黄延高速二郎山隧道洞身开挖工法应用研究.pdf

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———文章编号:10094539(2018)03008105・隧道/地下工程・黄延高速二郎山隧道洞身开挖工法应用研究张渊(中铁十五局集团城市建设工程有限公司河南洛阳471013)摘要:适用于大跨度黄土隧道的洞身开挖施工工法有很多。但是往往在隧道开挖过程中,随着围岩类别的不断变化,以及施工任务的需要,一成不变地按照设计工法施工,无法满足施工要求。在二郎山隧道施工过程中,施工方从工期任务及成本控制方面考虑,积极改进施工工法,从而达到了安全质量和经济等多重效益。这可为类似的工程项目提供参考。关键词:黄土隧道双侧壁导坑法单侧壁导坑法上下台阶环形开挖预留核心土法中图分类号:U455.4文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1009-4539.2018.03.022ResearchonExcavationMethodApplicationofHuangyanHighwayErlangshanTunnelZhangYuan(ChinaRailway“15BureauGroupCityConstructionEngineeringCo.Ltd.,LuoyangHenan471013,China)Abstract:Therearemanyconstructionmethodsfortunnelexcavationoflargespanloesstunnel.Butoftenintheprocessoftunnelexcavation,withthecontinuouschangesofsurroundingrocktypesandtheneedsofconstructiontasks,theconstructionmethodcannotmeettheconstructionrequirements.IntheconstructionprocessofErlangshanTunnel,theconstructionpersonalseonsiderfromtheaspectsofconstructionperiodandcostcontrol,andactivelyimprovetheconstructionmethod,SOastoachievemultiplebenefitssuchassafety,qualityandeconomy.Itcouldprovideareferenceforsimilarprojects.Keywords:loesstunnel;twin・sideholing—method;singlesidehohngmethod;reservationcoresoilofannularexcavationwithbenchmethod1工程概况黄陵至延安高速公路扩能工程二郎山隧道位于陕西省延安市任家台林场区域,为三车道大跨径黄土隧道。普通开挖断面177.1m2,建筑净空5.0m,净宽14.5m,隧道左线ZK71+470一ZK72+638总长度1168m,右线YK71+840~YK72+630总长度790m。因施工环境条件差,山区隧道施工便道打通慢,导致隧道实际开工日期晚,总施工工期紧张。黄土隧道开挖断面较大,开挖时对围岩扰动较大,施工技术难度高,围岩易发生坍塌,施工安全风…险较大,因此对施工工法的选择有更高的要求。为满足保质量,保安全,同时要保工期的要求,结合地质勘测结果,二郎山隧道项目在按照设计的双侧壁导坑法(浅埋段区间ZK71+470一ZK71+600,ZK72+480~ZK72+638。