大断面黄土隧道弧形导坑法施工工法

1、大断面黄土隧道弧形导坑法施工工法中铁二十三局集团三公司丁维军 李志强 朱华平 何伟召1.前言随着我国高速铁路建设的进行，大断面铁路隧道施工全面展开，其特点是开挖断面大，因而施工难度大为增加，尤其是在湿陷性黄土地区，修建大断面客运专线隧道是隧道施工的一个难题。大断面隧道的施工方法要根据断面形状、隧道长度、工期、地质、周围环境等条件综合确定，最关键的是要和隧道的地质相匹配。目前大断面隧道的施工方法主要有全断面法、弧形导坑法、CD法、CRD法和双侧壁导坑法等。由中铁二十三局承建施工的郑西铁路客运专线有三座隧道，分别是凤凰岭隧道、高桥隧道及潼洛川隧道，均为大断面双线黄土隧道,隧道围岩多为砂质黄土和粘质

2、黄土，级围岩开挖断面面积达155.08,开挖断面宽度达14.82m,开挖高度达12.8m，设计施工方法有弧形导坑法、CD法、CRD法和双侧壁导坑法，施工过程中，在吸取郑西公司及各方专家的经验和局处有关专家的指导下，先在凤凰岭隧道级围岩地段（长286.8m）采用弧形导坑法施工取得成功后，对潼洛川隧道级围岩段(长3145m)，采用弧形导坑法已施。施工过程中,在保证施工安全质量的前提下,平均月成洞可达60m, 在无水粘性老黄土地段，依据监控量测结果,及时调整施工参数，将“三台阶七步开挖法”调整为“两台阶四步开挖法”，取得单口月成洞达78m的高产纪录。该成果大大加快了施工生产进度，济济社会效益明显，其

3、技术水平达到了国内先进水平，并在2007年被评为集团公司企业级工法、2008年度铁道建筑总公司科技进步奖三等奖。2.工法特点2.1综合新奥法与矿山法的施工特点，实施严格控制开挖步序和步长的多层台阶法开挖、及时封闭成环。2.2严格控制隧道沉降变形，确保变形值在规定范围内。2.3以型钢钢架、喷锚混凝土构成的支护结构安全可靠。2.4全过程监控量测，根据量测信息及时调整支护参数，使施工全过程处于受控状态。2.5采用四部开挖作业简便，不需要用特殊的机械设备，容易推广应用。3.适用范围适用于黄土隧道级围岩及以上地段，部分富含水的地下工程，需要严格控制洞体变形的大跨度隧道和类似地下工程。4.工艺原理弧形导坑

4、法，分台阶开挖，分台阶支护，预留核心土，降低开挖高度减少对围岩的扰动，通过超前小导管，锚网喷支护系统，形成全断面支护封闭结构，控制围岩的变形（见图4-1）。施工中以监控量测数据、数据处理，信息反馈指导施工。5.工艺流程及操作要点5.1 工艺流程（图5.1所示） 测量放线拱部超前支护上部环行开挖、出碴核心土及中部开挖、出碴中部初期支护下部开挖、出碴下部初期支护底部开挖超前地质预报仰拱填充施工下一工序上部初期支护底部初期支护仰拱衬砌围岩监控量测围岩监控量测围岩监控量测围岩监控量测上中下部进行四个循环围岩稳定性评判、修正施工方案，确定二次衬砌施作时间图5.1 施工工艺流程图5.2 操作要点5.2.1

5、拱部超前支护：施工超前小导管在围岩土质含水量较大或有掉块时施工拱部超前小导管，避免开挖时超挖过大，防止掉块影响工人作业安全。1、在开挖支护前，对拱部周边按设计施作42mm，L=3.5m，=510度，超前小导管进行超前支护。小导管环与环间距0.8m×2榀=1.6m，搭接长度1.9m。2、针对黄土隧道的特点，超前小导管施工采用ZM-12T型煤电钻钻孔，用YT28型风枪顶进超前小导管的施工方法，小导管插入孔内的长度不小于管长90%。尾部与型钢钢架焊接固定，JYZ2型注浆泵进行注浆作业。超前小导管间距按设计要求一般为40cm，围岩较差地段可缩小为30cm，管内充填M20水泥砂浆。纵向搭接长度

