研究报告：复杂地质条件下大断面隧道施工技术

1、复杂地质条件下大断面隧道施工技术研究报告评审技术文件之一复杂地质条件下大断面隧道施工技术研究总报告中铁十二局集团二OO六年十一月概述1、工程简介北京地铁十号线第七合同段全长1.834公里。由花园东路站八达岭高速站区间、八达岭高速站、八达岭高速站熊猫环岛站区间三局部组成。设施工竖井3座。区间隧道均为暗挖，由于设计与16号线联络线、存车线和交叉渡线的需要，区间隧道断面复杂多变，共设计13种断面。其中花园东路站八达岭高速站区间右线325m范围内集中设计11种断面形式见表1 。复合式衬砌，大管棚和小导管超前支护，格栅钢架、钢筋网、喷混凝土初期 支护，C30钢筋混凝土二次衬砌。区间隧道断面结构尺寸表1衬

2、砌 类型断面形式结构尺寸宽x高m长度m标准断面单跨标准断面6.0 x 6.33左线1601、右线12101-1断面三连拱断面22.55 x 10.5右线16.882-2断面单跨大断面13.4X 9.11右线13.983-3断面单跨大断面12.2 x 9.34右线159.244-4断面单跨大断面12.4 x 9.54右线7.085-5断面双层框架结构20 x 14.2右线10.66-6断面不对称双连拱断面17.6 x 9.79右线24.457-7断面不对称双连拱断面14.9 x 8.45右线25.278-8断面对称双连拱断面11.7x 6.8右线16.19-9断面单跨大断面7.3x 7.1右线1

3、3.1910-10断面单跨大断面6.8 x 6.89右线11.812、周边建构筑物区间隧道埋深 810m，穿越土城遗址公园，隧道边界距小月河 0.59.0m，隧道经过 地段下穿5处建构筑物：江南大夫第金榜梨园酒楼、瑞洁加油站、 河湖管理所办公楼、大气 物理研究所的索塔拉锚根底和小月河疏浚工程暗河。3、地质情况区间隧道地层主要为粉细砂层和粉质粘土层，根据铁路隧道设计标准，为幻级围岩，属于松土和普通土。4、地下水情况地下水有台地潜水和层间潜水，水位较高，接近自然地面。施工时采取降水措施，水位降至隧道底板1.0m以下，确保隧道在无水状态下施工。二、工程特点1区间设计断面多达13种，属典型的大断面洞群

4、段落，采用6种施工方法，不同施工方法间转换多，断面间接口多。2、 区间1- 1断面为三连拱隧道，埋深浅，跨度达22.5m，施工步序多，施工难度大。3、 区间下穿多种建筑物和管线，要求地面沉降量控制在 30mm内，地表沉降要求严格。隧道 隆起量控制在10mm内。三、关键技术1、地铁三连拱浅埋隧道施工效应分步模拟分析技术区间1 -1断面为三连拱隧道，结构扁平，处于浅埋粉细砂地层，施工中隧道结构所受 荷载加大，结构应力集中比拟单拱隧道更趋复杂化，隧道成型和围岩稳定性控制的难度增大，稍有不慎，极易造成围岩过度变形， 威胁区间管线和地表建筑物平安，甚至坍塌，严重影响施工进度和质量，因此选择合理的开挖方式

5、和支护参数，保证围岩和结构的稳定极其关键。 采用弹塑性有限单元法，对三连拱不同施工阶段、不同荷载条件的受力特性和形变量进行模 拟和分析，为确定合理的施工方案提供理论参考。根据区间隧道地质情况，采用FLAK软件、显式有限差分方法进行分析。2、水平定向钻进施工隧道长大管棚技术本标段区间隧道在大断面施工、穿越地表建筑物时设计均采用0 108mm大管棚超前支护，累计数量达15213延米。大管棚施工速度和质量的好坏直接影响着施工进展。受竖井口和洞内作业场地施工空间的制约，普通管棚钻机具有移位困难、洞内作业需先扩挖工作室的问题，钻进过程中钻头的方向难于控制，棚管偏位严重是普通钻机管棚作业中的通病，并且在城

