浅谈大断面黄土隧道三台阶七步开挖法(处里论文格式)

1浅谈大断面黄土隧道三台阶七步开挖法卢永飞,张颖摘要黄土隧道的工程性质非常复杂，在地下水异常丰富地区的黄土常伴随湿陷性、大变形、高地压等特性，开挖施工经常引起隧道初期支护开裂，围岩塌陷等。针对黄韩侯铁路Ⅱ标段张庄隧道，通过对隧道施工、围岩结构变化及施工工艺的研究，分析总结三台阶七步法开挖技术，对有效控制沉降变形提出了施工技术方法和要点，实现快速施工，对保证隧道结构安全起到重要作用。关键词隧道、工法、技术、管理前言随着国内铁路客运专线的日益增建以及隧道净空要求的不断提高，大断面隧道工程也越来越多。由于开挖断面大、施工难度大、安全风险突出、工期影响等特点，大断面隧道施工已成为国内外专家瞩目的焦点。隧道工程中一般将断面面积超过100㎡以上的隧道称为大断面隧道，而近年来实际工程中很多隧道断面达到120～160㎡，有些三、四车道公路隧道甚至达到或超过200㎡。隧道断面的增大常造成拱顶不稳定，围岩产生较大的松弛地压，在埋深作用不能发挥时产生很大的松弛压力导致支护受载骤增，尤其对土质不良、跨度大且扁平形状的拱形支护结构支护条件不利。黄韩侯铁路Ⅱ标段张庄隧道位于黄土地区，隧道断面大、地层富水饱和、黄土遇水成泥、沉降变形大、易塌方、工程地质复杂、工期要求紧，通过对三台阶七步开挖在张庄隧道施工中的施工工艺研究，实现了大跨隧道的快速施工，而且降低了施工成本。第一章工程概况1.1工程背景张庄隧道位于合阳县甘井镇北张庄村，为双线隧道，起讫里程DK59+250～DK66+432，全长7182m。隧道最小埋深约5m。除进口端1177.93m（左线）位于半径R-1200m的曲线上，出口端537.49m（左线）位于R-4500m的曲线上，其余段落均位于直线上。隧道内为10‰,12.5‰单面下坡。隧道地处黄土台塬区，地形平坦。该隧道进口位于黄土塬面上，交通较为便利，出口位于徐水沟，交通条件一般。工点区地层地表主要以第四系上更新统风积砂质黄土为主，下伏第四系中更新统风积黏质黄土，上二叠系统砂岩夹泥岩。工点处未见断裂构造迹象，地质构造不发育。该隧道正常涌水量为4716.23m3/d左右，最大涌水量9432.47m3/d左右。隧道地下水对圬工无蚀性。1.2张庄隧道的工程特性1、地质复杂、均为软弱围岩本隧道围岩类别复杂，地质条件恶劣，均为Ⅳ级、Ⅴ级围岩，其中Ⅴ级围岩3872米，Ⅳ级围岩为3310米。大部分洞身埋深较浅，洞口穿越浅埋、偏压、富水段，雨季最大涌水量9432.47m3/d左右。施工难度较大。2、长距离通风，通风要求高本隧道施工通风采用大直径软质通风管，长管路压入式通风，减少通风阻力，单头隧道通风距离长达约1465m，隧道施工过程中各斜井有两个工作面采用独立通风设备，加强通风速度。加强风管管理，风管架设平、直、顺，接头严密，减少漏风率。3、长距离排水本隧道为特长隧道，设计主要为10‰、12.5‰的单面上坡，进口及四个斜井均为反坡排水，在斜井底设置集水坑排水，采用机械抽排。1号斜井位置DK60+800，在正线右侧，综合坡度为10.97%，平面交角为80°，斜井长度（m）291.88，2号斜井位置DK62＋200，在正线右侧，综合坡度为10.81%，平面交角为80°，斜井长度（m）508.21；3号斜井位置DK63＋600，在正线右侧，综合坡度为10.71%，平面交角为84.5°，斜井长度（m）699.36；4号斜井位置DK65＋000，在正线右侧，综合坡度为10.5%，平面交角为35°，斜井长度（m）201.23，见表1.3.1-1。2表1.3.1-1辅助坑道（斜井）设置斜井采用单车道+错车道断面的无轨运输方式，斜井内轮廓根据施工设备尺寸，通风管、排水管和高压风水管的布置以及人行道的宽度等因素确定，单车道净空尺寸为5.0m×5.9m（宽×高）错车道断面净空尺寸7.0×6.0m（宽×高）。第二章排水措施2.1顺坡排水隧道施工时尽早施工仰拱,仰拱标高控制满足侧沟要求,旱季及水量不大时,为将洞内积水排至侧沟，顺坡排水至洞外污水处理池中。