雙連拱隧道開挖施工技術(shù)研究.doc

雙連拱隧道開挖施工技術(shù)研究摘要：文章結(jié)合太澳國家重點公路濟源至?xí)x城（省界）段高速公路省莊連拱隧道的施工，對雙連拱隧道開挖的施工技術(shù)進行較為詳細(xì)的闡述，重點介紹雙連拱隧道類、類、類圍巖的開挖、初期支護等施工技術(shù)。關(guān)鍵詞：雙連拱隧道 開挖 初期支護 技術(shù)研究0 引言由于雙連拱隧道在與洞外線路平面接線及洞口位置的選擇上較為靈活，使得越來越多的中短隧道采用此結(jié)構(gòu)形式，尤其對地形復(fù)雜的山區(qū)高速公路具有較大的優(yōu)勢；但是雙連拱隧道作為一種較新的隧道結(jié)構(gòu)形式，存在施工相對工期長，施工繁瑣、技術(shù)要求高等缺點，特別是左右洞開挖與支護交錯進行，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力變化和襯砌荷載轉(zhuǎn)換復(fù)雜化；中墻頂部圍巖因受多次開挖爆破的擾動，極易發(fā)生塌方。因此結(jié)合省莊雙連拱隧道的施工，對雙連拱隧道的開挖施工技術(shù)進行探討和總結(jié)，以達到安全快速施工的目地。1 工程概況1.1 工程概況 太澳國家重點公路濟源至?xí)x城（省界）段高速公路省莊隧道，為雙跨連拱式雙向四車道高速公路隧道，進口樁號K10+942，出口樁號K11+145，全長203米，其中明洞長22米，暗洞181米。隧道最大埋深56.5m，凈寬 10.25+2.91+10.2523.41m，凈高 7.10m，建筑限界高5.0m。類圍巖45米，類圍巖68米，類圍巖90米。全隧道均采用新奧法施工，柔性支護體系的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，并視地質(zhì)、地層條件增設(shè)超前小導(dǎo)管注漿，掛網(wǎng)噴錨支護，二次鋼筋混凝土襯砌。1.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 省莊連拱隧道按山嶺重區(qū)高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，主要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計行車速度為80km/h，雙跨連拱：凈寬 10.25+2.91+10.2523.41m，凈高 7.10m，建筑限界高5.0m，洞內(nèi)路面設(shè)計荷載為公路級。1.3 地質(zhì)概況 洞身穿過的地層為強弱風(fēng)化灰?guī)r、弱、微風(fēng)化灰?guī)r，其中類圍巖45米，類圍巖68米，類圍巖90米。隧道進出口，即類圍巖段為強弱風(fēng)化灰?guī)r，中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體較破碎，呈碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)，Vp=13502000m/s，圍巖穩(wěn)定性差，雨季時有滴水及滲流現(xiàn)象；弱風(fēng)化灰?guī)r，即類圍巖段中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，呈碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)，Vp=20003050m/s，圍巖穩(wěn)定性較差，雨季時有滴水及滲流現(xiàn)象；微風(fēng)化灰?guī)r，即類圍巖段厚層構(gòu)造，呈大塊狀砌體結(jié)構(gòu)，Vp=30503050m/s，圍巖穩(wěn)定性較好。1.4 氣候、水文 隧道沿線屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬冷夏熱，四季分明。降水集中在每年6、7、8、9四個月，年平均降水量600.3mm，年平均氣溫為14.3，最冷為1月，平均氣溫為0.2，最熱為7月份，平均氣溫為27。