隧道及地下工程“眼睛法”施工工法

隧道及地下工程“眼镜法”施工工法（TLEJGF-91-12）前言隧道和地下工程惯用的钻爆施工办法,有全断面一次开挖法、全断面分部开挖法和先拱后墙法三大类。“眼镜法”是分部开挖法的一种,这种施工办法是:先在隧洞两侧各开挖一种导坑,并施作早期支护形成封闭环,然后进行拱部环形开挖与支护,接着开挖中间核心土,最后进行全断面一次模筑混凝土衬砌。由于该法采用分部开挖,分部封闭,自下而上地完毕开挖、支护和衬砌,减少了对围岩的扰动,使围岩的变形得到有效控制。我局与铁道部第三勘测设计院合作,在大秦铁路西坪隧道第四系中更新统沉积的老黄土并夹有碎石土和卵石土层E类围岩中,完毕了“眼镜法,,设计与施工技术的研究实验,获得了成功经验。1987年“眼镜法,,通过了技术鉴定,并于同年获铁道部工程指挥部科技成果特等奖,1988年获铁道部科技进步三等奖,1990年被建设部评为全国施工新技术优秀项目。该施工法在大秦铁路二期工程景忠山隧道得到推广应用。现在,“眼镜法"在北京西单地铁车站浅埋暗挖法施工中,又得到进一步发展,逐步形成本工法。一、工法特点“眼镜法,,工法与传统的双侧壁导坑法相比,区别在于:“眼镜法,,引进了新奥法的基本原理,采用格栅拱网喷混凝土柔性支护作为重要支护手段,以维护和运用围岩的自承能力,使围岩成为支护体系的构成部分,并通过围岩和支护的量测监控来指导施工;而传统的双侧壁导坑法则是以散粒体的松散压力概念为基础,采用强大支撑,不考虑围岩的自承能力,也没有采用系统量测监控等信息化施工管理手段。工程实践表明,本工法含有下列重要特点:1.能有效地控制围岩变形和地表下沉量。由于采用分部开挖、分部支护封闭,支护体系能及时、充足地发挥作用,减少对围岩的扰动,使围岩的变形和地表下沉量得到控制。2.作业安全可靠。本工法充足运用中间核心土的支撑作用,以格栅网喷混凝土为支护手段,自下而上逐步完毕开挖、支护和衬砌作业,使拱部开挖后的支护构造坐落在结实结实的基础上,没有下沉塌落之虞,从而提高了施工的安全度。3.格栅支撑与挂网、喷混凝土相结合的柔性支护,能较好地适应围岩的变化,并且支护刚度能随喷混凝土强度的增加而增大,使支护构造与围岩形成一种整体,充足发挥围岩本身的承载能力。4.应用量测监控等信息化管理办法作为指导设计施工、拟定工艺参数的根据,通过信息反馈,使整个施工过程处在受控状态。5.施工作业简便,不需要专用机械设备,适合我国国情,容易推广使用。6.超前开挖的双侧导坑,还可起到预报地质的作用。二、合用范畴本工法合用于I、Ⅱ类围岩无水(或少水)的多个软弱土质、砂质、膨胀性土等隧道和地下洞室的施工,对于浅埋、大跨度的松软围岩以及地表下沉量规定严格的隧道和地下工程尤为合用。三、施工工艺(一)工艺原理“眼镜法"是以新奥法的基本原理为根据,在开挖导坑时尽量减少对围岩的扰动;导坑的断面形状近似椭圆,周边轮廓圆顺,以避免应力集中;早期支护采用格栅支撑与挂网铺喷混凝土相结合的柔性支护体系,并及时施作,使断面及早闭合,以充足运用围岩本身的承载能力,控制围岩的变形;建立一整套围岩支护构造监控量测系统,进行信息化施工管理,随时掌握施工过程中的动态变化,合理安排、调节施工工艺和设计参数,确保施工安全。(二〉施工程序(见图1)1.先开挖两个侧壁导坑,每个导坑分上、下两层,并施喷一次早强混凝土(厚度5-7cm);2.安设导坑格栅支撑,上部打入局部铺杆,挂网施喷二次混凝土(厚度13-15cm),使导坑支护封闭;3.人工开挖环形拱部,并施喷一次旱强混凝土(厚度5-7cm);4.安设拱部格栅支撑(下部与侧壁导坑格栅连接),挂网喷二次混凝土(厚度18-20cm〉;5.用反铲开挖核心土部分;6.用风镐拆除导坑内侧的临时支护;7.开挖隧道底部,灌筑仰拱;8.立衬砌模板,灌筑二次衬砌〈墙拱一次完毕〉。〈三)施工办法与作业要点本工法的核心施工技术有下列三个方面:一是保持合理的分部开挖断面和平顺的开挖轮廓线,减少对围岩的扰动;二是及时施作符合质量规定的早期支护,并使开挖断面尽早闭合,控制围岩变形,三是加强对围岩和支护构造的监控量测,进行信息化施工管理(见图2)。1.