YK71+840~YK71+970,YK72+470一YK72+630,共计578m)、单侧壁导坑法施工(除浅埋段外其余段落区间)无法满足进度要求的前提下,积极组织专家进行探讨论证,最终选择ZK71+855一ZK72+350,YK72+205一YK72+320里程段共610m施工工法变更为上下台阶预留核心土环形开挖法【2J。实际采用单侧壁导坑法施工里程770m。三种工法结合应用,保质保“量地完成了施工任务pJ。下面重点介绍该3种工法的施工步骤和控制要点。2双侧壁导坑法—收稿日期:201801一08≥苎皇翌贯:宝氅士五局冬譬墼霎毯塑戆t拙翟巳!罂曼U。此部分里程段长578m。二郎山隧道此里程段作者简介:张渊(1986一),男,工程师,主要从事公路工程施工及技术’”’…’Iu:::一...…………。1一研究。区为崩坡体浅埋段,滑体物质为粉质黏土,稳定性差,铁道建筑技术RAILWAYC0^fsTRUCTION丁£_cH~OLOGY2018(03J81万方数据・隧道/地下工程・土层含水量达25%,根据施工图纸设计,采用双侧壁法施工,该工法支护措施充足,能够较好地控制地表”下沉,充分保障施工安全咱。。除此特殊地质段,隧道浅埋段均使用了此工法进行施工,此法确定说循环工序多,人工需求大,施工进尺缓慢,日成本较高。2.1适用条件≤(1)用于土质(埋置深度60m),洞口浅埋段或存在偏压,洞室穿越地层空洞、滑坡体、断层带等不良地质构造的段落。(2)用于土质V级围岩深埋段(埋置深度I>60m),但土质疏松,孔隙率大,土体沙化明显,自稳性差,自承能力较弱的马兰黄土类围岩。(3)用于含水量大于23%或开挖后稍许掌子面有明水渗出,掉块严重,呈软塑状态发展的土质围岩(含离石黄土和午城黄土类),或连续5d内监控量测平均变形速率大于5mm/d时。(4)用于围岩破碎,节理发育,以泥岩为主并夹有黏土层或粘粒含量高,含水量较大,遇水软化,岩体趋于泥化状态,变形较大的石质围岩或土石混合围岩段落。2.2施工工艺流程(见图1)⑧⑩D;~勰/避根据围岩监控量测资料及施工情况确定一板台车长度5~10m图1双侧壁导坑法工艺流程2.3施工步骤详解(1)先行上导洞开挖及支护(见图2):在超前支护保护下开挖先行上导洞,单循环开挖进尺控制在2榀拱架间距。开挖至设计线后立即施工4cm初喷支护,铺设第一层钢筋网、架设钢拱架、打设锚杆。在钢拱架拱脚以上50cm处,紧贴钢拱架两侧按斜向下倾角45。打设锁脚锚杆,与钢拱架采用U型钢筋牢固焊接,复喷拱架内侧,铺设第二层钢筋网,设置拱82图2先行上导洞开挖与支护铁道建篱技术架连接筋,喷锚直至设计厚度"。。(2)先行下导洞开挖及支护(见图3、图4):待上导洞开挖5m后再开始下导洞开挖,下导洞永久支护和临时支护两侧应跳槽开挖,避免同时落底导—致上导洞两侧拱脚同时悬空,跳槽步距错开35m距离。单循环开挖进尺控制在2榀拱架间距。开挖至设计线后应立即施工4cm初喷支护,铺设第一层钢筋网片、接长钢拱架,打设锚杆,底部支垫纵向槽钢,安设隧底拱架封闭成环,然后依前述(步骤1)工…序施工至设计厚度。一,图3先行下导洞开挖图4安设隧底部拱架(3)待先行下导洞开挖支护大于10m后,开始后行导洞上台阶和下台阶开挖,并与先行导洞开挖工序、工艺一致,上下台阶开挖步距保持5m。(4)待后行下导洞开挖5m后,开始中上导洞开挖,开挖前先施作超前支护。单循环开挖进尺控制在2榀拱架间距,开挖至设计线后依照前述工序施工至设计厚度。(5)中导洞中部开挖,与中上导洞步距为5m。(6)中下导洞开挖,与中台阶拉开2~3m施工步距,开挖至设计轮廓线后立即施工4cm喷射混凝土支护,及时封闭拱底钢拱架、铺设钢筋网,复喷拱架至设计厚度,永久支护封闭成环。