擠壓性圍巖隧道“三臺階+臨時仰拱”施工工法

1、擠壓性圍巖隧道“三臺階+臨時仰拱”施工工法1前言交通隧道、水工隧道及其他地下工程穿越地下高應力以及軟弱圍巖，常易導致大變形等相關地質(zhì)災害。根據(jù)大量文獻檢索，隧道工程圍巖大變形已是困擾地下工程界的一個重大難題。國內(nèi)外多座隧道工程有不同形式和程度的圍巖大變形情況記錄，給工程建設造成極大的困難，運營以后病害也多。1946年，Terzaghi首次提出了擠壓性巖石和膨脹性巖石的概念，擠壓性巖石是指侵入隧道（開挖輪廓面）后沒有明顯體積變化的巖石。同時將圍巖變形分為兩類：一是開挖形成應力重分布超過圍巖強度而發(fā)生塑性化。如果介質(zhì)變形緩慢，就屬于擠壓（如果變形立刻發(fā)生，就是巖爆）；二是巖石中的某些礦物和水反應膨

2、脹。水及某些（膨脹性）礦物的存在，對于變形是必須的。擠壓性圍巖的施工技術也是多種多樣，目前主要有臺階法、雙側(cè)壁導坑法、CD法和CRD法等。本工法主要根據(jù)中鐵一局承建的襄渝二線新蜀河隧道的施工經(jīng)驗編寫，介紹“三臺階+臨時仰拱”法。經(jīng)鑒定該項施工方法針對擠壓性圍巖施工具有顯著的技術創(chuàng)新，經(jīng)濟效益明顯，對于后續(xù)施工相似圍巖具有廣泛的應用價值和指導意義。2工法特點隧道開挖的過程是在時間和空間上動態(tài)變化的過程，伴隨著開挖面的向前推進，襯砌施工相對滯后，隧道圍巖不斷受到擾動，其受力和變形隨時間與空間而逐漸發(fā)展。擠壓性圍巖隧道更具有明顯的“時空效應”。較臺階法、雙側(cè)壁導坑法、CD法和CRD法等施工方法，具有

3、以下特點：2.1 該施工方法將隧道根據(jù)實際分成多部分施工，空間小，減少了圍巖的暴露范圍，同時利于及時封閉。2.2 臨時仰拱增加了橫向支護剛度，利于變形控制。2.3 無需增加特殊設備，投入少，利于現(xiàn)場操作。3 適用范圍本工藝工法適用于-級擠壓性圍巖隧道施工，對于大跨地下工程及其它交通工程已有參考價值。4 工藝原理三臺階+臨時仰拱法是以“新奧法”基本原理為依據(jù)，在開挖時盡量減少對圍巖的擾動；初期支護采用柔性支護，并及時使斷面封閉，控制圍巖變形；進行信息化施工管理，隨時掌握施工過程的動態(tài)變化，合理安排，確保施工安全。施工過程遵循“早預報、管超前、弱爆破、短進尺、少擾動、嚴治水、強支護、早封閉、勤量測

4、、緊襯砌”的原則穩(wěn)步前進。開挖后立即進行初期支護，保證在最短時間封閉圍巖，使初支成環(huán)，根據(jù)量測數(shù)據(jù)確定最佳二襯施工時間，盡早完成二襯施工。5 施工工藝流程及操作要點5.1 施工工藝流程施工步驟如下：拱部超前支護上臺階開挖及支護上臺階臨時仰拱中下臺階開挖及支護仰拱開挖及支護仰拱及填充混凝土 圖1 “三臺階+臨時仰拱”法施工步驟1354I21015m10m4、5步下臺階開挖54I仰拱及填充3m3m4m3m3m4m2、3步中臺階開挖32臨時仰拱1上臺階開挖襯砌圖2 “三臺階+臨時仰拱”法施工步序圖超前地質(zhì)預報、地質(zhì)素描超前支護chao上臺階開挖、施作初期支護和臨時仰拱斷面檢查否中臺階開挖、施作初期支

5、護下臺階開挖、施作初期支護分段開挖仰拱、施作初期支護施作仰拱及仰拱填充圍巖穩(wěn)定性判定，修支護參數(shù)測量放樣圖3 施工工藝流程圖5.2 施工要點5.2.1 施工準備1 風、水管、電線敷設、施工便道、施工場地布置，機械設備、人員配置、材料準備、修建防排水設施、修建環(huán)保、水保設施。2 根據(jù)設計資料詳細分析了解工程地質(zhì)、當?shù)厮牡刭|(zhì)情況，制定合理的施工方案和施工措施，針對各工序制定專項施工方案。5.2.2 施工步驟1 上臺階開挖及支護開挖之前進行超前支護，采用42×3.5mm無縫鋼管，外插角5°10°，搭接長度不得小于1.5m，環(huán)向間距40cm，在洞身變形較大或者地質(zhì)條件較