6、市地铁扩挖工作室不利于对管线和建筑物的保护。本工程在国内首次采用 HGT-100水平钻机对隧道大管棚施工进行了研究和尝试。该方法在钻进过程中能准确测定钻头在地下的位置和方向，根据钻头在钻进过程中的位置和方向同设计轨迹的差异，利用能进行调节方向的楔型钻头改变钻头的钻进方向，从而按设计要求的角度完成各种大管棚的施工。具有一次连续钻进长、管棚精度高、水平钻机在同一断面中不需扩挖工作室等优点。3、不同大断面施工及工法转换技术区间隧道共设计10种大断面，并且大断面集中于花园东路站八达岭高速站区间右线 布置，属典型的大断面洞群段落。断面不同，采用的施工工法不同。根据断面情况分别采用CD法、CRD法、双侧壁

7、导坑法、中洞法、侧洞法和双侧洞法等多种软弱地层隧道工法。相邻断面的施工工法转换是确保施工平安的关键环节，必须采用技术措施才能实现平安过渡。断面转换分为两种：大断面向小断面转换和小断面向大断面转换。施工中重点研究断面转换中的分部开挖过渡技术和反向扩挖技术。四、主要成果通过北京地铁的施工，复杂大断面施工技术在以下方面取得研究成果：1、地铁三连拱浅埋隧道施工效应分步模拟分析技术采用FLAK软件、显式有限差分方法， 对1- 1断面拟采用的双侧洞法进行工况分析，模拟分析不同的施工工序对围岩应力一应变的影响及每步工序产生的地表沉降值，找出关键工序，理论分析双侧洞法在地铁三联拱施工中的可行性，经分析研究，取

8、得以下成果：采用双侧洞法左右对称开挖三连拱隧道能有效控制地表沉降。经计算，地表累计最大沉降为2.76cm，满足设计的地表沉降 3cm限值要求。各工序产生的地表沉降值见下表：双侧洞法各开挖工序产生的沉降值表2工序1234567891011累计沉降值cm0.51.161.21.41.42.12.242.42.452.522.76三联拱隧道施工过程中两侧钢筋混凝土立柱对围岩体的支撑稳定具有非常显著的作用。连拱隧道由于跨度大的特点，其松弛塌落范围比单拱隧道要大得多，作用在支护衬砌结构上的荷载也要比单拱隧道大得多，计算说明，这些荷载施工过程中大局部由两侧立柱承当。因此，施工过程中应尽可能保护好立柱上部的

9、岩体，防止过度损伤，并坚决杜绝超挖回填不密实的现象发生，防止降低围岩结构的承载能力。对今后的三连拱隧道施工具有指导意义。2、水平定向钻进施工隧道长大管棚技术通过本工程的管棚施工研究，主要在管棚钻机的选择、 钻头钻进过程中的方位监控、钻进过程中的纠偏方面取得以下成果：钻机选择：HG匚100水平钻机在本工程中一次连续钻孔深度达52m其特有的钻进轨迹微调功能使其在相同断面或断面变化不大的隧道中进行大管棚施工不需进行拱顶挑高和两侧扩挖的工作室施工准备。经多种钻孔设备比选，水平钻机具有很大优势。实践证明，水 平钻机进行大管棚作业是成功的。钻头方位监控：通过研究，在钻头内安装特制的传感器，灵敏感知钻头方位

10、。传感器直接由15V直流供电。通过显示屏显示钻头的工作位置，主要显示钻头倾角水平角度和面向角左右方向。钻进纠偏：利用能进行调节方向的钻头一般为楔型钻头改变钻头的钻进角度。如根据需要可以把钻头调到 12点如钟表点位，即导向板朝下，直接顶进，此时由于导向板 底板斜面面积大，受到一个向上的力，钻头轨迹就会朝上运动。同理在6点纠偏可以使钻头 轨迹朝下，9点、3点分别为左、右纠偏方向。如果角度适宜，钻机匀速旋转钻进，此时钻 杆轨迹一般是平直的。 所以导向钻头是上下纠偏的关键，为国内大管棚施工中首次使用。经开挖检查3根，距开孔50m处管棚垂直偏距分别是 12cm、6cm、9cm，相邻钢管方向偏位 分别为5