(7)临时支护拆除:隧道初期支护封闭后,根据仰拱及二衬施工进度拆除临时支护,临时支护拆除应力重新分配,应在拆除前后加强观测,并立即进行仰拱和填充施工,每次拆除长度一般为4~6m,并以监控量测为指导。2.4施工注意事项和质量控制要点(1)围岩开挖尽量采用挖掘机和人工配合,避免爆破施工以减少对围岩的扰动,若局部需爆破时,宜采用弱爆破p川7。(2)开挖过程中应严格做好地质超前预报等监控量测工作,随时掌握围岩及支护的变形情况,黄‘土隧道应同时监控含水量变化,指导施工9拉2。RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018103)万方数据・隧道/地下工程・(3)一般黄土隧道超前支护预加固效果不佳,但超前支护的蓬护作用能对施工安全起到很大的作用,应合理设置超前支护。(4)黄土隧道仰拱回填施工前,为防止拱脚失稳,锁脚锚固质量必须严格控制,必要时增设临时仰拱。(5)导坑开挖后应及时进行初期支护,并封闭成环,减少沉降和收敛,严格控制单循环开挖进尺,每循环开挖进尺控制在2榀拱架间距内。(6)严格控制施工步距,确保施工安全。施工步距应控制在仰拱距掌子面距离不大于40m,二衬距掌子面距离不大于50m。3单侧壁导坑法此部分里程段长770In。根据地质探测结果及施工图纸设计,在二郎山隧道此里程段隧址区洞室及洞底为第三系黏土岩,其黏粒含量高,平时干硬(含水量不大于23%),遇水软化,在自然状态下呈坚硬状,暴露、遇水易裂解,塑性指数介于11.2~22.9,液限介于24.5%~43.3%,根据附近钻孔室内试验,具有弱膨胀趋势。设计使用单侧壁法,相对于双侧壁法,因围岩的相对稳定,减少支护结构数量,同时加快单循环进尺速度。3.1适用条件(1)用于V级土质围岩深埋段(埋置深度>160n1),含水量不大于23%,自稳能力较好,自承能力较强的离石黄土或午城黄土类围岩,或连续5d内监控量测平均变形速率小于5mm/d时。(2)用于含水量不大于23%的土石混合围岩或有渗水现象的泥岩砂岩互层段落。3.2施工工艺流程(见图5)量测资料及施工情况确定图5单侧壁导坑法工艺流程3.3施工步骤详解(1)先行导坑上台阶开挖支护,导坑开挖尺寸:宽度7.4m,高度至起拱线位置,设置中隔壁支护并做好临时支护与永久支护连接,每循环开挖进尺不大于2榀拱架间距。(2)待先行导坑上台阶开挖支护15m步距后,开始后行导坑弧形开挖支护,拱部开挖高度2m左右,满足施工空间,核心土距拱腰距离保持4.5~5In左右,满足施工空间,每循环开挖进尺不大于2榀拱架间距。(3)待后行导坑弧形开挖支护5m步距后,开挖核心土,同时拆除中隔壁,每循环拆除中隔壁2榀拱架。(4)待核心土开挖并拆除中隔壁5~10ITI后,开始下台阶两侧边墙掏槽跳马口开挖落底,每次开挖支护不大于2榀拱架间距,左右两侧跳马口开挖—错开距离35m。(5)待下台阶落底开挖支护6m后,开挖仰拱—初期支护并浇筑仰拱砼,每循环浇筑仰拱46m。(6)二衬施工,二衬距掌子面距离不大于50m。3.4施工注意事项和质量控制要点(1)严格控制施工步距,循环流水作业。(2)钢拱架按照设计单元进行拼装,特别注意永久支护与临时支护钢拱架连接部位施工,严格按设计要求设置法兰盘和高强螺栓连接牢固并挂网喷射混凝土达到密实状态。(3)在满足施工空间的条件下,先行导洞不宜开挖过大,后行导洞按设计要求预留小核心土,当含水量较大时,先行导洞与后行导洞开挖应尽快封闭成环。(4)上台阶中隔壁基础须进行反压回填,或者进行掏槽安装中隔壁拱架,确保临时支撑稳定。(5)中隔壁拆除后,拱顶必须进行补喷或凿除平整,防止刺破防水卷材。4上下台阶预留核心土环形开挖法4.1应用前提此部分里程段长610m。该工法是将台阶法和预留核心土环形开挖法综合应用的方法。适用于V级土质围岩深埋段(埋置深度I>60m),含水量不大于18%,土体坚硬,处于硬塑状态,自稳能力较好,自承能力较强的离石黄土、午城黄土类围岩或土石混合围岩。铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018(03l83万方数据・隧道/地下工程・对二郎山隧道洞室多处黏土岩取样进行强度试验,抗压强度33.5MPa,且因雨季影响,洞室土隙间有少量明水涌出,人工开挖辅以小型机具进尺缓慢,而不断涌出的明水会对掌子面及初期围护结构造成浸泡,从而导致I临时结构失稳,大大影响施工安全。使用该工法的优点在于可以使用大型机械开挖,减少人工成本,在保证安全的前提下,大大加快进尺速度,缩短工期。4.2施工工艺流程(见图6)为睁净熟垒:坠^8:坠2:掣些5.om。③l罱隧道中心线三岁惦溉图6上下台阶预留核心土环形开挖法流程4。3施工步骤详解(见图7)h鼢翮髋聪黧/卦羽慝::::::.::::蓍:芒二=)牛<黼仰挟鞲≥斟妻二=:'<≥=K\J丑=;《—二==<“翻巍簟譬i釜…1蓘瞼襽.┃在┃拱架┃∞6L┃-ml、强髟㈣宜土质隧道宜Q里虐型奎!Q9对于隧道可根据围岩监控量测资料适当进行调整子面<40m阶弧形导坑开挖示意证施员工作空间)。┏━~5.0mi80~9.5mI.・..4.0---5.0uiI・?,.t麦‘。.・_’・..‘I‘—●’‘q.-...一。P。阶预留核心土开挖示意台阶预留核心土开挖:开挖上台阶预留的核,开挖进尺与掌子面每循环开挖进尺一致,保持不变旧J38。台阶掏槽跳挖马口开挖及支护:如图9所示循环开挖进尺最大不得超过2榀拱架间距,开挖喷及支护参照第一步执行。图9下台槽跳马口开挖示意拱开挖及支护:如图10所示,开挖进尺长度环不宜过长(宜4~6m),拱和仰拱回填应及行,使环形受力面及时成型。┏━~5.0m8O9.5n1|┃O5.0m^┃酉台阶弧形导坑开挖及支护:在拱部超前拱开挖示意支护后,先放样开挖轮廓线,轮廓线应视周围4.4施工事项和质量控制要点地质综合考虑预留沉降量,环向开挖上部弧形下台阶预留核心土法,将开挖断面分为导坑人工配合挖掘机开挖,每循环开挖进尺最阶及仰拱三个部分逐级掘进施工,在满足大不过2榀拱架间距。中部预留核心土,核心机械备施工空间的条件下核心土宁大勿小,上土几寸按照图8所示开挖,长度宜控制在5m阶下部开挖不大于20m,隧仰拱距掌子面左右心土距离顶部高度控制在2.2m左右保步距制在30m之内84挂未RAILWAYCONTRUCTIONTECNO£.OGY201(03J万方数据・隧道/地下工程・(2)核心土与下台阶开挖应在上台阶支护完成,且喷射混凝土等强75%后进行。必要时其底部可加设槽钢支垫,并与钢拱架连为一体,以防止上台阶初期支护发生沉降或位移¨0|。增大拱墙脚承压面积,既有利于施工过程中竖向压力的传递,也有利于该节点横向受力的稳定¨¨。(3)开挖完成后及时喷射4em厚混凝土对围岩进行封闭,减少围岩暴露时间,立钢拱架,锁脚锚杆沿拱脚斜下方45。打设并与钢拱架焊接牢固,确保钢拱架在受力时不发生下沉或向内位移变形,必要时上台阶设临时仰拱加强支护¨引。(4)严控钢拱架的加工质量以减少拼装时间,保证安装质量以减少围岩无支撑暴露时间。(5)黄土隧道核心土应根据围岩量测结果适当滞后开挖。(6)严格控制施工安全步距,及时跟进仰拱和二衬,尽早封闭成环,形成完整的受力体系。土质隧道仰拱距掌子面距离不大于30m,二衬距掌子面距离不大于50m。(7)完善洞内临时防排水系统,严禁积水浸泡拱脚,确保基底承载力。5结束语洞身开挖作为隧道施工中最复杂最耗时的工序,选择合适的施工工法显得尤为重要,以准确的监控量测和地质超前预报结果为依据,坚持动态设计理念进行施工管理,严格按照工序施工,在保障安全质量的前提下,同时达到良好的经济社会效“”益。