6、不小于1.5m。5.2.2 开挖郑西铁路客运专线隧道级围岩段设计开挖断面尺寸为： 14.82m×12.80m（宽×高）包括预留变形量10cm，开挖断面积155.08m2。采用弧形导坑预留核心土法进行开挖，将整个断面分成上、中、下以及底部四部分台阶错台开挖。其中上部超前中部35m，中部超前下部35m，下部超前底部10m，逐级掘进开挖。为方便机械作业，上部开挖高度控制在4.5m左右，中部台阶高度也控制在3.5m左右，下部台阶控制在3.5m左右。具体的开挖步骤为：第一步： 1、利用上一循环架立的钢架施作隧道拱部42超前小导管。2、机械开挖部，人工配合整修。3、施作部初期支护，即初

7、喷4cm厚混凝土和架立型钢钢架，钻设锁脚锚管。4、钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度。第二步： 1、机械开挖部，人工配合整修。2、初喷4cm厚混凝土。3、接长型钢钢架，并设锁脚锚管。4、钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度。第三步： 1、在滞后于部一段距离后，机械开挖部，人工配合整修。2、初喷4cm厚混凝土。3、接长型钢钢架，钢架基础垫设槽钢或混凝土垫块并设锁脚锚管。4、钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度。第四步： 1、开挖部，并施作导坑周边的初期支护，步骤及工序同。第五步： 1、在滞后于部一段距离后，机械开挖部，人工配合整修。步骤及工序同。第六步：根据监控量测结果分析，待初期支护收敛后，开挖部

8、，在滞后于部一段距离后，机械开挖部，人工配合整修。第七步：开挖隧底剩余部分部，施工隧底钢架及初期支护混凝土。第八步：利用仰拱栈桥灌筑部边墙基础与仰拱及部隧底填充混凝土（仰拱与填充应分次施作。仰拱每板分6米施工，在隧底初期支护施工完成后，绑扎仰拱钢筋，安装仰拱环向止水带、纵向止水带，浇筑仰拱混凝土。仰拱施工完后安装填充挡头板，浇筑填充混凝土。通过监控量测的数据证明：及时施作仰拱，围岩迅速趋于稳定，保证隧道安全施工。第九步：利用衬砌模板台车一次性灌注部衬砌（拱墙衬砌一次施作）。根据断面尺寸，开挖采用1台PC220型挖掘机开挖作业，根据各部开挖尺寸，完全满足该挖掘机作业空间需要。挖掘机开挖时在开挖轮

9、廓线以内要预留30cm厚度采用人工持G8风镐或铁镐进行开挖修边，这样可最大限度的控制超欠挖。根据黄土隧道弧形导坑预留核心土开挖方法的施工组织、隧道断面尺寸，各部进行开挖作业时，挖掘机和运输汽车可并行作业。空间受限时，采用装载机装碴，自卸汽车运输。5.2.3 循环进尺根据黄土隧道地质情况以及隧道工期要求，为确保施工安全，最大限度的利用围岩的自稳性，本着“短进尺、快循环”的原则，上、中、每循环进尺为0.8m，下部利用上部超前作业支护的时间一次进尺1.6m；如地质情况允许时，中、下部进尺可适当加大，但上部进尺要严格控制，以防止进尺过大会影响施工安全。底部在上部进行超前支护时进行开挖,一次开挖长度为3

10、6m。5.2.4 监控量测大断面黄土隧道施工中，监控量测是至关重要的，量测项目主要有洞内外观察、净空水平收敛量测、拱顶下沉量测以及浅埋隧道地表下沉量测四个必测项目。监控量测是为了能准确掌握隧道围岩地质变形、稳定情况，为隧道的开挖、支护提供可靠依据，提前做好不良地质段的施工加固措施。掌握围岩动态，对围岩稳定性提出评价，确定支护结构形式，支护参数和支护时间，了解结构的受力状态，评价结构的合理性和安全性。监控量测测点布置、量测方法、量测频率见表5.2.4表5.2.4 监控量测测点布置、量测方法、量测频率量测项目测点布置量测方法量测频率洞内外观察1.洞外观察包括地表情况、地表沉陷、边坡及仰坡的稳定、地

