挤压性围岩隧道“三台阶+临时仰拱”施工工法

1、挤压性围岩隧道“三台阶+临时仰拱”施工工法1前言交通隧道、水工隧道及其他地下工程穿越地下高应力以及软弱围岩，常易导致大变形等相关地质灾害。根据大量文献检索，隧道工程围岩大变形已是困扰地下工程界的一个重大难题。国内外多座隧道工程有不同形式和程度的围岩大变形情况记录，给工程建设造成极大的困难，运营以后病害也多。1946年，Terzaghi首次提出了挤压性岩石和膨胀性岩石的概念，挤压性岩石是指侵入隧道（开挖轮廓面）后没有明显体积变化的岩石。同时将围岩变形分为两类：一是开挖形成应力重分布超过围岩强度而发生塑性化。如果介质变形缓慢，就属于挤压（如果变形立刻发生，就是岩爆）；二是岩石中的某些矿物和水反应膨

2、胀。水及某些（膨胀性）矿物的存在，对于变形是必须的。挤压性围岩的施工技术也是多种多样，目前主要有台阶法、双侧壁导坑法、CD法和CRD法等。本工法主要根据中铁一局承建的襄渝二线新蜀河隧道的施工经验编写，介绍“三台阶+临时仰拱”法。经鉴定该项施工方法针对挤压性围岩施工具有显著的技术创新，经济效益明显，对于后续施工相似围岩具有广泛的应用价值和指导意义。2工法特点隧道开挖的过程是在时间和空间上动态变化的过程，伴随着开挖面的向前推进，衬砌施工相对滞后，隧道围岩不断受到扰动，其受力和变形随时间与空间而逐渐发展。挤压性围岩隧道更具有明显的“时空效应”。较台阶法、双侧壁导坑法、CD法和CRD法等施工方法，具有

3、以下特点：2.1 该施工方法将隧道根据实际分成多部分施工，空间小，减少了围岩的暴露范围，同时利于及时封闭。2.2 临时仰拱增加了横向支护刚度，利于变形控制。2.3 无需增加特殊设备，投入少，利于现场操作。3 适用范围本工艺工法适用于-级挤压性围岩隧道施工，对于大跨地下工程及其它交通工程已有参考价值。4 工艺原理三台阶+临时仰拱法是以“新奥法”基本原理为依据，在开挖时尽量减少对围岩的扰动；初期支护采用柔性支护，并及时使断面封闭，控制围岩变形；进行信息化施工管理，随时掌握施工过程的动态变化，合理安排，确保施工安全。施工过程遵循“早预报、管超前、弱爆破、短进尺、少扰动、严治水、强支护、早封闭、勤量测

4、、紧衬砌”的原则稳步前进。开挖后立即进行初期支护，保证在最短时间封闭围岩，使初支成环，根据量测数据确定最佳二衬施工时间，尽早完成二衬施工。5 施工工艺流程及操作要点5.1 施工工艺流程施工步骤如下：拱部超前支护上台阶开挖及支护上台阶临时仰拱中下台阶开挖及支护仰拱开挖及支护仰拱及填充混凝土 图1 “三台阶+临时仰拱”法施工步骤1354I21015m10m4、5步下台阶开挖54I仰拱及填充3m3m4m3m3m4m2、3步中台阶开挖32临时仰拱1上台阶开挖衬砌图2 “三台阶+临时仰拱”法施工步序图超前地质预报、地质素描超前支护chao上台阶开挖、施作初期支护和临时仰拱断面检查否中台阶开挖、施作初期支

5、护下台阶开挖、施作初期支护分段开挖仰拱、施作初期支护施作仰拱及仰拱填充围岩稳定性判定，修支护参数测量放样图3 施工工艺流程图5.2 施工要点5.2.1 施工准备1 风、水管、电线敷设、施工便道、施工场地布置，机械设备、人员配置、材料准备、修建防排水设施、修建环保、水保设施。2 根据设计资料详细分析了解工程地质、当地水文地质情况，制定合理的施工方案和施工措施，针对各工序制定专项施工方案。5.2.2 施工步骤1 上台阶开挖及支护开挖之前进行超前支护，采用42×3.5mm无缝钢管，外插角5°10°，搭接长度不得小于1.5m，环向间距40cm，在洞身变形较大或者地质条件较

