武廣客專軟弱圍巖大斷面隧道三臺階預(yù)留核心土施工工法.doc

. . . . .軟弱圍巖大斷面隧道三臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法施工技術(shù)總結(jié)中鐵二十五局武廣項目部 汪德福1 推行三臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法的目的在不增加建設(shè)投資的基礎(chǔ)上，保證工程質(zhì)量，加快施工進度，確保施工安全，并能有效節(jié)約建設(shè)成本。2 三臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法適用范圍 三臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法適用于圍巖自穩(wěn)性好、無地下水發(fā)育的隧道。一般適用于、級圍巖無地下水地段。3 三臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法施工工藝三臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法施工工序見圖1、圖2。圖1 三臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法施工工序圖圖2 三臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法施工工序圖三臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法施工工藝見圖3。測量放樣超前支護上臺階弧形導(dǎo)坑開挖，預(yù)留核心土中臺階左右側(cè)開挖及初期支護施工下臺階左右側(cè)開挖及初期支護施工開挖上中下臺階之核心土施工仰拱及填充分段開挖仰拱，初期支護成環(huán)施工防水結(jié)構(gòu)和襯砌鋼筋液壓臺車模筑洞身襯砌圍巖量測數(shù)據(jù)分析，并進行動態(tài)施工管理。及時對支護進行加強或停止施工。斷面檢測（符合要求，繼續(xù)下一步施工；不合格，修整斷面至符合輪廓尺寸）施工前準備鋼架及錨桿等的加工圖3 三臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法施工工藝圖3.1三臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法施工工藝流程3.1.1 超前支護超前支護是軟弱圍巖隧道施工成敗的關(guān)鍵，洞口段采用30米洞口長管棚作為超前支護，其它地段采用超前小導(dǎo)管作為超前支護加固圍巖。嚴格控制開挖進尺，每循環(huán)均控制在一品鋼架間距左右，保證超前支護的有效性。3.1.2 上臺階開挖及支護開挖前，用全站儀或斷面儀放出上臺階開挖斷面輪廓線。上臺階采用人工配合機械開挖，先用CAT320挖掘機挖出主斷面輪廓，并沿開挖輪廓線內(nèi)側(cè)預(yù)留50cm厚圍巖，由人工采用小型機具挖鑿，一般采用的輔助小型機具為風(fēng)鎬、風(fēng)鏟等。上臺階開挖高度約5.16m，以確保挖掘機能進入掌子面進行施工。上臺階中部靠近掌子面預(yù)留核心土高度約3m，上口寬約5m，三面按施工需要放坡。防止掌子面圍巖受擠壓失穩(wěn)或自失穩(wěn)引起塌方，危及拱頂圍巖的穩(wěn)定。同時方便支護施工時不需再搭設(shè)其它平臺。上臺階開挖完成后及時進行初期支護。上臺階按“初噴錨桿鋼筋網(wǎng)鋼架復(fù)噴”的支護形式實施初期支護。以成鏡塘隧道為例，鋼架規(guī)格為I20a或I22a型鋼鋼架,間距為5080cm。上臺階鋼架由2節(jié)組成，在拱頂設(shè)置接頭板。