本區(qū)年平均風(fēng)速為2.2m/s，平時最大風(fēng)速20m/s，極大風(fēng)速為22m/s。隧道巖層未發(fā)現(xiàn)斷層、褶皺，巖層內(nèi)未發(fā)現(xiàn)滲水，主要靠大氣降水補給。1.5 雙連拱隧道的施工技術(shù)難點 隧道單洞開挖斷面大，因此采用合理的開挖形式及施工順序是保證施工安全、加快施工進度的關(guān)鍵；施工過程中由單側(cè)施工過渡到雙側(cè)施工，圍巖應(yīng)力釋放不平衡，使中墻承受較大偏心荷載，可能導(dǎo)致中墻失穩(wěn)，因此合理選擇開挖方式、先行洞和后行洞開挖工作面間距，直接關(guān)系道隧道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；因中墻頂部圍巖至少受三次爆破擾動，受力最為不利，且兩側(cè)正洞開挖，特別是上臺階開挖時，會對中墻頂部圍巖擾動較大，因此正洞上臺階爆破應(yīng)嚴(yán)格按微震控制爆破施工。2 施工方案比選洞身開挖是雙連拱隧道施工的關(guān)鍵，直接影響到工期和后繼工序及工藝流程的正常進行，在施工方案討論研究時，根據(jù)本隧道雙跨連拱的特點，擬定了以下方案進行比選：2.1 類圍巖開挖 由于類圍巖節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體較破碎，圍巖穩(wěn)定性差，安全要求高，故采用三導(dǎo)洞法，中導(dǎo)洞先行，左導(dǎo)洞滯后中導(dǎo)洞，右導(dǎo)洞滯后左導(dǎo)洞，正臺階、預(yù)留核心土法施工，以穩(wěn)定開挖面，開挖進尺按兩榀拱架距離控制，中導(dǎo)洞掌子面超前主洞30米，側(cè)導(dǎo)洞掌子面超前主洞15米，上下臺階掌子面間距20米。 2.2 類、類圍巖開挖2.2.1 開挖方案比選 方案一：中導(dǎo)洞、正臺階環(huán)導(dǎo)分部法，特點：可使用中、小型機械施工，施工工序多，要求掌子面穩(wěn)定性好、地面沉陷小，周邊松弛控制較好，安全，適用范圍：地質(zhì)條件差、安全要求高。方案二：中導(dǎo)洞、正臺階分部法，特點：可使用大中型機械施工，施工工序較多，要求掌子面穩(wěn)定性較好、地面沉陷較小，周邊松弛控制較好，較安全，適用范圍：工程跨度大、工期要求快。方案三：三導(dǎo)洞法，特點：可使用中小型機械施工，施工工序較多，要求掌子面穩(wěn)定性好、地面沉陷較小，周邊松弛控制較好，安全，適用范圍：工程跨度大、安全要求快。由于類、類圍巖中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，呈碎石狀壓碎、大塊狀砌體結(jié)構(gòu)，圍巖穩(wěn)定性較好，經(jīng)比選采用方案二，并對該方案上臺階長度進行比選：方案一：微臺階法，特點：臺階長度35米，初期支護閉合環(huán)能及時形成，施工安全；但所需工、料、機較多，工序交叉多，施工場面混亂，工序流程不清晰，地質(zhì)條件差時不宜采用。方案二：短臺階法，特點：臺階長度560米，初期支護閉合環(huán)形成稍晚，施工較安全，上下臺階可獨立進行流水作業(yè)，施工干擾小，工序緊湊，進度快。方案三：中長臺階法，特點：臺階長度60米以上，初期支護閉合環(huán)形成較晚，圍巖較弱，破碎帶及有地下水時對結(jié)構(gòu)受力不利，上下臺階可獨立進行流水作業(yè)，施工干擾小，工藝流程清晰。經(jīng)比選采用方案二，最終選定中導(dǎo)洞、正短臺階分部法開挖方案。主洞開挖時上臺階長度30cm，二次襯砌緊跟，距離開挖面不大于50m，仰拱超前二次襯砌20m。中導(dǎo)洞、正短臺階分部法有以下特點：上下臺階施工工序較少，每道工序的施工空間，均可采用機械裝渣和出渣運輸，既方便施工，降低勞動強度，也節(jié)約了成本，加快了速度。有利于形成小段平行流水作業(yè)，作業(yè)面和作業(yè)時間集中，便于工、料、機調(diào)配。