軟弱圍巖隧道中壁施工工法

1、軟弱圍巖隧道中壁施工工法(93-15工字02號(hào))鐵道部第十五工程局 田興柏一、前言在南昆線樂(lè)善村二號(hào)雙線隧道掘進(jìn)施工中，我局和鐵道部第二勘測(cè)設(shè)計(jì)院、西南交通大學(xué)、蘭州鐵道學(xué)院等單位合作，采用中壁法施工，成功地解決了在軟弱圍巖中開挖大跨度隧道的施工難題。我們對(duì)之進(jìn)行了總結(jié)，形成本工法。二、工法特點(diǎn)1.能有效地控制圍巖變形和地表下沉。2.由于本工法充分利用了中壁和橫聯(lián)的支撐作用，并輔之以超前水平錨桿、徑向系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)和格柵噴混凝土等支護(hù)手段，加之開挖對(duì)圍巖擾動(dòng)小，故大大提高了施工的安全度。3.其支護(hù)系統(tǒng)能很好地適應(yīng)圍巖的變化，與圍巖形成一個(gè)整體，故能充分發(fā)揮圍巖的自承能力。4.能應(yīng)用量測(cè)監(jiān)控等信

2、息化管理方法指導(dǎo)施工，使整個(gè)施工過(guò)程均處于受控狀態(tài)。5.施工作業(yè)簡(jiǎn)便，不需用特殊的施工機(jī)械和設(shè)備，故容易推廣使用。6.由于本工法采用分部開挖，故其超前導(dǎo)坑可起到預(yù)報(bào)地質(zhì)的作用。三、適用范圍1.適用于無(wú)水或有少量裂隙水的、類圍巖中的地下工程施工。2.適用于對(duì)地表下沉要求嚴(yán)格的隧道和地下工程施工。3.特別適用于淺埋大跨的地下工程施工。四、工藝原理所謂中壁法，就是在隧道和地下工程掘進(jìn)中，通過(guò)設(shè)置中壁和橫聯(lián)(兩者交叉)將開挖斷面分成4部分，然后再根據(jù)圍巖情況細(xì)分部(見圖1)進(jìn)行開挖。此法是以新奧法的基本原理為依據(jù)，在開挖過(guò)程中盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，通過(guò)超前錨桿、錨(網(wǎng))噴洞壁支護(hù)系統(tǒng)和中壁、橫聯(lián)聯(lián)結(jié)，

3、使斷面支護(hù)及早閉合，控制圍巖的變形，并使之趨于穩(wěn)定。同時(shí)，建立圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)控量測(cè)系統(tǒng)，隨時(shí)掌握施工過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化，合理安排、調(diào)整施工工藝和修改設(shè)計(jì)參數(shù)，確保施工安全。五、施工工藝(一)施工程序本工法施工程序見圖1?，F(xiàn)將各部施工的內(nèi)容簡(jiǎn)介如下：1.開挖部 按部預(yù)定的尺寸(一般寬、高均為3.5m)和中壁弧度開挖弧形導(dǎo)坑，掘進(jìn)0.8m后支護(hù)一次：先噴4cm厚的混凝土，然后分別架立2榀中壁和周邊的鋼格柵I和A，再于第一榀格柵處打入徑向系統(tǒng)錨桿，兩榀格柵間掛網(wǎng)，復(fù)噴一層混凝土(邊墻層厚16cm，中壁11cm)。然后，利用前一循環(huán)立好的格柵鋼架施作超前錨桿，在超前錨桿的保護(hù)下使用風(fēng)鎬等進(jìn)行開挖，如此循