水量增大时,靠隧道侧壁铺设φ300mm排水管，利用小避车洞设置积水仓将水抽出。2.2反坡排水拟采用高扬程大流量分段逐级接力机械抽排方式。洞内路面设横坡，一侧设0.4m×0.3m的纵向排水沟必要时增设φ300mm排水管，间距50m设一临时集水井，水井的大小和间距根据地下水渗流情况适当调整。掌子面积水采用多台小型移动潜水泵将积水抽至附近水箱式移动水仓(容量4～6m³)内，再由潜污泵抽至下一级泵站水仓，如此接力抽至洞外污水处理厂。各工作泵站由“浮球”式水位控制器自动控制，抽水泵按使用、备用、检修各一台配备。2.3洞内防排水1、全隧道设置双侧水沟加中心水沟排水，侧沟与中心水沟间采用盲管连通，间距30m。2、中心管沟采用φ400mm预制钢筋砼管拼接而成，砼管采用企口接头形式，选用的管材符合国家标准《混凝土和钢筋混凝土排水管》（TB/T11836-1999）三级管要求；中心管沟纵向间距30m设方形检查井一处。检查井汇集横向导水管并连通上下游中心排水管，检查井下部设沉淀池。3、初期支护和二次衬砌之间（拱墙背后）设厚度不小于1.5mm的防水板，内衬无纺布（密度不小于350g/㎡），防水板要求采用无钉铺设，搭接缝为双焊缝。4、环向施工缝采用中埋式止水带和外贴式止水带防水；纵向施工缝采用中埋式钢边橡胶止水带和外贴式止水带防水；变形缝采用中埋式止水带、外贴式止水带及嵌缝材料组成的复合防水措施，变形缝设置应尽量避开地质条件较差及地下水发育地段。5、隧道防水应充分利用砼衬砌结构自防水能力，砼衬砌抗渗等级不低于P8。仰拱砼应整体灌筑，一次成形。仰拱与仰拱填充砼应分开施工，仰拱底部虚碴、杂物、积水必须清除干净。6、衬砌背后墙脚纵向设φ80HDPE透水盲管，环向设置φ50HDPE透水盲管，与边墙进水孔、洞内排水沟一起组成完整的排水系统。纵向盲管每12～20m引入测沟，环向盲管与边墙进水孔连接，边墙进水孔与洞内排水沟连接，环向盲管间距按6～12m考虑。2.4洞外防排水1、DK65+100～+200浅埋沟上下游各20m采用M10浆砌片石铺砌，厚度30cm。2、洞外水不得通过隧道内引排，黄陵端洞口外2m设一道横向盲沟，以拦截路面水，尺寸为30×40cm（宽×深），洞外侧沟做成不小于3‰反坡排水。辅助坑道名称1号斜井2号斜井3号斜井4号斜井里程DK60+800DK62+200DK63+600DK65+000综合坡度（%）10.9710.8110.7110.5坑道与线路相对位置80°80°84.5°35°运输方式右右右右斜井长度291.88508.21699.36201.2333、黄陵端明洞顶回填层应做成不小于3‰排水坡。4、两端洞口刷坡线外10m各设截水沟一道，以拦截地表水。2.5污水处理洞内施工排放的污水经污水处理场沉淀过滤和净化合格后排放。滤渣由自卸车运至指定地点堆弃。第三章张庄隧道三台阶七步法施工张庄隧道安排按十个工作面施工包括进口一个、斜井八个，出口一个。Ⅳ级围岩和Ⅴ级围岩段采用三台阶七步开挖法，衬砌采用先墙后拱法施工，各级围岩的施工工法根据隧道监控量测的结果作出相应的调整。V级围岩、IV级围岩采用三台阶七步法开挖施工；具体开挖方法可根据现场围岩情况适当调整。3.1施工工艺三台阶七步法开挖施工工艺流程见图3.1.1-1。图3.1.1-1台阶法开挖施工工艺流程图3.2施工步骤三台阶七步法开挖步骤见图3.2.1-1。超前支护施工上台阶开挖上台阶支护中台阶开挖中台阶支护下台阶开挖下台阶支护仰拱开挖浇筑防水层施工衬砌施工1、锚杆准备2、钢筋网准备3、钢架准备4、喷砼准备监控量测数据处理信息反馈4111126-16-2356-34716673245核心土3-533333-54-6仰拱栈桥图3.2.1-1三台阶七步法开挖步骤图第l步，上部弧形导坑开挖；第2、3步。左、右侧中台阶开挖；第4、5步．左、右侧下台阶开挖；第6步，上、中、下台阶预留核心土；第7步，隧底开挖。