6、差的一側(cè)可以適當加密。拱部超前支護后進行上臺階開挖，臺階高度為23m，長度35m。開挖循環(huán)進尺根據(jù)初期支護鋼架間距確定，一般控制在1m內(nèi)，不得超過1.2m。開挖后立即初噴35cm混凝土，并及時進行噴、錨、網(wǎng)、鋼架系統(tǒng)支護施工。在鋼架拱腳處墊設預制混凝土塊，在鋼架拱腳處緊貼鋼架兩側(cè)向下20°及40°，增設2根6m長的42鎖腳錨管，錨管與鋼架焊接牢固。2 上臺階臨時仰拱上臺階臨時仰拱與上臺階初期支護同時施工，與拱部鋼架采用焊接連接，并在上方用22的螺紋鋼加肋焊。仰拱設置I25a鋼架，間距1.0m（與初期支護鋼架間距相同），縱向采用25槽鋼連接，噴C20混凝土厚度30cm。臨時仰

7、拱拆除滯后中臺階2m。3 中臺階開挖及支護開挖進尺根據(jù)初期支護鋼架間距確定，每循環(huán)12榀，一般控制在1m內(nèi)，不得超過1.2m，左右側(cè)臺階錯開12m，開挖后立即初噴35cm混凝土，及時進行噴、錨、網(wǎng)、鋼架系統(tǒng)支護施工，在鋼架拱腳處墊設預制混凝土塊，在鋼架拱腳處緊貼鋼架兩側(cè)向下20°及40°，增設2根6m長的42鎖腳錨管，錨管與鋼架焊接牢固。4 下臺階開挖及支護開挖進尺根據(jù)初期支護鋼架間距確定，每循環(huán)23榀，一般控制在1.5m內(nèi)，不得超過2m，左右側(cè)臺階錯開23m，開挖后立即初噴35cm混凝土，及時進行噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護施工。架設鋼架，在鋼架拱腳處墊設預制混凝土塊在鋼架拱腳處緊

8、貼鋼架兩側(cè)向下20°及40°，增設2根6m長的42鎖腳錨管，錨管與鋼架焊接牢固。5 仰拱開挖仰拱開挖長度根據(jù)圍巖具體情況而定，一般為34m，開挖后及時施作仰拱初期支護、仰拱和仰拱填充。仰拱施工期間采用棧橋保證洞內(nèi)運輸通行。5.2.3 監(jiān)控量測嚴格按照設計和規(guī)范要求進行拱頂下沉和周邊位移量測，通過監(jiān)控量測的信息反饋，及時調(diào)整支護參數(shù)，以保證施工安全。監(jiān)控量測中應注意：1）為了取得開挖后圍巖的早期狀態(tài)變化數(shù)據(jù)，各測點應盡量靠近開挖面布置（不得大于2m），在爆破后24h內(nèi)必須讀取初讀數(shù)。2）周邊位移、拱頂下沉及地表各測點應盡量集中布置在一個斷面上以便測量成果的協(xié)調(diào)分析、綜合運用。

9、3）量測時，先把鋼尺拉出（拉出的長度稍大于基線長度）停放20min，使鋼尺溫度與環(huán)境溫度基本一致。4）當下臺階斷面靠近上半量測斷面時，適當增加量測頻率。主要施工監(jiān)測項目見表1表1 監(jiān)控量測項目表序號量測項目量測方法和儀器測點布置測量頻率測量精度1洞內(nèi)外觀測現(xiàn)場觀測，地質(zhì)素描及初期支護狀態(tài)觀測每榀拱架施工前洞頂現(xiàn)場勘測，施工中開挖后進行2水平收斂量測收斂儀、反射膜片配合全站儀每1030米一個斷面，上下2條基線4個點5mm（01B）2次/d；15（12B）1次/d；0.51 （12B）1次/23d；0.20.5 （25B）1次/3d；0.2 （5B）1次/7d。0.1mm3拱頂下沉水準測量的方法，

