糜棱岩大断面隧道大拱脚超短四台阶施工工法

-17-糜棱岩大断面隧道大拱脚超短四台阶施工工法1前言随着我国铁路行业的飞速发展，长达复杂地质隧道设计越来越多，特别是富水软弱围岩地段在以往设计中都是少见的，传统的施工方法为双侧壁导坑法及CRD法，但在工程实践中，上述两种工法都存在大型机械设备使用限制，临时支护多，各工序施工干扰大等因素，使得施工工效低、投入大。中铁十六局集团在广昆铁路秀宁隧道出口富水糜棱岩大断面隧道施工中，通过超前预注浆加固围岩，采用大拱脚超短四台阶法施工，在加快施工进度的同时，又很好地控制了围岩变形，取得了良好的效果，项目研发的“富水软弱糜棱岩大断面隧道围岩加固及开挖方法”于2013年5月21日通过了国家知识产权局审查受理，申请号：201310188613.8，该发明专利申请于2013年9月11日进入实质审查阶段。工法对糜棱岩构造破碎带（断层带）进行了特征研究分析，提出了有效的变形防治措施、控制技术，为长大复杂地质隧道在富水软弱段落施工技术总结了经验。2特点2.1施工作业可引用大型机械，各作业面可平行施工，干扰小，工效高。2.2有效控制围岩变形，在围岩变形较大时，可根据量测数据，增设临时支撑或调整支护参数，便于灵活调整施工方法。2.3临时支护少，投入小，节省投资。2.4工艺简单，施工操作方便，便于掌握易推广。3适用范围本工法适用Ⅴ~Ⅵ级断层糜棱岩大断面隧道施工。尤其适用于在富水糜棱岩地层施工中，采用超前预注浆对岩体进行加固及大管棚超前支护等技术措施后运用本工法施工。4工艺原理4.1大拱脚超短四台阶法施工，就是在隧道施工过程中针对围岩承载力不足，扩大中台阶钢架拱脚，打设锁脚锚管，以增加拱脚的承载力，可在开挖下台阶时发挥大拱脚支撑拱部的重要作用，减少围岩沉降。大拱脚钢架示意图见图4.1。图4.1大拱脚钢架示意图4.2采用四台阶九步预留核心土开挖方法，每循环进尺控制在1~2榀钢架距离，缩短台阶长度，降低分部开挖临空面，加强锁脚锚管，及时施作仰拱封闭成环形成稳定支护体系，减少初支收敛变形。4.3利用初支监控量测数据进行分析动态指导施工，在富水软岩变形较大时，增加钢架及钢筋内力、围岩压力量测，根据量测数据，灵活调整支护参数、增设临时支撑或预留补强空间。5工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程施工工艺流程见表5.1。超前预注浆、超前支护↓施作①部弧形导坑初期支护←超前②部2~3m↓左右错位开挖施作②、③部初期支护←超前④部2~3m↓左右错位开挖施作④、⑤部初期支护↓左右错位开挖施作⑥、⑦部初期支护↓弱爆破⑧-1、⑧-2、⑧-3、⑧-4部←监控量测，必要时设临时支撑↓施作⑨部仰拱初期支护←每循环不大于3m↓灌注Ⅹ部仰拱混凝土↓灌注Ⅺ部仰拱填充混凝土↓一次性灌注Ⅻ部衬砌混凝土←监控量测分析、施作放水层表5.1施工工艺流程图5.1.1针对Ⅵ级围岩富水断层糜棱岩地层易涌泥溜坍的特性，隧道开挖前采用“全断面超前预注浆+Ф108大管棚超前支护”加固围岩，大管棚环向间距40cm，每根长不小于25m，配合小导管使用。5.1.2上部弧形开挖：弱爆破或机械开挖①部，施作①部周边的初期支护：初喷混凝土，铺钢筋网，架立钢架（设锁脚锚管），钻设径向锚杆，复喷混凝土至设计厚度。