6、差的一侧可以适当加密。拱部超前支护后进行上台阶开挖，台阶高度为23m，长度35m。开挖循环进尺根据初期支护钢架间距确定，一般控制在1m内，不得超过1.2m。开挖后立即初喷35cm混凝土，并及时进行喷、锚、网、钢架系统支护施工。在钢架拱脚处垫设预制混凝土块，在钢架拱脚处紧贴钢架两侧向下20°及40°，增设2根6m长的42锁脚锚管，锚管与钢架焊接牢固。2 上台阶临时仰拱上台阶临时仰拱与上台阶初期支护同时施工，与拱部钢架采用焊接连接，并在上方用22的螺纹钢加肋焊。仰拱设置I25a钢架，间距1.0m（与初期支护钢架间距相同），纵向采用25槽钢连接，喷C20混凝土厚度30cm。临时仰

7、拱拆除滞后中台阶2m。3 中台阶开挖及支护开挖进尺根据初期支护钢架间距确定，每循环12榀，一般控制在1m内，不得超过1.2m，左右侧台阶错开12m，开挖后立即初喷35cm混凝土，及时进行喷、锚、网、钢架系统支护施工，在钢架拱脚处垫设预制混凝土块，在钢架拱脚处紧贴钢架两侧向下20°及40°，增设2根6m长的42锁脚锚管，锚管与钢架焊接牢固。4 下台阶开挖及支护开挖进尺根据初期支护钢架间距确定，每循环23榀，一般控制在1.5m内，不得超过2m，左右侧台阶错开23m，开挖后立即初喷35cm混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护施工。架设钢架，在钢架拱脚处垫设预制混凝土块在钢架拱脚处紧

8、贴钢架两侧向下20°及40°，增设2根6m长的42锁脚锚管，锚管与钢架焊接牢固。5 仰拱开挖仰拱开挖长度根据围岩具体情况而定，一般为34m，开挖后及时施作仰拱初期支护、仰拱和仰拱填充。仰拱施工期间采用栈桥保证洞内运输通行。5.2.3 监控量测严格按照设计和规范要求进行拱顶下沉和周边位移量测，通过监控量测的信息反馈，及时调整支护参数，以保证施工安全。监控量测中应注意：1）为了取得开挖后围岩的早期状态变化数据，各测点应尽量靠近开挖面布置（不得大于2m），在爆破后24h内必须读取初读数。2）周边位移、拱顶下沉及地表各测点应尽量集中布置在一个断面上以便测量成果的协调分析、综合运用。

9、3）量测时，先把钢尺拉出（拉出的长度稍大于基线长度）停放20min，使钢尺温度与环境温度基本一致。4）当下台阶断面靠近上半量测断面时，适当增加量测频率。主要施工监测项目见表1表1 监控量测项目表序号量测项目量测方法和仪器测点布置测量频率测量精度1洞内外观测现场观测，地质素描及初期支护状态观测每榀拱架施工前洞顶现场勘测，施工中开挖后进行2水平收敛量测收敛仪、反射膜片配合全站仪每1030米一个断面，上下2条基线4个点5mm（01B）2次/d；15（12B）1次/d；0.51 （12B）1次/23d；0.20.5 （25B）1次/3d；0.2 （5B）1次/7d。0.1mm3拱顶下沉水准测量的方法，