11、、8 4cm，满足设计的垂直偏距小于 20cm、相邻钢管方向偏距小于 10cm的要求。3、软弱地层不同大断面施工工法转化技术本工程设计大断面类型多达10种，从单拱、双连拱到三连拱，各种断面采用的施工方法各异，相互之间转换频繁。大断面向小断面转换大断面隧道向小断面隧道转换相对简单，由于开挖断面变小，围岩稳定性相对加强。转换过程中作业空间较大，操作方便，施工更趋平安性。一般在对大断面按设计采取支护措施后，采用直接转换法既可进入到小断面隧道施工。小断面向大断面转换小断面向大断面的工法转换，因开挖断面的增大， 作业空间又受小断面的制约，进行施工转换难于一步到位。 本工程采用渐变过渡法， 在标准断面的台

12、阶法向三连拱的双侧洞法转 换及大断面的双侧壁导坑法向三连拱的双侧洞法转换过程中都取得了成功。 分步过渡技术关键环节为：过渡段仰角的选取， 综合考虑应力变化复杂性、施工作业可操作性及后续反向扩挖的工作量，在粉砂和粘土层中宜选取 3040°对过渡段附近5 10m小断面围岩注 浆加固并施工二次衬砌；过渡段支护措施要加强， 采取超前小导管注浆预加固岩体，格栅钢架根据过渡开挖净空定型加工，打设锁脚锚管等多种支护措施；严格控制开挖进尺， 监控量测及时进行。 反向扩挖技术对过渡段进行反向扩挖， 分部撤除过渡段临时支护并施工符合要求的初期支护，以满足设计净空：对过渡段围岩进行径向注浆固结，小导管长度

13、4m注水泥浆；撤除前从大断面向小断面打设超前小管棚，超前小管棚长度以到达小断面并形成棚管为准，对超前小管棚注浆；严格控制撤除范围和撤除长度，CRD中的临时仰拱及临时钢结构立柱只相应加长，不撤除；及时封闭撤除过程中小断面一侧暴露出的岩体。评审技术文件之二地铁三连拱浅埋隧道施工效应分步模拟分析技术中铁十二局集团二OO六年十一月一、分析内容及目的为了在施工之前了解 1-1断面三联拱隧道暗挖段施工过程中可能对地层产生的影响，明确这种影响的大小量级和范围，明确危险可能发生的部位、方式及应采取的施工对策，同时为现场监控量测提供管理基准和依据，对该暗挖段进行施工过程的动态分析，主要计算施工时对地表变形的影响

14、。通过大型岩土工程软件FLAC模拟1-1断面施工顺序，确定每步开挖工序产生的沉降值，为科学制定方案提供依据，有效控制最大沉降在3cm以内。二、计算方法1、有限差分法根本原理FLAC( Fast Lagra ngia n An alysis of C ontinua )是由美国 Itasca Con suit ing Group Inc. 开发的二维显式有限差分法程序， 采用适合于模拟大变形问题的拉格朗日方法，即模型单元网格随着变形而不断更新。它可以模拟岩土或其他材料的二维力学行为。拉格朗日元法的名词渊源于流体力学。众所周知，在流体力学中研究流体质点运动的方 法有两种。一种是定点观察的方法，称为

15、欧拉法；另一种是随流观察的方法，称为拉格朗日法。后者是研究每个流体质点随时间而变化的情况，即着眼于某一个流体质点，研究它在任意一段时间内走出的轨迹、所具有的速度、压力等。将拉格朗日法移植到固体力学中，将所研究的区域划分成网格，网格的节点就相当于流体的质点，然后按时步用拉格朗日法来研究网格节点的运动，这种方法就称为拉格朗日元法。这种方法不需要形成刚度矩阵，不用求解大型联立方程组，占用内存较少，便于用微机求解较大的工程问题。2、FLAC程序的主要特点(1) 较低的硬件配置由于FLAC程序采用的是显式有限差分方法，在运算过程中不必形成象有限元程序那样的整体刚度矩阵，因此程序运行所占的内存不大。(2)

16、 强大的前后处理功能FLAC由于提供了友好的用户界面，具有很强的前处理功能和后处理功能。差分网格生成较方便，而且可以很容易地用结构单元模拟梁、柱、桩、锚杆(索)等结构。(3) 实现对多种材料和多种工况的模拟FLAC程序可以使用弹性模型、莫尔-库仑模型、横观各向同性模型、应变强化和软化 模型、修正剑桥模型、Drucker-Prager模型等多种材料本构模型，可以模拟地应力场生成、边坡或地下洞室开挖、波在土中的传播、土与结构动力相互作用、地下渗流等问题。另外, 程序还包括界面模型，可用来模拟岩土体中的结构面层面、软弱面、断裂面、滑动面等 等复杂的地质条件。3、模型建立有限元计算模型如图 1所示，尺