主洞開挖不需設(shè)臨時支護，下臺階開挖在上臺階初期支護后施工，施工安全。開挖斷面大，光爆死角少，斷面圓順，初期支護質(zhì)量可靠。2.2.2 施工步驟 中導(dǎo)洞、正短臺階分部法施工順序斷面示意圖詳見圖1，施工工藝流程詳見圖2。主洞洞口段上臺階施工時，預(yù)留核心土，以穩(wěn)定開挖面，并作為預(yù)支護和初期支護的工作平臺，核心土在施作拱部預(yù)支護及初期支護后挖除。類、類圍巖段不留核心土，開挖后即進行初期支護施工。主洞施工按中導(dǎo)洞、左主洞、右主洞，即順序開挖，下臺階開挖（1）（2）兩步交替順序施工，以便于上臺階出渣，同時為盡快施作仰拱及二次襯砌創(chuàng)造條件，（1）（2）兩步均完成后，仰拱和仰拱回填部分虛碴暫不清除，以方便出碴，施作仰拱和仰拱回填前清除。 2.2.3 兩主洞開挖間距 雙連拱隧道兩主洞開挖面的最小距離為先行洞施工對中墻內(nèi)力影響的后期與后行洞施工對中墻內(nèi)力影響的前期范圍之和，即兩主洞開挖面間距不小于18m；根據(jù)以上分析并考慮主洞開挖時爆破的影響，兩主洞開挖工作面的間距不小于40m。3 施工工藝根據(jù)以上分析，結(jié)合省莊連拱隧道的實際情況，通過施工前多種方案比選，施工中進一步優(yōu)化，最終選擇了類圍巖采用三導(dǎo)洞法、類、類圍巖采用中導(dǎo)洞、正短臺階分部法開挖，施工順序從出口端向進口端單向雙洞相續(xù)掘進，既確保了工程的質(zhì)量和安全，又加快了施工進度、降低了工程成本，確保了本隧道的節(jié)點工期。3.1 中導(dǎo)洞開挖施工3.1.1 中導(dǎo)洞開挖 中導(dǎo)洞開挖斷面根據(jù)中墻頂半徑及中墻高度確定，采用全斷面開挖，微震光面爆破，炮眼布置、爆破參數(shù)嚴(yán)格按照爆破設(shè)計施工，并根據(jù)實際效果做完善調(diào)整，經(jīng)多次優(yōu)化，確定拱部周邊眼間距40cm，側(cè)墻周邊眼間距50cm。鉆眼采用手工風(fēng)槍打眼，裝碴采用1臺側(cè)翻裝載機，8輛自卸車運輸。每循環(huán)進尺控制在：類圍巖0.5米1.0米，類圍巖1.0米2.0米，類圍巖2.5米3.0米。中導(dǎo)洞開挖后，按設(shè)計及時進行初期支護。3.1.2 中隔墻襯砌 中導(dǎo)洞開挖貫通后，進行中隔墻襯砌，襯砌自出口向進口推進，襯砌采用自制的大塊組合鋼模，混凝土采用混凝土輸送泵泵送澆注的方法。中隔墻與拱頂間空隙采用KBY-50/7型注漿泵、分次壓注水泥漿回填密實。主洞開挖時，在中隔墻頂部兩側(cè)與水平排水管對應(yīng)設(shè)排水立管，排入中心排水溝中。3.2 主洞開挖施工3.2.1 施工臨時支護 3.2.1.1 中墻襯砌完成后，主洞開挖爆破時產(chǎn)生的爆破波及飛石可能對中墻混凝土及中墻外露防水板造成損傷，危及隧道結(jié)構(gòu)安全、影響防水效果。因此在主洞開挖過程中，采取以下防護措施，對中墻襯砌及中墻外露防水板的防護工作特別重要。加強主洞開挖的光面爆破控制，使爆破產(chǎn)生的渣塊小，飛石沖擊力弱。為平衡因先行洞開挖后對中墻產(chǎn)生的偏壓，先行洞上臺階開挖前中墻右側(cè)采用鋼支撐或木支撐，每段支撐長度約為60m，隨主洞開挖，將支撐相應(yīng)向前推進。對中墻外露防水板采用5mm橡膠板覆蓋，并用沙袋壓牢。3.2.1.2 超前小導(dǎo)管施工 隧道施工開挖時采用50小導(dǎo)管注漿超前支護，導(dǎo)管長度為5米，環(huán)向間距40cm，外插角8度。3.2.1.3 超前錨桿施工 砂漿錨桿設(shè)置位置，結(jié)合開挖巖體結(jié)構(gòu)產(chǎn)狀確定，盡可能垂直結(jié)構(gòu)面打入，以起到更好的作用。錨桿用風(fēng)槍打孔，先用注漿泵將孔內(nèi)注滿早強砂漿，再用錨固機將錨桿置入。錨桿尾端焊接在鋼拱架上，以便共同受力。錨桿拉拔檢驗：按規(guī)定的數(shù)量和部位抽檢。3.2.1.4 安裝鋼拱架。用分部開挖時，按工字鋼設(shè)計分節(jié)高度確定拱部及邊墻的開挖高度，以方便鋼拱架分節(jié)安裝。