11、表水渗透的观察；2.洞内观察：a掌子面观察，b支护结构观察1.地质观察：在每次喷砼前进行，应绘制地质素描图，用以核对围岩类别及判断支护的稳定性；2.检查喷射混凝土有无裂损及发展，锚杆有无松动，并做好相应纪录。1次/d净空水平收敛量测每1020m设置一量测断面，量测点拱脚和断面最宽处左右各两点。采用SWJ收验计，开挖后36小时且在下一循环开挖前进行初读数。U5/d或距开挖面距离（01）b：2次/d；5U0.2/d或距开挖面距离（12）b：1次/d；0.2U或距开挖面距离2b：1次/3d；5d后变为1次/7d。（注：U为日变形量， b为隧道开挖宽度）拱顶下沉量 测每1020m设置一量测断面，量测点

12、拱顶布设1点。喷射混凝土后迅速在测点处设固定桩，采用水准仪和收敛计钢尺进行量测，开挖后36小时且在下一循环开挖前进行初读数。同净空水平收敛量测频率。浅埋隧道地表下沉量 测同洞内净空水平收敛量测和拱顶下沉量测在同一断面，布点宽度范围为隧道开挖宽度+2×（隧道埋深+隧道开挖高度）×tg300，从隧道中线向两边每5m设一观测点。采用水准仪观测，地表下沉量测在开挖面前方H+h（隧道埋置深度+隧道高度）处开始，直到开挖面后方约35倍隧道开挖宽度或该处衬砌结构封闭，下沉基本停止时为止。同洞内净空水平收敛量测等频率监控量测结果分析及应用:1、量测最大位移值或根据回归方程求出的最终位移值超

13、出规范允许相对位移值时，则需要采取措施，如加强支护，改变开挖方法，及时衬砌砼等。2、当变形速度大于20mm/d时，则需要加强支护，否则可能使围岩失稳，造成坍塌。3、周边位移速度小于0.10.2mm/d或当收敛量已达到总收敛量的80%以上时，表明围岩基本稳定，可以施做二次衬砌。5.2.5 二次衬砌待围岩变形基本稳定后即可进行二次衬砌，二次衬砌采用自行式液压台车施工。6.材料与设备采用弧形导坑法进行隧道施工，为提高黄土隧道施工的机械化程度，对于弧形导坑的台阶的开挖采用大型挖掘机配合大吨位自卸汽车进行挖装运，发挥大型机械的作业效率。钻设锚杆孔采用ZM-12T型煤电钻或螺旋钻，既可解决在土质隧道施工采

14、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易排碴、成孔困难的难题，能有效提高在土质隧道的成孔速度和安全性，另外还可以通过钻孔及时反映超前地质情况。主要机具设备见表6。 表6 主要材料设备表序号机械名称型号单位数量备注1挖掘机PC220台12装载机CLG856台13风镐G8台94风枪YT28台45钻机ZM-12T个26混凝土湿喷机TK500-5C台37混凝土输送泵HBT-60台18混凝土搅拌站JS750台19自卸汽车三菱8t辆410电动空压机20m3/min台311钢筋调直机GT4-10台112钢筋切断机GQ40台113衬砌台车定制台114射钉器NS301个415混凝土输

15、送车6 m3辆316热风焊枪THRF个217交流电焊机BX1-500台818注浆泵JYZ-2台219收敛计SWJ-IV台120全站仪TOPCON台121水准仪S3台222防水板热合机TH-5M台17.质量控制7.1 质量控制标准采用：TZ214-2005客运专线铁路隧道工程施工技术指南、TZ210-2005铁路混凝土工程施工技术指南、铁建设2005160号客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准以及京沪高速铁路测量暂行规定等标准、规范进行控制。7.2 具体控制措施7.2.1隧道测量控制严格按照京沪高速铁路测量暂行规定进行控制，隧道开挖断面的中线和高程必须符合设计要求，隧道开挖应严格控制欠挖。利

16、用先进的测量仪器和测量计算软件，精心组织，规范操作，确保隧道各贯通面的各项贯通误差在京沪高速铁路测量暂行规定的限差之内。隧道横向贯通误差限差：100mm。高程贯通限差：50mm。7.2.1.1 洞外平面控制测量隧道开工前首先对设计单位提供的GPS控制点和高程控制点进行复测，并对隧道进行贯通测量，估算隧道贯通误差，将测量成果上报监理单位，经监理工程师批准后进行洞口投点及引线进洞的测量工作。利用设计单位提供的GPS控制点，采用倈卡TMS隧道测量系统，建立四等导线控制网，并把隧道中线和横向轴线纳入控制网内以保证放样精度。7.2.1.2 洞外高程控制测量采用高精度水准仪实施四等精密几何水准控制。7.2

