3、环形开挖预留核心土法施工工艺工法

1环形开挖预留核心土法施工工艺工法QB/ZTYJGYGF-SD-0103-2011第五工程有限公司李阳刚1.前言1.1工艺工法概况环形开挖预留核心土法施工，可以有效地避免洞身开挖造成较大的收敛和下沉,为近早突破软弱围岩地段加快了进度。该工法在我国郑西客专秦东隧道、浙赣复线新羊石大跨软岩隧道、深圳盐坝高速公路B段溪涌隧道、宁夏沙坡头水利枢纽北干渠输水隧洞等工程中都得到广泛应用。1.2工艺原理按照“新奥法”原理，遵循“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”原则，着眼于“如何开挖，才能更有利于洞室的稳定和便于支护”：一方面，“环形开挖”将“面”拓展到“点”，减少软弱围岩大范围开挖而引起的扰动，加之利用“预留核心土”来支顶工作面，从而达到充分保护岩体的目的；另一方面，按照洞室开挖后岩体受力特点，利用环形开挖预留的作业空间及时进行支护，充分利用支护结构来限制岩体的变形，保证岩体不致过度松弛而丧失或降低岩体的承载能力。2工艺工法特点2.1施工难度小。由于“化面到点”，工序简单，各部位开挖及初支较容易控制，施工难度降低。2.2降低施工成本。与双侧壁导坑、CRD工法相比,大大节省了临时钢架和临时喷射混凝土，省工省料。2.3施工安全有保障。核心土支顶工作面，稳定性好；开挖均在支护的保护下进行；短进尺及设备的利用缩短了围岩的暴露时间；工序少、工序之间距离短，能尽早使初期支护封闭成环，发挥支护效应。2.4加快了施工进度，容易转换工序。与双侧壁导坑、CRD工法相比，无临时支护，节省了拆除临时支护的时间，所以当围岩变化时候，容易转换工序。2.5本工法可灵活应用。单独使用时，错台的高度可根据实际围岩情况，进行灵活调整，其工法核心内容之一“预留核心土”亦可广泛应用在台阶法、双侧2壁导坑法、CRD法等工法的分部施工中。3适用范围本工艺工法适用于黄土隧道、隧道洞口、具“浅埋、富水、偏压、大跨”特征和典型的Ⅳ、Ⅴ级围岩软弱地段，对其他类似地下工程亦有借鉴意义。4主要引用标准4.1《高速铁路隧道工程施工技术指南》（铁建设【2010】241号）、《铁路隧道工程施工技术指南》（TZ204）、《铁路隧道工程施工质量验收标准》（TB10417）、《铁路工程测量规范》（TB10101）、《公路隧道施工技术规范》（JTGF60）、《公路工程质量检验评定标准》（JTGF80/1）。4.2设计图纸、合同文件。5施工方法环形开挖预留核心土法是在上部断面以弧形导坑领先，并进行支护，其次开挖下半部两侧，再开挖中部核心土的方法。为方便采用机械化作业，提高开挖进度，施工中应尽量采用大断面分部。本工法的实质，可以认为是在“微台阶法”的基础上增加“预留核心土”内容。在施工时，环形开挖预留核心土每循环开挖进尺宜为0.5～1m，预留核心土面积的大小应满足开挖面稳定的要求，不宜低于开挖断面面积的50%；开挖完成后及时施作喷、锚支护，安装钢支撑，每两榀钢架之间应采用钢筋连接，并应加锁脚锚杆（管）；上部弧形，左右侧墙部，中部核心土开挖各错开3～5m平行作业；仰拱施工紧跟下台阶，全断面初期支护完成距离拱部开挖面不宜超过30m。当地质条件差，围岩自稳时间较短时，开挖面在拱部设计开挖轮廓线外，进行超前支护。6工艺流程及操作要点6.1施工工艺流程施工工艺流程图见图1、施工顺序图见图23施工准备超前地质预报①拱部超前支护②环形导坑开挖③上拱部初期支护④核心土开挖⑤左侧墙开挖⑤＇右侧墙开挖⑥左侧墙支护⑥＇右侧墙支护⑦核心土开挖⑧仰拱开挖⑨仰拱初期支护⑩仰拱灌注回填混凝土下一循环施工
