隧道土石混合断面开挖工法(1)

市政隧道（隧洞）土石混合断面三台阶七步开挖施工工法1．前言市政工程隧道（隧洞）开挖过程中，通常会碰到需开挖断面各部围岩坚硬程度和岩体完整程度差别很大、甚至局部出现两极分化的地层。根据以往做法一般采用普通的台阶开挖法、分部开挖法或者CRD法施工来稳定开挖面，保证施工安全。这些施工方案依然有很多缺点：如施工工序繁琐、回转周期次数多、工期拉得过长、施工辅助材料多、用工量大、机械利用率低、施工成本成倍增加、施工安全隐患点多的矛盾难以克服。我公司在经过玉环渝汇隧道工程及其它市政隧道工程施工得出了经验，在原来应用较成熟的台阶开挖法的基础上进行举一反三实践，深层挖掘，探索出“三台阶七步开挖工法”，实践表明此工法能加快施工进度、节约施工成本，又安全可靠。现予介绍以期推广。2．工法特点2.1该工法充分利用了台阶开挖隧道时各种安全稳定的有利因素，在更加复杂的地质条件下对台阶开挖法进行了一定的深化，相对于分部开挖法或CRD法，具有更大的作业空间，使得人工、机械的交叉作业效率大大地提高，从而加快施工进度。日均进度可达0.5~1.0延米。2.2该工法相对分部开挖或CRD作业空间增大后，无须装拆临时钢支撑和临时仰拱。辅助工作量少，耗时、耗材少，节约施工成本。2.3该工法相比CRD施工方法，不必在钻眼爆破时采用搭设临时支架的方法打眼，对围岩扰动次数减少，从而大大减少高空作业的安全隐患风险。3.适用范围本工法适用于土石混合断面及局部孤石地层的市政隧洞开挖工程施工。4.工艺原理我公司承建的玉环渝汇隧道工程，其进洞后左侧为软弱松散的全风化围岩，右侧岩石较完整且强度相对较高，纵横断面图3所示：abcdfehiⅥ级断面图34．1第一步在弧形cde打入超前双液注浆小导管以及超前锚杆，超前小导管设计长度3m，按三台阶起步施工方法施工，风险在于左侧拱部局部坍方。为了避免右侧爆破不会导致左侧拱顶坍方，施工时拟定每循环打入5~6m的超前小导管；为了确保左侧拱部施工安全，拟定拱部左侧施工时超前小导管环向间距按20~30cm布设施工，确保右侧断面爆破时候不会导致左侧拱部土方坍塌；右侧实体围岩部分采用超前砂浆锚杆按设计要求施工。4．2开挖方法：在上台阶土石交界处竖向挖出一条土石分界槽，右侧采用钻眼爆破施工。爆破完成采用挖掘机挖出弧形断面，不足部分采用人工羊镐锄、风镐等工具修凿控制环形开挖尺寸，每循环进尺0.5m，预留核心土，以核心土作为支护施工平台cde弧形工字钢，打入锚杆、挂网喷护砼完成cde弧形支护。第二次循环，首先把右1上部弧形炮眼打完，然后采用挖掘机挖除核心土6-1，继续右侧打眼完成后爆破。爆破完成后依次挖出弧形断面cde,依次按前面的顺序，架设工字钢、挂设钢筋网，打入锚杆，完成喷砼。继续往前施工至第一台约5m，进入中台阶施工，始终保持上台阶比中台阶提前施工5m；4．3中台阶施工：先挖除左侧土方进尺1m，每次接cd工字钢1~2榀，如发现土质松软时候，首先架设纵向设置一根I20工字钢作为拱架的垫底支撑纵向梁加强钢支撑承载力，然后再接入cd弧形拱架上下焊接牢固，依次打入锁脚锚杆，锁脚锚杆左侧根据实际围岩加密，拟定环向间距（0.5~1m）确保拱架支撑稳定和安全性，依次挂网喷射砼。右侧钻眼爆破完成后立即采用挖掘机把ef弧形断面清渣，部分清渣修凿采用人工作业，当断面达到设计尺寸要求后，立即接入中ef环向工字钢，顺次打入锚杆、挂网喷砼完成右侧支护。接着挖除6-2核心土继续施工下一个循环作业，中台阶断面滞后上台阶断面5m左右。循环进尺1m，每次支护cb、ef左右侧弧形断面工字钢支护2榀，挂网喷砼结束一个循环；4．4下台阶施工：总体作业顺序与中台施工一样，先挖除左侧土方进尺1m，右侧钻眼爆破施工，中台阶断面滞后上台阶断面5m左右。利用机械清渣，循环进尺1m，每次支护ba、fh左右侧弧形断面工字钢支护2榀，挂网喷砼结束一个循环；这样使adh断面形成封闭；4．