三台阶七步施工工序见图3.2.1-2。隧道中线1Ⅹ357ⅡⅣⅥⅩⅩⅨⅡⅣⅥⅧ图3.2.1-2三台阶七步法施工工序图本图适用于Ⅳ、Ⅴ围岩的开挖，施工顺序为1Ⅱ3IV5VI7VIIIIXX(Ⅱ为1开挖后的初期支护；IV为3开挖后的初期支护；VI为5开挖后的初期支护；VIII为7开挖完后的初期支护；IX为浇筑底板混凝土；X为隧道整体衬砌)3.3超前支护5超前支护是软弱围岩隧道施工成败的关键，洞口段采用30米洞口长管棚作为超前支护，其它地段采用超前小导管作为超前支护加固围岩。严格控制开挖进尺，每循环均控制在一榀钢架间距左右，保证超前支护的有效性。3.4上台阶开挖及支护开挖前，用全站仪或断面仪放出上台阶开挖断面轮廓线。上台阶采用人工配合机械开挖，先用CAT320挖掘机挖出主断面轮廓，并沿开挖轮廓线内侧预留50cm厚围岩，由人工采用小型机具挖凿，一般采用的辅助小型机具为风镐、风铲等。上台阶开挖高度约5.16m，以确保挖掘机能进入掌子面进行施工。上台阶中部靠近掌子面预留核心土高度约3m，上口宽约5m，三面按施工需要放坡。防止掌子面围岩受挤压失稳或自失稳引起塌方，危及拱顶围岩的稳定。同时方便支护施工时不需再搭设其它平台。上台阶开挖完成后及时进行初期支护。上台阶按“初喷—锚杆—钢筋网—钢架—复喷”的支护形式实施初期支护。钢架规格为I18型钢钢架,间距为50cm。每榀钢架每侧各采用4根φ42无缝钢管锁脚，且锁脚钢管要与钢架焊接成整体，以起到抑制初期支护下沉的作用；系统锚杆均为3.5m长，其中拱部为15根φ25的中空注浆锚杆，边墙为10根φ22砂浆锚杆，锚杆间距为1.0m×1.0m（环×纵）。钢筋网规格为20×20cm。初喷4cm厚C25混凝土，复喷混凝土厚度至23cm（有效厚度，钢架内及钢架保护层）。3.5中台阶开挖及支护中台阶开挖滞后上台阶3~5m。中台阶开挖高度约3~3.5m，每次开挖长度进尺与上台阶进尺长度相同，中台阶长度任何时候不得大于15m。中台阶开挖时，必须左右两侧交错进行，两侧错开距离不得小于5米，以满足喷射混凝土的早期强度及钢架的落脚稳定共同受力，以能够承受一定的上部压力，不致开裂或坍塌。每次开挖长度不大于3榀钢架间距。尤其在洞口段及围岩较差地段，应严格按照上台阶开挖进尺进行开挖及支护；中台阶开挖完成后及时进行初期支护。3.6下台阶开挖及支护下台阶开挖滞后上台阶3~5m。下台阶开挖高度约3~3.5m，每次开挖长度进尺与中上台阶进尺长度相同，下台阶长度任何时候不得大于一个仰拱衬砌循环的长度。下台阶开挖时，必须左右两侧交错进行，两侧错开距离不得小于5米，以满足喷射混凝土的早期强度及钢架的落脚稳定共同受力，以能够承受一定的上部压力，不致开裂或坍塌。每次开挖长度不大于3榀钢架间距。尤其在洞口段及围岩较差地段，应严格按照中上台阶开挖进尺进行开挖及支护；下台阶开挖完成后及时进行初期支护。初期支护形式与中台阶相同。3.6仰拱开挖及支护仰拱开挖在下台阶开挖及初期支护完成后及时跟进，仰拱每次开挖长度进尺与上台阶进尺长度相同，且保持距下台阶长度不超过3m。仰拱开挖完成后应及时完成仰拱初期支护，以尽快封闭成环。仰拱衬砌及填充长度结合拱墙衬砌长度（每两道施工缝的距离）进行施工。3.7仰拱衬砌及填充6仰拱衬砌距离掌子面距离不超过30米。仰拱衬砌及填充混凝土应分开浇筑，填充混凝土待仰拱混凝土初凝后再行浇筑。浇筑仰拱混凝土前，需先检查接地钢筋的设置情况，设置正确后再行浇筑仰拱混凝土。3.8防水层及衬砌钢筋施工仰拱衬砌及填充完成后，立即对初期支护断面进行检测，并结合监控量测情况确定二衬施工时机。围岩变形稳定后，即可开始施工防水层。防水层由各种排水管及土工布、防水板组成，施工过程中应严格控制施工质量及注意成品保护。衬砌钢筋安装时，采用拱架型衬砌钢筋骨架定位，保证衬砌钢筋的间距、表面平顺度及保护层厚度。3.9拱墙衬砌拱墙衬砌在仰拱衬砌及填充完成后及时施作，拱墙衬砌距离仰拱衬砌距离一般不应小于每模拱墙衬砌长度的2~3倍。拱墙衬砌采用液压式移动模