5.1.3左、右侧中台阶开挖：在滞后①部一段距离后，弱爆破或机械开挖②、③部（左、右侧台阶错开2～3m），施作②、③部初期支护：初喷混凝土，铺钢筋网，架立钢架（设锁脚锚管），钻设径向锚杆，复喷混凝土至设计厚度。5.1.4左、右侧下台阶（三台阶）开挖：在滞后②、③部一段距离后，弱爆破或机械开挖④、⑤部（左、右侧台阶错开2～3m），施作④、⑤部边墙初期支护，即初喷混凝土，铺钢筋网，架立钢架（设锁脚锚管），钻设径向锚杆，复喷混凝土至设计厚度。5.1.5左、右侧下台阶（四台阶）开挖：在滞后④、⑤部一段距离后，弱爆破或机械开挖⑥、⑦部（左、右侧台阶错开2～3m），施作⑥、⑦部边墙初期支护。5.1.6上、中、下台阶预留核心土：弱爆破开挖⑧-1、⑧-2、⑧-3、⑧-4部各台阶预留核心土，开挖进尺与各台阶循环进尺相一致；另外在中部核心土开挖后应根据围岩情况，必要时在中部增设临时横撑、竖撑，以免拱部下沉过大造成初支开裂、侵限等。5.1.7隧底开挖：弱爆破或机械开挖⑨部，施作⑨部仰拱初期支护，即初喷混凝土，安装仰拱钢架，复喷混凝土至设计厚度，使初期支护及时封闭成环。大拱脚超短四台阶法施工工序见图5.1。图5.1大拱脚超短四台阶法施工工序横断图5.1.8灌注Ⅹ部仰拱混凝土；待仰拱混凝土初凝后，灌注仰拱填充Ⅺ部至设计高度。5.1.9根据监控量测分析，确定二次衬砌时机，铺设防水层，利用衬砌模板台车一次性灌注Ⅻ部衬砌。5.2操作要点5.2.1开挖对于V级围岩采用弱爆破开挖方法；VI级围岩富水地层施工地段，在对围岩进行超前预注浆加固和加强超前支护后，按四台阶预留核心土九步开挖施工，可采用人工配合机械开挖方法，循环进尺一般控制在0.6~1.4m为宜。5.2.2初期支护初期支护主要由锚杆、钢筋网、大拱脚钢架、锁脚锚管和喷射混凝土组成。初期支护要求尽早封闭成环。1初喷及喷射混凝土高压风自上而下吹净岩面，如岩面涌水，应埋管做好引排工作，初喷厚度一般在4~5cm。喷射混凝土采用湿喷工艺，减少回弹量，确保喷射混凝土质量。喷射作业分段、分片、分层施工，喷射路线应自下而上，呈“S”型运动，先喷边墙后喷拱部。2施作结构锚杆、挂设钢筋网锚杆采用φ22砂浆锚杆及φ25中空注浆锚杆，长4.0m，间距1.0×1.0m，梅花形布置。特殊地段采用φ42注浆管作为系统锚杆，每根长5.0m，间距1.0×1.0m布置。钢筋网一般为φ8钢筋网焊接而成，网格为20×20cm，钢筋网应与锚杆连接牢固。3安装大拱脚钢架、打设锁脚锚管钢架为隧道初期支护的重要组成部分，加工质量至关重要，应按设计要求进行加工制作和架设。钢架材料主要为I22b、I25型钢，间距0.5~0.8m全环布置，特殊地段可采用H175~H200型钢钢架，间距0.6m全环布置。在施工中台阶时，在中部钢架增大拱脚，以增加拱脚的承载力，可在开挖下台阶时发挥大拱脚支撑拱部的重要作用，减少围岩沉降。钢架安装完毕后，在钢拱架拱脚处紧贴钢架两侧打设锁脚锚管，每处3根，锚管角度为斜向下方向，每根锚管角度相差20°。锚管与钢架焊接牢固，确保钢架基础稳定。5.2.3仰拱施工为形成稳定的支护体系，初期支护应尽早封闭成环。仰拱开挖长度不得超过3m，以开挖2~3m为宜。对于V~VI级糜棱岩隧道施工时，为保证仰拱距掌子面距离，可不采用仰拱栈桥施工，即仰拱施工时停止掌子面开挖，当仰拱填充混凝土凝固后，再进行掌子面施工。5.2.4二次衬砌施工采用自制防水层台架按设计要求进行防水层施工，台架长度一般在4~6m，确保二衬紧跟仰拱施工。