三台阶七步开挖法在 V级围岩隧道中的应用

何永胜

(中铁十七局集团第二工程有限公司)

1 工程概况

厦深铁路(广东段)XSGZQ-6标段位于广东省东部沿海揭阳市境内,东临惠来县。该线段共 6座小隧道,最长246m,最短 93m,设计行车速度 200 km/h及以上。隧道为双线泥岩隧道,均为浅埋偏压,纵坡为单面下坡,线路进口至出口坡度为-5.816‰。围岩等级Ⅴ级位于右偏圆曲线上,线间距 4.6m。进口采用斜切式洞门、出口采用端墙式洞门。

2 工程地质及水文地质特征

2.1 工程地质特征

(1)地质岩性。本线段隧道位于丘陵区,地势起伏较大,在进口段有零星基岩出露。丘坡表层为厚 0～1.0m的Q4dl+el粉质黏土,呈灰黄色,硬朔 ～坚硬状态,而且夹 10%～30%碎石;下伏基岩为 J1jn泥质粉砂岩,呈褐黄色,属于强风化岩,但节理裂隙较发育,岩性较破碎。

(2)地质构造特征。经土地勘察报告表明,该段无不良地质。发育节理有:①185°＜67°,张开,无充填,间距 10～30 cm,延伸约 20 cm;②20°＜44°,张开,粘性土充填,间距10～ 20 cm,延伸约 30 cm;③345°＜27°,密闭,间距约 20 cm,延伸约 15 cm。

2.2 水文地质特征

本工程线路所在段的地下水类型主要为少量基岩裂隙水,且主要接受大气降水补给。场地地基土中粉质粘土和泥质粉砂、强风化岩为中等透水层。根据《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)有关标准:判定场地地表水、地下水对混凝土结构无腐蚀性,对钢筋混凝土结构中的钢筋无腐蚀性。

3 隧道开挖方案

目前,国内对于大断面隧道的开挖方法主要是有 CRD法、CD法、双侧壁导坑法、三台阶七步开挖法、明挖法等。而三台阶七步开挖法是分前后左右 7个不同的开挖面,共 4部分同时开挖与支护,最后形成一个整体支护体系。与其他开挖方法相比,这开挖方法因为多部分同时开挖、施工面多,可有效缩短开挖循环时间,可快速向纵深推进开挖,施工进度可以得到很大提高。由于隧道穿越围岩为Ⅴ类围岩,岩体强度较坚硬,节理缝隙较发育,岩性较破碎,所以开挖时间不宜过长。针对本工程的特点,采取一工区隧道一队组织施工,由进口一侧向出口一侧掘进,进出洞口采用明挖法施工,洞身均采用三台阶七步开挖法施工。

3.1 动态开挖

采取监控量测和超前地质预报手段,及时反馈围岩和支护的变化,为开挖过程的安全性提供可靠依据;并采用TSP203、红外探水、超前钻孔等多种手段进行超前地质预测预报及环境判释,掌握隧道前方地质条件,查清工程地质及水文地质条件;再根据超前地质预测预报资料、监控量测资料及科研阶段成果,对开挖进行确认、评价,若地质条件与设计不符或异常时,对开挖时的结构支护体系、施工工艺、施工方法等进行调整和优化。

3.2 方案指导原则

突出开挖重点,主攻浅埋断层等不良地质地段施工难点,强化锚喷支护关键,把握防水衬砌焦点。以“快速施工”为核心,强化配置“超前地质预报”、“开挖钻爆”、“装碴运输”、“锚喷支护”、“防水衬砌”几条机械化作业线。以先进的大型机械设备配套和技术手段为基础;以科学管理、合理组织为手段,在V级围岩、浅埋地段及断层破碎带地段做到一个“稳”字,确保开挖工期、质量、安全、效率各项目标的实现。

