土夹石围岩隧道施工工法

土夹石围岩隧道施工工法第一页，共51页。1、前言土夹石围岩极易坍塌变形，有时土砂常与水一齐涌出，浅埋时易坍塌至地表。因此、施工难度较大，选择先进、科学、合理的施工方法至关重要。我项目部对土夹石围岩隧道经过技术攻关、应用超前导管注浆预支护、三台阶七步短台阶留核心土环向人工配合小型挖掘机开挖掘进；锚、网、喷联合支护、量测监控；仰拱超前施做、全断面衬砌紧跟；短开挖、紧支护、勤量测、早封闭、快衬砌施工技术在宋家梁隧道实施，确保了安全、质量和工期。在张唐铁路项目取得了较好的信誉和效益，经总结整理形成本工法。第二页，共51页。2、工法特点2.1、三台阶七步短台阶留核心土环向开挖，锚、网、喷联合支护，仰拱超前施做，全断面衬砌紧跟施工，确保隧道施工安全优质高效。2.2、短台阶开挖、快衬砌、早封闭，施工作业虽空间小、但满足小型挖掘等机械平行施工作业，减少了对围岩的扰动。

2.3、适应不同跨度和不同断面形式，不需架设及撤除临时支护，所需人员、设备少，工艺可操作、易推广、省投资。3、适用范围本工法适用于铁路、公路土夹石围岩隧道施工；对大跨度地下工程及其它交通、水利水电、工业民用建筑工程施工亦有参考价值。第三页，共51页。4、工艺原理三台阶七步短台阶留核心土作业法是采用短台阶，分步平行开挖，分步平行施作拱墙初期支护，保护围岩的自然承载力，有效抑制围岩变位，失稳，经监控量测信息化反馈指导施工，及时调整支护参数和混凝土衬砌施工时间。5、施工工艺流程及操作要点5.1工艺流程第四页，共51页。转入下一道工序整体模筑衬砌整体模筑衬砌转入下一道工序初期支护开挖上、中、下台阶预留核心土左右错开开挖中台阶，施作初期支护左右错开开挖下台阶，施作初期支护超前支护

测量放样施作仰拱施作仰拱填充围岩稳定性评判、修正支护参数

分段开挖隧底，施做初期支护

断面检查否满足整体模筑衬砌第五页，共51页。第六页，共51页。图5.1-2开挖步骤图

衬砌

仰拱栈桥第七页，共51页。施工步骤：第1步：施作超前支护后，开挖拱部弧形导坑，预留核心土，施作拱部初期支护；第2、3步：开挖左右侧中台阶并施作初期支护；第4、5步：开挖左右侧下台阶并施作初期支护；第6步：分别开挖上、中、下台阶核心土；第7步：开挖隧底并施作仰拱初期支护封闭成环图5.1-3开挖透视图第八页，共51页。图5.1-4施工工序

第九页，共51页。5.2施工步骤5.2.1、超前支护1注浆参数设计超前小管在拱部131.4°范围内设置长3.5m的φ42超前小导管，t=3.5m，环向间距33cm，每2榀格栅施作一环，其纵向搭接长度不小于1.0m（图5.1-4），注浆材料为1：1水泥浆，注浆压力0.5～1.0Mpa，注浆量以单孔注浆量及扩散注浆量计算，采用经验公式，并根据实验取得适合的各项工艺参数。

Q=πR12Lβ+πR22LNαβ（5.2.1-1）式中：Q――设计注浆量m3R1――注浆小导管内径mR2――浆液扩散半径mL――设计注浆孔深mN――围岩空隙率：取0.15～0.20