10、水準儀、鋼尺等每1030米一個斷面，1個點1mm4錨桿拉拔試驗拉拔儀每代表性地段12個斷面1%，且不小于3根。0.01KN注：B隧道開挖寬度，變形速速, h0隧道埋深6 材料與設備“三臺階+臨時仰拱”法將開挖施工作業(yè)面分成3部分，機械配套的合理與否，對施工影響較大。配套機械多，造成機械浪費，否則將功效低。因此施工時合理安排機械不但可以加快施工進度同時還可以節(jié)約施工成本。施工中主要使用材料見表2表2 主要材料表序號材料名稱單位延米數(shù)量備注1C30襯砌砼m318.302C30仰拱砼m32.793C20仰拱填充m33.914初期支護C25噴射混凝土m38.63鋼筋網(wǎng)Kg104.72系統(tǒng)錨桿22砂漿錨

11、桿根23.00m69.00型鋼 鋼架I25a工字鋼架榀2.00Kg2377.22鋼板Kg261.1422連接鋼筋Kg95.495臨時仰拱I25a工字鋼架Kg358.922連接鋼筋Kg26.82C25噴射混凝土m32.836超前支護42注漿小導管根18.00m63.007襯砌鋼筋Kg2177.31根據(jù)機械工作能力和實際工作量，單個工作面主要機械配備如表3。表3 單個開挖面機械設備配備表序號作業(yè)機具設備名稱規(guī)格型號單位數(shù)量備注1施工通風軸流式通風機SDF（c）-NO11臺1通風2施工照明低壓變壓器24v,10kw臺4掌子面及二襯施工平臺3施工用電發(fā)電機250kw臺1備用變壓器500kw臺1施工及生

12、活用電4開挖雙液注漿機LTC-60/S臺1超前注漿挖掘機CAT320B臺1開挖自卸車20t輛4出碴空壓機4L-20/8臺3高壓供風空壓機L2-10/8臺1高壓供風氣腿式鑿巖機YT-28臺8風鎬G10臺85初期支護工字鋼彎曲機GW1-200臺1型鋼加工鋼筋彎曲機GW臺1鋼筋加工鋼筋切斷調(diào)直機GQ臺1鋼筋加工等離子切割機GW臺1鋼板切割交流電焊機BX1-500臺6鋼架、網(wǎng)片加工及安裝臺式鉆床24025臺1鋼板加工壓漿機臺1錨桿注漿混凝土濕噴機TK-500臺3噴漿6襯砌攪拌站JS500 25m3/h臺2混凝土罐車東風臺2輸送泵三臺1插入式搗固棒47量測及測量儀器全站儀萊卡402臺1方向控制水準儀萊卡

13、N2臺1標高控制塔尺5m個2標高控制精密水準儀萊卡N2臺1沉降觀測因瓦尺個1收斂儀JSS30A個2量測錨桿拉拔儀BL150B個1錨桿拉拔7 勞動力組織隧道施工勞動力組織包含開挖工班、支護工班、出渣工班、襯砌工班、砼生產(chǎn)工班、后勤保障和管服人員等。洞內(nèi)作業(yè)實行24小時連續(xù)作業(yè)，人員配備見表2。表2 單口作業(yè)勞動力配置序號工作項目作業(yè)內(nèi)容人數(shù)1開挖鉆孔或風鎬手16挖掘機司機2自卸車司機42初期支護型鋼加工6鋼筋網(wǎng)片加工2鋼架安裝8噴射手4噴射機上料6攪拌機司機2混凝土攪拌運輸罐車司機43襯砌拌和站4襯砌鋼筋12防水排水安裝4裝載機司機2輸送泵司機4臺車調(diào)試、模板安裝8混凝土攪拌運輸罐車司機44測量

14、技術員2測工45其它現(xiàn)場管理人員6施工配合人員（電工、修理工、空壓機司機）158 主要機具設備“三臺階+臨時仰拱”法將開挖施工作業(yè)面分成3部分，機械配套的合理與否，對施工影響較大。配套機械多，造成機械浪費，否則將功效低。因此施工時合理安排機械不但可以加快施工進度同時還可以節(jié)約施工成本。根據(jù)機械工作能力和實際工作量，單個工作面主要機械配備如表3。表3 單個開挖面機械設備配備表序號作業(yè)機具設備名稱規(guī)格型號單位數(shù)量備注1施工通風軸流式通風機SDF（c）-NO110臺1通風2施工照明低壓變壓器24v,10kw臺4掌子面及二襯施工平臺3施工用電發(fā)電機250kw臺1備用變壓器500kw臺1施工及生活用電4

