黄土隧道施工工艺工法

PAGE20黄土隧道施工工艺工法QB/ZTYJGYGF-SD-0511-2011第五工程有限公司胥青松1前言1.1工艺工法概况我国黄土分布面积广、厚度大、层位齐全，具有特殊成分和特定工程地质特性。在特殊的自然条件和地质构造背景下，黄土区形成了塬、梁、峁、阶地等地形地貌。近年来随着国家基本建设力度的加大和西部大开发的深入，为适应日益增长的交通的需求，愈来愈多的公路、铁路将穿越黄土地区，黄土隧道也随之增多。在原有铁路隧道的经验基础上，陆续修建了一些黄土公路隧道、铁路隧道，如西兰公路（312国道）彬县太峪隧道、永坪隧道，甘肃馋（口）兰（州）高速公路新庄岭隧道，神延铁路寺则河隧道、羊马河隧道等二十多座隧道，郑洛高速公路凤凰山隧道等黄土隧道，铜黄高速公路楼子沟隧道；黄延高速公路22座隧道中就有道南隧道、新窑沟隧道等19座黄土隧道。这些工程表明我国在大跨度黄土隧道施工技术取得突破性进展。在黄土地层中修建的隧道（尤其是大跨度黄土隧道）由于一系列技术要求和条件限制，明显区别于石质隧道和其他土质隧道，具有明显的黄土工程特性，在建设中曾发生过规模不等的塌方、渗水、滑塌等工程地质灾害。该工法对黄土隧道施工降低施工风险，确保施工安全有着积极的意义。1.2工艺原理以“新奥法”基本原理为依据，在开挖导坑时尽量减少对围岩的扰动；导坑的断面近似椭圆，避免了应力集中；初期支护采用柔性支护，并及时施工，使断面及时封闭，充分利用了围岩的自承能力，控制围岩变形；进行信息化施工管理，随时掌握施工过程的动态变化，合理安排、调整施工工艺和设计参数，确保施工安全。2工艺工法特点2.1将综合超前地质预测预报和系统监控量测纳入工序管理，较为全面的掌握隧道掘进面前方地质情况、支护系统的变形情况，定岗定责，建立信息反馈、沟通、处置机制，以进行风险预警，避免盲目施工，降低施工风险。2.2将信息化施工理念贯穿施工过程，坚持动态设计、动态施工原则，及时调整施工工艺、方法。2.3能有效的控制围岩变形和地表下沉量。由于采取分部开挖、分部支护封闭，支护体系能及时、充分发挥作用，减少对围岩的扰动，使围岩的变形和地表下沉得到控制。2.4作业安全可靠。本工法开挖断面小，减少了围岩的暴露范围，初期支护及时施工，及时封闭成环，大大减少了垮塌的几率，提高了施工安全。3适用范围本工艺工法适用于地处偏压、浅埋、大跨度、湿陷性黄土的特殊地段。4主要引用标准《客运专线铁路隧道工程施工技术指南》，《客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准》，《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》，现行《铁路施工规范》，《铁路试验规程》。当地气候环境及现场踏勘资料。5施工方法该隧道处于浅埋偏压地段，且进入隧道时埋深仅为6.7～16m，考虑到施工安全性，选用双侧壁导坑法施工。6工艺流程及操作要点6.1施工流程图（见图1）两侧上部开挖两侧上部开挖超前小导管或超前管棚两侧下部初支及侧壁和横撑临时支护两侧下部开挖施作初支、仰拱、填充两侧上部初支及侧壁和横撑临时支护底部开挖、拆除底部横撑拆除侧壁和横撑临时支护防排水及二次衬砌中部下台阶开挖、初支及临时支护中部上台阶开挖、初支及临时支护监控量测打设钻孔、施工水泥土挤密桩图1施工流程图6.2操作要点现场施工分为洞外钢架加工和洞内掘进、钢架安装及喷射混凝土施工。6.2.1钢架加工根据设计图纸选用（GW1-200）型钢冷弯机，按照设计要求和现场实际量测数据确定型钢半径，给型钢操作人员进行现场技术交底，并由技术人员在水泥地板上按1：1的比例放出钢架大样图确定钢架脚板角度、钢架内弧半径、外侧弧长（如图2）。