距交错设置注浆孔，孔径10mm；钢管长度可视本级围岩长度做适当调整。5、超前注浆一般情况下采用水泥浆，水泥浆水灰比1:1，注浆孔口压力初压1.5-2.5MPa。当地下水较大时则压注水泥-水玻璃浆液，水泥浆水灰比1:1，水泥浆与水玻璃体积比1:0.5，水玻璃浓度35波美度。6、注浆结束标准：注浆压力逐步提升，当达到设计终压，并继续注浆10min以上。7、隧道注浆段的注浆孔全部注完后，必须要进行注浆效果检查和评价，不合格者应补钻孔注浆。4.2.2超前小导管施工要点1、小导管注浆采用Φ50热轧无缝钢管，壁厚4mm，管节长度5.0m，管口段0.5m范围内钢管不开孔，其余部分按15cm间距交错设置注浆孔，孔径8mm，纵向水平搭接≥1.0m。2、小导管应从钢架腹部穿过，尾端与刚架焊接，采用YT－28风动凿岩机钻孔，钻孔直径比钢管直径大3-5mm，钻孔至设计深度后及时用风管吹孔，吹净孔内碎渣石粉，用锤击或钻机顶入。3、注浆顺序由两侧对称向中间进行，自下而上逐孔注浆。注浆孔口压力初压0.5-1.0MPa。当地下水较大时则压注水泥-水玻璃浆液，水泥浆水灰比1:1，水泥浆与水玻璃体积比1:0.5，水玻璃浓度35波美度。4、注浆结束标准：注浆压力逐步提升，当达到设计终压（建议1.0MPa）并继续注浆10min以上。5、隧道注浆段的注浆孔全部注完后，必须要进行注浆效果检查和评价，不合格者应补钻孔注浆。4.2.3隧道开挖施工要点1、开挖前采用Φ108管棚或者小导管注浆预支护，带浆液强度达到规定值才允许开挖。2、若地形存在偏压，先施工埋深较小一侧导洞。3、严格按新奥法原理组织施工，加强监控量测工作，用量测信息指导施工。施工中的必测项目为：洞外观测，地表下沉量测，拱顶下沉量测，净空收敛量测，每一施工循环工作面地质描述。量测数据应及时整理分析，并及时预报变位状况，以便修改设计，或制定加强措施，防止坍塌。4、隧道洞身不允许存在欠挖现象。施工前应做好光爆破技术设计（V级围岩应尽量采用无爆破施工），合理选用爆破参数，并根据围岩的变化适时调整爆破参数，以确保开挖断面有良好的光爆破效果。5、地质超前预报是做好动态设计、动态施工的重要环节。施工时应根据设计图纸和现场具体情况的要求做好地质超前预报工作，并及时反馈报告结果，以便修改支护参数或开挖方式，确保施工和营运的安全。6、施工初期应做好洞口范围的排水，成洞时应选择有利的施工方法，严禁洞口大开挖，防止滑坡及坍塌。7、每次开挖进尺不宜大于钢拱架的1-2倍；台阶长度不宜超过隧道开挖宽度1倍；核心土面积不应小于整个断面的50%。下部开挖进尺与上导保持一致，左右幅必须跳槽施工,跳槽的间距不得小于5m,严禁在同一断面上使左右钢支撑同时处于悬空状态,以保证安全。8、上断面采用弧型导坑预留核心土法分部开挖，开挖高度为3.4m(起拱线以上)，以满足人工作业面为准，核心土长度一般留6m,上顶面宽度留5-6m,便于人工对边部工字钢的架设。9、开挖后及时喷混凝土封闭岩面，初喷厚度不得小于5cm；在初喷后应立即安装格栅钢架、钢筋网、锚杆等，钢架与围岩之间的间隙应及时用楔形块顶紧，紧接着混凝土喷至设计的初支厚度；核心土及边墙开挖应在上台阶喷射混凝土到达设计标准的70%后方可进行。