3.3 开挖技术方案

三台阶七步开挖法实质为台阶法的一种,本隧道洞身段Ⅴ级围岩采用三台阶七步开挖法方案为环形开挖拱部以预留核心土来对掌子面施压,中下部则采用先开挖两侧来保持中部土体不动以保证掌子面的稳定性。施工中以机械开挖为主,并采取人工配合机械开挖,必要时辅以弱爆破,各分步平行作业,平行施作初期支护应衔接紧密,及时封闭成环,对于支护作业采用锚杆台车或多功能作业台架配合风动凿岩机施工。进度安排为每循环进尺为 0.6m,日循环两次,理论月进尺 36m,考虑不可预见因素,月进尺采用 30m。为加快施工进度,尽早封闭围岩,必要时采用智能化注浆系统进行注浆;防水方面主要采取防水卷材与土工布,且采用多功能台架进行防水板挂铺,爬焊机双缝焊接。每作业面配备1台 9m的整体式液压衬砌台车全断面衬砌,混凝土采用洞外拌合站工厂化生产,混凝土输送车运输和泵送入模。

4 施工方法

4.1 施工准备

开工之后首先修筑临时施工便道,架设施工供电线路、铺设供水管道,砌筑洞顶截水沟,开挖洞口段土方。洞口场地开挖完成后,安装和修建隧道供风、供水、发电、混凝土生产、钢结构加工等设备与设施。洞门工程在进洞施工正常后及时安排施工,尽量避开雨季。

4.2 施工测量

隧道配一个由 1名测量工程师、4名测量技工组成的测量班,完成测量工作。控制测量主要搞好开挖前平面控制网复测。隧道洞身施工测量根据本工程隧道设计图,精确计算出线路百米桩的坐标及结构的相关尺寸和标高,并按每10m编制出本标段隧道标高表。测量工程师利用洞内测量控制点,及时向开挖面传递中线和高程;由测量班用断面测量仪测设隧道开挖轮廓线、支护钢架架立前后和二次衬砌立模前后轮廓尺寸,进行复核,确认准确后方可进行下道工序施工,并对混凝土净空断面应用激光隧道限界检测仪检查。

4.3 施工运输

本线段隧道均采用无轨运输方式,出碴采用挖装机或装载机装碴,自卸车运输;小断面分部开挖时采用人工配合挖掘机扒碴,挖掘机配合装载机装碴,自卸车运输。

4.4 开挖施工

三台阶七步开挖法在隧道开挖过程中分上中下和仰拱4部分。对于上台阶的开挖,本工程利用开挖机开挖,每循环开挖长度都控制在 0.8～1.0m,大约为 1榀钢架的距离,开挖后采用人工修边并及时喷射 4 cm厚混凝土以封闭作业面。对于下台阶右侧与中台阶左侧边墙的开挖是在上台阶超前中台阶 3～5m后进行,两者交错开外,每次开挖都控制在 1～2榀钢架距离,使左右两侧暴露的初期支护不同时处于悬空状态。特别对于中台阶开挖,由于开挖高度约4.5m,所以采取上下两次开挖,便于对上台阶初期支护底部修凿和人工修边。这三个部分开挖后接着开挖中部预留核心土。待下台阶开挖长度达到 25m时进行仰拱开挖。仰拱开挖同样分两次,控制开挖长度为3m。

4.5 初期支护施工

本线段隧道初期支护采用带排气装置的 Φ25中空注浆锚杆、Ф22mm砂浆锚杆、钢筋网、型钢钢架、C25喷射(合成纤维)混凝土,按围岩类别设计综合使用。支护紧跟开挖面及时施作,尽量减少围岩暴露时间,抑制围岩变形,防止围岩在短期内松弛剥落。钢架、钢筋网和锚杆在洞外构件厂加工,人工安装钢架,挂设钢筋网,锚杆台车或风动凿岩机施作系统锚杆,喷射机械手湿喷混凝土或湿喷机喷射混凝土。