α――浆液填充系数：取0.7～0.8

β――浆液有效增长系数：取1.1第十页，共51页。超前小导管注浆设计参数表5.2.1-1序号项目单位参数备注1注浆终压Mpa0.5-1.02小导管内径mm353扩散半径m0.34导管间距m0.335导管外插角10°－15°6注浆孔深m3.507水泥浆浓度0.5:1-2:18水泥#4259单孔注浆量M30.15－0.18第十一页，共51页。图5.2.1-1超前支护示意图第十二页，共51页。2预注浆施工超前支护施做严格控制间距，岩体中注入浆液并确保浆液饱满；在确保浆液饱满的同时具有一定的扩散性；充分发挥其超前支护“棚架”作用。注浆前先将掌子面初喷5㎝混凝土，形成止浆墙，用YT28凿岩机钻孔，钻头直径40cm。为防止小导管注浆口损伤，采用自制长20cm的套管连接于凿岩机上，撞顶注浆管环，确保小导管按设计要求安装到位。注浆次序自两拱脚向拱顶顺序进行。压浆时根据注浆参数来控制注浆压力，若个别注浆孔注浆不通畅而被提前终止，可在临近孔内适当加压补浆。全部注浆完成后，间隔2小时即可进行钻孔检查注浆。检查开挖轮廓线周围的围岩固结情况，同时弥补上一次注浆时浆液末达到的注浆死角。第十三页，共51页。5.2.2掘进开挖三台阶七步短台阶留核心土环向开挖施工步骤见(图5.1-2)，开挖透视图(图5.1-3)，施工工序见(图5.1-4)所示。第1步，上部弧形导坑开挖：在拱部超前支护后进行，环向开挖上部弧形导坑，预留核心土，核心土长度宜为3～5m，宽度宜为隧道开挖宽度的1/3～1/2。开挖循环进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5 m，开挖后立即初喷4cm混凝土。上台阶开挖矢跨比应不大于0.3，开挖后应及时进行喷、锚、网系统支护，架设钢架并复喷至设计厚度。第2、3步，左、右侧中台阶开挖：开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5 m，开挖高度一般为3～3.5m，左、右侧台阶错开2～3m，开挖后立即初喷4cm混凝土，初喷混凝土后及时安装系统锚杆，挂钢筋网，接长钢架并复喷至设计厚度。第十四页，共51页。第4、5步，左、右侧下台阶开挖：开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5m，开挖高度一般为3～3.5m，左、右侧台阶错开2～3m，开挖后立即初喷4cm混凝土，初喷混凝土后及时安装系统锚杆，挂钢筋网，接长钢架并复喷至设计厚度。第6步，上、中、下台阶预留核心土开挖：各台阶分别进行，台阶开挖长度宜为3～5m，上台阶高度为1.5～2.5m，中、下台阶高度为3～3.5m。第7步，隧底开挖：开挖长度宜为2～3m，开挖后及时施作仰拱初期支护，完成两个隧底开挖、支护循环后，及时施作仰拱，仰拱分段长度宜为4～6m。5.2.3初期支护初期支护由喷射混凝土、锚杆（管）、钢筋网和钢架等组成，各部分联合受力。初期支护应在开挖后立即施作，以保护围岩的自然承载力，其施工工艺流程见(图5.2.3-1)。第十五页，共51页。清理岩面初喷混凝土封闭岩面施作系统锚杆，挂钢筋网安装钢架复喷混凝土至设计厚度围岩量测数据分析、反馈

开挖图5.2.3-1初期支护施工工艺流程第十六页，共51页。1

初喷混凝土封闭岩面1）初喷混凝土应在开挖后立即进行。2）用高压风自上而下吹净岩面，埋设控制喷射混凝土厚度的标志钉。3）喷射混凝土必须满足设计强度、厚度及其与岩面粘结力要求。4）喷射作业应分段分片依次进行，喷射作业从拱脚或墙脚自下而上进行，这也是避免上部喷射回弹料虚掩拱（墙）脚；先找平凹洼部分，后喷射凸出部分，各部平顺连接。喷头应与受喷面垂直，喷嘴口至受喷面距离宜保持在1.0～2.0m，沿水平方向以螺旋形划圈移动。2