17、.1.3 洞内控制测量因洞内控制网随掘进长度的增加而不断向前延伸。为满足精度要求和尽量减少测量工作量，洞内平面控制拟采用主控网、基本网和施工导线三级控制；洞内高程控制拟采用高精度水准仪实施四等水准控制。洞内主控网：精密测距边主网控制点方向观测及电磁波测距边DI网控制点D2网控制点图7-1 洞内主控网布置示意图布网：如图7-1所示，自D1和D2，向洞内布置边长约为1000m的重叠狭长菱形边角网。在菱形的重叠部分，施加长约5m的高精度（±0.10.3mm）因瓦线尺测距边，作为固定值，对控制网施加额外约束，以提高精度。控制点布置在隧道两侧，以利保护点位，且测量时尽量不影响隧道内的交通。施测

18、：施测时选用Leica TCA702全站仪施测。每点观测四个方向和四条边长，方向按全园测回法观测。三联脚架法测量主控网的同时，用一根因瓦线尺测量联系短边。隧道掘进增加1000米，主控网向前推进一节。洞内基本网：图7-2 洞内基本网布置示意图布网：如图7-2所示，自主控网点，向洞内布置边长为150200m的狭长菱形导线网。基本控制网点沿隧道两侧和隧道中线布置，部分基本网点与主控网点重合，由主控网分段对基本网施加约束。施测：利用2级全站仪，根据三联脚架法测量。隧道掘进增加150200米，基本网向前推进一节。洞内施工导线：自基本控制网点，向洞内布置边长约为5080m长的单支导线，控制洞内开挖和衬砌施

19、工。7.2.2喷射混凝土的强度必须符合设计要求。喷射混凝土的厚度和表面平整度应符合下列要求：a 平均厚度大于设计厚度；b 检查点数的80%及以上大于设计厚度；c最小厚度不小于设计厚度2/3；d 表面平整度的允许偏差为100mm。对隧道初期支护喷射砼设计为喷射微纤维砼，喷射砼标号为C25，聚丙烯纤维含量为1.2kg/m3，喷射厚度：级围岩35cm，级围岩26cm。级围岩加强段30cm。级围岩喷射微纤维系统支护分两次进行支护，第一次在开挖后先素喷微纤维砼5cm封闭开挖面，在施作系统锚杆、型钢钢架、挂钢筋网后再复喷至设计厚度，并保证喷射砼覆盖钢架5cm以上 。另外，级围岩开挖中喷射砼厚度为25cm。

20、7.2.3锚杆质量控制锚杆安装的数量、砂浆的强度等级应符合设计要求。锚杆安装允许偏差应符合下列规定：a 锚杆孔的孔径应符合设计要求；b锚杆孔的深度应大于锚杆长度10cm；c锚杆孔距允许偏差为±15cm；d锚杆插入长度不得小于设计长度的95%，且应位于孔的中心。7.2.3.1药包锚杆本工程除湿陷性黄土级围岩段拱部不设系统锚杆外，其余地段均在拱部120°范围内设药包锚杆。药包施工工艺流程为：钻孔清孔插入药包、杆体。钻孔采用煤电钻或螺旋钻；锚杆预先在洞外按设计要求加工制作，施工时锚杆钻孔位置及孔深必须精确，锚杆要除去油污、铁锈和杂质；药包要浸水湿润后填满锚杆孔并捣碎。药包随用随浸

21、水，不得将浸水已硬化后的药包用于填充锚杆孔。锚杆杆体插入时应注意旋转，使药包充分搅拌，锚杆打入后，安装垫板和紧固螺帽必须在水泥卷的强度达到10MPa后进行。7.2.3.2 22砂浆锚杆22砂浆锚杆采用ZM-12T型煤电钻或螺旋钻钻设锚杆孔，既可解决在土质隧道施工采用有水设备软化围岩，又可解决在土质隧道施工中采用常规的冲击钻不易排碴、成孔困难的难题，提高在黄土隧道的成孔速度和安全性。针对黄土隧道特性，为增加砂浆锚杆的紧固效果，采用先注浆后插杆体法施工，孔径比杆径大15mm，孔位允许偏差为±15mm；孔深大于杆体长度10cm，钻孔方向应与初喷混凝土面垂直，孔钻好后用高压风冲洗干净，并用塞

