客运专线大断面黄土隧道综合机械化快速施工方法.docx
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客运专线大断面黄土隧道综合机械化快速施工方法
客运专线大断面黄土隧道综合机械化快速施工方法
一、前言
“十一五”期间,我国将完成时速在300公里以上的客运专线大约5457公里,形成四纵、四横的格局。
作为西部地区首条开工建设的郑西客运专线,因其西部特有的黄土特征,大断面黄土隧道的修建在所难免,因此大断面黄土隧道施工技术必将越来越重要。
大断面黄土隧道综合机械化快速施工工法是一种建立在合理的机械配置、科学的施工管理的基础上高效、快速的黄土隧道施工方法。
通过郑西客运专线凤凰岭隧道施工实践证明,本工法安全可靠,机械化程度高、劳动效率高。
二、工法特点
1、机械化程度较高,工人劳动强度大为降低。
2、将监控量测技术、数据处理和信息反馈技术应用于施工,动态修正施工方法和支护参数,确保施工安全。
3、安全可靠,对围岩扰动小。
4、进度较快,劳动生产率较高。
三、适用范围
本工法适用于以无水、少水地段黄土地层为主要围岩的大断面铁路、公路隧道。
四、工艺原理及关键技术
(一)工艺原理
严格遵循“管超前、禁爆破、短进尺、强支护、早成环、勤量测、紧衬砌”的施工原则,采用挖掘机辅以人工开挖,以减少对围岩的扰动,选用无水设备,以免软化土质基底,采用无轨装渣、无轨运输设备出渣。
老黄土地段采用弧型导坑法施工,新黄土段采用CRD法施工。
严格控制步长,以加快施工进度,安全快速施工。
本工法按成套大型无轨装渣、无轨运输机械化作业的施工方案组织施工:
隧道开挖采用一台短臂挖掘机,一台普通200型挖掘机,人工配合修整轮廓,用一台50侧翻装载机装渣,配备15T自卸车出渣。
仰拱、填充施工时放置便桥,以减小施工干扰,实现超前施工;二次衬砌采用洞外自动计量混凝土拌和站生产、混凝土输送车运送、全液压钢模板台车全断面衬砌。
(二)关键技术
1、开挖机械的选型
日立PC60-7型短臂挖掘机具有体积小、调转方便、掘进速度快、开挖成型好、对围岩的扰动小等特点,该机外形尺寸为:
6080mm×2500mm×2225mm动臂长3710mm,斗杆长1650mm,最大挖掘高度7150mm,最大挖掘深度4100mm,水平面最大挖掘距离6220mm,最小回转半径1750mm,铲斗容量0.28m3,其外形尺寸和工作参数均适用于V级围岩段CRD法导坑开挖。
2、锚杆钻孔机械的选用
采用ZM-12T型煤电钻钻设锚杆孔,既可解决在土质隧道施工采用有水钻孔设备软化围岩,又可解决在土质隧道施工中采用常规的冲击钻不宜排渣、成孔困难的难题,有效的提高了在土质隧道的成孔速度和安全性。
3、运输方式的选择
采用现代200挖掘机及柳工50C侧翻装载机共同装渣、红岩18T双桥自卸汽车出渣,大大提高了工作效率。
五、施工工艺
(一)工艺流程(见图1)
(二)操作要点
黄土隧道施工的要旨是:
“三严、四及时、一做到”:
“三严”即严格工艺,严格管理,严肃纪律,“四及时”即及时支护、及时封闭、及时量测、及时反馈,“一做到”即短进尺,快循环。
黄土隧道洞内采用无轨运输,仰拱、填充超前,衬砌紧跟,以尽早形成全断面封闭结构。
1、开挖
(1)新黄土地段的开挖
开挖方法:
新黄土具有失陷性、易坍等特点,采用CRD法开挖,将断面分解成左右侧共六个部分开挖,根据采用型钢钢架设置临时横竖支撑形式,先开挖左侧,后开挖右侧,右侧滞后左侧12米左右平行掘进。