系统锚杆、钢筋网施作1）初喷混凝土后应及时施作锚杆，锚杆必须设置垫板。隧道拱部系统锚杆为φ25中空锚杆，边墙为φ22砂浆锚杆。第十七页，共51页。2）加强拱（墙）脚锁脚锚管施工，各台阶每单元钢架拱（墙）脚处左右均应设置锁脚锚管，锁脚锚管为φ42mm，壁厚5mm，长度为4m，上台阶每拱脚处设置4根，中台阶、下台阶每拱脚处设置2根，钻孔角度为45°，以控制基脚变形。3）钢筋网采用纵向为φ8环向为φ6的HPB235钢筋制作，网格尺寸采用20cm×20cm，搭接长度为1～2个网格，网片间采用焊接方式连接。4）钢筋网随受喷面起伏铺设，其间隙不应大于3cm，钢筋网应与锚杆、钢架连接牢固，且钢筋保护层厚度不应小于4cm。3钢架安装1）拱部单元安装工序：放样确定钢架基脚位置→施作定位锚杆→架设钢架→布设纵向连接筋。第十八页，共51页。2）墙部单元安装工序：墙脚部位铺设槽钢垫板→施作定位锚杆→对应拱部单元架设墙部钢架单元→布设纵向连接筋。连接筋在确保根数不变的情况下，略增加其长度，改变“一”字型的连接为“之”字型的连接方式，使拱架相互间形成桁架效应，提高拱架与拱架之间相互牵制性。拱、墙部钢架单元采用栓接的方式连接。3）施工注意事项及要求：①钢架拱（墙）脚应架设在稳固的基岩上或底部铺垫槽钢，以保证钢架基础稳固。安装前应清除基脚下的虚碴、虚土及杂物。②钢架安装允许偏差：钢架间距、横向位置和高程与设计位置的偏差不超过±5cm，垂直度允许偏差为±2°。③钢架应与纵向连接筋、锁脚锚管焊接牢固，以增强钢架的整体稳定性。第十九页，共51页。④锁脚锚管施工应作为施工质量控制的重点，锁脚锚管通过U筋与钢架焊接牢固。钢架连接板采用栓接牢固连接。⑤钢架和初喷混凝土间有较大间隙时，每隔2m应采用骑马或楔形垫块顶紧；钢架与围岩的间隙不应大于5cm。4喷射混凝土厚度应符合设计要求，二次复喷混凝土应分层喷射，每层厚宜为5～6cm。喷射混凝土表面应平顺，无空鼓、裂缝、松酥，平整度宜采用2m靠尺检查，允许偏差为侧壁5cm、拱部7cm。喷混凝土采用潮喷工艺，使得喷射混凝土紧密和围岩相粘结，无论超挖多严重，严禁在喷混凝土内部填塞片石，确保监控量测数据的真实可靠性。5.2.4施做仰拱及填充第二十页，共51页。隧底开挖应采用全幅分段施工，上面铺设仰拱栈桥，每循环开挖长度宜控制在2～3m。每开挖一段及时施做一段仰拱，确保仰拱施做及时紧跟开挖面，使初期支护及早封闭成环。仰拱开挖时监控量测随时进行观测。当仰拱施工滞后下部台阶开挖面30～40m时，应停止前方工作面开挖。隧底开挖后，应及时清除虚碴、杂物、泥浆、积水，立即初喷4cm厚混凝土封闭岩面，按照设计要求安装仰拱钢架，复喷混凝土至设计厚度，使初期支护及时闭合成环。仰拱应超前拱墙衬砌，每循环浇筑长度宜为4～6m，仰拱应采用浮放模板支架成型。仰拱混凝土分段全幅浇筑，一次成型，不留纵向施工缝，仰拱施工缝和变形缝应设置止水带。仰拱表面应平顺，不积水。第二十一页，共51页。仰拱填充混凝土应在仰拱混凝土终凝后浇筑，浇筑前应清除仰拱表面的杂物和积水，连续浇筑，一次成型，不留纵向施工缝。填充混凝土强度达到5MPa后允许行人通行，达到设计强度的100％后允许车辆通行。仰拱填充表面坡度应符合设计要求，应平顺、排水通畅、不积水。

5.2.5围岩量测加强监控量测指导施工，修正支护参数，监控量测采用8点测量法，布点：每5m设一个量测断面。每次测试成果后及时绘制变形散点图，以分析初期支护的可靠度，随时掌握支护变形的动态。采用无尺量测进行隧道洞内拱顶下沉和周边收敛量测。对施工过程中围岩及支护结构的稳定状态进行动态跟踪，合理安排施工工序，及时根据量测结果调整支护工艺参数。第二十二页，共51页。监控量测工作必须紧跟开挖、支护作业进行布点和监测，量测数据可运用工程类比法及时分析反馈，必要时应根据分析结果调整支护参数，以保证施工安全。量测项目可分为必测项目和选测项目，必测项目见（表5.2.5-1），选测项目可结合工程实际情况，按照《铁路隧道监控量测技术规程》的规定选取。监控量测必测项目表5.2.5-1第二十三页，共51页。序号监测项目测量方法和仪表测量精度备注1洞内、外观察

