山岭隧道开挖施工方法

1 选择隧道施工方法的指导思想与应遵循的原则 隧道施工符合安全环保、工艺先进、质量优良、进度均衡、节能降耗的要求,隧道施工应本着“安全、有序、优质、高效”的指导思想,按照“保护围岩、内实外美、重视环境、动态施工”的原则组织施工。其施工方法的选择应遵循以下原则: (1)、确保施工安全,改善施工环境。 (2)、应根据设计文件、施工调研情况、地质围岩级别、结合隧道长度、断面大小、纵坡情况、衬砌方法、工期要求、装备水平、队伍素质等综合因素决定。 (3)、地质变换频繁隧道应考虑其适应性,便于工序调整转换。 (4)、应尽量采用新技术、新工艺、新设备、新材料。 (5)、认真按照新奥法原理、掌握应用好光爆、喷锚、量测施工三要素。 2 选择隧道施工方法的基本要素 (1)、施工条件 它包括一个施工队伍所具备的施工能力、素质以及管理水平。目前我集团隧道施工队伍的素质和施工装备水平,有高有低,参差不齐,因此,在选择施工方法时,不能不考虑这个因素的影响。 (2)、围岩条件 围岩条件也就是地质条件,其中包括围岩级别、地下水及不良地质现象等。围岩级别是对围岩工程性质的综合判定,对施工方法的选择起着重要的甚至决定性的作用。 (3)、隧道断面积 隧道尺寸和形状,对施工方法选择也有一定的影响。目前隧道断面有向大断面方向发展的趋势,如公路隧道已开始修建3车道甚至4车道的大断面,水电工程中的大断面洞室,更是屡见不鲜。在这种情况下,施工方法必须适应其发展。在单线和双线的铁路隧道中,越来越多地采用了全断面法及台阶法;而在更大断面的隧道工程中,先采用各种方法修小断面的导坑,再扩大形成全断面的施工方法极为盛行。 (4)、埋深 隧道埋深与围岩的初始应力场及多种因素有关,通常将埋深分为浅埋和深埋两类,有时将浅埋又分为超浅埋和浅埋两类。在同样地质条件下,埋深的不同,施工方法也将有很大差异。 (5)、工期 作为设计条件之一的施工工期,在一定程度上会影响基本施工方法的选择。因为工期决定了在均衡生产的条件下,对开挖、运输等综合生产能力的基本要求,即对施工均衡速度、机械化水平和管理模式的要求。 (6)、环境条件 当隧道施工对周围环境产生如爆破振动、地表下沉、噪声、地下水条件的变化等不良影响时,环境条件也应成为选择隧道施工方法的重要因素之一,在城市市区条件下,甚至会成为选择施工方法的决定性因素。 完善施工方法标准化、模式化的重要条件是建立适应各种条件下的隧道施工机械化配套技术的标准模式。 3 山岭隧道开挖方法的选择 山岭隧道施工的过程和方法是多种多样的,但钻爆法仍然是我国目前应用最广、最成熟的隧道修建方法,山岭隧道开挖常用的方法为全断面法、台阶法、中隔壁法(cd法),交叉中隔壁法(crd法)、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法等。 在当前的施工实践中,从工程造价和施工速度考虑施工方法的选择顺序应为:全断面-正台阶-台阶设临时仰拱法-中隔壁法(cd)-交叉中隔壁法(crd)-双侧壁导坑法:从施工安全考虑,其选择顺序应反过来。如何正确的选择施工方法,应根据实际情况综合考虑,但必须符合安全、快速、质量和环境要求,达到规避风险,加快施工进度和节约投资的目的。 4 各种施工方法在不同围岩和隧道中适用情况 (1)、全断面法 全断面开挖法是按设计断面将整个隧道开挖断面一次钻孔,一次爆破成型、一次初期支护到位的隧道开挖方法。主要适用于非浅埋i~ⅲ级硬岩地层。浅埋段、偏压段和洞口段不宜采用。如确实地质条件较好,也可采取先开挖小导坑,然后再扩大的施工方法,这对保持围岩稳定是有利的。 该法有较大的作业空间,有利于采用大型配套机械化作业,钻爆施工效率较高,可采用深眼爆破,提高施工速度,且工序少、便于施工组织和管理,较分部开挖法减少了对围岩的振动次数。 但由于开挖面积较大,围岩相对稳定性降低,且每循环工作量相对较大,深孔爆破用药量大,引起震动大,因此要求进行精心的钻爆设计和严格控制爆破作业。 