为满足小挖掘机的作业空间,每侧上部台阶超前下部台阶12米左右掘进。
中部台阶控制在10米以内。
CRD法分部开挖方法见图2。
图1大断面黄土隧道施工工艺流程图
施工准备
超前支护
平面控制、高程控制
图2CRD法施工工序图
图3
图4弧型导坑法施工工序图
(2)老黄土地段的开挖
开挖方法:
老黄土土质结构较紧密、壁立性好,有一定的自稳能力,局部易坍掉块等特性。
因此,在这种土层中施工时要求施工工序紧凑,封闭要及时,否则将会出现喷层开裂、局部掉块等现象。
采用弧型导坑预留核心土法开挖,即在隧道的开挖和支护的过程中,在三个台阶上分四个开挖面,以前后四个不同的位置相互错开,同时开挖,然后由上至下,分部位依次支护,形成支护整体缩小作业循环时间,逐步向前推进的作业方法。
其中上部采用环形开挖预留核心土。
中部左右交错开3.2米进行开挖,根据开挖断面,为保证施工进度,达到黄土隧道快速施工的目的,底部利用上部进行支护的作业时间一次开挖不超过3.6米,并且放置便桥这样可最大限度的减小各部施工的干扰问题。
弧型导坑预留核心土法开挖支护施工顺序见图3。
2、初期支护
黄土隧道的初期支护由钢支撑、径向锚杆、钢筋网及喷射混凝土组成,开挖后及时进行初喷,初喷后施作钢拱架、超前支护、安装锚杆、铺设钢筋网、最后进行复喷。
另外,仰拱要先行,以便尽快成环,使结构受力更加合理。
初期支护参数见表1
表1初期支护参数
围岩类别
初期支护
预留变形量
二次衬砌
喷层
系统锚杆
钢筋网Φ8
钢架
位置
锚杆类型
长度
间距
位置
锚杆类型
长度
间距
位置
间距
钢架类型
间距
拱墙
仰拱
cm
(m)
(m)
(m)
(m)
(cm)
榀/m
cm
cm
cm
Ⅳ老黄土
26
拱部
药包
2.5
1*1
边墙
砂浆
3.5
1*1
拱墙
20*20
I20a
1/0.8
10
50
60
Ⅴ
35
药包
2.5
1*1
砂浆
4
1*1
20*20
I25a
1/0.6
10
60
70
Ⅴ新黄土
35
砂浆
4
1*1
20*20
I25a
1/0.6
10
60
70
(1)初喷混凝土:
喷混凝土分两次进行,第一次初喷4cm用于及早封闭围岩,必须在开挖后2小时以内初喷完毕,以防黄土风化造成收敛变形过大。
喷射混凝土采用湿喷机,混凝土由洞外拌和站集中拌料,混凝土运输车运送到工作面。
工人站在核心土或简易台架上施喷。
在喷射混凝土之前,先检查开挖断面尺寸。
喷射混凝土的顺序、距岩面的距离、喷射需要达到的要求等均应满足《客运专线施工技术指南》的规定。
(2)加工及安装钢支撑
①钢架加工制作方法:
先将加工场地用混凝土硬化,按设计放出加工大样。
钢架弯制采用我公司自行生产的型钢冷弯机,按照隧道断面曲率分节进行弯制,弯制完成后,先在加工大样上进行试拼,各节钢架成型后,要求尺寸准确,弧形圆顺,要求沿隧道周边轮廓误差不大于3公分,连接底板螺栓孔眼中间误差不超过±0.5公分;型钢钢架平放时,平面翘曲小于2公分。
②钢架架设施工方法:
A为保证各节钢架在全环封闭之前置于稳固的地基上,安装前应清除各节钢架底脚下的虚渣及杂物,并在钢架基脚处设槽钢以增加基底承载力,同时每侧安设2根Ф42锁脚锚管将其锁定,底部开挖完成后,底部初期支护及时跟进,将钢架全环封闭。
B、钢架平面应垂直于隧道中线,其倾斜度不大于2°,钢架的任何部位偏离铅垂面不大于±5cm。
C、为保证钢架位置安设准确,隧道开挖时在钢架的各连接处预留连接凹槽。
