13-隧道及地下工程“眼镜法”工法

1隧道及地下工程“眼镜法”工法(YJGF-10-91)铁道部第十六工程局隧道和地下工程常用的钻爆施工方法，有全断面法、台阶法和分部开挖法三大类。“眼镜法”是分部开挖的一种，这种施工方法是：先在隧洞两侧各开挖一个导坑，并施作初期支护形成封闭环，再进行拱部环形开挖支护，最后开挖中间核心土，全断面一次模筑混凝土衬砌。由于该法体现新奥法原理，采用分部开挖，分部封闭，自下而上地完成开挖、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。德国应用该法成功地修建了法兰克福地铁，日本也应用该法修建了成田新干线隧Ｂ2区和横滨地铁上町车站。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纪软弱碎石土、卵石土的Ⅱ类围岩中，完成了“眼镜法”设计与施工技术的研究试验，取得了成功经验，1987年“眼镜法”通过了技术鉴定，并于同年获铁道建筑总公司科技进步特等奖，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项目。该法在大秦铁路景忠山隧道得到应用。目前，北京西单地铁浅埋暗挖法施工中，“眼镜法”又得到进一步发展，并已获得良好的效果。一、工法特点“眼镜法”工法与传统的双侧壁导坑法相比，尽管在开挖形式上有类似之处，都是先挖侧壁导坑，后挖拱部弧形导坑和中间核心土，但是所依据的理论有本质上的不同。“眼镜法”是以新奥法的基本原理为指导，采用格栅拱网喷混凝土柔性支护作为主要支护手段，以维护和利用围岩的自承能力，使围岩成为支护体系的组成部分，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的，采用强大支撑，(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，将大断面改为小断面施工，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(2)作业安全可靠。该法充分利用中间核心土的支撑作用，以格栅网喷混凝土为支护手段，自下而上地逐步完成开挖、支护和衬砌作业，使拱部开挖后的支护结构坐落在坚固结实(3)采用格栅拱与挂网、喷混凝土相结合的柔性支护，能很好地适应围岩的变形，而且支护刚度能随喷混凝土强度的增长而增大，使支护结构与围岩形成一个整体，充分发挥围岩自身的承载能(4)应用量测监控等信息化管理方法作为指导设计施工、确定工艺参数的依据。通过信(5)施工作业简便，技术不复杂，不需要特殊机械设备，也不需要特种技术工人，适合(6)超前开挖的双侧导坑，还可起到地质预报作用。二、工艺原理与适用范围(一)“眼镜法”是以新奥法的基本原理为依据，在开挖上，划大断面为小断面，缩小开挖跨度，减少扰动围岩；分块的断面形状近似椭圆，周边轮廓圆顺以避免应力集中，初期支护采用格栅支撑与网锚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，以控制2围岩的变形，并充分利用围岩自身的承载能力；建立一整套围岩及支护结构的监控量测系统，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、调整施工工艺和设计参(二)本工法适用于Ⅰ、Ⅱ类围岩无水(或少水)的各种软弱土质、砂质、膨胀性土等隧道及地下洞室，对于浅埋、大跨度的松软围岩以及地表下沉量要求严格的隧道及地下工程尤为适用。三、施工工艺(一)（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，上部打入局部锚杆，挂网施喷二次混凝土(厚度13~15cm)，使导(3)拱部环形人工开挖，并施喷一次早强混凝土(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)(6)(7)(8)(二)“眼镜法”的关键施工技术主要包括三个方面：一是保持合理的分部开挖断面和平顺的开挖轮廓线，减少围岩的扰动；二是及时施作符合质量要求的初期支护，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结构的监控量测，进行信息化施工管理。1.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，两侧导坑也前后错开8~10m，每次掘进进度0.4~1.0m为宜，以减少对整个围岩的扰动(见图1)。2.侧壁导坑开挖后，要立即喷射一层5~7cm厚的早强混凝土，随后人工架设格栅支撑，导坑内侧上部打入局部锚杆，外侧布置系统锚杆；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(见图2)3格栅支撑断面选用梯形，主筋为4Φ22(25)螺纹钢筋，连接主筋的钢筋为Ф10(12)圆钢筋。每个导坑的格栅由4段(内外侧各两段)组成，采用法兰盘连接。格棚支撑纵向间距视情况选用0.4~1.0m，各榀之间用Φ22螺纹钢筋连接(见图3)。锚杆长度为1.4~1.6m，纵向间距0.5~0.7m，横向间距1.0m，杆材为Φ22螺纹钢筋；钢筋网一般采用Ф6钢筋，网格间距20×20cm。3.4一般采用人工开挖方法，从拱部中间向两边扩挖。对于特别松散、自稳时间极短的围岩，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措施，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。每次进尺为0.4~1.0m左右，不宜过长。台阶长度也不宜过长，双线铁路隧道一般为1倍洞跨，以便翻碴。栅均采用法兰盘连接。与侧壁导坑初期支护不同的，一是拱部一般不设锚杆，二是喷混凝土层的厚度加大到25cm(详见表1)(一)初期支护质量的好坏是“眼镜法”施工成败的关键工序之一，尤其是在围岩条件特别差喷射混凝土的设计强度等级应不低于C20。