4、環(huán)掘進(jìn)。2.開挖部 工作內(nèi)容包括：人工開挖；初噴混凝土(厚4cm)；接長(zhǎng)周邊格柵B和中壁格柵，掛鋼筋網(wǎng)；上好中壁上部螺栓，鋪設(shè)格柵下端槽鋼，并預(yù)埋下部連接螺栓；打入徑向錨桿；架立底部橫聯(lián)；周邊、中壁復(fù)噴混凝土(厚度同部)。3.開挖部 除不需作中壁外，其余工序內(nèi)容與開挖部相同。4.開挖部 除不需作中壁外，其余工序內(nèi)容與開挖部相同。5.開挖部 工作內(nèi)容包括：人工開挖；初噴4cm厚混凝土；接長(zhǎng)周邊格柵C和中壁格柵，鋪設(shè)仰拱格柵；上好上中壁和周邊上端螺栓；周邊、中壁、仰拱掛網(wǎng)； 周邊打徑向錨桿；周邊、仰拱和中壁分別復(fù)噴16cm和11cm厚的混凝土。6開挖部 除不需作中壁外，其余工作內(nèi)容與開挖部相同。7

5、.灌注仰拱混凝土。8.待初期支護(hù)穩(wěn)定后，拆除中壁、橫聯(lián)。9.一次立模灌筑邊墻和拱部襯砌。(二)施工關(guān)鍵技術(shù)與作業(yè)要點(diǎn)1.施工關(guān)鍵技術(shù)(1)保持合理的分部開挖斷面和各部的縱向間距，開挖輪廓要圓順，以減少出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。(2)格柵各節(jié)點(diǎn)的連接一定要對(duì)齊，確保牢固可靠。(3)及時(shí)施作符合質(zhì)量要求的初期支護(hù)，并使之盡早閉合，以控制圍巖變形和縮短圍巖暴露時(shí)間。(4)加強(qiáng)對(duì)圍巖的量測(cè)監(jiān)控。2.作業(yè)要點(diǎn)(1)開挖分部開挖前要嚴(yán)格按預(yù)定尺寸放線，開挖遵循“寧欠勿超”的原則(局部欠挖處用風(fēng)鎬修正)，斷面要力求圓順。每循環(huán)進(jìn)尺以0.8m為宜。各部開挖的縱向間距嚴(yán)格按圖2掌握。(2)初期支護(hù)初期支護(hù)的結(jié)構(gòu)形式見圖

6、3。每榀格柵共有13個(gè)單元，單元之間均為焊接。具體情況是：周邊格柵：由8個(gè)單元組成，即圖3中的A、B、C、D、D、C、B、A。格柵斷面為矩形，主筋為4根25螺紋鋼，側(cè)面聯(lián)結(jié)筋為10圓鋼，頂、底面聯(lián)結(jié)筋為8圓鋼，具體結(jié)構(gòu)見圖4，主筋與聯(lián)結(jié)筋均用焊接。中壁和橫聯(lián)格柵：中壁格柵由3個(gè)單元組成(圖3中的鋼、鋼、鋼)，橫聯(lián)格柵由橫、橫兩個(gè)單元組成。這兩種格柵均采用三肢格柵(見圖5)。格柵(含槽鋼)的連接：將格柵兩端分別焊上鉆好孔的角鋼(角鋼長(zhǎng)20cm，用三肢格柵時(shí)長(zhǎng)19cm)，用M20×60螺栓栓接。有槽鋼時(shí)，將帶角鋼的格柵放入槽鋼內(nèi)，再用螺栓連接(見圖6)。相鄰格柵之間采用22拉桿相聯(lián)，拉桿

7、間距為1.2m。4處槽鋼，每次按0.8m接長(zhǎng)。錨桿的設(shè)置：徑向錨桿按每榀格柵設(shè)置1排，錨桿頭之間距為1.0m，桿長(zhǎng)3.5m；每隔2榀格柵設(shè)1排超前錨桿，錨桿頭部間距為0.3m，桿長(zhǎng)3.5m。掛網(wǎng)噴射混凝土：周邊、中壁和仰拱的初期支護(hù)均應(yīng)設(shè)鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)采用6圓鋼制成，網(wǎng)格為15cm×15cm。當(dāng)確認(rèn)開挖尺寸符合要求后，隨即噴射一層4cm厚的混凝土，其作用一是防止個(gè)別土塊塌落，二是為鋼筋網(wǎng)設(shè)置保護(hù)層。待格柵、掛網(wǎng)、錨桿等工序完成后，再噴一層混凝土，其厚度為：周邊、仰拱16cm，中壁、橫聯(lián)11cm。復(fù)噴時(shí)應(yīng)注意，噴前應(yīng)檢查格柵與初噴混凝土有無(wú)空隙，有空隙則須用同標(biāo)號(hào)混凝土塊塞緊；復(fù)噴后混凝土