4.6 系统锚杆施工

本工程采取的系统锚杆主要有中空注浆锚杆和砂浆锚杆。两种锚杆在本工程中的主要施工要点是以下两方面。

(1)中空注浆锚杆。隧道拱部系统锚杆采用带排气装置的Φ25中空注浆锚杆,施工方法除设置角度不同外,其施工方法见超前支护中Φ25中空注浆锚杆施工。

(2)砂浆锚杆施工。锚杆预先在洞外钢结构厂按设计要求加工制作,锚杆砂浆强度不得低于M20。施工时采用风动凿岩机或锚杆台车,按设计要求钻孔,达到标准后,用高压风清除孔内岩屑;用注浆泵将水泥砂浆注入孔内,砂浆填充锚杆孔体积的 2/3后停止注浆;及时将加工好的杆体插入孔内,安装锚杆垫板。关键技术措施是,锚杆钻孔位置及孔深必须准确;锚杆要除去油污、铁锈和杂质;锚杆体插入孔内不小于设计长度的 95%。锚杆施工应在初喷混凝土后进行,以保证锚杆垫板有较平整的基面。锚杆用的水泥砂浆,其强度不应低于M20。锚杆孔内灌注砂浆应饱满密实。水泥砂浆达到一定强度后才能上紧垫板螺母。

5 施工要点及主要技术措施

隧道施工的方法应根据本工程特点,工程及水文地质条件,断面大小、结构形式、机械配备、周围环境的需要及工期要求,在确保安全经济的前提下,编制科学、合理的施工组织设计。应充分利用现场监控量信息指导施工,严格施工程序,不得任意省略。

5.1 总体施工要点

开挖轮廓形状和断面尺寸符合设计要求,尽量减小开挖轮廓线的放样误差,采用激光指向仪、隧道激光断面仪等辅助手段确定开挖轮廓线和炮孔位置。隧道开挖断面以衬砌设计轮廓线为基准,考虑预留变形量、测量贯通误差和施工误差等因素适当放大。预留变形量符合设计规定,或根据围岩级别、隧道宽度、埋置深度、施工方法和支护情况等条件,采用工程类比法确定。

光面爆破施工中通过爆破试验,选择合理的钻爆参数,必要时在施工过程中,根据地质条件的变化和对振动波的监测,不断调整钻爆参数,把对围岩、支护及衬砌的扰动减到最小程度。施工过程中把监控量测、地质预报纳入工序中,作好设计与施工间的信息传递与反馈,修正开挖方法和参数,实现优化设计和安全施工。另外,开挖时按设计预留沉降量。

5.2 主要技术措施

(1)仰拱应紧跟下台阶施作,及时闭合构成稳固的支护体系。

(2)应完善洞内临时防排水系统,防止地下浸泡拱墙角基础。

(3)拱部超前支护完成后,环向开挖山台阶弧形导坑,预留核心土长度宜为 3～5m,宽度宜为隧道开挖宽度的1/3～1/2。开挖循环进尺应根据初期支护钢架间距确定,最大不得超过 1.5m,上台阶矢跨比应大于 0.3。

(4)中台阶及下台阶左、右侧开挖尺寸应根据初期支护钢架间距确定,最大不得超过 1.5 m,开挖高度宜为 3～3.5m,左、右侧开挖错开 2～3m。

(5)上、中、下台阶预留核心土开挖尺寸与各台阶循环进尺相一致。

(6)仰拱循环开挖长度宜为 2～3m,开挖后及时施作仰拱初期支护,完成两个隧底开挖、支护循环后,及时施作仰拱,仰拱分段长度宜为 4～6m。

6 监控量测

具体实施是在开挖及支护后进行测点布置,地质观察在爆破后初喷前进行,绘制地质素描图,填写开挖工作面地质调查记录表;测量工程师利用洞内测量控制点,及时向开挖面传递中线和高程;由测量班用断面测量仪测设隧道开挖轮廓线、支护钢架架立前后和二次衬砌立模前后轮廓尺寸,进行复核,确认准确后方可进行下道工序施工,并对混凝土净空断面应用激光隧道限界检测仪检查。

[1] 丁维利,赵永明,初厚永等.浅埋大断面黄土隧道下穿既有铁路施工技术[J].现代隧道技术,2008,(6):265-267.

[2] 杜永昌,王晓州,辛维克.高速与客运专线铁路施工工艺手册[S].2006.

[3] 龚成术.浅谈大断面黄土隧道三台阶七步开挖法[J].铁道建筑技术,2009,(6):71-74.

[4] 郭陕云.隧道施工技术方案及方法遴选之我见究[J].隧道建设,2006,(6):121-124.