17、寸为60mx 35m,底部采用固定约束，两端边界处沿水 平方向固定约束。模型上面为地表，取为自由边界。强度准那么采用莫尔-库仑准那么，变形模式采用大应变模型。施工过程中采取了降水措施，模型不考虑水的影响。 ； !：II!理9图1模拟分析计算模型区间1-1断面穿越的部位的地上物为一栋三层高临时建筑。隧道北侧为北土城西路。隧道南侧为小月河，与小月河的最小距离为 8.6米。支护结构采用复合式衬砌，初期支护采用喷射混凝土、钢筋网、锚杆和格栅钢架；二衬为防水钢筋混凝土。开挖前沿全断面拱部开挖轮廓线外施作小导管注浆超前支护，预以加固地层，并作超前支护辅助施工。支护结构的模型如下：初衬结构：首先用空单元nu

18、ll 模拟隧道开挖，在使用 350mm厚初衬局部单元格复活， 并赋予表1所列钢筋混凝土衬砌参数来模拟。超前注浆：采用在注浆范围内提高网格力学参数来模拟。参数见表1 。二次衬砌：550mm厚的二衬局部单元格复活，并予表1所列钢筋混凝土衬砌参数来模拟二次衬砌。中隔墙采用bea m结构单兀来模拟。表1模型物理力学参数Y(KNLh)E(MPa )C(MPa )®(°素填土163.20.30.01912.5粉土195.10.450.03128.9粘质粉土204.30.420.04423地层加固区2439180.241.340初衬混凝土24105000.193.535二衬混凝土2628

19、0000.175.0354、工况模拟及结果分析施工工况本区段施工顺序如图 2所示。图2 双侧洞法施工步序图序号施工步骤说明按图示施工顺序，施工超前小导管加固地1fr ft j |;：； 5层，开挖土体。及时施作初期支护及临时?1 |JV 1 1:工二£.：二 匸二二支护格栅喷层，封闭支护体系。各导坑之间距离为5.0米。上緒恂厂件打R飞分段撤除3、4部内虚线示意处仰拱， 一次撤除长度不大于5.0米。施作中隔墙防水2IrnHiH nnl二护井s'二层，整体浇注中隔墙结构混凝土A局部，预留结构防水层、钢筋接头，并将撤除部 分临时仰拱与中墙顶紧。分段撤除1、2部内临时支护，一次撤除长

20、度不大于5.0米。施作边跨防水层，整体 浇注边跨结构混凝土 B局部，完成边跨结 构圬工。边跨混凝土全部到达设计强度后，按图示 施工顺序，施工临时小导管加固地层，开 挖土体。及时施作初期支护及临时支护格 栅喷层，封闭支护体系。中洞全部贯穿后，撤除局部竖向临时支护， 一次撤除长度不大于 5.0米，铺设中洞拱 部防水板，浇注局部混凝土C局部，待混 凝土到达设计强度后架设临时竖撑。撤除局部竖向临时支护，一次撤除长度不大于5.0米，铺设中洞拱部防水板，浇注 中洞顶拱分混凝土D局部。D、C纵距不 小于15米。撤除局部竖向临时支护，一次撤除长度不 大于5.0米，铺设中洞拱部防水板，浇注 中洞底部剩余混凝土

21、E局部。浇注中洞底部二衬混凝土，二衬结构施工 完毕。模拟分析过程根据具体施工过程，本次计算分析分以下步骤进行:第一步：开挖1号导洞，施作初期支护及临时支护。第二步：开挖2号导洞，施作初期支护及临时支护。第三步：开挖3号导洞，施作初期支护及临时支护。第四步：开挖4号导洞，施作初期支护及临时支护。第五步：分段撤除 3、4号导洞内临时支撑，浇筑中隔墙结构。第六步：撤除1、2号导洞内临时支撑，浇筑二衬混凝土。第七步：开挖5号导洞，施作初期支护及临时支护。第八步：开挖6号导洞，施作初期支护及临时支护。第九步：开挖7号导洞，施作初期支护及临时支护。第十步：开挖8号导洞，施作初期支护及临时支护。第十一步：撤