8、要將格柵全部蓋住。 圖6 格柵的連接(3)量測(cè)監(jiān)控。施工監(jiān)測(cè)需按圖7程序進(jìn)行。(4)二次襯砌仰拱每次灌筑仰拱以45m為宜。灌注混凝土前需先清理作業(yè)面，然后綁扎鋼筋，要注意，橫向鋼筋一定要穿過(guò)中壁 (為此，可用風(fēng)槍將中壁鉆孔)，鋼筋綁完后，停止掘進(jìn)(或)部，隨即灌注仰拱混凝土，混凝土中宜加2%的二水石膏粉和0.05%的三乙醇胺作早強(qiáng)劑。拆除中壁和橫聯(lián)通過(guò)對(duì)周邊收斂、拱頂下沉、格柵內(nèi)力、圍巖位移和地表下沉的量測(cè)，確認(rèn)圍巖穩(wěn)定后，便可拆除中壁和橫聯(lián)(順序?yàn)橄戎斜诤髾M聯(lián)，從上往下拆)，每次拆除45m。襯砌拱部和邊墻待中壁、橫聯(lián)拆完后，即可綁扎邊墻和拱部鋼筋，立模灌注混凝土。六、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及控制(一)支護(hù)

9、質(zhì)量初期支護(hù)質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到本工法的成敗，故對(duì)之要嚴(yán)格控制，要做到：噴射混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度和彈性模量必須符合錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范(GBJ86-85)的規(guī)定，施工時(shí)要按鐵路隧道錨桿噴射混凝土支護(hù)設(shè)計(jì)施工技術(shù)規(guī)則的規(guī)定進(jìn)行試塊抗壓試驗(yàn)； 噴射混凝土的厚度必須保證，可采用預(yù)埋鋼筋頭、設(shè)置量測(cè)標(biāo)志進(jìn)行檢查，并實(shí)行驗(yàn)收制度，不合格時(shí)立即補(bǔ)噴；格棚支撐必須嚴(yán)格按設(shè)計(jì)下料，組焊和安裝必須符合單線電氣化鐵路隧道鋼架支護(hù)(肆隧3004)的規(guī)定；復(fù)噴混凝土?xí)r必須保證格柵與初噴混凝土面間無(wú)空隙，并將格棚噴滿噴實(shí)至完全覆蓋，現(xiàn)場(chǎng)可用肉眼觀察和錘擊法進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)有不實(shí)之處必須鑿開重噴。值得注意的是，每次復(fù)噴前

10、必須將4處槽鋼內(nèi)的雜物清除干凈，噴射混凝土從槽鋼處開始，將槽鋼噴滿后再噴格柵和鋼筋網(wǎng)。(二)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的必測(cè)項(xiàng)目、選測(cè)項(xiàng)目、使用的儀器、布點(diǎn)和量測(cè)頻度等如表1所列。周邊收斂、拱頂下沉和圍巖內(nèi)位移量測(cè)的斷面布點(diǎn)情況見圖8，格柵內(nèi)力量測(cè)斷面布點(diǎn)見圖9，中線方向每20m布設(shè)一地表下沉測(cè)點(diǎn)，另任選3個(gè)斷面布設(shè)其它點(diǎn)進(jìn)行量測(cè)。本工法確定的監(jiān)控基準(zhǔn)值為：周邊每邊7cm，拱頂下沉9cm，地表下沉5cm，格柵每根主筋內(nèi)力不大于78.4kN，周邊圍巖內(nèi)位移不大于7cm。樂(lè)善村2隧道的實(shí)測(cè)最大值分別為：周邊收斂5.7cm，拱頂下沉5.4cm，地表下沉6.7cm(洞口段)，格柵內(nèi)力69.58kN，圍巖