5在以上adf断面完成后再施作仰拱断面，仰拱断面可以采用半断面封闭施工，也可以采用全断面施工，每次循环施工3~5m；循环以上步骤，直至隧道Ⅵ级围岩段施工结束为止。5施工工艺流程及操作要点5.1．工艺流程测量放样↓超前支护↓上部弧形导坑开挖，施作初期支护↓断面检查↓左右错开开挖中台阶，施作初期支护→围岩稳定性评判，修正支护系数↓左右错开开挖下台阶，施作初期支护↓开挖上、中、下台阶预留核心土↓分段开挖隧底，施作初期支护↓施作仰拱↓施作仰拱填充5.2操作要点5.2.1测量放样1.对洞内水准点,导线点应根据规范要求及时组织复测，桩点必须稳定、可靠，且通视良好。水准点应设在不易损坏处，并加妥善保护，测量仪器、工具使用前应做检校，保证仪器具的精度符合使用要求。2.隧道开挖前，测量人员应在开挖断面标出眼位，以便准确打眼。3.第三方任务：加强监控量测，提供准确变形数量，及时修改支护方案。施工过程加强监测，及时处理分析数据，根据分析结果调整支护参数。5．2.2超前支护1.超前管棚施工2.施工工艺：明洞边仰坡开挖和支护→施作套拱→搭钻孔平台安装钻机→钻孔→清孔验孔→安装管棚钢管→注浆3.明洞边坡仰坡开挖支护a.明洞段开挖应在洞顶截水沟施工完成后进行，应尽量避开雨季施工。b.边坡防护应与明洞开挖同步进行；及时施工明洞边坡的锚杆、挂设钢筋网、喷射混凝土及时封闭坡面。c.对边坡渗水要及时排、引到坡面外，加强对坡面的防护。4.施工套拱a.混凝土套拱作为长管棚的导向墙，套拱在明洞外廊线以外施作，套拱内埋设4榀工字型钢支撑，钢支撑与管棚孔口管焊成整体。b.孔口管作为管棚的导向管，它安设的平面位置、倾角、外插角的准确度直接影响管棚的质量。用经纬仪坐标法早工字钢架上定出其平面位置；用水准尺配合渡板设定孔口管的倾角；用前后差距法摄动孔口管的外插角。孔口管应牢固焊接在工字钢上，防止浇筑混凝土时产生位移。5.2.3打钻孔平台安装钻机1.钻机平台可用枕木或钢管脚手架搭设，搭设平台应一次性搭好，钻孔由两台钻机由高孔位向低孔位对称进行，可缩短移动钻机与搭设平台时间，便于钻机定位。2.平台支撑要着实地，连接要牢固、未定。防止在施钻机产生不均匀下沉、摆动、位移等影响钻孔质量。3.钻机定位：钻机要求与已设定好的孔口管方向平行，必须精确核定钻机位置。用经纬仪、挂线、钻杆导向相结合的方法，反复调整，确保钻机钻杆轴线也孔口管轴线相吻合。5.2.4钻孔1.为了便于安装钢管，钻头直径采用115mm。2.岩质较好的可以一次成孔；钻进时产生坍孔、卡钻，需补注浆后再钻进。3.钻机开钻时，可低速抵压，待成孔10m后可根据地质情况逐渐调整钻速及风压。4.钻进过程中经常用测斜仪测定其位置，并根据钻机的现象及时判断成孔质量，并及时处理钻进过程中出现的事故。5.钻进过程中确保动力器，扶正器、合金钻头按同心圆钻进。6.认真作好钻进过程的原始记录，及时对孔口岩屑进行地质判断、描述。作为开挖洞身的地质预探预报，作为指导洞身开挖的依据。5.2.5清孔验孔1.用地质岩芯钻杆配合钻头（ø115mm）进行来回扫孔，清楚浮渣至孔底，确保孔径、孔深符合要求、防止堵孔。2.用高压气从孔底向孔口清理钻渣。3.用经纬仪、测斜仪等检测孔深，倾角，外插角。5.2.6安装管棚钢管1.钢管应在专用的管床上加工好丝扣，棚管四周钻ø8出浆孔（靠掌子面45m的棚管不钻孔）；管头焊成圆锥形，便于入孔。2.棚管顶进采用大孔引导和棚管机钻进相结合的工艺，即先钻大于棚管直径的引导孔（ø115mm），然后可用10t以上卷扬机配合滑轮组反压顶进；也可利用钻机的冲击力和推力低速顶进钢管。3.接长钢管应满足受李要求，相邻钢管的接头应前后错开。同一横断面内的接头数不大于50%，相邻钢管接头至少错开1m。5.2.7注浆1.安装好有孔钢花管后即对孔内注浆，注浆后再施工无孔钢管，无孔钢管可以作为检查管，检查注浆质量。2.注浆参数：水泥浆与水玻璃体积的比例为1：05；水泥浆水灰比1：1；水玻璃浓度35波美度；水玻璃模数24。3.