侧壁导坑开挖侧壁导坑的开挖尺寸,宽度取4-4.2m,高度取6.5m左右(铁路双线隧道边墙底至起拱线高度)为宜,分上下两层开挖,这样既不需要工作平台,人工架设格栅支撑也比较方便。上、下层错开长度4-6m,两侧导坑前后错开8-10m,每次掘进0.4-1.0m为宜。2.侧壁导坑的早期支护(见图3)侧壁导坑开挖后,应立刻喷一层5-7cm厚的早强混凝土,随即人工安设格栅支撑,在导坑上部外侧打入局部铺杆,内侧布置系统锚杆,并挂网再喷一层早强混凝土,最后喷射普通混凝土,将格栅支撑全部喷满。格栅支撑断面选用梯形,主筋为4根φ22的螺纹钢筋(主筋中至中距离18cm),连接主筋的钢筋为φ12圆筋,箍筋为φ6圆筋。导坑的每榀格栅由4段(内外侧各2段)构成,采使用方法兰盘连接。格栅支撑纵向间距视状况选用0.4-1.0m,各榀之间用φ22螺纹钢筋连接。锚杆选用φ22螺纹钢筋,长度为1.4-1.6m,纵向间距0.5-0.7m,横向间距1m。钢筋网普通采用φ6钢筋,网格尺寸为20cm×20cm3.拱部环形开挖与早期支护普通采用人工开挖办法,从拱部中间向两边扩挖。对于特别松散、自稳时间很短的围岩,应事先采用打入超前小钢管,必要时进行预注浆等辅助施工方法,以稳定开挖工作面。开挖中要挖一段喷一段,第一遍施喷一层5-7cm的早强混凝土,及时封闭开挖面。每次开挖进尺为0.4-1.0m,不适宜过长,台阶长度也不适宜过长,双线铁路隧道普通为1倍洞跨,方便翻碴.拱部的初基支护体系基本同侧壁导坑,格栅支撑由三段构成,采用4根φ25螺纹主筋构成梯形断面,各段之间均使用方法兰盘连接.与侧壁导坑的早期支护所不同的,一是拱部普通不设锚杆,二是喷混凝土层的厚度加大到25cm(见"眼镜法"支护参数比较表).四、机具设备(单口作业)1.施工通风及照明通风机:1-3台变压器:1台2.开挖压风机:2台风镐:4台挖掘机:1台装载机(950B):1台自卸运输汽车:3-5辆两轮手推车:5-10辆3.早期支护钢筋切断机:1台钢筋折弯机:1台电焊机:1台钻床:1台喷射混凝土机:2台强制式搅拌机(400L):1台风动凿岩机:2台铺杆注浆器:2台4.衬砌混凝土搅拌机(400L):2台小型运输车：2-4台插入式震捣器:4-6台5.量测及测量仪器球铰式收敛仪:1台静动态电阻应变仪：1台频率仪:1台经纬仪:1台水平仪:1台6.高压风管、水管、通风管、照明灯具的规格和数量,应根据隧道长度、设计风水压力、光照度等参数来拟定。五、劳力组织(单口作业)1.开挖风镐手(兼风枪钻锚杆眼)3-4人,装碴4-6人,出碴2-4人,质检及统计各1人,累计11-16人。2.早期支护格栅支撑制作；4人(安装与拆除由开挖工班负责〉。锚喷:锚杆安装2人,混凝土喷射手1-2人,混凝土供料3-4人,搅拌机司机1人,质检、统计各1人,累计9-11人。挂网(需要时):4人。以上累计17-19人。3.衬砌立模6-8人,混凝土供料4-6人,成品混凝土运输4-6人,混凝土灌注6-10人,累计20-30人。另配备搅拌机司机2人,质检、统计各1人。4.测量及量测测量放样3-4人,量测5人〈其中专职安全员1人)。5.其别人员压风机司机1人,电工2人,管道工2人,实验员2人,调度及管理人员4-6人。六、质量原则及控制(一)支护质量检查早期支护质量的好坏是本工法成败的核心之一,特别在围岩条件特别差时,早期喷射混凝土的质量至关重要。喷射混凝土的设计标号应不低于C18级,其设计强度和弹性模量应符合《铺杆喷射混凝土支护技术规范》(GBJ86一85)的规定。采用ZP型早强喷射混凝土时,其早期强度应符合《铁路隧道新奥法指南》表3.4.3规定的规定。施工时要按《铁路隧道锚杆喷射混凝土支护设计施工技术规则》规定进行试块抗压强度实验。喷射混凝土的厚度,采用预埋钢筋头、设立量测标志进行检查,并实施验收制度,不合格时立刻补喷。格栅支撑是柔性构造,除了严格按设汁下料、组焊和安装外,还必须用混凝土将其喷满喷实,这种全混凝土的格栅支撑刚度比无混凝土的格栅支撑大100%-160%。现场可用肉眼观察和锤击法进行检查,发现有空鼓不实之处,应凿开补喷。(二)现场监控量测量测的重要目的,在于掌握围岩和支护的动态,判断支护的可靠性,以确保施工安全和围岩的稳定。监控量测有必测项目和选测项目。