D、钢架按设计位置安设,在安设过程中当钢架和初喷层之间有较大间隙时,应每隔2米用混凝土预制块楔紧,钢架背后用混凝土填充密实。
E、为增强钢架的稳定性,将钢架与锚杆焊接在一起,并焊接直径Ф42的纵向连接钢管,间距1米设置。
F、为使钢架准确定位,钢架架设前需预先打设定位系筋,系筋一端与钢架焊接在一起,另一端用砂浆锚入围岩1米以上。
G、为防止拱脚下沉要采取以下措施:
加强对钢架的径向的固定措施;加强钢架基础连接纵梁,扩大开挖底脚,防止钢架悬空;及时喷射微纤维混凝土进行覆盖;加强对钢架的应力和变形监测;防止施工过程中的碰撞和损坏。
(3)安装锚杆:
在初喷混凝土完成后,按设计要求及时安设锚杆。
先在岩面上画出需施设的锚杆孔位,采用煤电钻钻孔,边墙锚杆打孔时要稍向下倾斜,以便灌注沙浆。
高压风管清孔,锚孔清吹干净后,先塞入已浸泡水的锚固卷,塞够卷数后用电钻将杆体抵到设计深度,最后加垫板和螺帽,待锚固卷有一定强度后拧紧螺帽。
锚杆的尾部与钢支撑焊接牢固。
(4)挂钢筋网:
网格间距为20cm×20cm全断面布设。
挂钢筋网在系统锚杆施作后,安设,钢筋网根据被支护岩面的实际起伏铺设,并在初喷混凝土后进行,与被支护岩面间隙约3cm,钢筋网与钢筋网连接处点焊在一起,使钢筋网在喷射时不易晃动,钢筋网在加工厂加工成片,在洞内再焊接起来形成整体。
(5)复喷混凝土:
架立钢架后应尽快进行挂网和喷混凝土作业,并将钢架全部覆盖确保喷射混凝土覆盖钢架厚度5公分以上,使钢架与喷混凝土共同受力。
喷射混凝土分层进行,每层厚度5-6公分,先从拱脚和墙脚处向上喷射以防止上层喷射料虚掩拱脚不密实造成强度不够,拱脚失稳。
3、超前预加固
根据黄土的具体情况,若出现土质节理发育、渗水等情况时,可有选择性的采用超前锚杆、超前管棚等措施固结破碎土体,提高其整体性,以保证施工安全。
4、围岩量测
黄土隧道施工的一个显著特点就是在上一台阶支护后趋于稳定的情况下,下一台阶开挖时对围岩的二次扰动造成拱顶的围岩下沉和水平收敛,出现二次变形,因此必须在隧道施工全过程作好量测工作。
量测项目主要有拱顶下沉和水平收敛,地表下沉以及开挖面的地质与支护状况观察,及时分析反馈。
施工支护的调整及施做二次支护的时间必须依据量测资料的回归分析判定,这对防塌至关重要。
(1)量测管理程序见图7
(2)隧道围岩量测测点布置见图8、图9、图10
(3)变形管理等级见表2
(4)监控量测得必测项目,按照新黄土地段10m,老黄土地段20m,在施工过程中,围岩特性比较突出地段加设量测断面。
每种岩层必须设置至少一个量测断面。
(5)围岩量测频率见表3
变形速度
距开挖面距离
量测频率
10mm/日以上
10m
2次/日
5mm/日以上
15m
1次/日
1mm/日以上
30m
1次/2日
1mm/日以下
30m以上
1次/4日
图5量测管理程序
图6围岩量测测点布置(弧型导坑)
图7围岩量测测点布置(CRD法开挖)
图8
表2变形管理等级
管理等级
管理位移
施工状态
Ⅰ
U0>(2Un/3)
采取特殊措施
Ⅱ
(Un/3)≤U0≤(2Un/3)
加强支护
Ⅲ
U0<(Un/3)
继续正常施工
Un:
洞室极限位移,U0洞室实测位移
5、仰拱
从仰拱开挖到灌注混凝土之间,隧道是处于最不稳定的状态,根据情况开挖仰拱会产生边墙挤出和下沉,围岩条件差时,应迅速灌注混凝土,用仰拱闭合断面。
仰拱施工前,先将隧底虚碴、杂物、积水等清除干净。