对拱部衬砌预留注浆孔并及时实施回填注浆。5.2.5劳动力组织表劳动力组织表见图5.2。序号工作项目作业内容人数说明1开挖风镐手钻锚杆孔清理岩碴装载机司机挖掘机司机出渣车司机4462142初期支护制作钢架洞内安装、焊接安装钢筋网、锚杆混凝土喷射手喷锚机处供料运料搅拌机司机搅拌机处供料362261113量测测量技术员测量工11负责测量和监控量测工作负责所有测量和量测工作4二次衬砌钢筋工立模灌注混凝土运输混凝土搅拌机司机1156315超前预注浆钻机操作手拆卸钻杆水泥浆搅拌工班长412243如需要（共计43人）6其他技术主管专职安全员电工修理工空压机司机杂工121113合计121图5.2劳动力组织表6材料与设备本工法无需特别说明的材料，施工机械设备配备详见表6。表6主要施工机械、设备表序号名称规格型号数量（台/套）1空压机4L-20/842侧卸装载机2L5023气腿式凿岩机YT-2884挖掘机PC220-615自卸汽车东风46湿喷机PBF-2047注浆泵ZSNS18电焊机BX1—50059防水板铺设台车自制110皮卡车长城111钢筋调直切断机GQ40112发电机250kw113发电机120kw114自卸车福田30T115冷弯机40B116搅拌机JSY750217轴流风机DF-110kw55118输送泵HTB-60A17质量控制7.1本工法以《铁路隧道施工规范》、《铁路隧道工程质量评定及验收标准》等为标准进行质量控制。7.2严格按照要求进行围岩监控量测工作，以量测数据为依据指导施工。监控量测项目及频率见表7.2（表中4、5项为富水糜棱岩地层施工需注浆加固要求时施作）。7.3本工法控制变形主要以扩大拱脚及锁脚锚管为主，辅以超短四台阶预留核心土九步开挖方法，因此施工期间应严格控制钢架制作质量及锁脚锚管施工质量，加强台阶步距控制。7.4做好技术交底，对关键工艺、工序实行技术人员跟班作业，指导、监督现场施工。表7.2监控量测内容及频率一览表序号量测项目量测目的量测断面间距量测频率仪器1洞内、外目测观察了解开挖面自稳及支护变形开裂、地表沉降和裂缝情况1次/天地质罗盘等2初支拱顶及拱脚沉降了解施工过程支护结构拱顶及拱脚沉降，判断围岩及初期支护的稳定性。间隔5m布置1个监测断面仰拱封闭前1次/天，封闭后到衬砌施做时1次/2天全站仪等3初支水平收敛及水平位移了解施工过程支护结构水平收敛及水平位移绝对值，判断围岩及初期支护的稳定性。间隔5m布置1个监测断面仰拱封闭前1次/天，封闭后到衬砌施做时1次/2天收敛仪、全站仪等4围岩压力及接触压力了解围岩压力及接触压力分布规律及围岩、初支的稳定性每一注浆循环中部布置1个监测断面仰拱封闭前1次/天，封闭后到衬砌施做时1次/2天土压力盒频率读数仪5初支钢架内力及衬砌受力了解初支钢架内力及衬砌内力分布规律，分析初支稳定性每一注浆循环中部布置1个监测断面仰拱封闭前1次/天，封闭后到衬砌施做时1次/2天钢筋计、压力盒频率读数仪8安全措施根据大拱脚超短四台阶法施工工艺特点，安全措施主要体现在控制围岩变形开裂侵限、防塌方等安全措施。本工法除遵循《施工现场临时用电安全技术规范》（JGJ6-88）、《建筑机械使用安全技术规程》（JGJ6-86）、《铁路隧道工程施工安全技术规程》（TB10304-2009）和铁道部《铁建设〔2010〕120号》文规定要求执行外，还在安全管理、技术及现场应急处理等方面采取如下措施：8.1安全管理措施8.1.1加强安全教育，提高施工人员的安全意识。