15、開挖雙液注漿機LTC-60/S臺1超前注漿挖掘機CAT320B臺1開挖自卸車20t輛4出碴空壓機4L-20/8臺3高壓供風空壓機L2-10/8臺1高壓供風氣腿式鑿巖機YT-28臺8風鎬G10臺85初期支護工字鋼彎曲機GW1-200臺1型鋼加工鋼筋彎曲機GW臺1鋼筋加工鋼筋切斷調(diào)直機GQ臺1鋼筋加工等離子切割機GW臺1鋼板切割交流電焊機BX1-500臺6鋼架、網(wǎng)片加工及安裝臺式鉆床24025臺1鋼板加工壓漿機臺1錨桿注漿混凝土濕噴機TK-500臺3噴漿6襯砌攪拌站JS500 25m3/h臺2混凝土罐車東風臺2輸送泵三臺1插入式搗固棒47量測及測量儀器全站儀萊卡402臺1方向控制水準儀萊卡N2臺1

16、標高控制塔尺5m個2標高控制精密水準儀萊卡N2臺1沉降觀測因瓦尺個1收斂儀JSS30A個2量測錨桿拉拔儀BL150B個1錨桿拉拔9 質(zhì)量控制9.1 易出現(xiàn)的質(zhì)量問題由于擠壓性圍巖具有圍巖差、變形大、變形時間長、塑性區(qū)范圍大等特點，在施工過程中易發(fā)生以下質(zhì)量問題：9.1.1 超前導管和徑向?qū)Ч茏{效果效果不佳，導致圍巖自穩(wěn)能力沒有提高，不利于變形控制。9.1.2 圍巖和支護暴露范圍過大，或者初期支護暴露時間過長導致圍巖變形過大，甚至部分支護失效、侵限，造成初期支護拆換的危險工作，進入惡性循環(huán)。9.1.3 初期支護的施工質(zhì)量直接影響支護的剛度，是控制圍巖變形的根本措施。尤其鋼架安裝的垂直度、腳板連

17、接質(zhì)、鋼架間距和噴射混凝土質(zhì)量。9.2 保證措施針對變形進行的預防措施和拆換措施，具體如下：1炭質(zhì)片巖大變形隧隧道施工過程應嚴格遵循“ 短進尺、快循環(huán)、強支護、緊封閉、勤量測”的施工原則。開挖中盡可能采取弱爆破, 減少對圍巖的擾動, 并依據(jù)炭質(zhì)片巖的特性加強拱腳支護和施工用水的管理。2隧道必須嚴格按照“三臺階臨+臨時仰拱法”, 上臺階設置型鋼混凝土仰拱后, 嚴格的控制臺階、仰拱、二襯的步長, 在控制變形方面效果較為明顯。3 大變形隧道應根據(jù)監(jiān)控量測資料預留適度的變形量, 合理的變形量有利于最大的發(fā)揮初期支護和圍巖的自穩(wěn)性, 對于防止前期初期支護破壞和后期護拱開裂, 以及控制工程成本都有著非常重

18、要的意義。4隧道通過初期支護壁后注漿, 在鋼架型號、接頭形式位置和縱向連接設置等方面進行改進, 加強了初期支護結(jié)構(gòu)強度, 改善結(jié)構(gòu)受力特點, 并在一定程度上抑制了變形發(fā)生。5對關鍵的工序應側(cè)重配置資源, 尤其初期支護施作、二襯鋼筋綁扎及混凝土施工。勞動力配置上必須成立技術及技能過硬的專業(yè)班組, 提高工序質(zhì)量、縮短循環(huán)時間。6 施工中嚴禁長臺階施工或中間拉槽的錯誤作法, 必須按既定施工方法及要求施工, 杜絕盲目和無序施工。7如果出現(xiàn)大變形，按照“先加固，縱向分段，逐榀拆除，及時襯砌”的原則施工，即先徑向注漿加固、增設兩層臨時橫撐，然后按照“三臺階法”拆除，及時襯砌封閉成環(huán)。拆換上部、中部、下部之

19、間的相互錯開3m。下部拆換完成3m后，立即進行仰拱作業(yè)。仰拱完成6m后立即拆除臨時仰拱，進行二襯作業(yè)。在仰拱未封閉到6m之前，不得拆除臨時仰拱。臨時仰拱拆除之后，在兩天之內(nèi)施工結(jié)束拆換段的防水層、鋼筋，再利用一天澆筑完襯砌模筑混凝土。10 安全措施10.1 主要安全風險分析擠壓性圍巖隧道施工，由于圍巖本身承載能力極差，易發(fā)生大變形，因此施工過程中的主要風險是掌子面塌方、擠壓大變形引起的回頭塌等。施工過程必須進行安全風險的評估，提出相應的風險處理措施，編制施工應急預案。10.2 保證措施10.2.1堅持采用主動式整治原則，不是被動地承受圍巖擠壓力而是主動加固圍巖，從提高圍巖力學性能著手，從源頭上