10、施工中严格避免欠挖，严格控制平均超挖不超过10cm，并利用与同标号混凝土将超挖部分喷齐，如果超挖严重，必须按照每25cm增加一层钢筋网进行施工，以保证混凝土的悬吊稳定和抗裂4.2.4初期支护施工要点1、每榀格栅钢架加工完成后进行试拼。试拼应在经硬化处理的地面或工作台架上进行，周边拼装允许误差为±3cm，平面翘曲应小于2cm。2、钢架拱脚必须安放在牢固的基础上，如基底为软弱层，应采用喷射混凝土做成扩大基础后架立拱架，架立时垂直隧道中线，当钢架和围岩之间间隙过大时设置垫块；架与初喷层的间隙应采用喷射混凝土充填密实。3、钢架安设应在开挖后尽快完成。钢架与径向锚杆、钢筋网及连接筋焊接成整体，以增强其联合支护的效应。4、为避免环形拱部形成薄弱面，工字钢支撑在环形拱部,分三节进行安装，在安装成型的钢支撑上形成对称的四个脚部，在每个脚部打设四根锁脚锚杆，且锚杆末端打折与工字钢焊接牢固，使锁脚锚杆与工字钢支撑处于“抱死”状态。5、锚杆钻孔时注意控制钻孔角度、孔深，钻头沿隧道周边径向布置，尽量与岩层主要结构面垂直，不宜平行岩面。6、锚杆与垫板应保持垂直，并与喷射砼充分接触，螺母务必拧紧。锚杆安设后，不得拉拔、敲击，其端部3d内不得悬挂重物。7、钢架安设应在开挖后尽快完成。钢架与径向锚杆、钢筋网及连接筋焊接成整体，以增强其联合支护的效应。8、喷射砼均采用湿喷法。喷射作业分初喷和复喷，初喷射5cm混凝土后，施作锚杆、钢拱架，再分复喷至设计厚度。喷射砼应随拌随喷，回弹料不得重新用做喷射混凝土材料。岩面有渗水时，应做好引排水工作，再喷射砼。9、喷射砼作业面应紧跟开挖面，下次开挖距喷射砼作业完成时间的间隔不小于4h。10、钢架与壁面之间应用喷射混凝土充填密室，岩壁、钢架、混凝土黏结良好，拱脚基础喷射混凝土密实，严禁悬空。4.2.5仰拱施工要点1、仰拱爆破时应注意工字钢拱脚处附近不要钻设炮眼，拱脚处欠挖部分采用风镐凿除，以免松动边墙拱架。2、仰拱每循环开挖长度不得大于3m，不得分幅施工。仰拱与掌子面距离不大于40m。3、人工清理至仰拱底标高位置，并清理到边墙。严禁仰拱部分欠开挖，仰拱断面开挖后应立即检查，不足部分需重新开挖。仰拱若超挖，超挖部分应采用与衬砌相同强度等级的混凝土进行回弹。4、仰拱初期支护的工字钢安装时，一定要使仰拱工字钢与左右两边墙拱脚处的工字钢连接在一起，真正起到闭合成环作用。5、仰拱钢筋绑扎时，将拱墙内外层主筋预埋，主筋长短交错布置，相邻钢筋长度错开距离不小于80cm。6、砼浇筑前，必须将基底虚渣、污物和基坑内积水排出干净，严禁向有积水的基坑内倾倒混凝土。7、仰拱混凝土达到设计强度的70%后，进行片石混凝土仰拱回填，一次浇至设计位置，片石混凝土中的片石抛填，严禁先码放片石后再使用混凝土充填空隙的做法。8、砼浇筑完毕后应进行为期7d的养生工作，砼强度达到设计强度100%后方可允许车辆通行。4.2.6监控量测施工要点1、隧道施工的监测旨在收集可反映施工过程中围岩的动态信息，据以判定隧道围岩——支护体系的稳定状态，以及所涉及到的相关支护结构参数和施工方法的合理性。监控量测项目：隧道洞内外观察、隧道净空收敛量测、隧道拱顶下沉量测、隧道地表沉降量测、围岩内部位移。2、隧道洞内外观察观测开挖面前方的地质条件;为判断围岩、隧道的稳定性提供地质依据;根据喷层表面状态及锚杆的工作状态，分析支护结构的可靠程度。