每榀鋼架每側(cè)各采用4根42無縫鋼管鎖腳，管體內(nèi)灌注1：1水泥凈漿及插入22螺紋鋼，以增加管體剛度及保護鋼管不受侵蝕。且鎖腳鋼管要與鋼架焊接成整體，以起到抑制初期支護下沉的作用；系統(tǒng)錨桿均為4m長，其中拱部為25的中空注漿錨桿，錨桿間距為0.8m*1.0m（環(huán)*縱）或1.0m*0.8m（環(huán)*縱）。鋼筋網(wǎng)規(guī)格為20*20cm。初噴4cm厚C25混凝土，摻加1.2kg/m3的改性聚酯纖維，復(fù)噴混凝土厚度至28cm（有效厚度，鋼架內(nèi)及鋼架保護層）。3.1.3 中臺階開挖及支護中臺階開挖滯后上臺階35m。中臺階開挖高度約3.15m，每次開挖長度進尺與上臺階進尺長度相同，中臺階長度任何時候不得大于15m。中臺階開挖時，必須左右兩側(cè)交錯進行，兩側(cè)錯開距離不得小于5米，以滿足噴射混凝土的早期強度及鋼架的落腳穩(wěn)定共同受力，以能夠承受一定的上部壓力，不致開裂或坍塌。每次開挖長度不大于3榀鋼架間距。尤其在洞口段及圍巖較差地段，應(yīng)嚴格按照上臺階開挖進尺進行開挖及支護；中臺階開挖完成后及時進行初期支護。初期支護形式與上臺階基本相同，邊墻設(shè)置22mm的砂漿錨桿，錨桿間距為0.8m*1.0m（環(huán)*縱）或1.0m*0.8m（環(huán)*縱）。3.1.4 下臺階開挖及支護下臺階開挖滯后上臺階35m。下臺階開挖高度約3.15m，每次開挖長度進尺與中上臺階進尺長度相同，下臺階長度任何時候不得大于一個仰拱襯砌循環(huán)的長度。下臺階開挖時，必須左右兩側(cè)交錯進行，兩側(cè)錯開距離不得小于5米，以滿足噴射混凝土的早期強度及鋼架的落腳穩(wěn)定共同受力，以能夠承受一定的上部壓力，不致開裂或坍塌。每次開挖長度不大于3榀鋼架間距。尤其在洞口段及圍巖較差地段，應(yīng)嚴格按照中上臺階開挖進尺進行開挖及支護；下臺階開挖完成后及時進行初期支護。初期支護形式與中臺階相同。3.1.5 仰拱開挖及支護仰拱開挖在下臺階開挖及初期支護完成后及時跟進，仰拱每次開挖長度進尺與上臺階進尺長度相同，且保持距下臺階長度不超過3m。仰拱開挖完成后應(yīng)及時完成仰拱初期支護，以盡快封閉成環(huán)。仰拱襯砌及填充長度結(jié)合拱墻襯砌長度（每兩道施工縫的距離）進行施工。仰拱開挖、初期支護、襯砌及填充采用移動棧橋施工，移動棧橋采用I36b的工字鋼每5榀拼成一組，長15m。結(jié)合上臺階施工進度，每座隧道采用移動棧橋一套。3.1.6 仰拱襯砌及填充仰拱襯砌距離掌子面距離不超過40米（、級圍巖地段可適當調(diào)至不大于70米）。仰拱襯砌及填充混凝土應(yīng)分開澆筑，填充混凝土待仰拱混凝土初凝后再行澆筑。澆筑仰拱混凝土前，需先檢查接地鋼筋的設(shè)置情況，設(shè)置正確后再行澆筑仰拱混凝土。3.1.7 防水層及襯砌鋼筋施工 仰拱襯砌及填充完成后，立即對初期支護斷面進行檢測，并結(jié)合監(jiān)控量測情況確定二襯施工時機。圍巖變形穩(wěn)定后，即可開始施工防水層。防水層由各種排水管及土工布、防水板組成，施工過程中應(yīng)嚴格控制施工質(zhì)量及注意成品保護。襯砌鋼筋安裝時，采用拱架型襯砌鋼筋骨架定位，保證襯砌鋼筋的間距、表面平順度及保護層厚度。3.1.8 拱墻襯砌拱墻襯砌在仰拱襯砌及填充完成后及時施作，拱墻襯砌距離仰拱襯砌距離一般不應(yīng)小于每模拱墻襯砌長度的23倍。拱墻襯砌采用液壓式移動模板臺車施工。3.1.9 斷面檢測斷面檢測共分三個部分，即開挖斷面檢測、鋼架弧度檢測、初期支護斷面檢測。開挖斷面檢測是防止超欠挖的有效手段；鋼架弧度檢測是為了防止鋼架在轉(zhuǎn)運及安裝過程中產(chǎn)生的弧度偏差；初期支護斷面檢測有兩個作用，一是可以作為監(jiān)控量測的輔助手段，能直觀反映整個弧形導(dǎo)坑的圍巖及初期支護情況。二是為施工防水層及二次襯砌提供依據(jù)，出現(xiàn)欠挖必須在施作防水層前進行處理，同時平整的噴射混凝土表面是施作防水層的前提。