22、子塞紧孔口。锚杆及粘结剂材质符合设计要求，锚杆按设计要求尺寸截取，并整直、除锈和除油；粘结砂浆拌合均匀，并调整其和易性，随拌随用，一次拌和的砂浆在初凝前用完；先注浆后插杆时，注浆管应插到钻孔底，开始注浆后，徐徐均匀地将注浆管往外抽出，并始终保持注浆管口埋在砂浆内，以免浆中出现空洞；注浆体积略大于需要体积，将注浆管全部抽出后，迅速插入杆体，用风枪送入杆体；杆体插入孔内的长度不得短于设计长度的95%。注浆是否饱满，可根据孔口是否有浆流出，杆体到位后要用木楔在孔口卡住。7.2.4钢筋网的制作应符合设计要求。钢筋网的安装位置应符合设计要求，并与锚杆联结牢固。钢筋网的混凝土保护层厚度不得小于3cm。钢筋

23、网搭接长度应为个网孔，允许偏差为±50mm。并针对开挖断面的形状，确定场外制作或现场制作网片，若断面形状较规则，平整，采用场外制作网片，然后现场拼接；若断面形状不规则，起伏较大，则采用现场制作网片，现场拼接，与岩壁紧贴安装，预留保护层厚度。挂网利用简易台车进行。7.2.5钢架的结构尺寸应符合设计要求。钢架安装不得侵入二次衬砌断面，底部不得有虚碴，相邻钢架及各节钢架间的连接应符合设计要求。钢架的混凝土保护层厚度不得小于4cm。表面覆盖层厚度不得小于3cm。各节钢架成型后，要求尺寸准确，弧形圆顺，沿隧道周边轮廓误差不大于3cm。连接底板螺栓孔眼中间误差不超过±0.5cm；型钢钢

24、架平放时，平面翘曲小于2cm。为保证各节钢架在全环封闭之前置于稳固的地基上，安装前清除各节钢架底脚下的虚碴及杂物。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42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。为防止钢架下沉，要加强对钢架的径向固定；加强对钢架的锁脚固定；加设钢架基础连接纵梁，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等措施。8、安全措施8.1 隧道内用电拆接频繁，安装、维修或拆除临时用电工程，必须由专职电工完成，电工必须持证上岗，实行定期检查制度，并做好检查记录。8.2 隧

25、道内作业空间小，各种机械操作人员和车辆驾驶员，必须经过培训并考试取得操作合格证；不将机械设备交给无本机操作证的人员操作，对机械操作人员要建立档案，专人管理。8.3 开挖人员到达工作面时，由值班人员先检查工作面是否处于安全状态。开挖采用机械配合人工进行，施工中要注意施工人员严禁在挖掘机大臂下活动，挖掘机开挖时要有专人指挥，以防止挖掘机司机视野受限，挖掘机臂碰撞初期支护表面。机械装碴时，断面满足装载机械安全运转，设置专人指挥，以免机械碰断电线或碰坏已做好的初期支护，确保安全。在洞口处设置缓行标志，必要时安排人员指挥交通。洞内的车辆、施工机械、模板台车等，在外缘设置低压红色闪光灯，组成限界显示设施。

26、运输车辆在使用前详细检查，不带病工作。行驶车辆保持一定间距，洞内道路加强养护。洞内倒车与转向，做到开灯、鸣笛或有人指挥。8.4 仰拱距掌子面的距离保持在30m以内，衬砌距掌子面距离保持在60米以内。8.5 拱脚、墙脚的基底必须采用人工开挖，并不得有浮渣和虚土。8.6 洞外储备一定数量的300钢管，必要时进行临时支撑，控制隧道沉降量及变形。8.7 加强监控量测，及时反馈信息指导设计与施工，密切注意洞内围岩、地表状况，及时采取措施确保施工安全。8.8 做好超前地质预报。9、环保措施9.1在采用弧形导坑法进行隧道施工中，由于施工步骤多，应特别注意通风的环保措施。9.1.1压入式进风管口设在距洞口20m左右的位置，并做成烟囱式，防止污染空气再流入洞内。压入式通风管的出风口距工作面不大于15m。9.1.2通风机装有保险装置，发生故障时能自动停机。通风系统定期检测通风量、风速、风压，检查通风设备的供风能力和动力消耗并做好记录。9.1.3如通风设备出现事故或洞内通风受阻，所有人员撤离现场，在通风系统未恢复正常工作