操作人员根据技术交底下料，并分节长度严格按照交底尺寸冷弯制作，焊接脚板，加工螺栓眼，拼大样检查型钢支距和半径，合格后按安装顺序编号；技术人员定期对钢架加工情况进行抽查，发现问题及时反馈并给予改正、改进。加工的拱架要求尺寸准确、弧形圆顺、结构安全可靠，钢架加工的焊接不得有假焊，焊缝表面不得有裂纹、焊瘤等缺陷，钢架垫板严格按照设计所示角度进行焊接。图2钢架大样图6.2.2双侧壁导坑法掘进1施工准备根据围岩情况测土样含水量，观测土质是否与设计相吻合，如符合设计地质条件，遵照设计参数进行施工，如和设计有出入就通知监理单位、设计院及业主进行核实并根据设计院提出意见进行调整设计参数，保证施工质量和安全。检修机械保证施工中机械正常运转，组织掘进班组、运输班组进行施工前安全知识及施工知识学习，进洞施工前签名。2施工工艺流程及工序（如图3，图4）图3施工方案示意图图4双侧壁施工方案图3施工过程双侧壁导坑掘进及初期支护分为6步，双侧壁法掘进支护施工顺序具体图5所示。图5双侧壁法掘进支护施工顺序1部掘进：用挖掘机掘进上部，掘进深度40～50cm，掘进高度和上一榀钢架表面平，剩余10～20cm采用人工+风镐修边，防止超挖。预留核心土长度2m～5m，上部预留1.5～2m高工作面。上部掘进轮廓成型后技术人员放点控制上部N2两侧下脚板位置和拱顶位置。人工配合挖掘机将1步N2、侧壁N6型钢搬到核心土上，人工将1步N2、侧壁部N6钢架采用螺栓连接紧密；同时架设横撑N9，横撑距上部台阶在4～6m（以便挖掘机掘进上部土体）。将钢架安装到测量位置。焊接连接钢管，安装钢筋网片，钻锚杆孔施作锁脚锚管，将锁脚锚管端头和钢架牢固焊接。2部掘进：用挖掘机将两侧中部N3部位掘进到与前一榀型钢表面大概相齐平，掘进高度为接近1部N2脚板上20～30cm，剩余部分用人工修边，并用风镐凿除1部N2底部粘有泥土的松散混凝土，露出新鲜混凝土，保持与上部喷射混凝土有很好的连结。2部掘进轮廓成型后技术人员放点控制两侧2部N3下脚板位置。人工将2部N3、N7型钢搬到位，人工安装N3、N7钢架，钢架之间用螺栓连接紧密；同时架设横撑N10。焊接连接钢管，安装钢筋网片，钻锚杆孔，安装中部砂浆锚杆，钻锁脚锚管孔安装锁脚锚管，将锁脚锚管端头和钢架牢固焊接。3部掘进：用挖掘机将中部N1部位掘进到与前一榀型钢表面大概相齐平，掘进高度为N2脚板上20～30cm，剩余部分用人工修边，并用风镐凿除1部N2脚板处的泥土和松散混凝土，露出新鲜混凝土，保持与上部喷射混凝土有很好的连结。3部掘进轮廓成型后技术人员检查N1钢架脚板与N2连接位置情况。人工将3部N1型钢搬到位，人工安装N1钢架，钢架之间用螺栓连接紧密；同时架设横撑N11。焊接连接钢管，安装钢筋网片。4部掘进：用挖掘机掘进断面，同时架设横撑N12。5部掘进：根据规范要求步长，仰拱距掌子面距离不超过30m。及时安排仰拱掘进。先拆除N10横撑，然后用挖掘机掘进深度距仰拱底10～20cm，剩余部分采用人工掘进，以便有效控制超欠挖，掘进完成经检查断面符合设计要求后安装5部钢架，架设N8钢架与N7及N4钢架，使之钢架结构有效成环，同时焊接连接钢管，5部掘进每循环根据现场实际情况挖1.8～2.4m，掘进后采用栈桥保持车辆通行。6部掘进：先拆除N12横撑，然后用挖掘机掘进深度距仰拱底10～20cm，剩余部分采用人工掘进，以便有效控制超前挖，掘进完成经检查断面符合设计要求后安装6部钢架N5，使N4、N5钢架结构有效成环，同时焊接连接钢管，掘进后采用栈桥保持车辆通行。4现场施工组织1步掘进每循环为0.6m，循环时间为6小时30分钟左右，其中挖掘机掘进、人工修断面1小时后装载机与自卸车配合开始出渣，同时架设钢拱架，待钢架架设完后进行复测，然后进行混凝土喷射施工，喷完两侧1步所用时间为5～6小时。