10、水准仪、钢尺等每1030米一个断面，1个点1mm4锚杆拉拔试验拉拔仪每代表性地段12个断面1%，且不小于3根。0.01KN注：B隧道开挖宽度，变形速速, h0隧道埋深6 材料与设备“三台阶+临时仰拱”法将开挖施工作业面分成3部分，机械配套的合理与否，对施工影响较大。配套机械多，造成机械浪费，否则将功效低。因此施工时合理安排机械不但可以加快施工进度同时还可以节约施工成本。施工中主要使用材料见表2表2 主要材料表序号材料名称单位延米数量备注1C30衬砌砼m318.302C30仰拱砼m32.793C20仰拱填充m33.914初期支护C25喷射混凝土m38.63钢筋网Kg104.72系统锚杆22砂浆锚

11、杆根23.00m69.00型钢 钢架I25a工字钢架榀2.00Kg2377.22钢板Kg261.1422连接钢筋Kg95.495临时仰拱I25a工字钢架Kg358.922连接钢筋Kg26.82C25喷射混凝土m32.836超前支护42注浆小导管根18.00m63.007衬砌钢筋Kg2177.31根据机械工作能力和实际工作量，单个工作面主要机械配备如表3。表3 单个开挖面机械设备配备表序号作业机具设备名称规格型号单位数量备注1施工通风轴流式通风机SDF（c）-NO11台1通风2施工照明低压变压器24v,10kw台4掌子面及二衬施工平台3施工用电发电机250kw台1备用变压器500kw台1施工及生

12、活用电4开挖双液注浆机LTC-60/S台1超前注浆挖掘机CAT320B台1开挖自卸车20t辆4出碴空压机4L-20/8台3高压供风空压机L2-10/8台1高压供风气腿式凿岩机YT-28台8风镐G10台85初期支护工字钢弯曲机GW1-200台1型钢加工钢筋弯曲机GW台1钢筋加工钢筋切断调直机GQ台1钢筋加工等离子切割机GW台1钢板切割交流电焊机BX1-500台6钢架、网片加工及安装台式钻床24025台1钢板加工压浆机台1锚杆注浆混凝土湿喷机TK-500台3喷浆6衬砌搅拌站JS500 25m3/h台2混凝土罐车东风台2输送泵三台1插入式捣固棒47量测及测量仪器全站仪莱卡402台1方向控制水准仪莱卡

13、N2台1标高控制塔尺5m个2标高控制精密水准仪莱卡N2台1沉降观测因瓦尺个1收敛仪JSS30A个2量测锚杆拉拔仪BL150B个1锚杆拉拔7 劳动力组织隧道施工劳动力组织包含开挖工班、支护工班、出渣工班、衬砌工班、砼生产工班、后勤保障和管服人员等。洞内作业实行24小时连续作业，人员配备见表2。表2 单口作业劳动力配置序号工作项目作业内容人数1开挖钻孔或风镐手16挖掘机司机2自卸车司机42初期支护型钢加工6钢筋网片加工2钢架安装8喷射手4喷射机上料6搅拌机司机2混凝土搅拌运输罐车司机43衬砌拌和站4衬砌钢筋12防水排水安装4装载机司机2输送泵司机4台车调试、模板安装8混凝土搅拌运输罐车司机44测量

14、技术员2测工45其它现场管理人员6施工配合人员（电工、修理工、空压机司机）158 主要机具设备“三台阶+临时仰拱”法将开挖施工作业面分成3部分，机械配套的合理与否，对施工影响较大。配套机械多，造成机械浪费，否则将功效低。因此施工时合理安排机械不但可以加快施工进度同时还可以节约施工成本。根据机械工作能力和实际工作量，单个工作面主要机械配备如表3。表3 单个开挖面机械设备配备表序号作业机具设备名称规格型号单位数量备注1施工通风轴流式通风机SDF（c）-NO110台1通风2施工照明低压变压器24v,10kw台4掌子面及二衬施工平台3施工用电发电机250kw台1备用变压器500kw台1施工及生活用电4

