重载铁路黄土隧道施工断面控制研究.pdf

・隧道／地下工程・杨阳（中铁十一局集团有限公司湖北武汉４３００６１）摘要结合全国首条３０ｔ轴重重载铁路山西中南通道南顶隧道施工经验，研究重载铁路黄土隧道施工断面控制方法。分析隧道开挖、初支、二衬三个阶段施工重难点，对比断面控制前后的施工偏差，解析各施工环节对断面控制的影响，提出解决高风险隧道施工断面控制方法，可为同类项目提供参考。关键词重载铁路黄土隧道开挖断面初支断面二衬断面中图分类号Ｕ４５５文献标识码Ａ———文章编号１００９４５３９（２０１６）０８００４２０４ＳｔｕｄｙｏｎＬｏｅｓｓＴｕｎｎｅｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＳｅｃｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌｉｎＨｅａｖｙ－ｈａｕｌＲａｉｌｗａｙＹａｎｇＹａｎｇ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ１１山ＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，ＷｕｈａｎＨｕｂｅｉ４３００６１，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＣｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈＮａｎｄｉｎｇｔｕｎｎｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｏｆｔｈｅ６ｎｒｓｔ—ｈｅａｖｙｈａｕｌｒａｉｌｗａｙｗｉｔｈ３０ｔａｘｌｅｌｏａｄｉｎＳｈａｎｘｉ—Ｍｉｄｓｏｕｔｈ－ｐａｒｔｒａｉｌｗａｙ，ｔｈｅｐａｐｅｒｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｌｏｅｓｓｔｕｎｎｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｅｃｔｉｏｎｉｎｈｅａｖｙ－ｈａｕｌｒａｉｌｗａｙ，ａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｋｅｙｐｒｏｂｌｅｍｓａｔｔｈｅｔｈｒｅｅｓｔａｇｅｓｏｆｔｕｎｎｅｌｅｘｃａｖａｔｉｏｎ，ｉｎｉｔｉａｌｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇａｎｄｓｅｃｏｎｄａｒｙｌｉｎｉｎｇ．Ｍ－ｔｅｒｃｏｍｐａｒｉｎｇｏｆｓｅｃｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｅｒｒｏｒｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｅｘｐｏｕｎｄｅｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｅａｃｈｃｏｎ－ｓｔｒｕｃｔｉｏｎｌｉｎｋｏｎｔｈｅｓｅｃｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎｄｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｔｏｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｓｏｌｖｅｔｈｅｒｉｓｋｙｔｕｎｎｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｅｃｔｉｏｎ．Ａｌｌｔｈｅｓｅｃｏｕｌｄｐｒｏｖｉｄｅａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｓｉｍｉｌａｒｐｒｏｊｅｃｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ—ｈｅａｖｙ－ｈａｕｌｒａｉｌｗａｙ；ｌｏｅｓｓｔｕｎｎｅｌ；ｅｘｃａｖａｔｉｏｎｓｅｃｔｉｏｎ；ｔｈｅｓｅｃｔｉｏｎｏｆｉｎｉｔｉａｌｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ；ｔｈｅｓｅｃｔｉｏｎｏｆｓｅｃｏｎｄａ・・ｒｙｌｉｎｉｎｇ１工程概述例介绍南顶隧道断面控制方法。