监控量测，围岩稳定性评判，修正支护参数图1环形开挖预留核心土法施工工艺流程图1超前支护2弧形开挖7拉槽分部开挖核心土8仰拱开挖5侧墙开挖4核心土开挖3上拱部初期支护6侧墙支护9仰拱初期支护10仰拱灌注及回填10仰拱灌注及回填循环进尺4上部弧形核心土7分部核心土7分部核心土5侧墙开挖6侧墙支护5＇侧墙开挖6＇侧墙支护1超前支护全断面初期支护图2环形开挖预留核心土法施工顺序图46.2操作要点6.2.1施工准备1风水管、电线敷设，施工便道、施工场地布置，机械设备、人员配置，材料准备，修建环保、水保、防排水设施。2根据设计资料，详细分析、了解工程地质、当地水文情况，制定合理的施工方案和施工措施，制定施工监控量测方案及沉降观测计划。3按照设计或规范要求做好超前地质预报工作，指导现场施工。6.2.2超前支护采用的超前支护方式有超前大管棚、超前小导管（预注浆）、超前锚杆等，超前大管棚多用在洞口段施工，洞内因受操作空间的限制，非必需情况下一般不提倡采用。洞内一般采用超前小导管或超前锚杆。施工时，应严格按照技术要求布眼，掌握好超前外插角度，根据现场实际情况，调整外插角度。相邻段的搭接长度应符合设计及规范要求，支护尾部必须与钢支撑焊接牢固，注浆施工应严格按照设计配合比施工，并控制好注浆压力。6.2.3开挖环形开挖预留核心土法施工，主要采用挖掘机开挖，人工及风镐或解小炮配合修整开挖面。1拱部环形开挖。核心土顶面距离开挖拱顶高度宜控制在1.5m左右，核心土断面宜按照环形开挖断面积50%、方便人员操作进行控制；环形开挖高度根据实际围岩情况，结合钢支撑加工尺寸自行拟订，应方便人员操作，宜控制在3.5～4.0m；开挖循环进尺宜按照2榀钢支撑间距进行控制，一般0.5～1m。2开挖拱部核心土。3侧墙开挖，左右错开，错开距离宜为3～5m；单侧一次开挖进尺不大于1.5m，宜按照2榀钢支撑间距控制；开挖作业宽度1.5～2.0m，中间暂留核心土。4开挖中间核心土。5开挖仰拱。全幅开挖，采用栈桥保持通行。仰拱钢支撑和边墙下部钢支撑通过焊接连接牢固。6.2.4初期支护每次开挖后都应及时进行初期支护，做到“早喷锚”。初期支护施工顺序为：5初喷混凝土→打设系统锚杆→挂网→架立钢支撑→打设锁脚锚杆（管）→复喷混凝土至设计厚度。初喷混凝土厚度4～5cm，用于找平、封闭岩面，防止围岩应力集中及松弛变形。喷射混凝土进行时，应连续进行，并掌握好风、水压，以确保喷射混凝土强度及整体性。锚杆施工时，应通过测量定位，保证其纵向间距与钢支撑间距一致，并处于同一法线，以便锚杆安装好后与钢支撑焊接在一起，形成整体受力结构。锁脚锚杆的作用是防止拱墙脚初期支护受力后下沉及内移，在施工中不能减少，应加强。网片按照设计要求加工，挂设牢固。钢支撑架立，应按照设计尺寸架立，接头用螺栓连接固定，必要时候进行焊接连接。纵向连接钢筋的间距、焊接严格按照设计及规范要求进行，以保证初支的整体性，在特别松软地层，拱墙脚可设置型钢托梁，以增强整体性及避免不均匀沉降引起初期支护开裂或变形过大。6.2.5仰拱灌注及回填隧道拱部压力大，初期支护成环后，拱部压力通过初期支护向下传递，仰拱中部受力最大，仰拱开挖后，及时进行仰拱灌注及回填是改变仰拱受力的主要手段，同时也是保证洞内运输的需要，因此仰拱二衬应紧跟开挖进行。6.2.6监控量测监控量测，可掌握围岩变化规律及支护结构的力学状态和稳定程度，判断支护参数设置是否合理，因此必须加强监控量测，切实做到“勤量测”。主要施工监测项目见下表1：表1监控量测项目表序号量测项目量测方法和仪器测点布置测量频率测量精度1水平收敛量测收敛计、反射膜片配合全站仪每10～30m一个断面，上下2条基线4个点υ≥5mm（0～1B）2次/d；1≤υ＜5（1～2B）1次/d；0.5≤υ＜1（1～2B）1次/2～3d；0.2≤υ＜0.5（2～5B）1次/3d；υ＜0.2（＞5B）1次/7d。0.1mm2拱顶下沉水准测量的方法，水准仪、钢尺等每10～30m一个断面，1个点1mm注：B—隧道开挖宽度，υ—变形速速67劳动力组织采用环形开挖预留核心土法施工，由于循环进尺短，工序衔接紧凑，合理地配置人员可以起到减少资源、加快工序施工的作用。某单个工作面劳动力单班作业配置见表2，供参考。