15、开挖双液注浆机LTC-60/S台1超前注浆挖掘机CAT320B台1开挖自卸车20t辆4出碴空压机4L-20/8台3高压供风空压机L2-10/8台1高压供风气腿式凿岩机YT-28台8风镐G10台85初期支护工字钢弯曲机GW1-200台1型钢加工钢筋弯曲机GW台1钢筋加工钢筋切断调直机GQ台1钢筋加工等离子切割机GW台1钢板切割交流电焊机BX1-500台6钢架、网片加工及安装台式钻床24025台1钢板加工压浆机台1锚杆注浆混凝土湿喷机TK-500台3喷浆6衬砌搅拌站JS500 25m3/h台2混凝土罐车东风台2输送泵三台1插入式捣固棒47量测及测量仪器全站仪莱卡402台1方向控制水准仪莱卡N2台1

16、标高控制塔尺5m个2标高控制精密水准仪莱卡N2台1沉降观测因瓦尺个1收敛仪JSS30A个2量测锚杆拉拔仪BL150B个1锚杆拉拔9 质量控制9.1 易出现的质量问题由于挤压性围岩具有围岩差、变形大、变形时间长、塑性区范围大等特点，在施工过程中易发生以下质量问题：9.1.1 超前导管和径向导管注浆效果效果不佳，导致围岩自稳能力没有提高，不利于变形控制。9.1.2 围岩和支护暴露范围过大，或者初期支护暴露时间过长导致围岩变形过大，甚至部分支护失效、侵限，造成初期支护拆换的危险工作，进入恶性循环。9.1.3 初期支护的施工质量直接影响支护的刚度，是控制围岩变形的根本措施。尤其钢架安装的垂直度、脚板连

17、接质、钢架间距和喷射混凝土质量。9.2 保证措施针对变形进行的预防措施和拆换措施，具体如下：1炭质片岩大变形隧隧道施工过程应严格遵循“ 短进尺、快循环、强支护、紧封闭、勤量测”的施工原则。开挖中尽可能采取弱爆破, 减少对围岩的扰动, 并依据炭质片岩的特性加强拱脚支护和施工用水的管理。2隧道必须严格按照“三台阶临+临时仰拱法”, 上台阶设置型钢混凝土仰拱后, 严格的控制台阶、仰拱、二衬的步长, 在控制变形方面效果较为明显。3 大变形隧道应根据监控量测资料预留适度的变形量, 合理的变形量有利于最大的发挥初期支护和围岩的自稳性, 对于防止前期初期支护破坏和后期护拱开裂, 以及控制工程成本都有着非常重

18、要的意义。4隧道通过初期支护壁后注浆, 在钢架型号、接头形式位置和纵向连接设置等方面进行改进, 加强了初期支护结构强度, 改善结构受力特点, 并在一定程度上抑制了变形发生。5对关键的工序应侧重配置资源, 尤其初期支护施作、二衬钢筋绑扎及混凝土施工。劳动力配置上必须成立技术及技能过硬的专业班组, 提高工序质量、缩短循环时间。6 施工中严禁长台阶施工或中间拉槽的错误作法, 必须按既定施工方法及要求施工, 杜绝盲目和无序施工。7如果出现大变形，按照“先加固，纵向分段，逐榀拆除，及时衬砌”的原则施工，即先径向注浆加固、增设两层临时横撑，然后按照“三台阶法”拆除，及时衬砌封闭成环。拆换上部、中部、下部之

19、间的相互错开3m。下部拆换完成3m后，立即进行仰拱作业。仰拱完成6m后立即拆除临时仰拱，进行二衬作业。在仰拱未封闭到6m之前，不得拆除临时仰拱。临时仰拱拆除之后，在两天之内施工结束拆换段的防水层、钢筋，再利用一天浇筑完衬砌模筑混凝土。10 安全措施10.1 主要安全风险分析挤压性围岩隧道施工，由于围岩本身承载能力极差，易发生大变形，因此施工过程中的主要风险是掌子面塌方、挤压大变形引起的回头塌等。施工过程必须进行安全风险的评估，提出相应的风险处理措施，编制施工应急预案。10.2 保证措施10.2.1坚持采用主动式整治原则，不是被动地承受围岩挤压力而是主动加固围岩，从提高围岩力学性能着手，从源头上