南顶隧道位于吕梁山脉及临汾盆地，其中２施工难点过程控制ＤＫ３２３＋１５０～ＤＫ３２４＋３４０段为吕梁山脉的低中山ＤＫ３２４＋７４９～ＤＫ３２４＋８４５段为黄土隧道，衬砌区，冲沟较发育，地形起伏较大；ＤＫ３２４＋３４０～形式为黄土偏压复合式衬砌。由于黄土具有蠕变特ＤＫ３２４～８５３段为临汾盆地的黄土塬，塬顶地形起性的特点，掌子面围岩稳定性差承载能力低，易受外伏不大，冲沟发育。隧道最大埋深２９０ｍ，隧道进口部环境的影响，在洞身开挖施作初期支护后，易因围出露（０２ｓ）石灰岩，出口为厚层黄土覆盖及碎石类岩内部变形导致初期支护不稳，出现拱顶下沉现象，土。隧道起讫里程为南顶隧道ＤＫ３２３＋１４５一导致初支断面与设计断面存在一定的偏差。ＤＫ３２３＋８９５，全长１７５０ｍ。ＤＫ３２４＋１５５～ＤＫ３２４ＤＫ３２４＋７４９。ＤＫ３２４＋８４５段隧道在曲线半径＋７４９为白灰岩，灰白色，强风化，呈碎石状压碎结为８００ｍ的圆曲线上，曲线半径小，洞内施工测量导构，碎石土，浅黄色，密实，松散结构；ＤＫ３２４＋７４９～线点通视性不好，同时导线点问间距小，导线点数ＤＫ３２４＋８４５为新黄土，浅棕红色，坚硬一硬塑，松量增多，导致测量误差加大。在施工中将小半径曲软结构。本文主要以ＤＫ３２４＋７４９一ＤＫ３２４＋８４５为线隧道切割成若干个直线段，施工断面与设计断面———、磊百ｉｉｉ乏＝了一存在一定的误差。特别是二衬实际施工断面与设—基金项目：中国镟搬份有限公司科技研究开发计划项目（１３００Ｂ）计断面误差较大。４２铁道建笥技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（０８Ｊ万方数据・隧道／地下工程・隧道断面的控制主要包括开挖断面的控制、初支断面的控制与二衬断面的控制。２．１开挖断面的控制“黄土隧道施工遵循早预报、管超前，短开挖，少”扰动，快支护，早成环，勤量测，紧衬砌的原则。在施工前，对开挖轮廓线测量放样，黄土隧道初期下沉量大，预留变形量的大小要取决于围岩本身的工程性质和隧道断面大小、开挖方法支护手段等，通过及时的监控量测数据分析确定并及时反馈调整。洞身开挖时为防止爆破振动导致土体开裂、松散，禁止采用爆破开挖，一般以采用适配的挖掘机开挖为主，人工开挖为辅，杜绝使用大型机械一次开挖到位。由于黄土本身强度低，抗扰动性较差，使用大型机械一次开挖到位至设计断面，大面积的扰动往往出现超挖、损坏钢架等情况。施工中应预留一定的开挖断面（一般为预留２０～３０ｃｍ），后期由人工修面开挖至标准断面。黄土隧道开挖一般采用台阶法、三台阶七步开挖法和三台阶临时仰拱法¨Ｊ。开挖过程中，隧道核心土Ｂ１的留置至关重要。隧道洞身多位于老黄土内，掌子面的核心土留置一定意义上等同于隧道的初期支护，受老黄土塑性形变和蠕变特性¨１的影响，核心土可有效约束掌子面和台阶底部的变形。施工中留置的宽度和长度至关重要，不能仅根据施工作业台架的大小来考虑核心土的大小。开挖工序完成后，再次对开挖轮廓线进行测量放样，复核开挖断面并为初期支护拱架安装提供依据。２．２初支断面控制隧道的支护体系有围岩和支护结构两部分组成。通常情况下围岩是主要的承载单元，支护结构是辅助性的，但黄土隧道黄土作为围岩主体，支护结构也要作为主要的承载单元ＨＪ。本段隧道初期支护采用型钢拱架支护，属刚性支撑，另外还有超前支护和系统锚杆支护，对围岩和钢架拱架进行加架为例介绍弦长和矢高对型钢拱架尺寸的影响。一号拱架设计半径尺＝５．９９ｍ，弦长Ｌ＝５．９９ｍ，矢高五＝０．８０ｍ。则Ｒ＝每＋丽Ｌ２（１）由式（１）可以看出，弦长的制作误差对钢拱架的半径变化没有太大的影响；假设钢拱架的矢高ｆｏ＝０．７９ｍ，弦长￡＝５．９９ｍ，则尺＝６．０７ｍ，由此可以看出钢拱架矢高的细小误差将会导致钢拱架半径出现大的误差，严重影响型钢拱架的加工精度，所以在型钢拱架制作前，需精细检查制作模架的尺寸。在第一榀拱架出厂前，需展开拱架试拼工作，检查拱架各节点间的弦长和拱架的半径，符合设计要求方可允许出厂。２．２．２型钢拱架的安装洞身开挖完成排险工作后，对拱架轮廓测量放样定出各节段安装点，采用醒目的红油漆做好标识。对开挖断面进行检查，及时对欠挖部位进行处理。安装前，先确定拱脚安装位置和标高，并对拱脚部位进行清理，对标高不足部位，严禁用虚渣铺垫，尽量采用强度与喷射混凝土相同的岩石支垫。每榀拱架各节段间通过钢板和异形角钢经螺栓连接，型钢与连接钢板之间采用焊接连接。拱架安装完成后，对拱架各节点间现场进行检查，符合设计”要求，再施作锁脚锚管１和系统锚杆。