3.1.10 監(jiān)控量測為能科學(xué)施工，確保施工及結(jié)構(gòu)安全，必須做好現(xiàn)場監(jiān)控量測工作。施工階段隧道監(jiān)控量測主要是對隧道開挖后圍巖變化情況及支護結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)進行量測，及時提供圍巖穩(wěn)定程度和支護結(jié)構(gòu)可靠性的安全信息，預(yù)見事故和險情，作為調(diào)整和修改支護設(shè)計的依據(jù)，并在復(fù)合式襯砌中，依據(jù)測量結(jié)果確定二次襯砌施作的時間，以達到監(jiān)控隧道圍巖和支護結(jié)構(gòu)的變位與應(yīng)力不超過設(shè)計及客專驗標標準。本標段隧道量測項目分必檢項目和選測項目兩大類。其中拱部下沉量測、隧道凈空水平收斂量測、洞內(nèi)、外觀察為必檢項目，地表下沉、圍巖內(nèi)部位移觀察為選測項目。3.1.10.1監(jiān)控量測項目及量測工具和方法監(jiān)控量測項目及量測工具和方法如表1所示。量測項目量測工具測度精度備注必測項目凈空水平收斂各種類型收斂計0.1mm一般進行水平收斂量測拱頂下沉水平儀、水準尺、鋼尺1mm洞內(nèi)、外觀察現(xiàn)場觀察、地質(zhì)羅盤選測項目地表下沉水平儀、水準尺1mm淺埋隧道必測（H02b）H0為隧道埋深，b為隧道開挖寬度圍巖內(nèi)部位移多點位移計0.1mm表1 監(jiān)控量測項目、量測工具及方法洞內(nèi)、外觀察分開挖工作面觀察和已施工地段觀察兩部分。（1）開挖工作面觀察應(yīng)在每次開挖后進行。觀察中發(fā)現(xiàn)圍條件惡化時，應(yīng)立即采取相應(yīng)處理措施；觀察后應(yīng)及時繪制開挖工作面地質(zhì)素描圖、填寫開挖工作面地質(zhì)狀態(tài)記錄表和施工階段圍巖級別判定。對已施工地段的觀察每天至少應(yīng)進行一次，主要觀察噴射砼、錨桿和鋼架等的工作狀態(tài)。（2）洞外觀察重點應(yīng)在洞口段和洞身埋置深度較淺地段，其觀察內(nèi)容包括地表開裂、地表沉陷、邊坡及仰坡穩(wěn)定狀態(tài)、地表水滲透情況等。凈空變化、拱頂下沉量測應(yīng)在每次開挖后12小時內(nèi)取得初讀數(shù)，最遲不得大于24小時，且在下一循環(huán)開挖前必須完成。測點應(yīng)牢固可靠，嚴防爆破損壞；拱頂下沉和地表下沉量測應(yīng)與洞內(nèi)、外水準基點建立聯(lián)系，并盡量設(shè)在同一斷面。3.1.10.2 監(jiān)控量測頻率量測頻率應(yīng)根據(jù)位移速度和量測斷面距開挖面距離確定。如表2所示。位移速度（mm/d）量測斷面距開挖面距離（m）量測頻率5(01)b12次/天1(12)b1次/天0.51(12)b1次/2天0.20.5(25)b1次/2天0.25b1次/周表2 監(jiān)控量測頻率對照表各量測作業(yè)均應(yīng)持續(xù)到變形基本穩(wěn)定后23周結(jié)束。對于膨脹性和擠壓性圍巖，位移長期沒有減緩趨勢時，應(yīng)適當延長量測時間。3.1.10.3 監(jiān)控量測資料的應(yīng)用繪制拱頂下沉、水平收斂的位移時間變化曲線，如圖4所示，要求隨時繪制。tt(mm)(mm)反常曲線正常曲線圖4 位移特征曲線圖反常曲線圖表示位移變化異常，出現(xiàn)反彎點噴錨支護出現(xiàn)嚴重變形，這時及時通知施工管理人員，該段支護采取加強措施，確保隧道不坍方；嚴重時施工人員須迅速撤離施工現(xiàn)場，保證人身安全。正常曲線圖表示絕對位移值逐漸減小，當實測的凈空收斂的速度明顯下降，收斂量已達總收斂量的80-90%，且水平收斂速度小于0.2mm/d，或拱頂位移速度小于0.1mm/d時，可判定圍巖已基本穩(wěn)定，可以施作二次襯砌。