施工前先复核仰拱断面尺寸,不允许出现欠挖,超挖部分采用同级砼回填。
仰拱分段施工,钢筋在洞外预制,浇筑采用浮放仰拱模板由仰拱中心向两侧对称施工,一次完成,仰拱砼采用插入式振捣器,加强振捣,保证砼施工质量。
仰拱施工与掘进工作平行进行,为解决仰拱施工和其他工序的干扰问题,自制仰拱便桥,形成立体交叉平行作业体系,使仰拱施工对其他工序施工不相互干扰,仰拱便桥采用型钢钢架进行拼装。
仰拱填充分两次施工,为避免过大的干扰其他工序的施工,第一次在仰拱完成达到设计强度即施作,全幅,施作厚度以设计要求或满足二次衬砌台车作业要求为准,第二次在隧道水沟、电缆槽施工完成后全隧不间断一次完成。
隧道仰拱上部填充砼施工前先清洗仰拱上虚碴及杂物,排除积水。
填充砼表面要求平整,横坡、纵坡与设计一致。
仰拱施工缝与填充砼施工缝相互错开,要求施工缝顺直、平整及凿毛清洗,同时设置止水带防水。
6、防排水施工
(1)结构防排水:
在初期支护施作完成后,防水板安装之前安装,用5cm的锚固钉及PE板窄条将软式透水管固定在支护面上,每隔50cm固定一处,在两边墙同样采用Φ50mm软式透水管接入侧沟。
环向盲沟按8~15m设置一环,并结合地下水出露情况进行相应调整,地下水量较大时加密间距。
当隧道内有单个漏水点埋设硬塑料管引排至边墙泄水孔处。
在开挖过程中如发现底部有集中水出现,埋设盲沟排水,盲沟采用外径89mm,壁厚3.5mm的钢花管内衬Φ80的软式透水管组成,引排至隧道侧沟。
盲沟中的水通过泄水孔排入隧道侧沟中,泄水孔除在漏水点处设置外,其余地段每12m设置一处。
隧道洞身防水采用分离式防水板,采用无钉铺设工艺。
施工前,先将无纺土工布中线与拱顶重合,然后向两边展铺,一边展铺一边用橡胶垫圈和射钉固定,随后铺设防水板,并将防水板与固定无纺布的橡胶垫圈焊接牢固,再用双面焊接的方法将两防水板塔接部位粘合并封牢。
两块防水板搭接宽度为10cm,焊缝宽度不小于2cm,展铺时要顺基面铺开,但不要将防水板绷的太紧,应预留一定富裕量。
以免防水板拉伸破坏或喷射砼与模筑砼间产生空洞。
(2)施工防排水:
施工用水对黄土影响很大,施工中除了选用煤电钻代替风钻后减少了开挖面的施工用水外,还加强了对施工用水管理和地下水的疏排工作,以免积水浸泡基础。
具体做法:
顺坡时将开挖面的水用水泵抽至已衬砌成型的水沟内,自然排至洞外,反坡时将开挖面的水用水泵抽至后方的水箱内,再用抽水机将水通过水管排至洞外。
7、衬砌
边拱二次砼衬砌采用特制液压衬砌台车、泵送混凝土工艺进行施工。
台车由具有专业生产资质的厂家按照本隧道断面进行特制。
防排水系统以及钢筋绑扎超前衬砌1~2个循环完成。
砼衬砌钢筋在洞外现场加工,钢筋绑扎在防水板敷设完毕后进行。
衬砌工作面设自制多功能台架,衬砌钢筋的绑扎、焊接在台车上进行。
台车两端头挡头模板采用木模,洞口段木模上钻孔穿设衬砌纵向连接钢筋,以利于下一循环相连接。
隧道衬砌施工前先复核隧道断面尺寸,保证衬砌厚度。
同时检验防水板敷设是否符合要求,有无破损。
衬砌钢筋保护层厚度能否满足要求。
如有上述任何一项问题,必须经处理满足规范要求后方可进行施工。
砼浇筑前,将模板内的杂物和钢筋上的油污等清除干净。
挡头板缝隙及孔洞要填塞密实,不漏浆。
在隧道口设自动计量砼拌合站,搅拌好的砼由砼运输车运输至洞内衬砌位置,采用一台砼输送泵泵送入模对称浇筑。
砼浇筑后,应即时用振捣器捣固,以使砼密实,两侧边墙部位采用插入式振捣器振捣,拱部采用附着式振捣器振捣。
