三臺階七步開挖法在 V級圍巖隧道中的應用

何永勝

(中鐵十七局集團第二工程有限公司)

1 工程概況

廈深鐵路(廣東段)XSGZQ-6標段位于廣東省東部沿海揭陽市境內,東臨惠來縣。該線段共 6座小隧道,最長246m,最短 93m,設計行車速度 200 km/h及以上。隧道為雙線泥巖隧道,均為淺埋偏壓,縱坡為單面下坡,線路進口至出口坡度為-5.816‰。圍巖等級Ⅴ級位于右偏圓曲線上,線間距 4.6m。進口采用斜切式洞門、出口采用端墻式洞門。

2 工程地質及水文地質特征

2.1 工程地質特征

(1)地質巖性。本線段隧道位于丘陵區(qū),地勢起伏較大,在進口段有零星基巖出露。丘坡表層為厚 0～1.0m的Q4dl+el粉質黏土,呈灰黃色,硬朔 ～堅硬狀態(tài),而且夾 10%～30%碎石;下伏基巖為 J1jn泥質粉砂巖,呈褐黃色,屬于強風化巖,但節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖性較破碎。

(2)地質構造特征。經土地勘察報告表明,該段無不良地質。發(fā)育節(jié)理有:①185°＜67°,張開,無充填,間距 10～30 cm,延伸約 20 cm;②20°＜44°,張開,粘性土充填,間距10～ 20 cm,延伸約 30 cm;③345°＜27°,密閉,間距約 20 cm,延伸約 15 cm。

2.2 水文地質特征

本工程線路所在段的地下水類型主要為少量基巖裂隙水,且主要接受大氣降水補給。場地地基土中粉質粘土和泥質粉砂、強風化巖為中等透水層。根據《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)有關標準:判定場地地表水、地下水對混凝土結構無腐蝕性,對鋼筋混凝土結構中的鋼筋無腐蝕性。

3 隧道開挖方案

目前,國內對于大斷面隧道的開挖方法主要是有 CRD法、CD法、雙側壁導坑法、三臺階七步開挖法、明挖法等。而三臺階七步開挖法是分前后左右 7個不同的開挖面,共 4部分同時開挖與支護,最后形成一個整體支護體系。與其他開挖方法相比,這開挖方法因為多部分同時開挖、施工面多,可有效縮短開挖循環(huán)時間,可快速向縱深推進開挖,施工進度可以得到很大提高。由于隧道穿越圍巖為Ⅴ類圍巖,巖體強度較堅硬,節(jié)理縫隙較發(fā)育,巖性較破碎,所以開挖時間不宜過長。針對本工程的特點,采取一工區(qū)隧道一隊組織施工,由進口一側向出口一側掘進,進出洞口采用明挖法施工,洞身均采用三臺階七步開挖法施工。

3.1 動態(tài)開挖

采取監(jiān)控量測和超前地質預報手段,及時反饋圍巖和支護的變化,為開挖過程的安全性提供可靠依據;并采用TSP203、紅外探水、超前鉆孔等多種手段進行超前地質預測預報及環(huán)境判釋,掌握隧道前方地質條件,查清工程地質及水文地質條件;再根據超前地質預測預報資料、監(jiān)控量測資料及科研階段成果,對開挖進行確認、評價,若地質條件與設計不符或異常時,對開挖時的結構支護體系、施工工藝、施工方法等進行調整和優(yōu)化。

3.2 方案指導原則

突出開挖重點,主攻淺埋斷層等不良地質地段施工難點,強化錨噴支護關鍵,把握防水襯砌焦點。以“快速施工”為核心,強化配置“超前地質預報”、“開挖鉆爆”、“裝碴運輸”、“錨噴支護”、“防水襯砌”幾條機械化作業(yè)線。以先進的大型機械設備配套和技術手段為基礎;以科學管理、合理組織為手段,在V級圍巖、淺埋地段及斷層破碎帶地段做到一個“穩(wěn)”字,確保開挖工期、質量、安全、效率各項目標的實現。