施工要点 ①配备钻孔台车或多功能台架及高效率装运机械设备,缩短循环作业时间,合理采用平行交叉作业工序,提高施工进度。 ②利用钻孔台车深孔钻爆增加循环进尺,控制钻孔进度,改善光面爆破效果,减少超欠挖。 ③及时对开挖轮廓围岩施做喷射混凝土封闭层。 ④有条件时采用导洞超前的开挖方法,合理组织施工保证隧道施工安全。 ⑤仰拱、铺底超前二次衬砌且一次全幅浇筑,i~ⅱ级围岩离掌子面距离≤120m,ⅲ级围岩≤90m。 (2)、台阶法 台阶法施工是将隧道结构断面分成两个或几个部分,即分成上下两个断面或几个断面分部进行开挖的隧道开挖方法。该法适用于铁路双线隧道ⅲ、ⅳ级围岩,单线隧道v级围岩亦可采用,但支护条件应予以加强。该法具体可分为正台阶法、三台阶临时仰拱法、环形开挖预留核心土开挖法等。 该施工方法的优点是对地质变化的适应性较强,工序转换较容易,并能较早地使初期支护闭合,有利于控制沉降。台阶长度一般应控制在1~1.5倍洞径,为及早使初期支护封闭成环,也可适当缩短台阶长度,当围岩较稳定,短台阶能保持时,台阶长度亦可适当缩短至3~ 5m,上下台阶同时钻眼爆破,以起到加快施工进度,减少设备配置的目的。 下部断面(中、下层台阶)是开挖作业的重要环节。近年来,在下部开挖中,因方法欠妥,作业不慎引起初期支护失稳造成的重大坍方事故已有多起,必须引起高度重视。在开挖顺序上,宜采用先挖侧槽、左右错开向前推进的做法,不宜采用拉中槽挖马口的方法。侧槽一次开挖长度不宜太长,靠近边墙范围应采用风钻、风镐手工开挖,人工清壁扒碴,严禁使用重型机械开挖和装碴,以免对围岩过大扰动、破坏围岩和初期支护系统的整体稳定性。 施工要点 ①根据围岩条件合理确定台阶长度和台阶数量,台阶长度一般应不超过1倍开挖洞径,台阶高度根据地质情况、隧道断面大小和施工机械设备情况确定。 ②上台阶施作钢架时,采用扩大拱脚或施作锁脚锚杆等措施,控制围岩和初期支护变形; ③下台阶在上台阶喷射混凝土达到设计强度70%以上时开挖,当岩体不稳定时需缩短进尺,必要时上下台阶分左、右两部错开开挖,并及时施做初期支护和仰拱。 ④施工中应解决好上下台阶的施工干扰问题,下部施工应减少对上部围岩、支护的扰动。 ⑤下台阶施工时要保证钢架顺接平直,螺栓连接牢靠。 ⑥仰拱、铺底超前二次衬砌且一次全幅浇 筑,ⅲ级围岩≤90m,ⅳ级围岩≤70m。 (3)、中隔壁法(cd法) 中隔壁法(cd法)是将隧道断面左右一分为二,先挖一侧,并在隧道中部设立利用钢支撑及喷混凝土的临时支撑隔墙,当先开挖一侧超前一定距离后,再开挖另一侧的隧道开挖方法。 该法变大跨为小跨,使断面受力更合理,对减少沉降,保证隧道开挖安全、可靠具有良好效果。该法适用于较差地层,如采用人工或人工配合机械开挖的ⅳ~v级围岩和浅埋、偏压及洞口段。施工过程中,为保证初支稳定,除喷锚支护外,须增加型钢或钢格栅支撑,并采用超前大管棚、超前锚杆、超前注浆小导管、超前预注浆等一种或多种辅助措施进行超前加固。 由于地层软弱,断面较小,只能采用小型机械或人工开挖及运输作业,工序多,施工进度较慢。必要爆破时,应控制药量,避免损坏中隔墙。临时中隔墙型钢支撑规格应与初期支护所采用的一致。每步台阶长度可控制在3~5m。 施工要点 ①左右部的台阶开挖高度根据地质情况及隧道断面大小而定。 ②左、右两侧洞体施工纵向拉开间距不大于15m。 ③每台阶开挖长度不大于该分部断面直径,保持开挖面平顺,并及时初期支护。 ④后一侧开挖形成全断面时,应及时完成全断面初期支护闭合。 ⑤中隔壁设置为弧形临时支护,隧道左右开挖面初期支护连接平顺,保证钢架连接状态良好。 ⑥根据监控量测信息,初期支护稳定后拆除中隔壁临时支护,一次拆除长度不超过15m,并加强监控量测。 ⑦临时支护拆除后及时施做隧道仰拱和二次衬砌。 (4)、交叉中隔壁法(crd法) 当采用中隔壁法(cd法)仍然无法保持围岩稳定和隧道施工安全时,可采用交叉中隔壁法(crd法)开挖。