22、除导洞内临时支撑，浇筑二衬混凝土。模拟结果分析在整个施工过程中，到第十一步累计引起的沉降到达最大，为2.76cm。每一步施工引起的沉降见图3至13。LEE吨 1DI7T1S2：阳栄g.0lXlE*QI 护 *.QOOIE*QIi-ill s p lace1 In t Hl 亡 onlbUi $ -5HDE-O3呂 joowra750E-G3l£)OE-DZIOE-OlZ-z Al Oan 111?>1 图3第一步位移图沉降值为 0.5cmJK> TITLEi :-rL4C吓吕Q创LBO岸自商嵋IT20：住 1 qO£HKE + TO r* & JlXd

23、E> 0 IOja«E*CO -=j< + XSOC E+ 01i-ill c p Laceiti #nlc>jnloiLf iI J&E-Q2忌釦&越GjOOG*OO5J&0E-Q1LI6FGZI.7 4E-CCC ciilout h hri u-ai-醪DE苗图4第二步围岩位移图沉降值为1.16cmFLA C J厲 S.OQfLEEr£<®.D0B»J3 -S.0Q&03 -3OOE-O3oxsoenxi28-1 bCE 1T：22 却3&57&jjj C"j ErKO

24、 <*< £0DD E+£ IC£«IE*gD <y< 4JJ<BB+ I3£HDE3g mi eg 3I 20&<«2I jO&CZlortcui Intel= 3jDD&03图5第三步围岩位移图沉降值为1.2cm芦二匚 I- V.OQf上巧曰心step 4&92IMOC EHjOi BQOOE+ON MGOEg严 40COE*I>dtplac etmrt ccntxirsI mbo 二 "B-4&&O3 2.&G&3

25、3UIQBO： d JG6&O2 5t<xr Irtarg. 2JHFO3 二曰p u caitoLJir onirtfefdi <图6第四步围岩位移图沉降值为1.4cmJDBi TITILFLAC 怙喩讯 乩00LE 口瓮NDIT 125：处口<7刃81QBOGIETO f： 6J00GE*QI0 M OE*« -*： M8E*Gl dtphUfrif fit Ml tl E.-l.4£lE-Q2-2J30E-03I.i2£-Gi 屮“二Coitotr « r-ah 2J£iEK)lne id eo i to

26、71;r am IQf 出图7第五步围岩位移图沉降值为1.4cmLEW D图8第六步围岩位移图沉降值为2.1cmJIE TITLE :.*j_ 4C小畝茎心門S.OOfLE5BIDomoeSsTJ* EQOOX I0 J»0E*W h严 4Q8E* Ispia c*ri-wrrt c orrtoui*Vd&O 二 -I 騁 E0 ： -1 .|i2BQ2 -5J90&C32-B0&03SG-0315&Q2:<ntair Irter Jl- 2 3D E03詞 corttwr 口图9第七步围岩位移图沉降值为 2.24cmJOE TITLE：FLA

27、C丹戰3。处$3、*.卫心IT S?ihu 宜心10000 爭址-： 6 JODOEO I 0,1300 E* 00 -=r * JG0>&E*O II -d Is 制吐色 mi enl cm ku i '2JCE-02 -|l®G-CC 爷jOOE補 -3iD0t03 BODES 心Eg I黑EgConl-i Inltrzai* 1£CE 03 =tro c ortkur on I £LFjemu"m血 W 3.WEM33图10第八步围岩位移图沉降值为2.4cmJH3 t 7TTLE :-LB&ECi1732心 73B77

28、 a£HODi-*ccK e.aOQE+Qi O£l®E-+OCl*j* *aS»G* 01-II s p laeiTi t nl cantoui j -2*5E<F2'lu5EH32«3J&E43TJDO&CHI.40E-K.IOE-CCCAHl&u hhtnua 1.CDE-03Z Cl ： ： ： |1：.11 :图11第九步围岩位移图沉降值为 2.45cmJOBS TFT二FLAC (V氏柚“ 5.00第MW-D6 IT JO67085QGCOE*GOI-； 6jD0CE*0 I g越ZD* #JM