现场观察，地质罗盘仪2初期支护拱（墙）脚净空变化

采用非接触无尺量测法，全站仪0.1mm3初期支护拱顶下沉

采用非接触无尺量测法，全站仪0.1mm4

地表沉降

水准测量的方法，水准仪1mm浅埋隧道（H0≤2b）洞口段、下穿高速公路（建筑物）段必测5仰拱变化观测水准测量的方法，水准仪1mm选测项目第二十四页，共51页。注：H0—隧道埋深；b—隧道最大开挖宽度。净空变化量测测点布置和初读数的读取应符合下列规定。测点、测线布置详见（图5.2.5-1）。图5.2.5-1净空变化测点布置第二十五页，共51页。1上部弧形导坑开挖后，布设拱顶下沉测点A和第一条净空量测基线B—B’，并施作拱部初期支护后3～6h内取得初读数；2中台阶开挖后，布设第二条净空量测基线C—C’，并施作上部边墙初期支护后3～6h内取得初读数；3下台阶开挖后，布设第三条净空量测基线D—D’，并施作下部边墙初期支护后3～6h内取得初读数；4隧底开挖后布设仰拱观测点E并及时施作初期支护；5其它量测项目应在开挖后12h内取得初读数，最迟不得超过24h，且在下一循环开挖前完成；6拱（墙）脚净空变化、拱顶、仰拱和地表观测点应布设在同一断面，便于分析、比较。各测点取得初读数据后，应按照位移速度和量测断面距开挖面距离选择量测频率（表5.2.5-2）。当出现异常情况时，应加大量测频率。第二十六页，共51页。

量测频率表5.2.5-2位移速度距开挖面距离位移速度（mm/d）量测频率量测断面距开挖面距离（m）量测频率≥52次/d（0～1）B2次/d1～51次/d（1～2）B1次/d0.5～11次/2～3d（2～5）B1次/2～3d0.2～0.51次/3d＞5B1次/7d＜0.21次/7d注：1、B—隧道开挖跨度。

2、当按照“位移速度”和“量测断面距开挖面距离”选择量测频率出现较大差异时，宜取量测频率较高的实施。第二十七页，共51页。量测数据整理及位移--时间变化曲线绘制应符合下列规定。1量测数据整理时，应将原始数据按照大小顺序，用频率分布的形式显示出一组数据分布情况，进行数据的数字特征计算以及离散数据的取舍。2绘制位移--时间变化曲线，通过回归分析预测最终位移值和各阶段的位移速率。具体方法见下（如拱顶下沉）：1)将量测数据输入计算机系统，绘制位移--时间变化曲线(U-t曲线)，见（图5.2.5-2）；2)若U-t曲线如图（a）所示趋于平缓，通过数据处理或回归分析，可推算最终位移值，掌握位移变化规律；3)若U-t曲线出现类似图（b）所示情况，变形有加快发展趋势，表明围岩和支护处于不稳定状态，应停止前方开挖面掘进，加强支护；第二十八页，共51页。图5.2.5-2位移—时间变化曲线示意图第二十九页，共51页。3一般情况下，采用三台阶七步开挖法施工时，围岩与支护变形有以下规律：开挖中台阶时，A点和B—B’基线位移会发生突变，中台阶墙部初期支护施作完成后，变形趋于平缓；开挖下台阶时,A点和C—C’基线位移会发生突变，下台阶墙部初期支护施作完成后，变形趋于平缓；开挖隧底时，A点和D—D’基线位移会发生突变，仰拱初期支护施作完成，支护全环闭合后，变形趋于平缓。位移控制基准应根据测点距开挖面的距离，由初期支护极限相对位移按（表5.2.5-3）要求确定

第三十页，共51页。

位移控制基准表5.2.5-3类别距开挖面1B（U1B）距开挖面2B（U2B）距开挖面较远允许值65%U090%U0100%U0注：B—隧道开挖宽度；

U0—极限相对位移值，可根据隧道的开挖宽度、埋深，按照不同的围岩等级，参照《铁路隧道监控量测技术规程》或通过工程类比确定。第三十一页，共51页。5.2.6全断面衬砌二次衬砌应在围岩和初期支护变形趋于稳定的条件下进行衬砌作业。隧道开挖以后，岩层原有的稳定状态被破坏，下沉不可避免，如果此时就衬砌紧跟，最易导致衬砌受围岩收敛挤压变形而裂缝，形成病害。选择衬砌设备，采用大模板自行式台车衬砌，用泵送混凝土浇筑二衬衬砌混凝土。6、劳力设备详见（表6-1）、（表6-2）第三十二页，共51页。单作业面施工作业人员配备表6-1序号作业项目作业内容人数1开挖（24人）风镐手4风枪手12挖掘机司机2自卸车司机62初期支护（35人）制作钢架8安装钢架、格栅10喷射手3喷射机司机3喷射机上料6搅拌机司机2搅拌机上料33技术及测试（6人）技术员1试验员1测量班长1测量工34二衬仰拱、拱墙混凝土浇筑15合计90第三十三页，共51页。