该法的特点是各分部增设临时仰拱和两侧交叉开挖,每步封闭成环,且封闭 时间短,以抑制围岩变形,达到围岩沉降可控,初期支护安全稳定的目的。 该法除喷锚支护及增设足够强度和刚度的型钢或钢格栅支撑外,还应采用多种辅助措施进行超前加固。 交叉中隔壁法(crd法)适用于断层破碎带、碎石土、卵石土、圆砾土、湿陷性黄土、全风化的花岗岩地层的v~ⅵ级围岩及较差围岩中的浅埋、偏压及洞口段等。 施工要点 ①隧道按左右部份分块实施开挖,每块小断面开挖高度大致接近。 ②每块小断面开挖长度2~3m,或不大于该分块断面直径,及时设置临时仰拱封闭、步步成环,尽量缩短成环时间。 ③中隔墙设置为弧形临时支护,隧道左右开挖小断面水平临时支护保持对接一致,螺栓连接牢固。 ④及时进行底部左右小断面开挖封闭支护,并利用回填注浆加固底板。 ⑤根据监控量测信息,初期支护稳定后拆除中隔壁临时支护,一次拆除长度不超过15m,并加强监控量测。 ⑥临时支护拆除后及时施做隧道仰拱和二次衬砌。 (5)、单侧壁导坑法 单侧壁导坑法施工与中隔壁法(cd法)类似,但其导坑开挖断面相对较小。 (6)、双侧壁导坑法 双侧壁导坑法是采用先开挖隧道两侧导坑,及时施作导坑四周初期支护及临时支护,必要时施做边墙衬砌,然后再根据地质条件、断面大小,对剩余部分采用二台阶或三台阶开挖的方法,其实质是将大跨度的隧道变为三个小跨度的隧道进行开挖。 该法施工进度较慢,成本较高,但其在施工安全尤其在控制地表下沉方面,优于其它施工方法。此外,由于两侧导坑先行,能提前排放隧道拱部和中部土体中的部分地下水,为后续施工创造条件。因此城市浅埋、软弱、大跨隧道和山岭软弱破碎、地下水发育的大跨隧道可优先选用双侧壁导坑法。在v~ⅵ级围岩的浅埋、偏压及洞口段,也可采用此法施工。 操作婴点 ①侧壁导坑形状应近似椭圆形,导坑断面宽度宜为整个断面的1/3。 ②两侧侧壁导坑超前中部10~20m,可独立同步开挖初支,中部采用台阶法开发,保持平行作业。 ③导坑开挖后应及时进行初期支护及临时支护,并尽早封闭成环。 ④通过监控量测确定临时支护体系稳定后,拆除临时支护,一次拆除长度不超过15m,拆除区间加强监控量测。 ⑤临时支护拆除完成后,及时施作仰拱并进行二次衬砌。 总之,对于硬岩隧道宜采用全断面法与台阶法,分部开挖法适用于软岩隧道。采用台阶法施工时,不宜采用长台阶,因其不利于初期支护及早封闭成环。在采用分部开挖法的硬岩隧道中爆破作业将会严重破坏已成形的中隔壁,应采取一定的保护措施。根据以上总结,本隧道ⅱ级围岩地质情况为,洞身围岩以弱风化晶屑凝灰岩为主,受断层影响,岩石较破碎,围岩多呈碎石状压碎结构或块碎状镶嵌结构。ⅲ级围岩地质情况为,断层破碎带,积压片理,节理裂隙发育,围岩呈碎石状压碎结构,稳定性差。ⅳ、v级围岩地质情况为,断层破碎带,积压片理,节理裂隙发育,围岩呈碎石状压碎结构,稳定性差。根据围岩状况与施工生产安全、施工进度、成本等多方面因素选择,ⅱ级围岩设计台阶法开挖,根据现场实际地址情况(掌子面围岩岩性为灰色、青灰色弱风化凝灰熔岩,节理裂隙局部较发育,整体性好。),和施工 进度要求开挖方法变更为全断面法施工,由原来每天进尺4m提升为每天进尺6m~8m。ⅲ级围岩设计台阶法开挖,根据现场实际地址情况(掌子面围岩岩性为灰色、深灰色弱风化凝灰熔岩,节理发育,稳定性较好。),和施工进度要求部分ⅲ级围岩变更为全断开挖,由原来每天进尺4m提升为每天进尺6m~8m。ⅳ级围岩设计为台阶法,根据现场实际围岩情况,符合设计围岩,我们采用台阶法开挖,每日进尺2m~4m。v级围岩设计为双侧壁导坑法开挖,在实施一段后由于此开挖方法安全系数高,但开挖速度慢,每日进尺0.6m,对工程进度有所制约。在后续施工中我们和设计院共同探讨调节在保证安全的前提下调节开挖方法,由原设计双侧壁导坑法变更为三台阶预留核心土法,把每日进尺速度提升一倍,在原材料上也大大节省。