软弱围岩隧道中壁施工工法

1、软弱围岩隧道中壁施工工法(93-15工字02号)铁道部第十五工程局 田兴柏一、前言在南昆线乐善村二号双线隧道掘进施工中，我局和铁道部第二勘测设计院、西南交通大学、兰州铁道学院等单位合作，采用中壁法施工，成功地解决了在软弱围岩中开挖大跨度隧道的施工难题。我们对之进行了总结，形成本工法。二、工法特点1.能有效地控制围岩变形和地表下沉。2.由于本工法充分利用了中壁和横联的支撑作用，并辅之以超前水平锚杆、径向系统锚杆、挂网和格栅喷混凝土等支护手段，加之开挖对围岩扰动小，故大大提高了施工的安全度。3.其支护系统能很好地适应围岩的变化，与围岩形成一个整体，故能充分发挥围岩的自承能力。4.能应用量测监控等信

2、息化管理方法指导施工，使整个施工过程均处于受控状态。5.施工作业简便，不需用特殊的施工机械和设备，故容易推广使用。6.由于本工法采用分部开挖，故其超前导坑可起到预报地质的作用。三、适用范围1.适用于无水或有少量裂隙水的、类围岩中的地下工程施工。2.适用于对地表下沉要求严格的隧道和地下工程施工。3.特别适用于浅埋大跨的地下工程施工。四、工艺原理所谓中壁法，就是在隧道和地下工程掘进中，通过设置中壁和横联(两者交叉)将开挖断面分成4部分，然后再根据围岩情况细分部(见图1)进行开挖。此法是以新奥法的基本原理为依据，在开挖过程中尽量减少对围岩的扰动，通过超前锚杆、锚(网)喷洞壁支护系统和中壁、横联联结，

3、使断面支护及早闭合，控制围岩的变形，并使之趋于稳定。同时，建立围岩支护结构监控量测系统，随时掌握施工过程中的动态变化，合理安排、调整施工工艺和修改设计参数，确保施工安全。五、施工工艺(一)施工程序本工法施工程序见图1。现将各部施工的内容简介如下：1.开挖部 按部预定的尺寸(一般宽、高均为3.5m)和中壁弧度开挖弧形导坑，掘进0.8m后支护一次：先喷4cm厚的混凝土，然后分别架立2榀中壁和周边的钢格栅I和A，再于第一榀格栅处打入径向系统锚杆，两榀格栅间挂网，复喷一层混凝土(边墙层厚16cm，中壁11cm)。然后，利用前一循环立好的格栅钢架施作超前锚杆，在超前锚杆的保护下使用风镐等进行开挖，如此循

4、环掘进。2.开挖部 工作内容包括：人工开挖；初喷混凝土(厚4cm)；接长周边格栅B和中壁格栅，挂钢筋网；上好中壁上部螺栓，铺设格栅下端槽钢，并预埋下部连接螺栓；打入径向锚杆；架立底部横联；周边、中壁复喷混凝土(厚度同部)。3.开挖部 除不需作中壁外，其余工序内容与开挖部相同。4.开挖部 除不需作中壁外，其余工序内容与开挖部相同。5.开挖部 工作内容包括：人工开挖；初喷4cm厚混凝土；接长周边格栅C和中壁格栅，铺设仰拱格栅；上好上中壁和周边上端螺栓；周边、中壁、仰拱挂网； 周边打径向锚杆；周边、仰拱和中壁分别复喷16cm和11cm厚的混凝土。6开挖部 除不需作中壁外，其余工作内容与开挖部相同。7

5、.灌注仰拱混凝土。8.待初期支护稳定后，拆除中壁、横联。9.一次立模灌筑边墙和拱部衬砌。(二)施工关键技术与作业要点1.施工关键技术(1)保持合理的分部开挖断面和各部的纵向间距，开挖轮廓要圆顺，以减少出现应力集中现象。(2)格栅各节点的连接一定要对齐，确保牢固可靠。(3)及时施作符合质量要求的初期支护，并使之尽早闭合，以控制围岩变形和缩短围岩暴露时间。(4)加强对围岩的量测监控。2.作业要点(1)开挖分部开挖前要严格按预定尺寸放线，开挖遵循“宁欠勿超”的原则(局部欠挖处用风镐修正)，断面要力求圆顺。每循环进尺以0.8m为宜。各部开挖的纵向间距严格按图2掌握。(2)初期支护初期支护的结构形式见图

6、3。每榀格栅共有13个单元，单元之间均为焊接。具体情况是：周边格栅：由8个单元组成，即图3中的A、B、C、D、D、C、B、A。格栅断面为矩形，主筋为4根25螺纹钢，侧面联结筋为10圆钢，顶、底面联结筋为8圆钢，具体结构见图4，主筋与联结筋均用焊接。中壁和横联格栅：中壁格栅由3个单元组成(图3中的钢、钢、钢)，横联格栅由横、横两个单元组成。这两种格栅均采用三肢格栅(见图5)。格栅(含槽钢)的连接：将格栅两端分别焊上钻好孔的角钢(角钢长20cm，用三肢格栅时长19cm)，用M20×60螺栓栓接。有槽钢时，将带角钢的格栅放入槽钢内，再用螺栓连接(见图6)。相邻格栅之间采用22拉杆相联，拉杆