其设计强度和弹性模量应符合《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GBJ86-85)的规定。采用ZP型早强喷射混凝土时，其初期强度应符合《铁路隧道新奥法指南》表3.4.3规定的要求。施工时按《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试验。喷射混凝土的厚度，采用预埋钢筋头，设置量测格栅支撑是刚度可变的柔性支护，除了严格按设计下料、组焊和安设外，混凝土必须完全将格栅支撑喷满喷实，这种全混凝土的格栅支撑的刚度可比无混凝土的格栅刚度大100~160%。现场可采用观察和锤击法进行检查，发现有空鼓或不实之处，凿开空洞重新补喷。(二)量测的主要目的，在于掌握围岩和支护的动态，判断支护的可靠性，以保证施工安全和监控量测有必(1)(2)5(3)(4)(1)(2)(3)必测项目的量测断面间隔一般为20~30m,在围岩特别差的地段，可缩短至10~15m将实测的位移值所建立的位移-时间曲线和监控基准值相比较，即可判断围岩和支护的稳定情况。以大秦铁路西坪隧道Ⅱ类围岩段(老黄土、碎石土和卵石土)为例：当其拱顶下沉量＜5mm/d时，认为是正常的；拱顶下沉量为4~10mm/d且位移变化速度无明显下降时，应加强监视，并适当强化支护；拱顶下沉量＞10mm/d且位移变化急剧增长时，则为危险状况，应立即停止开挖，进行处理，并改变施工方法、节奏和设计参数。五、施工安全措施本工法除应遵照《铁路隧道施工安全规则》及相应的规范外，为确保安全，还应采取以(1)(2)开挖的各分部在完成规定的进尺后，必须立即喷5~7cm厚的早强混凝土，并架设格(3)(4)开挖台阶不宜过长，应以能尽早使初期支护闭合而不造成两部施工干扰为原则来确(5)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，或采用有效(6)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正确(7)利用超前导坑，加强地质六、机具设备(单口作业)1.通风机：1~3变压器：12.压风机：2风镐：4挖掘机(反铲)：1装载机(950B)：1自卸运输汽车：3~5两轮手推车：5~103.钢筋切断机：1钢筋折弯机：1电焊机：1钻床：1喷射混凝土机：26强制式搅拌机：2风动凿岩机：2锚杆注浆器：24.混凝土搅拌机：2小型运输车：2~4插入式振捣器：4~65.球链式收敛仪：1静动态电阻应变仪：1频率仪：1经纬仪：1水平仪(S-2)：16.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、设计水风压力、七、劳力组织(单口作业)1.风镐手(兼钻锚杆眼)3~4人，装渣4~6人，出渣2~4人，质检及记录各1人，合计11~16人。2.锚杆、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、记录各1人，合计9~11挂网(需要时)：4以上合计17~193.立模6~8人，混凝土供料4~6人，成品混凝土运输4~6人，混凝土灌筑6~10人，合计20~30人。另配备搅拌机司机2人，质检、记录各14.测量放样3~4人，量测4人(其中兼职安全员1人)5.压风机司机1人，电工2人，管道工2人，试验员2人，调度及管理人员4~6八、综合效益分析(1)本工法为较软弱土质和特殊地层的隧道及地下工程暗挖施工提供了新的途(2)技术可靠，施工安全度大。一是充分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；四是能直观、敏感的反映围岩及初期支护的稳定性(通过位移、应力-应变量测)。以大秦线西坪隧道为例，运用此法施工安全稳妥，在历时两年的洞内施工中，没有发生伤亡事故。(3)通过调整施工程序、节奏和初期支护刚度的途径，可以有效地控制围岩松驰和地表沉陷，从而对于地下浅埋工程施工，保证地面建筑和公共设施的安全，均具有重大的意义。(4)工程质量好。采用短进尺的多部开挖方法，使毛洞开挖成型好，并减少了超欠挖；(5)经济效益明显。以大秦铁路西坪隧道为例，“眼镜法”与传统的双侧壁导坑法相比，7可节约钢材462.2~561.4kg/双延米；与同样地质条件下的管棚法相比，可节约水泥10t/双延米，节约钢材331~432.7kg/双延米，综合造价降低2，026元/双延米。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白云岩、页岩互层和Ⅱ类膨胀性老黄土、碎(卵)石土和砂土，洞顶覆盖层厚度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月动工，1987年101984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，初期支护被冲跨30m，地表沉陷为约12m直径的大漏斗，坑周土呈环状开裂，波及范围达30多米。坍方体由新(老)黄土、碎(卵)石土组成，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”处理隧道坍方获得成功，取得直接效益113.4万元。这项技术为确道施工之后，“眼镜法”在我局施工1989年，“眼镜法”在我局施工的西单地铁车站浅埋暗挖中又加以应用和创造，发展成“双眼镜法”。北京地铁西单车站是我国第一座浅埋型大跨度双层地铁车站，标准断面为三拱两柱双层结构，开挖宽度26.14m、高度13.6m；覆盖土层厚度仅6~7m，其中表层(2~3m)为杂西单车站工程于1989年7月动工，采用“双眼镜法”开挖、大管棚护顶、小导管注浆、格栅支撑初期支护技术，施工进展顺利，经量测检验沉降量均小于规定值(30mm)执笔：张仲实(返回上一级)