變形管理等級見表3，可根據(jù)等級表指導(dǎo)施工。管理等級管理位移施工狀態(tài)U0(2Un/3)考慮采取特殊措施(Un/3)U0(2Un/3)應(yīng)加強支護U0(Un/3)可正常施工Un：允許位移值； U0：實測位移值表3 變形管理等級表觀察及量測發(fā)現(xiàn)異常時，及時會同設(shè)計單位修改支護參數(shù)。一般正常狀態(tài)須同時滿足以下條件：噴射混凝土表面無裂縫或僅有少量微裂縫；位移速度除在12天允許有加速外，應(yīng)迅速減少。3.2 三臺階留核心土法施工注意事項（1）采用挖掘機開挖斷面時，挖掘機不得碰觸上一循環(huán)初期支護。必須有專人指揮挖掘機工作，無指揮不得施工。若不慎被碰觸，應(yīng)鑿出鋼架重新安裝，不得野蠻施工。初期支護被碰觸的后果：初期支護結(jié)構(gòu)被破壞，支承能力降低；被碰觸處將成為滲漏水的病害點。（2）采用機械開挖時，應(yīng)預(yù)留不少于50cm厚的原土采用人工開挖。機械開挖過甚的后果：原土體被破壞，土體應(yīng)力重新分布，靠近臨空面一側(cè)土體失去支撐，形成坍方體，加大安全隱患，并且增加了支護難度。人工開挖時，結(jié)合小型機具可加快施工進度、降低勞動強度，如自制風(fēng)鏟、挖鏟等。（3）此工法只適用于圍巖相對自穩(wěn)性好、無地下水出露的地段，且應(yīng)避開雨季施工，施工中加強監(jiān)控量測。（4）每循環(huán)開挖前測量組在掌子面準確放出開挖輪廓線，開挖完成后要檢查開挖斷面，不得出項超欠挖。開挖施工放樣時比設(shè)計開挖輪廓半徑加大：施工誤差5cm+圍巖預(yù)留變形量15cm=20cm。（5）由于分部后各部分斷面較小，不能完全采用機械開挖，可以采用挖掘機挖出上部的主斷面，周邊輪廓采用人工使用風(fēng)鎬修鑿，以達到符合設(shè)計開挖輪廓線為準。出碴采用挖掘機、裝載機配合大噸位卡車出碴。（6）開挖完成后初噴8cm厚混凝土封閉掌子面，并及時進行支護，防止掌子面塌方。且開挖前必須按設(shè)計要求做好超前支護。3.2 三臺階留核心土法施工施工安全（1）挖掘機開挖斷面時，挖掘機前方不得站人；（2）人工修鑿斷面前，應(yīng)清除松動土體，防止工作中土體掉塊或局部塌方傷及施工人員；（3）使用風(fēng)鎬修鑿時，必須由兩人配合，防止作業(yè)人員滑摔；（4）采用手動工具修鑿時，前后不得站人，作業(yè)人員應(yīng)注意周圍有無其他作業(yè)人員，以免傷人；（5）開挖后應(yīng)及時進行支護，以使初期支護能盡快形成承載環(huán)，與圍巖共同受力，保護圍巖。（6）嚴格按設(shè)計要求對圍巖穩(wěn)定情況實施監(jiān)控量測，以指導(dǎo)施工，防止塌方傷亡事故發(fā)生或減少不必要的經(jīng)濟損失。4 工法試驗結(jié)果4.1 成鏡塘隧道三臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法試驗情況成鏡塘隧道全長337米，暗洞長度301米。2006年8月16日正式進洞施工，2007年7月20日貫通，除去中間干擾，實際施工月8個月，平均月成洞40米。該隧道地質(zhì)情況以松散狀粉質(zhì)粘土及半干硬粉質(zhì)粘土為主（如圖5所示）。該隧道地下水不發(fā)育，土體干燥，只在支護完成后初期支護表面有少量濕漬。成鏡塘隧道全部采用三臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法施工。洞口段30米采用直徑108mm的長管棚進行超前支護，洞身段采用42mm的超前小導(dǎo)管注漿加固圍巖，初期支護為間距0.5m、0.6米、0.8米的型鋼鋼架，系統(tǒng)錨桿長度為4米，其中拱部為25的中空注漿錨桿，邊墻為22mm的砂漿錨桿，錨桿間距為0.8m*1.0m或1.0m*0.8m。