理工核心论文发表-浅谈软弱围岩隧道施工技术
发布时间：2013-08-09
摘要：本文以某软弱围岩隧道工程为例，介绍了此工程采用三台阶法施工的施工技术及施工控制的要点。
1 工程概况
洛栾高速玉皇庙隧道为山岭区高速公路上下行分离四车道双洞小净距隧道+独立双洞隧道;设计行车速度为100km/h;隧道限界净宽：10.75m，限界净高：5.0m;隧道最小间距为15.2m，左线长815m，右线长809m。左右线位于直线、缓和曲线和R=1000m的圆曲线上。路线纵坡采用单向坡，右线设计纵坡为-2.5%、-2.99%，左线设计纵坡为-2.7%、-3.0%。
其中大里程端400m为Ⅴ级围岩，占隧道总长的49%，围岩主要为强风化~全风化安山岩，节理发育，呈碎块状，岩体强度低，手可掰断;且施工时正值雨季，围岩富含水，岩体遇水软化严重;岩体有构造痕迹，夹绿色泥状夹层。开挖时掌子面掉块、塌方严重，且初期支护变形较大。
本工程采用三台阶法开挖。主要支护参数为：拱部140°范围长4.5mΦ42×4超前导管，环向间距0.3m，纵向间距2.4m，外插角5～10度;26cm厚C25喷射混凝土，Φ25中空锚杆，间距100(环)×60(纵)cm，L=3.5～4.5m,梅花形布置;工20a钢拱架纵向间距0.6m;二次衬砌为P6级C35模筑防水钢筋砼，双层配筋，主筋采用Φ22钢筋，间距为20cm。因有地下水渗流，二次衬砌采用防水混凝土，抗渗等级不小于P6。初期支护与二次衬砌间设置分离式EVA防水板，厚度1.5mm，土工布重量≥350g/m2;防水混凝土结构的衬砌厚度不应小于45cm;环向施工缝设置中埋式橡胶止水条，沉降缝处设置橡胶止水带等多道防水措施。
2施工方法
台阶法视台阶长度大体分为长台阶法、短台阶法和超短台阶法三种，三种方式中的台阶长度是依初次支护形成 闭合断面的时间决定的，围岩越差，闭合时间要求越短。对于一般的隧道断面，适当的选择台阶长度，能适应从土到岩质比较广泛的地质。长台阶法是将断面分成上半断面和下半断面两部分进行开挖，一般上台阶超前50m以上或大于5倍洞径，上端面和下端面相距100～150m左右，可采取循环开挖，也可采取平行开挖。短台阶法的台阶长度在20—50m左右，一般台阶长度小于5倍但大于1—1.5倍洞径，两个断面比较接近，作业之间会有干扰。由于短台阶法可缩短支护结构闭合时间， 改善初次护的受力条件，有利于控制隧道收敛速度和量值，所以使用范围很广，Ⅱ一Ⅴ级围岩都能采用，尤其适用于Ⅳ一Ⅴ级围岩，是新奥法施工中的主要方法。超短台阶法的台阶长度一般都小于坑道跨度，约在3—5m左右，由于超短台阶法初次支护全断面闭合时间更短，更有利于控制围岩变形和控制地表沉降，所以，更加适用于膨胀围岩及土质围岩等要求及早闭合断面的场合。这种方法的缺点是上下断面施工干扰大，生产效率低，施工速度慢。采用超短台阶法施工时应注意以下问题，在软弱围岩施工时，应特别注意开挖工作面的稳定性，必要时采取辅助施工措施，如向围岩中注浆或打入超前水平小钢管，对开挖面进行预加固或预支护，为减少变形，采用临时仰拱法进行初期支护临时封闭等。
本工程经研究确定采用三台阶预留核心土法施工+预留核心土法：各部开挖及支护自上而下分成三个小单元进行开挖缩小开挖断面，步步成环，及时封闭。各分部封闭成环时间短，有效发挥初期支护整体受力效果，临时仰拱能有效阻止支护结构变形，减少隧道围岩变形。
3三台阶临时仰拱法施工工序
采用分部开挖法开挖，如图所示，施工工序如下：
第一步：利用上一循环架立的钢架施作隧道超前小导管;
第二步、第三步：开挖上部台阶，上台阶核心土高度离已初期支护钢架不得大于1.8米，长度不得小于5米，每循环进尺控制在0.6米左右;施作②部洞身结构的初期支护，即初喷4cm~10cm厚混凝土，架立20a钢架，并设锁脚锚管，为了防止初期支护变形，在拱架两侧离设计锁脚锚管以上60~100cm处各增设锁脚锚管1组，以替代该处的中空锚杆;钻设系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度，如为注浆环节，则在掌子面喷10cm混凝土封闭
第四步、第五步：上台阶领先中台阶3.6米时，开挖中部左侧台阶，每循环进尺控制在1.2米左右;架立20a钢架，并设锁脚锚(管)杆，为了防止初期支护变形，在拱架两侧离设计锁脚锚管以上60~100cm处各增设锁脚锚管1组，以替代该处的中空锚杆;钻设系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度，完成中部左侧台阶初期支护;
第六步、第七步：中部左侧台阶领先右侧台阶3.6米时，开挖中部右侧台阶，每循环进尺控制在1.2米左右;架立20a钢架，并设锁脚锚(管)杆;钻设系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度，完成中部右侧台阶初期支护;