20、减小挤压力，其主要措施是锚杆和注浆,使隧道周边形成加固圈，由加固圈承受一部分荷载。10.2.2加长锚杆，将支护的荷载通过锚杆传至深部稳定岩体，让深部围岩帮助受力。10.2.3施工中应严格控制超前支护、初期支护质量和施工步距控制，保持掌子面到仰拱距离不超过30m，仰拱到二衬距离不超过25m。10.2.4预留变形量必须留够(宁多勿少) ,防止初期支护变形侵入模注混凝土净空。经验告诉我们,由于预留变形量不足而进行扩挖是非常危险的作业,而且在工期和工程成本上均很不划算。10.2.5施工时应严格按照设计要求施工初期支护，特别是拱脚必须垫实和锁脚锚杆施工质量，严格控制钢架下沉。10.2.6施工时应做好防水

21、和引排水工作，防止钢架脚板被水软化，引起过大下沉。10.2.7由于围岩的徐变,初期支护收敛时间很长，一般需提前浇注混凝土衬砌，故因衬砌受力较大需加强。适当改变边墙曲率，改善受力状态。加强措施以提高混凝土标号和加大衬砌厚度为主，采用钢筋混凝土。10.2.8施工中应做好监控量测工作，确立临界值，并根据量测结果指导施工。如发现量测结果超出允许范围时应立即停止开挖，采取加强措施，确保围岩稳定和洞内施工安全。10.2.9应重视隧底处理,仰拱应不比其它部位衬砌薄,而且应在开挖后立即浇注(仰拱不能及时浇注时,隧底应加设长锚杆) 。隧道围岩为挤压性围岩时,仰拱的曲率应比一般隧道有所加大。当采用台阶法分部开挖时

22、,上半断面应加设临时仰拱,并应尽可能避免采用长台阶。10.2.10 隧道通过初期支护壁后注浆, 在钢架型号、接头形式位置和纵向连接设置等方面进行改进, 加强了初期支护结构强度, 改善结构受力特点, 并在一定程度上抑制了变形发生。10.2.11 对关键的工序应侧重配置资源, 尤其初期支护施作、二衬钢筋绑扎及混凝土施工。劳动力配置上必须成立技术及技能过硬的专业班组, 提高工序质量、缩短循环时间。11 环保措施环境的影响有两层含义：一层含义是指内部环境，即施工作业环境；另外一层是外部环境，即对周边环境的影响，对周边环境的影响主要指因各种原因引起的地表下沉；水文条件变化、枯水、水位降低、水质污染等；对

23、社会、生活环境的影响。11.1 水环境保护针对现场实际情况，施工时不对原地层造成较大的破坏，确保当地居民的生活用水；废水排放前要经过沉淀池处理并排放到远离居民生活用水区，并由环保协调部定期联系当地环保监督部门对水质进行检验，确保当地水质不被污染。11.2 生态环境保护在施工准备阶段，结合设计图纸，对现场各种材料堆放、拌和站的设置、弃碴场的选择、施工便道的设置等进行进一步的调查，详细掌握第一手资料，以“减少植被破坏，少占耕地”为原则，合理规划临时用地，最大限度地减少施工用地。严格遵守环境保护法以及相关的法律、法规、规章制度，严格执行“三同时”即：同时设计、同时施工、同时竣工，不留尾巴、不留后患，采取一切合理措施保护现场内外的环境，确保环保目标圆满实现。12 应用实例12.1 工程简介由中铁一局集团公司承建襄渝二线铁路单线隧道，其中新蜀河隧道全长8989m（起讫里程为：DzK222+201DzK231+190），设计多为石英云母片岩和云母石英片岩，但施工过程揭示炭质片岩段4000多米，大变形地段长2674m，其中最大变形