对开挖后没有支护的围岩进行目测，主要是了解开挖工作面的工程地质和水文地质条件(岩质种类和分布状态，境界面位置的状态;岩性特征:岩石的颜色、成分、结构、构造;地层时代归属及产状;节理性质、组数、间距、规模，节理裂隙的发育程度和方向性，断面状态特征，充填物的类型和产状等;断层的性质、产状、破碎带宽度、特征;地下水类型，涌水量大小、涌水位置、涌水压力、水的化学成分，湿度等;开挖工作面的稳定状态，顶板有无剥落现象);开挖后己支护段的目测内容(初期支护完成后对喷层表面的观察以及裂缝善的描述和记录;有无锚杆被拉脱或垫板陷入围岩内部的现象;喷混凝土是否产生裂隙或剥离，要特别注意喷混凝土是否发生剪切破坏;有无锚杆和喷混凝土施工质量问题;钢拱架有无被压屈现象;是否有底鼓现象)。3、隧道净空收敛量测隧道净空收敛采用SL—2-30型钢尺收敛计，每10m一次断面，量测频率如表4-1；测点布置图如图4-2.表4-1拱顶下沉及净空收敛量测频率测定位置与开挖面距离变形速度量测频率0-0.5D>10mm/d2次/d0.5-2D5-10mm/d1次/d2-5D1-5mm/d2次/2d>5D<1mm/d2次/7d注:D为隧道直径。每个断面有三条基线，测线编号为1-2、1-3、2-3，布置方式如图图4-1测线编号布置示意图4、隧道拱顶下沉量测隧道拱顶下沉量测水平仪、水准尺，每10m一次断面，量测频率如表4-1。在量测断面的拱顶埋设侧点，将钢尺挂在拱顶测点作为标尺，后视点设在稳定衬砌上，用精密水准仪进行观测。5、隧道净空收敛和拱顶下沉测点要点洞内测点布置应注意：1）量测点的安设应能保证初读数在爆破24小时内和下一循环爆破前完成，并测取初读数；2）测点应安设在距开挖面2m范围内，且不大于一个循环进尺，应细心保护，不受下一个循环爆破的破坏；3）各项位移的测点，一般布置在同一断面内，测设结果应能相互印证，协同分析和应用。6、隧道净空收敛和拱顶下沉数据处理要点1)施工时应按时准确的进行现场监控量测，对量测数据的分析处理与必要的计算后，绘出曲线，判定围岩的稳定性，及时预报，以便采取措施，为修正和确定隧道初期支护参数、二次衬砌施作时间提供参考依据；2)当位移一时间曲线出现反常的急骤变化现象时，表明围岩的支护已呈不稳定状态，应加强监视并适当加强支护，必要时立即停止开挖，并进行施工处理；3)当隧道喷射混凝土出现大量明显裂缝或隧道支护表面任何部位的实测收敛值已达到表中允许的70%，且收敛速度无明显下降时，应及时根据实测值照出回归方程，绘出回归曲线，由回归方程推算最终的位移值，若最终位移值接近或超过表中的净宽允许相对位移值时，应及时采取补强初期支护措施，并改变施工方法和修正方案支护参数；4)二次衬砌模筑施工应在围岩和初期支护变形基本稳定，并具备下列条件时施作：隧道周边位移速率有明显减缓趋势；水平收敛速度小于0.15mm/d或拱顶位移速度小于0.1mm/d；施作二次衬砌前的收缩量已达到总收缩量的80%-90%。7、隧道地表沉降量测通过使用精密水准仪、塔尺(与精密水准仪配套)等仪器，从不动点向测点应用水准测量的方法测出测点前后两次的高程，将前后两次量测的数据相减，得该测点在相应时间差内的地表沉