11、內(nèi)位移4.7cm，基本上都小于基準(zhǔn)值，故認(rèn)為是安全的。七、施工安全措施本工法除應(yīng)遵守鐵路隧道施工安全規(guī)則等規(guī)范外，還應(yīng)結(jié)合中壁法的施工特點(diǎn)，采取以下安全措施：1.對(duì)全員進(jìn)行安全意識(shí)教育，特別是量測(cè)人員和安全檢查人員，要完善其崗位職責(zé)。2.制定中壁法施工的安全規(guī)章和制度。3.嚴(yán)格控制各開挖分部循環(huán)進(jìn)尺，開挖和支護(hù)工序必須銜接緊密，以減小圍巖變形。4.除部外，其余各部的開挖必須在鄰近作業(yè)面的初期支護(hù)達(dá)到一定強(qiáng)度后進(jìn)行。5.各分部開挖須保持圖2所示的縱向間距，并以能盡早使初期支護(hù)閉合而不造成兩部施工干擾為原則。6.對(duì)局部松散破碎地段，應(yīng)根據(jù)量測(cè)信息加強(qiáng)支護(hù)。7.拆除中壁、橫聯(lián)時(shí)，腳手架一定要牢固，要

12、按先上后下、先中壁后橫聯(lián)的順序施工，施工人員通過(guò)拆除點(diǎn)時(shí)要注意聯(lián)系。8.加強(qiáng)對(duì)圍巖和支護(hù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，根據(jù)量測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)判斷圍巖和支護(hù)的穩(wěn)定情況，如有異常須及時(shí)處理。9.利用部圍巖變化情況，分析、預(yù)報(bào)前方地質(zhì)情況。八、機(jī)具設(shè)備單口作業(yè)所需用的機(jī)具設(shè)備見表2。九、勞力組織單口作業(yè)勞動(dòng)力組織見表3。十、綜合效益分析1.本工法為軟弱圍巖、淺埋、大跨和特殊斷面的隧道及地下工程施工提供了新途徑，充實(shí)了新奧法的內(nèi)容。2.本工法可行性強(qiáng)，施工安全可靠， 這主要是因?yàn)椋竟しǔ浞职l(fā)揮了中壁和橫聯(lián)的交叉支撐作用，采用分部開挖分部成環(huán)封閉減輕了圍巖的松馳程度(表現(xiàn)在其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)小于量測(cè)監(jiān)控基準(zhǔn)值，見前述)，所采用的柔性

13、支護(hù)能適應(yīng)圍巖的變形，使地層自承作用得以發(fā)揮，所采取的量測(cè)方式能敏感地反映圍巖及初期支護(hù)的穩(wěn)定情況。3.工程質(zhì)量好，主要表現(xiàn)在：采用短進(jìn)尺多部開挖的方法，使毛洞成型好，減少了超欠挖；以格柵為主的初期支護(hù)系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠；初期支護(hù)整體性強(qiáng)，與二次襯砌結(jié)合緊密。4.本工法與其他軟弱圍巖隧道施工方法相比較，不需要特殊的施工機(jī)具設(shè)備，能節(jié)省大量的機(jī)械臺(tái)班費(fèi)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。十一、工程實(shí)例南昆線西段的樂(lè)善村2號(hào)雙線電氣化鐵路隧道，全長(zhǎng)274m，開挖寬度為13.16m，開挖高度為10.98m，覆蓋層厚度438m。洞身通過(guò)的地層為第四系坡殘積砂粘土，下伏寒武系下統(tǒng)節(jié)竹寺組頁(yè)巖、粉砂巖夾粉砂質(zhì)頁(yè)巖和炭質(zhì)頁(yè)巖，風(fēng)化嚴(yán)重，節(jié)理發(fā)育