第八步：开挖中部核心土，施作中台阶临时仰拱;
第九步、第十步：开挖下台阶，每循环进尺不大于1.2米，完成下台阶初期支护及仰拱初期支护;
第十一步：浇筑仰拱混凝土及仰拱填充;
第十二步：根据量测结果分析，待初期支护收敛后，利用衬砌模板台车一次性灌筑二次衬砌(拱墙衬砌一次施作)。
3 施工技术
3.1 超前地质预测预报
隧道施工中要加强超前地质预测预报工作，特别是断层破碎带。若探明的工程地质条件与设计不符，要立即停止施工，把相关的情况上报给建设单位、设计单位及监理单位，以便根据具体的情况采取相应的处理措施。超前地质预测预报采取的措施有全断面地质素描、探地雷达探测、水平钻孔探测。
3.2套拱
该隧道进洞施工时采用了2m套拱，即在明、暗洞交接处首先施作一个类似明洞的暗洞，逐步向洞内方向推进，直到完全嵌入山体。该隧道采用I20a工字钢作为内模支撑，再浇注80cm厚C25#钢筋混凝土，将I20a工字钢一起浇注在混凝土中，并在浇注前预埋Ф150mm钢管作为超前长管棚施工的定位、定向套管。在套拱砼两侧回填贫混凝土至套拱外拱顶标高，然后回填土。这样，洞口的边仰坡几乎不会受到破坏，而且，套拱与回填的贫混凝土形成整体支护作用，有效地保证了洞口段及边仰坡施工的安全
3.3 超前支护
在软弱围岩隧道施工中，一般须进行超前大管棚支护。本隧道洞口采用Ф108mm热扎无缝钢管长管棚注水泥单浆液进行超前支护，导管长32米，节长4米，两节之间用“V”型对焊，环向间距40cm，注浆终压为2Mpa(注浆孔孔径为16mm，间距为20cm，呈梅花型布置)。。
3.4开挖
待超前支护注浆强度达85%后，方可开挖。考虑处于偏压、浅埋及软弱围岩段，虽已进行超前支护，但也不能大意，因此,采用预留核心土开挖方法，即先沿隧道轮廓线开挖，每循环进尺0.6~1.2m，待锚喷支护达到一定强度后，再开挖核心土。开挖外轮廓时，采用风镐配合人工开挖，局部遇到坚石时，为减少对周边围岩的扰动，采用弱爆破将坚石震裂后用风镐开挖。核心土采用挖掘机开挖，局部坚石采用弱爆破将坚石震裂后用挖掘机开挖。
3.5初期支护
3.5.1开挖成型并经过人工修整无欠挖后立即初喷4cm厚混凝土封闭岩面。
3.5.2施设锚杆，挂设钢筋网。锚杆呈梅花型布置，径向施作，个台阶初期支护连接处左右两侧均需设不少于2根锁脚锚杆，确保初期支护稳定。钢筋网为φ8的钢筋焊接而成，网格间距为20cm，钢筋网应随受喷面的起伏铺设，并与锚杆连接牢固。
3.5.3安装钢拱架。钢架必须落到原状土上，并用I20槽钢垫起，钢架垂直隧道中线，并与纵向连接筋和锚杆焊接牢固。
3.5.4拱部按设计参数施作下一循环超前小导管支护，并把该支护的尾端焊接在钢架上。分层喷射混凝土，每层厚度为5——6cm，先喷拱架与轮廓之间的间隙，再喷刚拱架周围，最后是拱架之间。钢架保护层不小于2cm，整个喷射混凝土要平顺。
3.6 衬砌
隧道拱墙及仰拱均设置双层钢筋，混凝土为C35泵送混凝土，采用行走式全液压衬砌台车衬。
4施工控制要点
4.1 软弱围岩采用工字钢支护，当初期支护结束后，如发生初支侵线，换拱处理非常困难，特别是在围岩变形还未稳定的情况下，其安全风险大。所以为确保初支不侵线，必须对拱架进行放大，放大量考虑施工误差5cm，围岩沉降(Ⅴ级12cm、Ⅳ级10cm)，及二衬台车放大的5cm，并在每榀拱架安装时加强测量放样。
4.2加强监控量测
施工时务必做好明洞段边仰坡、地表及暗洞内的监控量测工作，密切注意边仰坡变形情况，对可能产生滑移的边仰坡及时加强喷锚支护或加大边坡坡率，保证边仰坡稳定;对于已经产生滑移的边仰坡先清除掉开裂部分的岩层，调整边坡坡率，重新对边坡加强防护。对暗洞内监控量测反馈数据显示变形过大、可能产生坍方地段，先暂时停止掌子面的施工，及时疏散施工人员，并组织专业技术人员结合工程地质情况、地下水情况、施工因素等具体分析病害发生的原因;同时采取径向注浆加固围岩、加密加强初期支护钢架支护、加密系统锚杆的间距、加长系统锚杆长度、补喷钢纤维混凝土等措施对初期支护进行补强，减小意外发生的可能性，待分析出具体原因后，针对不同情况，采取切实有效的措施。
4.3支护作业中的安全控制
软弱围岩地段的支护作用中立柱应加设垫板或垫梁，并加木楔塞紧;对小裂隙在四周应加密锚杆，加多层钢筋网片，进行喷射混凝土回填。当发现已喷锚区段的围岩有较大变形或锚杆失效时，应立即在该区段增设加强锚杆，其长度应不小于原锚杆长度的1.5 倍。如喷锚后发现围岩突变或围岩变形量超过设计允许值时，宜用钢支架支护。当发现测量数据有不正常变化或突变，洞内位移值大于允许位移值，洞内或地面出现裂缝以及喷锚层出现异常裂缝时，均应视为危险信号，必须立即通知作业人员撤离现场，待制定处理措施后才能继续施工。
参考文献
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