必测项目有:1.地质和支护状况观察;2.周边位移量测;3.拱顶下沉量测;4.地表下沉量测。选测项目有:1.格栅支撑主筋内力、应变量测;2.围岩内应力量测;3.围岩与早期支护间的接触应力量测。必测项目的量测断面间隔普通为20-30m,在围岩特别差的地段,可缩短至10-15m。量测的频率、使用的工具和量测办法参考《铁路隧道新奥法指南》选用。将实测的位移值所建立的位移一时间曲线和监控基准值相比较,即可鉴别围岩和支护的稳定状况。以大秦线西坪隧道Ⅱ类围岩段(老黄土、碎石士及卵石土)为例,当其拱顶下沉量<5mm/d时,认为是正常的;拱顶下沉量为510mm/d且位移变化速度无明显下降时,应加强监视,并适宜加强支护;拱顶下沉量>10mm/d且位移变化速度急剧增加时,则为危险状态,应立刻停止开挖,进行解决(变化施工办法或设计参数)。七、施工安全方法本工法除应遵照《铁路隧道施工安全规则》及对应的规范外,为确保安全,还应采用下列方法。1.进行全员安全意识教育;2.针对“眼镜法,,施工特点,参考有关安全规则制订安全规章制度;3.提高量测人员的安全技术素质,完善其岗位职责;4.开挖的各分部在完毕规定的进尺后,必须立刻架设格栅支撑,并喷5-7cm厚的早强混凝土,以减小围岩的松弛变形;5.下部开挖必须在邻近作业面的早期支护含有一定强度后实施;6.开挖台阶不适宜太长,应以能尽早使早期支护闭合而不造成两部施工干扰为原则,来拟定台阶长度;7.局部松散破碎地段,应根据量测信息,适时用早强混凝土封闭掌子面,或采用超前支护。8.加强对围岩和支护的动态监测,进行信息化管理。根据量测数据,结合观察报告,对的分析围岩和支护的稳定性,并采用对的的对策,科学地组织施工,确保安全;9.运用超前导坑,加强地质分析及预报工作。八、综合效益分析1.本工法为较软弱土层和特殊地层的隧道及地下工程施工提供了新的途径。2.技术可靠,施工安全度大。一是充足发挥核心土的支撑作用;二是多部开挖减少了对围岩的扰动,提高了其自稳性能;三是柔性支护能适应围岩变形,部分地发挥地层自承拱作用;四是直观,量测位移能敏感地反映围岩及早期支护的稳定性。以大秦线西坪隧道为例,应用此法施工安全稳妥,在历时两年的洞内施工帘,没有发生伤亡事故。3.通过调节施工程序、节奏和早期支护刚度的途径,能够有效地控制围岩的松弛变形和地表沉陷,从而对于地F浅埋工程施工,确保地面建筑和公共设施的安全,均含有重大的意义。4.工程质量好。采用短进尺的多部开挖办法,使毛洞开挖成型好,并减少了超欠挖;以格栅为主的早期支护体系性能稳定可靠;内层衬砌质量与传统的施工办法相比,整体性强,质量好。5.经济效益明显。以大秦铁路西坪隧道为例,与同样地质条件下的管棚法相比,本工法每双米延米可节省水泥10t,钢材331-432.7kg,综合造价减少2026元。九、工程实例大秦铁路西坪隧道为电气化双线铁路隧道,全长298m,洞身穿过严重风化的Ⅲ类白云岩、页岩互层,Ⅱ类膨胀性老黄土、碎(卵〉石和砂土,洞顶覆盖层厚度为3-36m,为典型的复杂地层中的浅埋大跨型隧道。此隧道于1984年9月开工,1987年10月竣工。1984年12月,当西坪隧道采用半断面法从出口方向开挖98m时,发生大坍方,早期支护被冲垮30m,地表沉陷为约12m直径的大漏斗,坑周土呈环状开裂,涉及范畴达30m。坍方体由新(老)黄土、碎(卵)石土构成,呈松散堆积状。我局与铁道部第三勘测设计院联合,共同研究开发“眼镜法"解决隧道拥方获得成功,获得直接经济效益113;.4万元。这项技术为确保施工安全和新奥法的应用与推广提供了范例。继西坪隧道施工之后,“眼镜法"在我局施工的大秦铁路大团尖、景忠山隧道推广应用也获得了良好的效果。1989年,“眼镜法,,在北京西单地铁车站浅埋暗挖法施工中又加以应用并发展为“双眼镜法"。北京西单地铁车站是我国第一座浅埋型大跨度双层地铁车站,也是世界上迄今所见文献资料记载构造高度和跨度最大的地铁车站。车站原则断面为三拱两柱双层拱形构造,开挖宽度26.14m、高度13.6m。该站位于繁华的西单路口和东侧的西长安街地下,地上车水马龙,人流如织,地下管网密布,地质松散,自稳能力差,覆土层厚度仅为6-7m,技术新,设计和施工难度都很