大跨度软岩公路隧道短台阶七部平行流水作业施工工法..

大跨度软岩公路隧道短台阶七部平行流水作业施工工法中铁十二局集团第二工程处一、前言随着高等级公路的迅猛发展，大跨度软岩公路隧道的施工方法也不断发展，主要有台阶法和双侧壁导坑法、中隔墙法等。但在工程实践中，发现双侧壁导坑法和中隔墙法存在以下缺点：一是限制了大型施工机械的使用，降低了工效；二是在软硬围岩相间的隧道施工中，施工方法的调整时间很长；三是临时施工支护多、投入大、不经济；四是施工中相互干扰大；五是分部施工防水层和混凝土衬砌，运营病害多。在京珠高速公路靠椅山隧道施工中，我处采用短台阶七步平行流水作业法施工，成功地解决了软岩、断层、流泥涌水等难题，确保了工程质量和工期。在此基础上将其关键技术归纳提炼，再次应用于深圳盐坝高速公路大梅沙隧道洞口软岩地段施工和渝合高速公路西山坪隧道施工，均获得成功．本工法系根据上述公路隧道的施工实践编制而成。二、工法技术特点1、施工空间大，可以引入大型施工机械多作业面平行施工，工效高；部分软岩地段可以采用反铲挖掘机直接开挖下半断面，减小了对圈岩的扰动。2、在地质结构复杂多变、软硬围岩相间的隧道施工中，便于灵活及时地调整施工方法，进度稳定，工期保障性强。3、能适应不同跨度和多种断面形式，没有需拆除的临时施工支护，节省投资。4、爆破施工可以分成多个作业面进行，将集中爆破化为分散爆破，既减少了对围岩的扰动，又充分利用了时间空间，还增加了爆破临空面，降低了炸药消耗。5、混凝土仰拱超前施作，便于初期支护及早闭合成环承载，且改善了洞内作业、运输环境。6、全断面一次施作防水层和灌筑混凝土衬砌，确保了混凝土衬砌施工质量，运营病害少。7、无需增加特殊设备，投入少、操作性强，易推广。三、适用范围本工法适用于公路、铁路Ⅰ—Ⅲ类围岩的隧道，对大跨度地下工程及其它交通通道工程亦有参考价值。在断层带、破碎带及富水地层中采取大管棚、迈式注浆锚杆和小导管预注浆固结、止水等技术措施后亦可适用。四、工艺原理短台阶七步平行流水作业法是采用2—3层短台阶，分步平行开挖，分步平行施作拱墙初期支护，混凝土仰拱超前施做及时闭合构成稳固的初期支护体系，保护围岩的天然承载力，有效抑制围岩变位。经量测监控信息化反馈指导施工，及时调整支护参数和混凝土衬砌施工时间。在断层带、破碎带等自稳性较差地层和富水地层中，则采用大管棚、迈式注浆锚杆和小导管预注浆固结、止水等辅助施工措施后，上部弧形导坑法短开挖施做拱部初期支护，再左右错位开挖及施做边墙初期支护，混凝土仰拱紧跟下台阶并及时施做，尽早闭合成环，构成支护体系受力。五、施工工艺（一）工艺流程施工工艺流程见图1。开挖上部弧形导坑，并施做初期支护左右错位开挖中台阶并施做初期支护左右错位开挖下台阶并施做初期支护施做混凝土仰拱使初期支护闭合成环监控量测反馈，施做防水层，灌注混凝土图1短台阶七步平行流水作业法施工流程图（二）施工工艺1、开挖对隧道周边围岩进行超前预加固后，进行分步平行开挖。Ⅰ≈Ⅱ类围岩地段采用三台阶分步平行开挖法，施工顺序见图2。上半断面环形部分人工采用风镐开挖，其余各部采用CAT320B挖掘机开挖、装碴。循环进尺一般控制在0.5m—1.2m为宜。Ⅲ类围岩地段可将三台阶分步行平开挖法调整为两台阶分步平行开挖法施工。遵循“弱爆破、短开挖”的原则采用光面爆破或预留光爆层做振动控制爆破技术开挖上半断面，以减小对围岩的扰动，炮眼深度一般控制在1.5m—2.0m为宜。图2短台阶七步平行流水作业法示意图(单位：m)2、初期支护施工初期支护是由锚杆、钢筋网、钢架和喷射混凝土组成的一种联合受力结构，为保护围岩的天然承载力，初期支护要尽快施做，其施工流程见图3。(1)初喷凝土封闭岩面用高压风自上而下吹净岩面，埋设控制喷射混凝土厚度的标志钉，如工作面有滴水或淋水，提前做好钻孔埋管的引排水工作。喷射作业先从拱脚或墙脚向上堆喷，以防止上部喷射回弹料虚掩拱脚(墙脚)而不密实，以致强度不够，造成失稳；先将凹洼部分找平，然后喷射凸出部分，并使其平顺连接。