每天施工在合理安排下可完成2个循环。掘进时必须控制掘进预留台阶长度（掘进安全距离），上部核心土长3～5m（大于上台阶高度的1/2）较安全，核心土长度大于5m影响掘进速度，小于3m（小于上台阶高度）不安全；同侧1、2部相差5～8m较安全，左右两侧相差不小于10m；2部和5部相差5～8m，同时2部墙体钢架与侧壁钢架相差不小于2.4m，以确保施工安全。5施工操作误差钢架安装间距要求在±10cm，锚杆间距±15cm，锚杆长度不小于设计长度的95%，钢筋网片搭接长度±5cm，安装钢架垂直度±2°，型钢、网片、连接管之间焊接焊缝应饱满，不应有假焊漏焊现象。6砂质黄土围岩变形与现场施工情况该段为风积砂质Ⅲ～Ⅳ级自重湿陷性黄土，湿陷性土层厚度约为22m，浅宗黄色，掘进后易风化，掘进后2～5小时以上掉块较多，因此掘进后应及时喷浆，必要时用混凝土封岩面。根据现场实际测量结果显示：双侧壁导坑法掘进后初期支护稳定性较强，其水平收敛量及拱顶下沉量均很小，都小于10cm，而且没有突变现象。6.2.3喷射混凝土施工1施工前准备工作喷射混凝土工作是双侧壁导坑法施工的关键工序，工作环境较差，则要求操作人员必须戴口罩、防腐手套等必须的防护用品。秦东隧道选用湿喷工艺，因双侧壁导坑法施工工作面较小，则在配备湿喷机时选用的是2台TK500型湿喷机。钢拱架安装完毕后用挖掘机将2部靠近1步位置进行压实、整平，人工配合挖掘机将湿喷机移到指定位置，在湿喷机后铺3m宽钢板用于堆放拌和好的混凝土料。施工人员进入工作面，安装风管、安装喷射管路，并对二次喷射面上的浮土和网片上掉块进行清理。2拌和喷浆料选用合格砂、石料、水泥、微纤维、水按照施工配合比采用全自动电子计量系统上料，强制式拌和机进行拌和，用水泥搅拌运输车运输到现场。3喷混凝土施工每台湿喷机配备喷射手2人（主喷射手1人，副喷射手1人），操作机械手1人，上料2人。每台湿喷机安装喷射管16米，要求风压为0.4～0.5MPa，采用速凝剂泵自动添加液体速凝剂，参加剂量控制在水泥重量的3%～4%。先对各部位进行初喷4cm,然后由2名喷射手对上部型钢由两侧底脚板处向拱顶依次呈“S”形喷射混凝土，另2人对下部型钢从底脚板处向上依次呈“S”形进行喷射。每次喷射厚度：墙部达到型钢一半左右，拱部为型钢厚度的1/3时才能向上移动，等下部凝固后再次重复喷射直到喷射厚度达到设计要求。对仰拱初期支护喷射混凝土时，采用2台湿喷机，两侧导坑各1台，一次性喷射厚度达到设计要求。喷射混凝土要点：喷混凝土时喷枪头距喷射面距离控制在1.5m左右，墙部喷混凝土时喷嘴应稍微下俯10°左右，拱部喷混凝土时喷枪与岩面垂直。一次喷射混凝土厚度为墙部10cm左右，拱部6cm。上部采用1台湿喷机，拱部每循环喷射混凝土厚度为型钢的一半，剩余部分在下一个循环喷完，对于喷射混凝土回弹量则上部控制在20%以内。中部应在本循环喷到设计要求厚度，回弹量控制在10%以内。喷射混凝土作业时应加大通风量，保证施工人员正常工作所需新鲜空气。喷混凝土结束后应对墙面进行修整，并将空鼓部分敲掉重新补喷，保证工程质量和施工安全。喷混凝土完毕后应及时清理管道及湿喷机内残留混凝土，保证再次使用的正常性及完好性。6.2.4临时支护拆除1水平横撑拆除仰拱掘进前应先拆除第2部水平横撑N10，拆除长度应与仰拱掘进长度一致，左右两侧可以同时拆除，但是严禁超长度拆除，以保证仰拱未施工段的完好结构，提高前方施工的安全性。对左右导坑水平横撑拆除采用氧焊割断水平横撑N9与N2间的连接处，中导坑不需要割断。2双侧壁拆除在挂设二衬防水板前拆除双侧壁，拆除长度根据施工现场情况进行选择。