3.3 開挖技術方案

三臺階七步開挖法實質為臺階法的一種,本隧道洞身段Ⅴ級圍巖采用三臺階七步開挖法方案為環(huán)形開挖拱部以預留核心土來對掌子面施壓,中下部則采用先開挖兩側來保持中部土體不動以保證掌子面的穩(wěn)定性。施工中以機械開挖為主,并采取人工配合機械開挖,必要時輔以弱爆破,各分步平行作業(yè),平行施作初期支護應銜接緊密,及時封閉成環(huán),對于支護作業(yè)采用錨桿臺車或多功能作業(yè)臺架配合風動鑿巖機施工。進度安排為每循環(huán)進尺為 0.6m,日循環(huán)兩次,理論月進尺 36m,考慮不可預見因素,月進尺采用 30m。為加快施工進度,盡早封閉圍巖,必要時采用智能化注漿系統(tǒng)進行注漿;防水方面主要采取防水卷材與土工布,且采用多功能臺架進行防水板掛鋪,爬焊機雙縫焊接。每作業(yè)面配備1臺 9m的整體式液壓襯砌臺車全斷面襯砌,混凝土采用洞外拌合站工廠化生產,混凝土輸送車運輸和泵送入模。

4 施工方法

4.1 施工準備

開工之后首先修筑臨時施工便道,架設施工供電線路、鋪設供水管道,砌筑洞頂截水溝,開挖洞口段土方。洞口場地開挖完成后,安裝和修建隧道供風、供水、發(fā)電、混凝土生產、鋼結構加工等設備與設施。洞門工程在進洞施工正常后及時安排施工,盡量避開雨季。

4.2 施工測量

隧道配一個由 1名測量工程師、4名測量技工組成的測量班,完成測量工作。控制測量主要搞好開挖前平面控制網復測。隧道洞身施工測量根據本工程隧道設計圖,精確計算出線路百米樁的坐標及結構的相關尺寸和標高,并按每10m編制出本標段隧道標高表。測量工程師利用洞內測量控制點,及時向開挖面?zhèn)鬟f中線和高程;由測量班用斷面測量儀測設隧道開挖輪廓線、支護鋼架架立前后和二次襯砌立模前后輪廓尺寸,進行復核,確認準確后方可進行下道工序施工,并對混凝土凈空斷面應用激光隧道限界檢測儀檢查。

4.3 施工運輸

本線段隧道均采用無軌運輸方式,出碴采用挖裝機或裝載機裝碴,自卸車運輸;小斷面分部開挖時采用人工配合挖掘機扒碴,挖掘機配合裝載機裝碴,自卸車運輸。

4.4 開挖施工

三臺階七步開挖法在隧道開挖過程中分上中下和仰拱4部分。對于上臺階的開挖,本工程利用開挖機開挖,每循環(huán)開挖長度都控制在 0.8～1.0m,大約為 1榀鋼架的距離,開挖后采用人工修邊并及時噴射 4 cm厚混凝土以封閉作業(yè)面。對于下臺階右側與中臺階左側邊墻的開挖是在上臺階超前中臺階 3～5m后進行,兩者交錯開外,每次開挖都控制在 1～2榀鋼架距離,使左右兩側暴露的初期支護不同時處于懸空狀態(tài)。特別對于中臺階開挖,由于開挖高度約4.5m,所以采取上下兩次開挖,便于對上臺階初期支護底部修鑿和人工修邊。這三個部分開挖后接著開挖中部預留核心土。待下臺階開挖長度達到 25m時進行仰拱開挖。仰拱開挖同樣分兩次,控制開挖長度為3m。

4.5 初期支護施工

本線段隧道初期支護采用帶排氣裝置的 Φ25中空注漿錨桿、Ф22mm砂漿錨桿、鋼筋網、型鋼鋼架、C25噴射(合成纖維)混凝土,按圍巖類別設計綜合使用。支護緊跟開挖面及時施作,盡量減少圍巖暴露時間,抑制圍巖變形,防止圍巖在短期內松弛剝落。鋼架、鋼筋網和錨桿在洞外構件廠加工,人工安裝鋼架,掛設鋼筋網,錨桿臺車或風動鑿巖機施作系統(tǒng)錨桿,噴射機械手濕噴混凝土或濕噴機噴射混凝土。