喷射操作应沿水平方向以螺旋形划圈移动，并使喷头尽量保持与受喷面垂直，喷嘴口至受喷面距离以0.6～1.0m为宜。喷射混凝土表面应大面平整并呈湿润光泽，无干斑或滑移流淌现象。(2)施作结构锚杆，挂设钢筋网锚杆为全长粘结型锚杆，杆体为φ22mm的20MnSi螺纹钢筋，长度为3.0m或是3.5m，间距0.8m～1.0m，梅花形布置，径向施作。各台阶初期支护连接处左右均需设不少于两根锁脚锚杆，确保初期支护不失稳。为确保锚杆施作质量，有条件时，拱顶结构锚杆和锁脚锚杆应尽量采用迈式注浆锚杆或WTD25N中空锚杆。钢筋网为田10mm或田6mm钢筋焊接而成，网格为20cm或25cm。钢筋网应随受喷面的起伏铺设，其间隙不大于3cm，钢筋网应与锚杆体连接牢固。(3)安装钢架钢架是软弱围岩中初期支护的重要组成部分，应严格按设计图及设计要求加工制作和架设。台阶法施工钢架单元结构见图4。钢架架设施工：拱部单元：首先进行施工放样，确定钢架基脚位置，然后铺设E25a槽钢垫板，施作定位系筋，最后架设钢架，设纵向连接筋。墙部单元：墙脚部位铺设25a槽钢垫板，施作定位系筋；对应拱部单元钢架位置架设墙部单元钢架，栓接牢固，设纵向连接筋，施工注意事项：有无否符合图3初期支护施工流程通风排烟降尘清理危石处理欠挖施工准备吹净岩面检查断面超欠挖情况，初喷混凝土封闭岩面施做结构锚杆，挂设钢筋网有无质量问题改进施工放样安装钢架是否符合标准调整做拱部超前支护，焊接喷射混凝土至设计厚度围岩量测信息反馈，修正支护参数图4台阶法施工钢架单元结构图(单位：m)①为保证钢架置于稳固的地基上，施工中应在钢架基脚部位预留足够的坚实地基，架立钢架时挖槽就位。②钢架平面应垂直于隧道中线爹其倾斜度不大于20；钢架的任何部位偏离铅垂面不应大于5cm。③为增强钢架的整体稳定性，应将钢架与纵向连接筋、结构锚杆、定位系筋和锁脚锚杆焊接牢固。④钢架连接接头要连接牢固。拱脚部位易发生塑性剪切破坏，故该部位接头除栓接外，还应四面帮焊，确保接头的刚度和强度。条件允许时，接头最好采用角钢连接板，便于混凝土全面握裹⑤当钢架和初喷层闽存在较大间隙时要设骑马或楔形垫块顶紧围岩；钢架与围岩的间距不应大于5cm。(4)施作拱部超前支护和二次喷射混凝土拱部按设计技术参数施作下一循环超前支护，并把该支护尾端焊在钢架上。分层喷射混凝土到设计厚度，每层5～6cm厚；钢架保护层不小于2cm。整个喷射混凝土表面要平顺。(5)监控量测、修正支护参数严格按设计要求进行拱顶下沉和周边收敛位移量测，通过监控量测的信息反馈，及时调整支护参数，以保证衬砌结构的安全。监控量测中应注意：①为取得开挖后围岩早期状态变化数据，各项测点应尽量靠近开挖面布置(不大予2m)，在爆破后24h或下次爆破前，读取初次读数。②周边收敛、拱顶下沉及地表下沉各项测点应尽理集中断面布设，以便量测成果的协调分析、综合运用。③量测时，应先把钢尺拉出(拉出长度稍长于量测基线)停放20mm，以使钢尺温度与环境气温相差达到基本一致。(当在同一洞口内连续量测若干断面，且环境气温相差不大时，可连续量测)．④采用台阶法开挖时，当下半断面开挖靠近上半量测断面，量测频率应适当增加。3、仰拱施工在设计有混凝土仰拱施工地段乙拱墙初期支护施工完成后，要及时左右错位跳挖仰拱、安装仰拱钢架，进行混凝土仰拱施工，使初期支护尽早闭合成环构成稳固的初期支护体系。并为施工运输创造良好环境。4、混凝土衬砌采用可调式防水层作业专用台车按设计材料和技术参数施作防水层，铺设时要采用无钉孔工艺，并视初期支护的平整情况，将防水板留一定的富余量，以防止过紧而被混凝土挤破。混凝土衬砌采用全断面液压钢模衬砌台车、泵送混凝土灌注。混凝土生产采用自动计量拌合机拌合，混凝土输送车运输。要左右对称地灌筑，防止台车偏移。设置制式挡头模板，确保施工缝处混凝土质量。六、机具设备单口作业所需要机具设备见表1。七、劳力组织单口作业劳力组织见表2。八、质量控制(一)本工法应严格遵守公路隧道施工技术规范及验收标准。