因为型钢拱架在喷射混凝土时，要作为承载单元件承载喷射混凝土的重量，锁脚锚管和系统锚杆在施作时，必须施作至设计深度，防止初支下沉和初支混凝土向隧道内侧收缩。２．２．３喷射混凝土的轮廓喷射混凝土作为隧道初期支护最后一道工序，其喷射质量的好坏直接影响初支断面的准确性。喷射作业应分段、分片、分层，由下而上的顺序进行。喷射混凝土分段情况见图１。万方数据・隧道／地下工程・喷射混凝土可分６个区域对称喷射。喷射混凝土分３层，即拱架安装前初喷混凝土、安装后喷射混凝土、复喷混凝土。初喷混凝土在拱架安装前喷射，约４ｃｍ左右起稳定围岩作用；拱架安装后喷射混凝土为初支喷射混凝土主体结构；复喷混凝土亦为补喷混凝土，是对主体喷射混凝土的修整层。喷射混凝土时，应控制风速和速凝剂的掺量，一般喷边墙工作风压为０．２～０．４ＭＰａ，喷拱部时为０．３～０．５ＭＰａ，喷嘴与喷面要保持垂直，距受喷面０．６～１．２ｎｌ，喷嘴对手喷面做均匀的顺时针方向的螺旋转—动，螺旋直径约为２０３ｃｍ，喷层厚度应均匀。喷射混凝土施工完成后，及时对初支断面进行复核。喷射混凝土复核主要采用两种方法：极坐标断面测∞量法１和全站仪配隧道断面软件测量法一Ｊ。极坐标断面法是先测量出初支断面上的各点实测坐标，结合本断面上的圆心处的设计坐标，计算出断面上各点的实际半径与设计半径进行对比，复核初支断面的偏差，本方法一般在喷射混凝土施工完毕喷射混凝土达到终凝状态前使用，可根据测量结果，了解初支断面偏差情况，及时进行补喷；全站仪配隧道断面软件测量法是利用全站仪对隧道初支断面按环向每隔５。采集一组数据进行测存，再结合隧道断面分析软件将实际测量断面与设计断面进行对比，复核初支断面偏差，此方法一般在下台阶开挖仰拱施作后使用，可根据测量结果，分析前期施工初支断面存在问题，及时对现在施工做出调整。南顶隧道初支断面见图２。施作的模筑混凝土衬砌，与初期支护共同组成复合式衬砌哺Ｊ。二次衬砌断面是隧道外表面，施工时应防止二次衬砌表面侵入建筑限界。影响二次衬砌断面准确性的因素主要有：衬砌台车断面、衬砌混凝土轮廓。２．３．１衬砌台车断面二次衬砌台车在洞外进行组装完成后，进行严格的调试检查。主要调试液压系统；调试千斤顶丝杆的伸缩性及行程是否满足施工需要、调试液压油缸是否灵活、调试弧形模板的开合；调试加固完成后，对照图纸认真检查核对量测，确定台车断面满足设计要求。根据仰拱面上放样的中心点，对二次衬砌台车定位。为防止模板的刚度不能承受混凝土的自重和施工荷载及隧道曲线造成的误差，衬砌台车定位时台车断面比设计断面大５—ｃｍＪ。衬砌台车定位采用五点定位法，即：以衬砌圆心为原点建立平面坐标系，通过控制拱部模板中心点、拱部模板同墙部模板的两个铰接点、两墙部模板的底脚点来精确控制台车就位。曲线上考虑内外弧长差引起的左右侧搭接长度的变化，以使弧线圆顺，减小接缝处的混凝土错台。台车走行至立模位置，用侧向千斤顶调整至准确位置，并进行定位复测，直至调整到准确位置为止。为避免在浇筑边墙砼时台车上浮，还必须在台车顶部加设木撑或千斤顶，同时检查工作窗状况是否良好。台车定位完成，由测量人员对台车断面进行测量复核，确定台车断面准确无误，封堵端头模。２．３．２衬砌混凝土轮廓衬砌台车的支撑体系是靠内力支撑，当混凝土从台车两侧浇筑产生的不均衡性过大时，衬砌台车将发生轻微位移，影响二衬混凝土断面。混凝土施工时，两侧混凝土高差不易大于５０ｃｍ，且浇筑速率不易过快¨０｜。混凝土浇筑完成拆模后，及时对二衬断面进行复核，将实测断面与设计断面进行对比，为后期衬砌施工提供理论依据，同时每次衬砌混凝土施工完成后，都需要对衬砌台车断面进行检测，发现因混凝土施工压力导致台车变形后，要及时采取措施矫正。南顶隧道二衬断面见图３。３断面控制的辅助措施图２南顶隧道初支断面图由于黄土隧道围岩的不稳定性，施工中需要采２．３二衬断面控制取一定的辅助措施加强隧道断面控制，提高最终断隧道二次衬砌是隧道工程施工在初期支护内侧面的施工精度，使施工断面与设计断面偏差达到最４４铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６ｆＤ８Ｊ万方数据・隧道／地下工程・小。南顶隧道采取的辅助措施主要有：超前支护、初支预留注浆孔，监控量测。口～厂支护完成后，已逐渐趋于稳定，且初期支护已能够独立承受因围岩的塑性变形及蠕变带来的影响，隧道断面基本未发生变形。可根据实际情况调整开挖预留量，缩小开挖断面和实际初支断面。４结束语万方数据