4.6 系統(tǒng)錨桿施工

本工程采取的系統(tǒng)錨桿主要有中空注漿錨桿和砂漿錨桿。兩種錨桿在本工程中的主要施工要點是以下兩方面。

(1)中空注漿錨桿。隧道拱部系統(tǒng)錨桿采用帶排氣裝置的Φ25中空注漿錨桿,施工方法除設置角度不同外,其施工方法見超前支護中Φ25中空注漿錨桿施工。

(2)砂漿錨桿施工。錨桿預先在洞外鋼結構廠按設計要求加工制作,錨桿砂漿強度不得低于M20。施工時采用風動鑿巖機或錨桿臺車,按設計要求鉆孔,達到標準后,用高壓風清除孔內巖屑;用注漿泵將水泥砂漿注入孔內,砂漿填充錨桿孔體積的 2/3后停止注漿;及時將加工好的桿體插入孔內,安裝錨桿墊板。關鍵技術措施是,錨桿鉆孔位置及孔深必須準確;錨桿要除去油污、鐵銹和雜質;錨桿體插入孔內不小于設計長度的 95%。錨桿施工應在初噴混凝土后進行,以保證錨桿墊板有較平整的基面。錨桿用的水泥砂漿,其強度不應低于M20。錨桿孔內灌注砂漿應飽滿密實。水泥砂漿達到一定強度后才能上緊墊板螺母。

5 施工要點及主要技術措施

隧道施工的方法應根據本工程特點,工程及水文地質條件,斷面大小、結構形式、機械配備、周圍環(huán)境的需要及工期要求,在確保安全經濟的前提下,編制科學、合理的施工組織設計。應充分利用現場監(jiān)控量信息指導施工,嚴格施工程序,不得任意省略。

5.1 總體施工要點

開挖輪廓形狀和斷面尺寸符合設計要求,盡量減小開挖輪廓線的放樣誤差,采用激光指向儀、隧道激光斷面儀等輔助手段確定開挖輪廓線和炮孔位置。隧道開挖斷面以襯砌設計輪廓線為基準,考慮預留變形量、測量貫通誤差和施工誤差等因素適當放大。預留變形量符合設計規(guī)定,或根據圍巖級別、隧道寬度、埋置深度、施工方法和支護情況等條件,采用工程類比法確定。

光面爆破施工中通過爆破試驗,選擇合理的鉆爆參數,必要時在施工過程中,根據地質條件的變化和對振動波的監(jiān)測,不斷調整鉆爆參數,把對圍巖、支護及襯砌的擾動減到最小程度。施工過程中把監(jiān)控量測、地質預報納入工序中,作好設計與施工間的信息傳遞與反饋,修正開挖方法和參數,實現優(yōu)化設計和安全施工。另外,開挖時按設計預留沉降量。

5.2 主要技術措施

(1)仰拱應緊跟下臺階施作,及時閉合構成穩(wěn)固的支護體系。

(2)應完善洞內臨時防排水系統(tǒng),防止地下浸泡拱墻角基礎。

(3)拱部超前支護完成后,環(huán)向開挖山臺階弧形導坑,預留核心土長度宜為 3～5m,寬度宜為隧道開挖寬度的1/3～1/2。開挖循環(huán)進尺應根據初期支護鋼架間距確定,最大不得超過 1.5m,上臺階矢跨比應大于 0.3。

(4)中臺階及下臺階左、右側開挖尺寸應根據初期支護鋼架間距確定,最大不得超過 1.5 m,開挖高度宜為 3～3.5m,左、右側開挖錯開 2～3m。

(5)上、中、下臺階預留核心土開挖尺寸與各臺階循環(huán)進尺相一致。

(6)仰拱循環(huán)開挖長度宜為 2～3m,開挖后及時施作仰拱初期支護,完成兩個隧底開挖、支護循環(huán)后,及時施作仰拱,仰拱分段長度宜為 4～6m。

6 監(jiān)控量測

具體實施是在開挖及支護后進行測點布置,地質觀察在爆破后初噴前進行,繪制地質素描圖,填寫開挖工作面地質調查記錄表;測量工程師利用洞內測量控制點,及時向開挖面?zhèn)鬟f中線和高程;由測量班用斷面測量儀測設隧道開挖輪廓線、支護鋼架架立前后和二次襯砌立模前后輪廓尺寸,進行復核,確認準確后方可進行下道工序施工,并對混凝土凈空斷面應用激光隧道限界檢測儀檢查。

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