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30、t;图12第十步围岩位移图沉降值为 2.52cmL&j£I£ipdiplaztinent ccitcu il&e匝口 85GS2OfiGGE*CG f：-s gDDBRSy 严 4jO0Oe»-2.7TGBO2 -1 XM-EC2O_0OE*OijLiME-QZCortoiLt I血i Q占-Lifl-E-03图13第十一步围岩位移图沉降值为2.76cm5、施工控制标准根据以上分析结果，为了总变形值在控制范围内，按照允许值的70% 80%乍为预警值、报警值；并在每一施工步骤中进行分解表2,作为施工过程中分步控制的标准，确保每一步序的沉降值都在控制指

31、标内。表2分步控制标准施工步骤最大沉降控制标准cm预警值报警值控制值第一步：开挖1号导洞，施作初期 支护及临时支护。0.350.40.50第二步：开挖2号导洞，施作初期 支护及临时支护。0.810.931.16第三步：开挖3号导洞，施作初期 支护及临时支护。0.840.961.20第四步：开挖4号导洞，施作初期 支护及临时支护。0.981.121.40第五步：分段撤除3、4号导洞内临 时支撑，浇筑中隔墙结构。0.981.121.40第六步：撤除1、2号导洞内临时支 撑，浇筑二衬混凝土。1.471.682.10第七步：开挖5号导洞，施作初期 支护及临时支护。1.571.792.24第八步：开挖6

32、号导洞，施作初期 支护及临时支护。1.681.922.40第九步：开挖7号导洞，施作初期 支护及临时支护。1.721.962.45第十步：开挖8号导洞，施作初期 支护及临时支护。1.762.022.52第十一步：撤除导洞内临时支撑， 浇筑二衬混凝土。1.932.212.76三、结论1、通过对施工过程的分步模拟分析，建立了分步控制沉降的施工控制模式， 把总的沉降值控制在每一施工步骤中进行分解，确保每一步序沉降值都在控制指标内，以确保最终的沉降不超限。2、 采用双侧洞法施工三连拱隧道施工，能够满足沉降不超过3cm的要求。3、设计的支护参数合理，小导管注浆加固地层能够明显减少沉降值。4、 中隔墙在三

33、联拱隧道施工中具有非常重要的作用，施工中必须保证中隔墙与隧道支护 结构的连接。评审技术文件之三水平定向钻进施工隧道长大管棚技术中铁十二局集团二OO六年十一月城市人口的日益增加对城市的交通运输带来了一系列巨大的挑战。要解决这一交通难题必须尽快建立大容量轨道交通。为了实现上述目标， 各大城市都把轨道交通建设纳入到城市建设的重点规划当中。一般城市所处位置大局部在各种冲积平原上，围岩属于V、 W级围岩。并且城市轨道交通建设工程的大局部要下穿城市已有的建、构筑物，公路、铁路、市政 管网。故地铁在暗挖施工过程中，线路位置的选择因受限于公路、铁路的类型、环保情况及城市开展等条件，使得隧道的位置、高度及覆盖地

34、层厚度等均处于非理想情况。并且隧道在开挖过程中总会遇到断层或软弱、破碎地层，常常引起工程问题。城市轨道交通建设中一直试图开展一套能确实解决上述问题的工法。近年来国内外在地铁施工过程中采用了浅埋暗挖法、超潜埋暗挖法等施工方法作为新奥法在城市轨道施工中的具体运用。超前支护大管棚工法作为通过软弱围岩、 建构筑物的一种辅助支护手段在浅埋暗挖法中普遍被采用。目前国内外广泛采用的大管棚法均一次性施作较短距离，常常需在隧道内预先设置管棚工作室，影响工效和经济。为解决上述问题，我工程部经过探索、在施工中采用了“水平定向钻进施工隧 道长大管棚技术进行长管棚施工，管棚钻机布设在暗挖隧道内部一次性管棚打设超过52米

35、。在此根底上，研究了在隧道中如何高效进行大管棚的施工方法。一、主要优势1、一次性施工长度加大在本方法采用前，暗挖隧道内部进行管棚施工时管棚一次成型的长度一般在20米左右。采用了“水平定向钻进施工隧道长大管棚技术后管棚的施工长度单向一次可以到达50米以上。一次性施工的大管棚减少了管棚搭接接头，防止在施工中由于管棚搭接造成的管棚挑高，故管棚的整体性较好。同时减少了搭接接头，降低工程本钱。2、需用空间小管棚室的作用是将管棚施工用钻机放在一个较高的位置，钻机水平施工管棚。采用本方法后不用施工管棚室， 在隧道初期支护的保护下直接进行管棚钻进即可。 在W级围岩暗挖隧 道施工过程中，管棚室的取消等于将软弱地