秦东隧道进口洞口段处于浅埋、偏压、大断面、湿陷性黄土的特殊地段，而且双侧壁导坑过渡到CRD法施工CRD导坑段出现塌方，在施工双侧壁导坑拆除进行衬砌施工是在处理塌方的同时进行的，因此在拆除双侧壁时考虑到施工安全洞口段采用短距离拆除，同时衬砌施工也采用短距离施工，衬砌防水板挂设及钢筋施工运用模板台车前进端加长至3m作为施工平台。因此第一次拆除长度＝衬砌长度4m+施工平台长度3m；第二次拆除长度＝衬砌长度6m+施工平台长度3m。第三次拆除长度＝衬砌长度10m+施工平台长度3m。在拆除过程中加强监控量测，如发生异常现象则根据变化情况进行调整拆除长度，紧跟衬砌施工。双侧壁拆除按自上而下、洞口至洞内拆除的原则进行。利用中导坑水平横撑上满铺木板，木板上搭设脚手架作为拆除平台，人工配合风镐凿除双侧壁初支混凝土，并用氧焊割断双侧壁最顶端和最下端钢架，拆除采用人工配合挖掘机逐榀拆除。在拆除时要合理选择挖掘机距双侧壁的纵向距离，则所用的拆除钢丝绳不得小于10m长以保证拆除的安全。拆除后的钢架经改装后作为仰拱初支钢架使用，混凝土废碴弃运至弃碴场。拆除过程中应特别注意洞内行车及作业人员安全，做好安全防护和警戒，对洞内纵向中埋式止水带及二衬钢筋设置保护措施，严禁拆除物损坏纵向止水带和钢筋。同时加强监控量测的测量频率以及洞顶地表的量测变化，为拆除施工提供准确、及时的信息，正确指导施工。7主要机具设备双侧壁导坑法掘进用配套机械多，施工时合理安排机械与人工的相互配合不但可以加快施工进度同时还可以节约成本。选用合适的机械，以便最大效率发挥机械性能，保证工程进度和工程成本双赢。（见表1主要机械表）表1主要机械表机械名称型号单位数量备注挖掘机现代130LC－5台1用于掘进装载机ZL50台1用于出渣及倒运材材料装载机XG953C台1用于拌合站上料自卸车解放车辆3用于出渣混凝土搅拌运输车车东风辆2用于混凝土运输空压机20m3/miin台3用于掘进、喷混凝凝土供风拌和站20m3/h座1用于生产混凝土工字钢弯曲机GW1-200台1钢架加工湿喷机TK500台3喷射混凝土通风机130KW台1隧道通风输送泵HBT60A－1140A台1衬砌混凝土施工8劳动力组织由于黄土隧道施工进尺段，只一个工作面，人员安排多则浪费，安排少则不能正常工作，人员配置很重要，通过实践，总结出比较理想的人员配置。（见表2人员配置表）表2人员配置表人员数量职责工区长1人全面管理工作总领工1人主管现场管理工作作及生产工作作技术主管1人负责工地技术管理理工作技术员3人完成现场技术工作作及施工资料料安质员2人施工安全及质量工工作试验员2人工区原材料质量及及施工试验工工作领工员3人现场生产工作材料、财务3人负责财务及材料管管理工作掘进班42人（6个班）配合挖掘机掘进和和钢架安装工工作喷浆班30人（3个班）完成初支喷浆工作作型钢加工班12人加工钢架、临时支支护钢架拆除除出渣班10人出渣测工班2人现场测量放样电工通风班2人负责现场风、电、管管路工作拌和站6人拌和混凝土及拌合合机械保养、维维修衬砌班10模板台车保养，衬衬砌混凝土施工、预预埋件安装钢筋班10人衬砌及综合接地钢钢筋安装、止止水带安装综合班5人洞内、外文明施工工，配合三管管两线施工9质量控制9.1易出现的质量问题因该隧道施工处在偏压、浅埋、大跨度、湿陷性黄土的特殊地段，在监控量测过程中发现初期支护拱顶下沉、水平收敛及地表下沉没有规律性，对后期二次衬砌断面尺寸影响较大。9.2保证措施1按原设计参数施工后隧道初期支护结构出现较大变形，拱腰及拱脚掉块较为严重，为控制围岩变形，加强了支护参数：拱脚放大脚由设计80cm增加至120cm；拱脚锁脚小导管由设计每处2根增加至4根；墙脚槽钢下增加30cm×50㎝×10㎝混凝土垫块。