当砼达到允许的强度后再进行脱模,砼脱模后应进行养护,由于水对黄土隧道施工的影响较大,以及隧道侧壁安设有电线电缆风水管等管线,给喷水养护造成一定困难。
隧道衬砌养护宜采用喷塑养护法。
当洞内相对湿度>90%时,可不再养护。
当日平均气温低于5℃时,采取保温养护措施,并不得对砼洒水养。
在施工缝处应设置背贴式和中埋式止水带。
六、机具设备
开挖机械设备、二次衬砌机械设备见表4
表4开挖及二衬机械设备表
序号
名称
规格型号
产地
数量(台/套)
性能状况
备注
小计
其中
自有
租赁
新购
特别建造
1
自卸汽车
红岩16T
重庆
6
6
良好
2
挖掘机
PC-200
日本
2
2
3
挖掘机
PC60-7
日本
1
1
4
装载机
ZL-50
柳州
2
2
5
电动空压机
4L-20/8、20m3/min
太原
2
2
良好
6
轴流通风机
SDF(C)-NO11.22
山西
1
1
良好
7
砼拌合站
HZS60、60m3/h
山东
1
1
良好
8
砼强制式搅拌机
JZ500、
陕西
1
1
良好
9
砼搅拌运输车
JCQ8容量8m3
北京
3
3
良好
10
砼输送泵
HBT60、60m3/h
辽宁
1
1
良好
11
高速制浆机
ZJ-400
上海
2
2
良好
12
高压注浆泵
M400
成都
1
1
良好
13
煤电钻
ZM-12T
山西
6
6
14
潜水泵
5.5kw
山西
2
2
15
砼湿喷机
TK-961
成都
3
3
良好
16
衬砌台车
9m
自制
1
1
17
多功能作业平台
非标
自制
1
1
18
型钢弯制机
非标
自制
1
1
19
防干扰平台
非标
自制
1
1
20
地质钻机
MK5
武汉
1
1
良好
21
潜孔钻
成都
1
1
良好
22
振动夯
PBH-300G
西安
2
2
良好
23
凿岩机
YT-28
天水
3
3
良好
七、劳动组织
表5劳动力安排表
施工
任务
掘进组
运输组
喷锚组
二衬组
构件加工组
机械保障组
管理组
合计
人数
备注
新黄
土段
24人
18人
28人
36人
10人
4人
10人
130人
老黄
土段
16人
14人
20人
36人
10人
4人
10人
110人
八、质量保证措施
1、加强施工技术管理,严格执行以总工程师为首的技术责任制,即使进行技术交底,发现问题及时解决。
建立质量奖罚制度,明确奖罚标准,作到奖罚分明,杜绝质量事故发生。
2、严格执行工程监理制度,施工队自检、经理部复检、工程队设专职质检工程师、班组兼职质检员,保证施工作业始终在质检人员的严格监督下进行。
质检工程师有质量否决权,发现违背施工程序、不按设计图、指南、规范及技术交底施工的,使用材料半成品及设备不符合质量要求的,有权制止,必要时下停工令,限期整改并有权进行处罚。
3、严格施工纪律,把好工序质量关,上道工序不合格不能进行下道工序的施工,否则质量问题由下道工序的班组负责。
对工艺流程的每一部工作内容认真进行检查,使施工专业化。
4、坚持三级测量复核制,各测量桩点要认真保护,施工中可能损毁的重要桩点要设好护桩,施工测量放线要反复校核。
认真进行交接班,确保中线、水平及结构物尺寸位置正确。
搞好施工测量工作,施工放样必须反复校核,确保结构位置,断面几何尺寸准确。
5、加强工程试验,建立台帐和施工记录,优选工程施工配合比,经工程是批准后执行。
工程使用的钢材、水泥、砂、石等要认真检验,把好进货关。