采用kby50/70液压注浆机将双液浆注入管棚钢管内，初压05mpa-10mpa，终压2mpa，持压15min后停止注浆。注浆量一般为钻孔圆柱体的15倍，若注浆量超限，未达到压力要求，应调整浆液浓度继续注浆，直至符合注浆质量标准，确保钻孔周围岩体育钢管周围孔隙均为浆液充填，方可终止注浆。4.注浆结束后及时清除管内浆液，并用30号水泥砂浆充填，增强管棚的刚度和强度。5.2.8超前小导管施工：1.施工方法a）小导管安设一般采用钻孔打入法，即先按设计要求钻孔，钻孔直径大3~5mm，然后将钢管用捶击或钻孔顶入，顶入长度不小于钢管长度90%，并用高压风将钢管内的砂石吹出；b）小导管安设后，用塑胶泥封堵孔口及周围裂隙，必要时在小导管附近及工作面喷射混凝土，以防止工作面坍塌；c）隧道的开挖长度应小于小导管的注浆长度，预留部分作为下一次循环的止浆墙；d）注浆前应进行压水试验，检查机械设备是否正常，管路连接是否正确，为加快注浆速度和发挥设备效率，可采用群管注浆（每次3~5根）；e）注浆量达到设计注浆量和注浆压力达到设计终压时可结束注浆；f）注浆过程中要随时观察注浆压力及注浆泵排浆量的变化，分析注浆情况，防止堵管、跑浆、漏浆，做好注浆记录，以便分析注浆效果；g）、根据揭露地质情况，超前小导管与超前锚杆环向支护范围可进行相应变化2.超前小导管采用外径Φ42mm，壁厚4mm的热轧无缝钢管加工制成，长300、600cm，钢管前端加工成锥形，尾部焊接Φ6mm钢筋加劲箍，管壁四周钻Φ6mm溢浆孔；3.超前双液注浆小导管拱部范围设置：双排超前双液注浆小导管沿隧道拱部以15°、10°插入，注浆材料采用水泥一水玻璃双液、浆（体积比为1：0.6~1(体积比)），水泥浆水灰比0.8:1~1:1，水玻璃模数2.6~2.8，水玻璃浓度35BE‘，终压1~1.5MPa；4.注浆施工：注浆时采用BW-250/50型注浆泵，按由下至上的顺序进行，浆液先稀后浓，注浆量先大后小，如遇串孔或跑浆则隔孔灌压。5.注浆压力控制：注浆压力按分级升压法控制，由注浆泵油压控制调节。具体调法是：启动注浆泵，正常运转后关闭泵口阀门，泵停止运转后，旋转压力调解旋钮，将油压调在要求的油压刻度值上。随着注浆阻力的增大，泵压随之增高，当达到设计1.0~1.5Mpa，压力值时，自动停泵。6.清洗注浆系统：达到结束标准后，停止注浆，随即卸下注浆混合器及注浆系统，并用清水清洗干净，以保证下次注浆顺利进行。7注浆异常现象处理，注浆压力突然升高时，即可能发生了堵管时，立即停机检查。浆液进浆量很大，压力长时间不升高，则调整浆液浓度及配合比，并采用间歇式注浆，使浆液在裂隙中有相对停留时间，以便凝胶，但停留时间不能超过混合浆的凝胶时间。5.2.9隧道爆破施工光面爆破是新奥法原理的第一要素，实施光面爆破可减弱对围岩的扰动，避免围岩应力重新分布时相对集中，减小松动范围，使开挖轮廓圆顺；是保证隧道工程质量、安全和进度的一个关键技术因素，由于部分围岩变化较大因此选用以下几种爆破方案，施工时可以参照使用。1、Ⅴ级围岩岩层风化破碎程度严重，自稳能力很差，采用预留核心土、环型爆破开挖法。爆破设计见图5.5-1。优点是：环型开挖周边眼间距较小，一次装药量少，对周边围岩震动较小，同时先开挖出的环型槽，在后序主体部分爆破起到较好的减震作用。2、Ⅳ级围岩采用短台阶开挖，采用预裂爆破；当围岩条件允许，下部可一次性挖完时，采用边墙部位预裂爆破方法。爆破设计见图5.5-2。3、Ⅲ级围岩一般地段采用全断面开挖；光面爆破方案，装载机和自卸车出碴。4．减轻地震动爆破措施采用微震光面爆破，减轻地震动影响，减小对围岩的扰动，是保证本隧道软弱围岩施工安全的重要措施，其施做要点是：a.密打眼，少装药，并根据爆破震动衰减规律公式反算控制最大单响起爆药量；b.合理安排段间隔时差：为避免爆破震动波形叠加，降低爆破震动强度，毫秒雷管跳段使用，段间隔时差控带在100ms左右。c.根据以往施工经验，爆破产生大振速部位通常为：掏槽爆破、91313爆破参数表IV级围岩炮眼布置图21380