7、间距为1.2m。4处槽钢，每次按0.8m接长。锚杆的设置：径向锚杆按每榀格栅设置1排，锚杆头之间距为1.0m，杆长3.5m；每隔2榀格栅设1排超前锚杆，锚杆头部间距为0.3m，杆长3.5m。挂网喷射混凝土：周边、中壁和仰拱的初期支护均应设钢筋网，网采用6圆钢制成，网格为15cm×15cm。当确认开挖尺寸符合要求后，随即喷射一层4cm厚的混凝土，其作用一是防止个别土块塌落，二是为钢筋网设置保护层。待格栅、挂网、锚杆等工序完成后，再喷一层混凝土，其厚度为：周边、仰拱16cm，中壁、横联11cm。复喷时应注意，喷前应检查格栅与初喷混凝土有无空隙，有空隙则须用同标号混凝土块塞紧；复喷后混凝土

8、要将格栅全部盖住。 图6 格栅的连接(3)量测监控。施工监测需按图7程序进行。(4)二次衬砌仰拱每次灌筑仰拱以45m为宜。灌注混凝土前需先清理作业面，然后绑扎钢筋，要注意，横向钢筋一定要穿过中壁 (为此，可用风枪将中壁钻孔)，钢筋绑完后，停止掘进(或)部，随即灌注仰拱混凝土，混凝土中宜加2%的二水石膏粉和0.05%的三乙醇胺作早强剂。拆除中壁和横联通过对周边收敛、拱顶下沉、格栅内力、围岩位移和地表下沉的量测，确认围岩稳定后，便可拆除中壁和横联(顺序为先中壁后横联，从上往下拆)，每次拆除45m。衬砌拱部和边墙待中壁、横联拆完后，即可绑扎边墙和拱部钢筋，立模灌注混凝土。六、质量标准及控制(一)支护

9、质量初期支护质量的好坏直接关系到本工法的成败，故对之要严格控制，要做到：喷射混凝土的设计强度和弹性模量必须符合锚杆喷射混凝土支护技术规范(GBJ86-85)的规定，施工时要按铁路隧道锚杆喷射混凝土支护设计施工技术规则的规定进行试块抗压试验； 喷射混凝土的厚度必须保证，可采用预埋钢筋头、设置量测标志进行检查，并实行验收制度，不合格时立即补喷；格棚支撑必须严格按设计下料，组焊和安装必须符合单线电气化铁路隧道钢架支护(肆隧3004)的规定；复喷混凝土时必须保证格栅与初喷混凝土面间无空隙，并将格棚喷满喷实至完全覆盖，现场可用肉眼观察和锤击法进行检查，发现有不实之处必须凿开重喷。值得注意的是，每次复喷前

10、必须将4处槽钢内的杂物清除干净，喷射混凝土从槽钢处开始，将槽钢喷满后再喷格栅和钢筋网。(二)现场监控量测现场监控量测的必测项目、选测项目、使用的仪器、布点和量测频度等如表1所列。周边收敛、拱顶下沉和围岩内位移量测的断面布点情况见图8，格栅内力量测断面布点见图9，中线方向每20m布设一地表下沉测点，另任选3个断面布设其它点进行量测。本工法确定的监控基准值为：周边每边7cm，拱顶下沉9cm，地表下沉5cm，格栅每根主筋内力不大于78.4kN，周边围岩内位移不大于7cm。乐善村2隧道的实测最大值分别为：周边收敛5.7cm，拱顶下沉5.4cm，地表下沉6.7cm(洞口段)，格栅内力69.58kN，围岩

11、内位移4.7cm，基本上都小于基准值，故认为是安全的。七、施工安全措施本工法除应遵守铁路隧道施工安全规则等规范外，还应结合中壁法的施工特点，采取以下安全措施：1.对全员进行安全意识教育，特别是量测人员和安全检查人员，要完善其岗位职责。2.制定中壁法施工的安全规章和制度。3.严格控制各开挖分部循环进尺，开挖和支护工序必须衔接紧密，以减小围岩变形。4.除部外，其余各部的开挖必须在邻近作业面的初期支护达到一定强度后进行。5.各分部开挖须保持图2所示的纵向间距，并以能尽早使初期支护闭合而不造成两部施工干扰为原则。6.对局部松散破碎地段，应根据量测信息加强支护。7.拆除中壁、横联时，脚手架一定要牢固，要

12、按先上后下、先中壁后横联的顺序施工，施工人员通过拆除点时要注意联系。8.加强对围岩和支护的动态监测，根据量测数据及时判断围岩和支护的稳定情况，如有异常须及时处理。9.利用部围岩变化情况，分析、预报前方地质情况。八、机具设备单口作业所需用的机具设备见表2。九、劳力组织单口作业劳动力组织见表3。十、综合效益分析1.本工法为软弱围岩、浅埋、大跨和特殊断面的隧道及地下工程施工提供了新途径，充实了新奥法的内容。2.本工法可行性强，施工安全可靠， 这主要是因为，本工法充分发挥了中壁和横联的交叉支撑作用，采用分部开挖分部成环封闭减轻了围岩的松驰程度(表现在其实测数据小于量测监控基准值，见前述)，所采用的柔性

13、支护能适应围岩的变形，使地层自承作用得以发挥，所采取的量测方式能敏感地反映围岩及初期支护的稳定情况。3.工程质量好，主要表现在：采用短进尺多部开挖的方法，使毛洞成型好，减少了超欠挖；以格栅为主的初期支护系统性能稳定可靠；初期支护整体性强，与二次衬砌结合紧密。4.本工法与其他软弱围岩隧道施工方法相比较，不需要特殊的施工机具设备，能节省大量的机械台班费，经济效益显著。十一、工程实例南昆线西段的乐善村2号双线电气化铁路隧道，全长274m，开挖宽度为13.16m，开挖高度为10.98m，覆盖层厚度438m。洞身通过的地层为第四系坡残积砂粘土，下伏寒武系下统节竹寺组页岩、粉砂岩夹粉砂质页岩和炭质页岩，风化严重，节理发育，