这样有效的控制初期支护结构变形，围岩水平收敛及拱顶下沉未出现突变现象。2在特殊地段增设量测点，加强量测工作，真实反应施工工作面的围岩水平收敛、拱顶下沉及地表下沉变化规律。10安全措施10.1主要安全风险分析施工段地处偏压、浅埋、大跨度、湿陷性黄土地段，湿陷性黄土在自重压力或外力荷载压力不变时，受水浸湿后结构迅速破坏，产生急骤显著附加下沉，因此在掘进时土体容易发生坍塌。10.2保证措施10.2.1隧道施工预防坍方，应按照选择安全合理的施工方法和措施，在掘进到地质不良地段时，应采取“先预报、短开挖、强支护、早封闭、快衬砌、勤量测”的施工方法，制定出切实可行的施工方案和安全措施。10.2.2加强坍方预测。为了保证施工作业的安全，及时发现坍方的可能性及征兆，并根据不同的情况采用不同的施工方法及控制坍方的措施，必须在施工阶段进行坍方预测。预测坍方有下列方法：包括地质超前预测预报；工作面钻孔探察；定期不定期观察洞内围岩的受力及变形状态；检查支护结构是否发生了较大变形；观察岩层的层理、节理裂隙是否变大；喷混凝土是否发生脱落。加强初期支护，控制坍方，当开挖出工作面后，应及时有效地完成喷锚支护或喷锚网联合支护，并应考虑采用早强喷射混凝土、早强锚杆和钢支撑支护措施等,必要时采用超前小导管预支护进行先护后挖。10.2.3加强围岩监控量测，施工过程中通过洞内、外观测，水平净空收敛、拱顶下沉、浅埋段地表下沉、隧底隆起等量测数据，分析、判断围岩变化，及时调整支护参数或施工方案，预防坍塌，确保施工安全。11环保措施11.1配备有效的污水处理设施，设置沉砂池、沉淀池、过滤池、隔离池等对施工产生的废水、污水、泥浆等处理达标后排放。11.2设备选型以择低污染设备为主，并安装空气净化系统；运输易飞扬的物料时用蓬布覆盖严密；营地内道路及主要进场便道采用硬化路面，靠近村镇的路段根据情况经常洒水，避免灰尘飞扬。11.3生活垃圾集中堆放，统一管理；报废材料及时处理；对于施工中废弃的水泥袋、包装箱等及时收集清理，以保护自然环境与景观不受破坏。11.4对使用的工程机械和运输车辆安装消声器并加强维修保养，经居住场所时应减速慢行，不鸣喇叭。在比较固定的机械设备附近，修建临时隔音屏障，减少噪音传播。11.5对工程施工范围内的植被要进行保护，工程结束后应对所有施工用地进行工程垃圾清除，复耕绿化。12应用实例12.1工程简介秦东隧道是郑西铁路客运专线ZXZQ10标段的主要工程，位于陕西省潼关县境内。隧道起讫里程为DK333+312～DK340+996，全长7684m，设计为座双线大跨黄土隧道。最大掘进宽度15.2m，最大掘进高度13.18m，Ⅳ级围岩掘进断面面积为155.08㎡，V级围岩掘进断面面积为163.81㎡。隧道正洞内围岩主要为砂质黄土，在远望沟附近穿越粉质黏土地层，隧道洞身最大埋深200m，最小埋深为-0.6m（远望沟沟心段）。全隧道累计Ⅳ级围地段长7300m，Ⅴ级围岩长384m。为满足施工工期要求，设计有三座斜井作为辅助坑道：其中1#斜井斜长992m，坡度为10%，与线路平面夹角为85°；2#斜井斜长1084m，坡度为8%，与线路平面夹角为90°；3#斜井斜长337m，坡度为10%，与线路平面夹角为65°，并且3号斜井设计为紧急救援通道。该隧道采用进口、3个斜井、出口共五个工区八个工作面平行施工。该隧道设计DK333+390～+465段为浅埋偏压段，埋深6.7～16m，采用V级围岩初支参数：喷锚初期支护，全断面设I25a型钢钢架，间距1榀/0.6m，拱部设φ42超前小导管（l-4.5m，环向间距40cm，外插角5～10°，搭接长度≥1.5m），小导管内充填M20水泥砂浆；初期支护完成后仰拱紧跟，在仰