单作业面施工机具配备表6-2序号作业项目机具设备名称规格型号单位数量备注1开挖电动压风机20m3/min台5高压供风双液注浆机4m3/h台2注浆风镐G10台8开挖修边风动凿岩机YT-28台15系统锚杆、超前支护、局部爆破钻眼挖掘机小松220台1开挖、装碴挖掘机现代60台1开挖自卸车20t辆6出碴装载机ZL-50辆2装碴泥浆泵100m3/h台2排水2初期支护钢筋切断机QJ40—1台1加工钢筋钢筋折弯机40台1加工钢筋电焊机BX—300台5加工钢架、格栅及其他钢构件电焊机BX—400台2加工钢构件台式钻床SP-25A台1加工钢构件搅拌机JS500台2拌合混凝土湿喷机TK600台3喷射混凝土3量测仪器全站仪徕卡TC802台1水准仪PENTAXAP-128台1铟钢尺个24通风通风机SDF-No12.5台12×110kw第三十四页，共51页。7、质量控制

7.1对浅埋、软岩、大断面隧道进洞时的边坡仰坡要注意保护。无论采取什么样的方法进洞，一定要做到心中有数，绝对安全，要经得住雨水冲刷，否则不能进洞。

7.2软岩隧道用人工开挖时，对围岩少扰动，上台阶每0.75m一榀钢架支撑，每一循环进行喷锚支护，拱架与拱架要“之”字型连接。7.3隧底封闭与掌子面之间的距离最大不能超过35米，如果工序能拉开最好控制在20米以内，拱部和边墙之间10米的距离为最佳，左边墙和右边墙的距离5米最佳，禁止同时掘进。7.4勤观察、勤量测，发现问题及时采取措施，用量测所得的数据指导下步施工，早封闭成环，使支护体系均匀受力，衬砌紧跟是软弱围岩隧道安全施工的最有效办法。第三十五页，共51页。7.5严格技术交底制度。交底前技术人员须进行换手复核，交底到位；施工时严格“三检”制度。上道工序不合格，不准进入下一道工序施工，确保各个工序施工质量。7.6进行“五不施工”和“三不交接”，即未进行技术交底不施工、图纸及技术要求不清楚不施工、测量桩位和资料未经换手复核不施工、材料无合格证或试验不合格不施工、上道工序未经检查签证不施工；无自检记录不交接、未经专业技术人员验收合格不交接、施工记录不全不交接。8、安全措施8.1监控量测。用8点测量法，布点：每5m设一个量测断面。每次测试成果后及时绘制变形散点图，以分析初期支护的可靠度，随时掌握支护变形的动态。根据观测结果，适当调整预留沉降量，保证二次衬砌厚度。施工中监控量第三十六页，共51页。

测应注意的事项如下：一是为获取开挖后围岩早期状态变化数据，观测点应尽量靠近开挖面布置（不大于2m），开挖后24h内或下次开挖前，读取初次数据。二是周边收敛、拱顶下沉和地表下沉观测点应尽量集中在同一断面布设，以便量测结果的分析和综合运用。8.2超前支护。为保证开挖工作面稳定，防止开挖时出现坍塌，严格按设计要求施做超前小导管的超前支护措施。其直径42mm，长3.5m，环向间距33cm，外插角5°～10°。首先将工作面整平，紧贴工作面支设一榀格栅钢架，用锁脚、定位锚杆将其固定，沿断面外轮廓设置一环超前小导管，其尾端与钢架焊为一体。8.3及时封闭仰拱及施作二次衬砌。根据量测，混凝土初期支护完成后，为避免继续变形，应及时封闭仰拱。变形趋于稳定后施作永久支护二次衬砌。第三十七页，共51页。8.4预防塌方。开挖过程中应遵循短进尺、强支护原则，随时观察土质情况，发现土质疏松、节理发育，应调整循环进尺，加密超前钢管数量，及时进行一次衬砌，缩短开挖与衬砌间隔时间。如果发生塌方，必须用同强度等级混凝土填塞密实。8.5认真贯彻“安全第一，预防为主”方针，做到把安全工作当作永恒的主题，施工中主要做到：

8.5.1建立健全安全管理机构组织和监督机制、作好安全教育和岗前培训工作。

8.5.2建立安全岗位责任制，特种人员必须经培训持证上岗，设置专职的安全总监，明确责、权、利，抓好现场管理，搞好文明安全施工。9、环保措施第三十八页，共51页。文明施工，保护生态环境，施工时教育全员，全面规划，合理布局，变害为利。

9.1施工中要严格按设计文件办理，不超范围使用耕地、树木、植被和其它设施。

9.2生活污水垃圾就近挖坑储放，禁止