二郎山隧道整个施工过程中,坚持岩变我变的施工理念,积极果断地变更洞身开挖施工工法,合理有效地加快施工进度,共计完成单侧壁导坑法770m,双侧壁导坑法578m,上下台阶环形开挖预留核心土法610m,最终提前工期35d,保质保量地完成了洞身贯通任务。参考文献[1]曹玉鑫.沟谷黄土隧道洞口深路堑边仰坡失稳分析与—处治技术[J].铁道建筑技术,2016(2):4648.[2]吴占瑞,敖庆瑶.复杂地质条件下大断面隧道施工工法优化分析[C].2015年度工程建设优秀科技论文选—编,北京:中国铁建股份有限公司,2016:268272.[3]张英才,胡国伟,辛振省.大断面黄土隧道开挖工法对比分析与选择[J].铁道工程学报,2010(3):87-92.[4]刘赦.郑西客运专线大断面黄土隧道施工方法研究—[J].现代隧道技术,2007(6):1017.[5]霍玉华,王晓州,孟飞彪,等.大断面黄土隧道快速掘进—施工方法研究[J].铁道标准设计,2007(S1):122126.[6]杨建民.大断面黄土隧道施工方法分析[J].铁道工—程学报,2015(10):8692.[7]钱聚强.黄土隧道围岩工程特性及稳定性分析[D].—西安:西安建筑科技大学,2015:3839.[8]刘文武.大断面湿陷性黄土隧道施工控制技术研究—[J].中国高新技术企业,2011(3):3739.[9]苏海.(隧道工程)精细化施工管理手册[EB/OL].————∥(20101206)[20171202].https:wenku.baidu.com/view/ff48if63ddccda38376baf6a.html.[10]赵香萍.大断面软弱围岩隧道合理开挖方法研究[J].—铁道建筑技术,2015(7):1619.[11]许光磊.软弱围岩隧道不同开挖方法施工力学响应数—值模拟[D].重庆:重庆交通大学,2012:1118.[12]刘伟.大断面黄土隧道三台阶七步开挖法施工技术—[J].中国铁路,2010(5):6669.———————————————————————・・+一-+--卜一卜++一+-+--4--++一卜-+・++-+,-4-+-卜---4--+一++一卜-++一++一+-+・卜一+一+一.--4---卜+-・卜一++-+-'-4---I"----t-"-+--卜---4---(上接第69页)[7]孙洋,左昌群,刘苗,等.加长锚杆在软岩隧道大变形控制中的应用[J].现代隧道技术,2014(3):174—180.[8]李文江,孙明磊,朱永全,等.软弱围岩隧道台阶法施工中拱脚稳定性及其控制技术[J].岩石力学与工程—学报,2012,31(S1):27292737.[9]庄乾涛.复杂地质环境营业线隧道渗漏水原因分析与—治理技术研究[J].铁道建筑技术,2017(9):8183.[10]赵喜斌,刘成禹,张继奎.管式锚杆提高破碎软弱围岩铁道建筑技术只且儿WAYCONS瑕UC丁f0N7ECHNOLOGy支护效果的理论与实践[J].隧道建设,2009(1):l一6.[11]王晓驰.杉坡岭隧道初支变形原因分析及综合治理—[J].山西建筑,2013,39(14):177178.[12]解佳飞.隧道富水砂质泥岩与安山玢岩接触带施工技—术研究[J].铁道建筑技术,2017(9):5053.[13]孙建新.减压释能技术在穿越极软岩隧道高压富水区—的综合应用[J].铁道建筑技术,2017(4):7476.[14]李术才,刘斌,孙怀凤,等.隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势[J].岩石力学与工程学报,—2014。33(6):10901113.2018(03J万方数据
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