(二)混凝土工程1、喷混凝土。对喷混凝土骨料级配、含泥量及外加剂质量严格把关，坚持每批均抽检，不合格品坚决清理出场。拌制时严格按配合比计量。缩短运输存放时间，随随拌随用(一般加速凝剂混凝土不超过30分钟)。2、钢构件下料按1：1大样为准，加工时尽量减少热变形；焊点强度严格把关。3、送混凝土应严格控制坍落度损失，严禁擅自加水，外加剂应严格计量。(三)施工管理l、成立专门的质检小组，严格质检程序，奖罚分明，质量不合格者坚决返工单口作业所需机具设备表表1序号作业项目机械设备名称规格型号单位数量备注电动空压机ZL—10/8台4高压供风双液注浆机LTC—60/S台1超前注浆风镐G10台81开挖风枪7655台8结构锚杆，超前支护，爆破钻眼挖掘机CTA320B台1开挖、装碴自卸车20T台4出碴泥浆泵100m3/h台2排水钢筋切断机QJ40—1台1钢筋弯曲机40台1钢架、格栅及其初期电焊机BX—300台5它钢构件加工2电焊机BX—400台2支护台式钻床24025台1搅拌机JZC350台2湿喷机TK961台3全站仪拓普康台1量测经纬仪蔡司010B台13及测水准仪台1量仪塔尺台2器收敛仪ZC—3台1搅拌站JS50025m2m/h台2二次混凝土输送车五十铃台44混凝土输送泵HB60D台2衬砌插入式捣固器台4辅助震捣发电机JSK—300A台15通风通风机DKJN101#1380m2/min初期支护单口作业劳力组织表表2序号作业项目作业内容人数备注风镐手8风枪手8挖掘机司机1自卸车司机4钢架、格栅下料2制作钢架4安装格栅7喷射手6搅拌机司机2搅拌机上料3技术员1测量班长1测量工3搅拌站4运输混凝土4输送泵司机2台车调试倒管6含防水层施作分队长1技术负责人1专职安全员1质检员1实验员1电工1修理工2压风机司机4调度员1发电机司机1抽水、通风1901二次衬砌4初期支护2合计开挖其他5量测32、喷射混凝土严格按{铁路隧道喷锚构筑法技术规则}控制，努力减少超欠挖。3、加强监控量测管理，及时反馈信息，提高应变能力。监控量测项目及频率见表3。监控量测项目及频率表表30—15天16—30天31天以后隧道内地质和支护状况的观察全隧道各掌子面0-15天16-30天31天以后隧道净空变位测定每5-20m水平收敛1-2次/每天1次/每天1次/每天拱顶下量测定每5-20m3点1-2次/每天1次/每2天1次/每周锚杆拔拉试验每15m（300根）每断面3根1次/每2天1次/每周地表下沉测定每5mAB量测频率类别量测项目每段相隔距离每段安设九、施工安全与环境保护措施1、爆破、量测人员和专职安全员，必须经过专业培训并取得证书，持证上岗。2、必须加强全员安全意识教育，交叉施工地段设调度员加强调度。3、危爆火工品严格按{爆破安全规程》及当地公安部门要求，用多少领多少，坚持审批签字手续。4、加强洞内外三管两线的管理，防止漏电、漏风伤人。5、加强机械保养维修，降低机械噪声及废气摔放，改善作业环境。6、加强现场管理，保持清洁卫生，污水排放要设泥浆沉淀池和过滤池、便道及弃碴场要洒水降尘。十、效益分析l、本项施工技术为大跨度软岩公路隧道机械化施工积累了成功的经验。2、灵活的开挖与支护手段及相应的技术措施适应了地质变化，真正做到“岩变我变”，有效地保证了隧道施工的安全。3、与双侧壁导坑法相比，可节省大量临时钢架施工支护费用，减少了投资。单洞双车道隧道的3类围岩条件下，与全断面施工法相比，仅爆破钻眼和炸药两项费用每延米即节约1157元．十一、工程实例京珠高速公路靠椅山隧道位于广东省韶关市翁源县铁龙镇与新江镇交界处，分左右线隧道，横穿靠椅山。隧道设计为单洞三车道，采用R二7.4m单心圆曲墙式衬砌，除明洞衬砌外，其余衬砌类型均按新奥法原理设计，采用复合式衬砌．Ⅱ-Ⅲ类圈岩段开挖跨度为16.7m，高度为10.1m，以超前小导管用边预注浆、超前锚杆、结构锚杆、型钢钢架、钢筋网和喷混凝土为初期技护；模筑混凝土或钢筋土为二次衬砌，在两次衬砌间设PVC复合防水板为防水层。我