采用短進尺進行開挖及支護，每次開挖架立一榀鋼架，防止開挖過大造成掌子面塌方危及施工安全及拱頂穩(wěn)定。采用三臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法進行施工，見圖6。采用短進尺多循環(huán)組織施工，每次開挖長度0.50.6米。通過對圍巖初期支護及洞頂?shù)乇肀O(jiān)控量測顯示，在仰拱封閉后，圍巖變形便趨于穩(wěn)定，一般拱頂下沉累計值在6080mm內(nèi)（如圖7所示），水平收斂累計位移值在1525mm內(nèi)，地表下沉累計值在2535mm內(nèi)。施工安全可控。圖5 成鏡塘隧道掌子面 圖6 三臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法圖7 成鏡塘隧道出口段拱頂下沉數(shù)據(jù)分析圖4.2 三臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法的技術(shù)經(jīng)濟比較 經(jīng)過一年多的施工實踐證明，只要嚴格按照三臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法方案組織施工，三臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法能廣泛適用于無地下水活動的淺埋段、淺埋偏壓段軟弱圍巖施工。在進行施工試點時業(yè)主及各方所關(guān)心的施工安全問題已完全消除，目前此工法已得到各方認同。它較雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法有以下優(yōu)裕性： （1）三臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法因無過多的臨時支護，作業(yè)空間相對較大，更易形成流水循環(huán)施工，循環(huán)作業(yè)時間大大縮短，使初期支護能更早封閉成環(huán)，保證施工安全。且能提高工效，保證施工進度的如期完成。同時，因施工作業(yè)面空間較大，空氣流通較好，作業(yè)環(huán)境亦能得到很大的改善；（2）三臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法各部能完成一次開挖及支護成型，受施工擾動相對較小，不易因機械設(shè)備碰觸或人為損傷造成初期支護質(zhì)量下降。同時，因不涉及臨時支護的安拆，初期支護表面外觀質(zhì)量也能得到保證，為后續(xù)防水層施工質(zhì)量奠定了良好的基礎(chǔ)；（3）減少了分部開挖次數(shù)，最大限度降低了由于臨時支護的爆破拆除或斷面開挖爆破對圍巖的多次擾動及對初期支護的影響，有利于控制圍巖的收斂變形。（4）施工工序相對較為簡單，減少了多工序間的相互干擾，便于現(xiàn)場施工組織管理，較快了施工進度。（5）在圍巖情況或其它條件發(fā)生變化時，由于其作業(yè)空間相對較大，可以提供機械設(shè)備快速進入使用，使應(yīng)急處理措施能得到快速實施。并可以迅速地轉(zhuǎn)換為CRD法或其它工法進行施工。（6）三臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法因取消了大部分臨時支護的施工，故施工成本大大降低。以淺埋偏壓段為例，鋼架間距50cm，可得出每延米如下的技術(shù)經(jīng)濟比較表： 序號施工工法C20噴射砼（m3）鋼架（t）22砂漿錨桿（m）螺栓螺母（套)42鎖腳鋼管（t）拆除C20噴射砼（m3）拆除鋼架（t）1三臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法2.020000.558002雙側(cè)壁導(dǎo)坑法8.521.807113.5960.2816.51.645