20、減小擠壓力，其主要措施是錨桿和注漿,使隧道周邊形成加固圈，由加固圈承受一部分荷載。10.2.2加長錨桿，將支護的荷載通過錨桿傳至深部穩(wěn)定巖體，讓深部圍巖幫助受力。10.2.3施工中應嚴格控制超前支護、初期支護質(zhì)量和施工步距控制，保持掌子面到仰拱距離不超過30m，仰拱到二襯距離不超過25m。10.2.4預留變形量必須留夠(寧多勿少) ,防止初期支護變形侵入模注混凝土凈空。經(jīng)驗告訴我們,由于預留變形量不足而進行擴挖是非常危險的作業(yè),而且在工期和工程成本上均很不劃算。10.2.5施工時應嚴格按照設計要求施工初期支護，特別是拱腳必須墊實和鎖腳錨桿施工質(zhì)量，嚴格控制鋼架下沉。10.2.6施工時應做好防水

21、和引排水工作，防止鋼架腳板被水軟化，引起過大下沉。10.2.7由于圍巖的徐變,初期支護收斂時間很長，一般需提前澆注混凝土襯砌，故因襯砌受力較大需加強。適當改變邊墻曲率，改善受力狀態(tài)。加強措施以提高混凝土標號和加大襯砌厚度為主，采用鋼筋混凝土。10.2.8施工中應做好監(jiān)控量測工作，確立臨界值，并根據(jù)量測結(jié)果指導施工。如發(fā)現(xiàn)量測結(jié)果超出允許范圍時應立即停止開挖，采取加強措施，確保圍巖穩(wěn)定和洞內(nèi)施工安全。10.2.9應重視隧底處理,仰拱應不比其它部位襯砌薄,而且應在開挖后立即澆注(仰拱不能及時澆注時,隧底應加設長錨桿) 。隧道圍巖為擠壓性圍巖時,仰拱的曲率應比一般隧道有所加大。當采用臺階法分部開挖時

22、,上半斷面應加設臨時仰拱,并應盡可能避免采用長臺階。10.2.10 隧道通過初期支護壁后注漿, 在鋼架型號、接頭形式位置和縱向連接設置等方面進行改進, 加強了初期支護結(jié)構(gòu)強度, 改善結(jié)構(gòu)受力特點, 并在一定程度上抑制了變形發(fā)生。10.2.11 對關鍵的工序應側(cè)重配置資源, 尤其初期支護施作、二襯鋼筋綁扎及混凝土施工。勞動力配置上必須成立技術及技能過硬的專業(yè)班組, 提高工序質(zhì)量、縮短循環(huán)時間。11 環(huán)保措施環(huán)境的影響有兩層含義：一層含義是指內(nèi)部環(huán)境，即施工作業(yè)環(huán)境；另外一層是外部環(huán)境，即對周邊環(huán)境的影響，對周邊環(huán)境的影響主要指因各種原因引起的地表下沉；水文條件變化、枯水、水位降低、水質(zhì)污染等；對

23、社會、生活環(huán)境的影響。11.1 水環(huán)境保護針對現(xiàn)場實際情況，施工時不對原地層造成較大的破壞，確保當?shù)鼐用竦纳钣盟粡U水排放前要經(jīng)過沉淀池處理并排放到遠離居民生活用水區(qū)，并由環(huán)保協(xié)調(diào)部定期聯(lián)系當?shù)丨h(huán)保監(jiān)督部門對水質(zhì)進行檢驗，確保當?shù)厮|(zhì)不被污染。11.2 生態(tài)環(huán)境保護在施工準備階段，結(jié)合設計圖紙，對現(xiàn)場各種材料堆放、拌和站的設置、棄碴場的選擇、施工便道的設置等進行進一步的調(diào)查，詳細掌握第一手資料，以“減少植被破壞，少占耕地”為原則，合理規(guī)劃臨時用地，最大限度地減少施工用地。嚴格遵守環(huán)境保護法以及相關的法律、法規(guī)、規(guī)章制度，嚴格執(zhí)行“三同時”即：同時設計、同時施工、同時竣工，不留尾巴、不留后患，采取一切合理措施保護現(xiàn)場內(nèi)外的環(huán)境，確保環(huán)保目標圓滿實現(xiàn)。12 應用實例12.1 工程簡介由中鐵一局集團公司承建襄渝二線鐵路單線隧道，其中新蜀河隧道全長8989m（起訖里程為：DzK222+201DzK231+190），設計多為石英云母片巖和云母石英片巖，但施工過程揭示炭質(zhì)片巖段4000多米，大變形地段長2674m，其中最大變形