表2某单工作面作业劳动组织表（单班）序号工作项目作业内容人数1开挖风镐手6矿用电钻手2挖掘机司机2自卸车司机62初期支护型钢加工6钢筋网片加工2钢架安装8喷射混凝土15混凝土搅拌运输罐车司机43混凝土生产混凝土搅拌机司机3装载机司机2机械修理工14测量及其他技术员2测工45其他队长1技术负责人1质检工程师1专职安全员1试验员2电工3修理工2空压机司机3调度3辅助人员58主要机具设备环形开挖预留核心土法施工，合理安排机械不但可以加快施工进度同时还可以节约施工成本。根据机械工作能力和实际工作量，某单个工作面单班作业主要机械配备如表3，供参考。表3单个开挖面机械设备配备表序号作业机具设备名称规格型号单位数量备注7序号作业机具设备名称规格型号单位数量备注1施工通风轴流式通风机SDF（c）-NO110台1通风2施工照明低压变压器24v,10kw台2掌子面及二衬施工平台3施工用电发电机250kw台1备用变压器500kw台1施工及生活用电4开挖挖掘机PC-300-6台1开挖自卸车15t辆3出碴空压机LWJ-20/7-1台3高压供风风镐台10矿用电钻φ50台5掘进打锚管、锚杆5初期支护工字钢弯曲机GW1-200台1型钢加工钢筋弯曲机GW台1钢筋加工钢筋切断调直机GQ台1钢筋加工等离子切割机GW台1钢板切割交流电焊机BX1-500台6钢架、网片加工及安装台式钻床24025台1钢板加工压浆机台1锚杆注浆混凝土湿喷机TK-500台3喷浆6量测及测量仪器全站仪莱卡402台1方向控制水准仪莱卡N2台1标高控制塔尺5m个2标高控制精密水准仪莱卡N2台1沉降观测铟瓦尺个2收敛仪JSS30A个2量测锚杆拉拔仪BL—150B个1锚杆拉拔应力测试仪套1应力测试9质量控制9.1易出现的质量问题9.1.1富水等地段容易发生坍塌掉块，变形大。9.1.2钢支撑安装，连接质量不牢靠、锁脚质量差、设计净空尺寸不能保证。分部施工,增加了对支护的扰动频率，钢支撑易产生下沉。9.1.3开挖步距过大，闭环时间过长，钢架发生变形。9.1.4超前注浆效果较差造成局部坍塌；超前支护搭接长度不足造成局部坍塌；管棚（导管）角度控制不好造成局部坍塌。9.2保证措施9.2.1施工中对有缝隙水出露地段，应加强引排，绝不允许浸泡基底。9.2.2视情况通过采用放大拱脚、墙脚，增加沉降预留量等来保证净空尺寸满足设计要求。89.2.3钢架连接必要时采用焊接连接，锁脚锚杆（管）采用加设、增长、尽量径向打设，尾部与钢架焊接，钢架脚板必要时设置混凝土基础。9.2.4错台开挖时，钢架脚板位置，尽量采用人工处理，避免机械碰撞扰动。9.2.5严格控制错台长度和工序循环开挖进尺。9.2.6严格施工技术交底制,对作业人员定期进行质量教育和考核,教育作业队人员严格按设计及规范要求施工,确保施工工程质量。9.2.7加强监控量测，及时反馈信息，提高应变能力。9.2.8钢架、锚喷网支护要紧跟开挖进行，确保施工安全。9.2.9钢架安装间距误差要求在±10cm内，锚杆间距误差在±15cm内，锚杆长度不小于设计长度的95%，钢筋网片搭接长度误差在±5cm内，钢架安装垂直度误差在±2°内，型钢、网片、连接管之间焊接的焊缝应饱满且不应有假焊、漏焊现象。9.2.10掌子面与仰拱之间距离不大于30m，仰拱与衬砌之间距离不大于30m。9.2.11严格按配合比施工，控制好水灰比，控制和使用各种添加剂。9.2.12施工时应做好防水和引排水工作，防止钢架脚板被水软化，引起过大下沉。10安全措施10.1主要安全风险分析隧道开挖要注重塌方、突水（泥、石）、大变形等安全风险的评估，提出相应的风险处理措施，编制施工应急预案。10.2保证措施10.2.1每次开挖后应派专人进行检查，处理危石、悬石，并设人监护。确认安全后，其他人员方准进入作面。做好洞内防尘，降低粉尘浓度。10.2.2施工中应严格控制循环进尺和施工步距，掌子面到仰拱距离保持不超过30m，仰拱到二衬距离保持不超过30m。10.2.3施工时应严格按照设计要求挖大拱脚并安装好锁脚锚杆（管），严格控制钢架下沉。10.2.4施工中发现不安全因素时，应暂停开挖，加强支护措施。10.2.5认真做好临时支护变形的观察、量测，并