鋼拱架節(jié)間以螺栓聯(lián)接，其周圈力求與圍巖密貼，支撐于巖基上的要支墊穩(wěn)固，空隙較大處以高標(biāo)號混凝土填塞，較小處用噴混凝土填滿，以使其盡早發(fā)揮作用。沿隧道周圈將其同錨桿尾部進行焊接，以便共同受力。鋼拱架拼裝完成后及時用縱向連接鋼筋同相臨拱架連接，形成整體結(jié)構(gòu)。3.2.2 左、右主洞開挖 3.2.2.1 類圍巖淺埋段采用三導(dǎo)洞法開挖 由于類圍巖節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體較破碎，圍巖穩(wěn)定性差，安全要求高，故采用三導(dǎo)洞法，中導(dǎo)洞先行，左導(dǎo)洞滯后中導(dǎo)洞，右導(dǎo)洞滯后左導(dǎo)洞，正臺階、預(yù)留核心土法施工，以穩(wěn)定開挖面，開挖進尺按兩榀拱架距離控制，每循環(huán)進尺1.01.6m，中導(dǎo)洞掌子面超前主洞距離30米，側(cè)導(dǎo)洞掌子面超前主洞距離15米，上下臺階掌子面間距20米。采用微震光面爆破，人工利用簡易臺架裝藥聯(lián)線；上臺階循環(huán)作業(yè)兩次，下臺階循環(huán)作業(yè)一次。上臺階出碴采用側(cè)卸式輪式裝載機裝碴，8t自卸汽車運碴。清除頂部危石采用人工和長臂反鏟相結(jié)合。施工按“先深探，管超前、漿嚴(yán)注、短進尺、弱爆破、強支護、緊封閉、早成環(huán)、勤測量”的原則進行，按設(shè)計要求及時進行監(jiān)控量測。施工開挖、支護流程：側(cè)導(dǎo)洞超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護；側(cè)導(dǎo)洞開挖；側(cè)導(dǎo)洞初期支護；主洞超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護；中隔墻空洞臨時支護；主洞上臺階開挖；主洞上部初期支護；主洞下臺階開挖；主洞下臺階初期支護；拆除導(dǎo)洞鋼拱架，現(xiàn)澆仰拱；鋪設(shè)防水層，模筑二次襯砌。3.2.2.2 類圍巖段中導(dǎo)洞、正短臺階分部法開挖 采用中導(dǎo)洞、正短臺階分部法開挖方案，上下臺階全斷面一次開挖成型，上臺階開挖高度為4.5米。上臺階搭設(shè)簡易開挖臺架，采用人工手持風(fēng)鉆打眼。上臺階鉆眼深度為33.5米，循環(huán)進尺3米；下臺階鉆眼深度3.5米，循環(huán)進尺3米。施工中嚴(yán)格控制各洞掌子面間的距離，左右主洞掌子面間距不小于40m，單洞開挖時上臺階長度30m，二次襯砌緊跟，距離開挖面不大于50m，仰拱超前二次襯砌20m，并根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果及圍巖穩(wěn)定情況及時調(diào)整開挖、支護措施。開挖前采用超前砂漿錨桿等進行預(yù)加固，開挖后及時按設(shè)計噴射混凝土、打設(shè)錨桿、安裝鋼拱架，隨后分層噴混凝土至設(shè)計厚度進行初期支護。施工按“管超前、嚴(yán)注漿、短進尺、弱爆破、強支護、緊封閉、早成環(huán)、勤測量”的原則進行，按設(shè)計要求及時進行監(jiān)控量測。施工進入不良地質(zhì)地段前，采用超前鉆探來探明地質(zhì)和水文地質(zhì)情況，對易失穩(wěn)易坍塌的地段，對掌子面進行噴射混凝土封閉，噴層厚度為35cm。3.2.2.3 類圍巖段中導(dǎo)洞、正短臺階分部法開挖。采用中導(dǎo)洞、正短臺階分部法開挖方案，上下臺階全斷面一次開挖成型，上臺階開挖高度為4.5米。上臺階搭設(shè)簡易開挖臺架，采用人工手持風(fēng)鉆打眼。上臺階鉆眼深度為33.5米，循環(huán)進尺3米；下臺階鉆眼深度3.5米，循環(huán)進尺3米。施工中嚴(yán)格控制各洞掌子面間的距離，左右主洞掌子面間距不小于40m，單洞開挖時上臺階長度30m，二次襯砌緊跟，距離開挖面不大于50m，仰拱超前二次襯砌20m，并根據(jù)監(jiān)