禁止使用不合格材料。
把好各工序中间过程的质量检验关,对加工的半成品,按要求认真检查验收并报驻地监理工程师检查。
配齐试验、检验设备以满足施工试验要求,认真做好原材料的检查、试验和对混凝土、喷混凝土的质量检查工作,使其始终处于可控状态。
所有工程材料应事先进行检查,严格把好原材料进场关,每项材料到工地应有出厂检验单,同时在现场进行抽查,来历不明的材料不用,过期变质的材料不用,消除外来因素对工程质量的影响。
6、在黄土和红黏土隧道中采用台阶法施工时,存在下台阶开挖之前上部产生二次变形的问题,这样就需要上半断面的钢支撑的锁脚锚杆向下以40°~45°的角度斜插,以起到扩大承载拱拱脚的作用。
九、安全措施
1、黄土属于特殊地层,而且在不同地域黄土的性质也不尽相同,因此在施工过程中应不断核对、分析地质情况,根据地质实际情况进行施工组织管理。
2、在黄土及红黏土地层条件下,严密地组织施工是非常重要的,重点应放在科学的态度处理好安全、质量和工期的矛盾上,不违反科学规律,不盲目抢进度,工期服从安全和质量。
为加快施工进度,应加大机械投入,提高机械作业效率,为确保安全,须加强初期支护。
施工中贯彻“开挖自上而下、衬砌自下而上,及早灌注仰拱、封闭成环”的原则。
3、正洞开挖前应将洞顶地表冲沟、陷穴夯填平整,以杜绝地表水下渗。
4、洞口施工,首先处理好边坡、仰坡,并及时作好所有防护措施,做好边坡排水的临时设施,然后才能进行其他项目的施工;拉槽进洞,只对洞上方进行刷坡,以保持山体稳定。
洞口上方刷坡完成后测量放线,外接临时套拱,拱顶外接1.5m,拱脚外接3m,以消除山体推力。
套拱设计断面要大于开挖断面。
洞口段30m内要求仰拱、铺底作业面紧跟下半断面开挖,要求仰拱、铺底作业面下半断面开挖面的距离控制在24m之内;衬砌作业距仰拱、铺底作业面的距离控制在50m之内。
5、下半断面施工时底部预留50cm的厚度,防止机械碾压后,破坏围岩结构。
在预留层中设钢支撑的下部横撑,使初期支护受力成环。
仰拱、铺底施工前及时将预留层清理掉。
6、整体式衬砌地段下半断面施工前,上半断面与下半断面钢支撑接腿错开4榀以上。
7、黄土段施工尽量配备不用水的施工机械,并加强施工用水管理。
作好洞内水沟,注意疏排水,确保黄土及红黏土地段底板不积水。
严格控制施工用水,不准乱排乱放。
8、工程机械和车辆应经常维修,对驾驶人员要经常进行安全意识教育,确保行车安全。
9、加强施工现场洞内用电管理,照明,高压电力线路架设顺直、符合标准,绝缘良好。
各种电气设备均设置漏电保护器,确保用电安全。
线路架设高度和照明度必须符合标准。
10、严格控制各工序的作业间距,推行标准化作业。
十、效益分析
1、施工进度快,劳动强度低,便于施工管理,工效提高,节能降耗。
2、在工程质量、施工进度、技术公关和文明施工等方面受到了高度评价,施工场地整洁,文明施工水平提高,最终赢得了较好的经济效益和社会效益。
十一、工程实例
郑西客运专线凤凰岭隧道全长839米,全部为黄土地质,最大开挖断面达到164m2;工期紧、任务重、地质软弱、工艺复杂。
凤凰岭隧道于2006年2月开工,在工期相当紧张的情况下,采用综合机械化快速施工技术,2006年12月贯通,取得了新黄土段月进度35米、老黄土段月进度80米的较好成绩。
得到了业主及局指挥部领导的好评。
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