特种作业人员均持证上岗。8.1.2针对富水糜棱岩大断面隧道涌泥、溜坍、大变形的施工风险，制定专项施工方案，进行专家论证。8.1.3做好围岩量测工作，通过监控量测数据分析，及时调整支护参数，增加临时支撑等措施确保施工安全。8.1.4制定突发事件的应急预案，必要时进行演练。8.2安全技术措施8.2.1开挖前按专项方案实施超前预注浆加固围岩，超前大管棚、小导管预支护等安全措施，开挖时严格控制开挖进尺。8.2.2在中台阶大拱脚处开挖时，应尽量采用人工配合机械开挖，避免爆破施工，以减少对拱脚围岩的扰动。8.2.3大拱脚超短四台阶法施工钢架锁脚锚管尤为重要，在施工锁脚锚管时一定要按设计要求进行施工，并确保锁脚锚杆（锚管）与钢架焊接牢固。为有效控制变形，应尽量采用锁脚锚管并注浆，而非锁脚锚杆。8.2.4由于钢架采用型钢的翼缘板宽度达到20cm以上，如果作业人员没有认真做好喷砼工作，容易造成型钢背后的脱空，喷砼作业时必须先将拱架背后喷实再将拱架之间自下而上喷实。8.2.5工作面发生涌水情况应及时进行引排，避免围岩遇水发生溜坍失稳现象。8.3安全应急措施8.3.1严格控制仰拱、二衬距掌子面距离，仰拱距掌子面距离不超过30m，二衬距掌子面距离不超过50m。若仰拱滞后下台阶较长时应停止前方工作面开挖进行隧底开挖支护，确保施工安全。8.3.2掌子面发生涌泥溜坍现象，必须封闭掌子面进行补注浆施工。初期支护发生开裂或收敛变形超标，应立即增加临时支撑，在预留变形空间内进行补强支护，并对围岩进行径向注浆加固。9环保措施为确保工程所在地区的环境得到有效的保护，严格执行国家和工程所在地政府的环保政策、法律和法规，本工法采取以下环境保护措施。9.1弃碴处理隧道弃碴按设计指定的弃碴场弃碴，弃碴场坡脚设挡碴墙，弃碴时碴顶设泄洪通道，挡碴墙设泄水孔，并随施工的进展对弃碴边坡进行绿化防护，防止雨水冲刷形成水土流失源。弃碴完毕，弃碴顶面进行复垦造田处理。9.2场地布置及规划按照批准的施工组织设计平面布置图规划施工场地，不侵占规划以外场地；合理布置施工便道，尽量减少施工便道数量，最大限度地利用原有道路作为车辆运输便道。9.3施工设备及施工方法的噪声的处理选用低噪声设备，加强机械设备的维护和保养，降低施工噪声。合理安排运输时间，尽量避免作业辐射强、噪音强的施工机械夜间作业，夜间施工时机械车辆尽量绕开村庄行使，不使用高音和怪音喇叭，尽量减少鸣笛次数，避免车辆噪声污染对敏感区影响。9.4施工场地的保洁生产、生活垃圾采用密闭容器分类集中回收，定期采用垃圾清运车拉到就近的垃圾处理厂统一处理，或按要求进行填埋处理，确保垃圾无人为随地抛洒的现象发生。机械设备现场修理时，铺旧报纸和棉纱接吸废机油，防止废油污染环境。10效益分析10.1社会效益本工法为富水糜棱岩大断面隧道施工积累了成功的经验。灵活的施工技术措施可有效应对复杂的地质变化，确保施工安全的同时加快了施工进度，为糜棱岩大断面隧道施工提供了参考价值。在Ⅵ级富水糜棱岩浅埋地层，开挖前进行超前预注浆加固围岩，注浆后采用大拱脚超短四台阶施工，有效避免了涌泥、涌水及水土流失，保护了地表生态环境。此工法初支作业工序简单，可投入大型机械，节省劳动力，有很好的推广空间。10.2经济效益采用大拱脚超