36、层施工断面减小，降低平安风险，减少工作量。3、准确钻进采用对管棚钻头的方向及钻杆的角度进行监测，通过反应的角度信息及时调整钻头方向，使管棚与初支结构外轮廓始终保持在设计要求的距离。4、施工更为简便“水平定向钻进施工隧道长大管棚技术的采用完全改变以往管棚钻机的施工工艺及施工工序。该方法是将管棚使用的棚管加工成为钻机的钻杆，同时现场加工一次性使用的导向钻头。在施工中将钻孔、成孔、下管一次性完成，大大简化了施工步骤。二、水平定向钻进技术原理水平定向钻进施工大管棚方法原理是由水平定向钻进技术开展而来的。水平定向钻进方法是非开挖管线施工的一种方法。非开挖地下管线施工技术目前包括水平定向钻进技术、 气动夯

37、管锥技术、气动冲击技术、微型隧道技术等；水平定向钻进技术特点要求钻进过程中 在导向系统的监测下能准确测定钻头在地下的位置和方向，同时根据钻头在钻进过程中的位置和方向同设计轨迹的差异， 利用能进行调节方向的钻头一般为楔型钻头 改变钻头的钻进方向，到达目的地。并且利用钻杆的柔性沿设计线路轨迹钻进。如图1所示：钻头内装有传感器， 传感器直接由4节一号电池供电。 传感器由重力应变 片设计制作而成，采用一封闭的中空棒状体将重力应变片密闭加工成为传感器。传感器靠近钻头前端一侧及中间局部采用固定装置将传感器固定牢固，防止管棚内部通过泥浆时传感器变位。并且保证传感器的轴线与钻头的轴线同向。同时在传感器的末端伸

38、出一条信号线及一条钢丝绳，钢丝绳作为回收传感器使用。信号线末端与显示屏相连，显示钻头的倾角水平角度、面向角导向板的方向：导向板朝上即为12点，如同钟面。打设角度如果偏下，可以把钻头调到6点，即导向板朝下，直接顶进，此时由于导向板底板斜面面积大，受到一个向上的力，钻头轨迹就会朝上运动。同理在12点纠偏可以使钻头轨迹朝下，9点、3点分别是为右、左纠偏方向。如果钻机在旋转钻进过程中保持匀速，此时钻杆轨迹一般是平直的。所以导向钻头是上下纠偏的关键。如图2所示，采用“水平定向钻进施工隧道长大管棚技术两种断面在变形处的最大差值为800mm在由小断面向大断面钻进管棚时，通过对管棚的通过位置进行控制，可以将

39、变断面处的管棚一次施工到位。三、施工方案设计管棚采用 108热轧无缝钢管，壁厚 5mm间距300mm设于拱部，沿开挖轮廓外 布置，管口中心外放至距开挖轮廓线300mm在管施工中考虑到管棚作为钻机的钻杆直接钻入到地层内部，需要在管棚的钢管两端分别加工出内外丝扣，壁厚5mm钢管在钻进的过程中由于接头处加工后的管壁特别薄，造成脱扣现象，故施工中将钢管的壁厚可适当加厚。管棚外插角均为0.1 °，管内加设龙骨后灌注水泥浆；管棚长度根据不同的断面长度打设，施工 中相邻断面采用管棚渐变施工可以完成的，管棚一次性施工。采取9m超长水平定向钻机，控制长度每节6mo1、管棚施工设备表1施工设备一览表名称

40、型号数量水平钻机HGT-1002台定向钻进导向仪DITRACKSE-1型水平导向仪2套工作平台架H-3型可移动升降式工作平台2泥浆泵含注浆BW-250 型2搅拌箱立式离心泵循环搅拌1表2钻机参数型号尺寸长漑x高最大回拖力钻杆配置扭矩HGT-10011.7 X.5 X.5m150KN©108mm、6m/根6000N.m2、管棚施工方法图3管棚施工方法示意图原来施工管棚要求施工前开挖管棚室，管棚室的高度一般大于初期支护的拱顶1.0m以上，在管棚室内进行管棚的水平施工。本方法不要求进行管棚室的施工，在设计进行管棚施工里程前一段距离停止开挖，在已完成的初期支护下部准备管棚的施工。管棚施工里程

41、与喷锚封闭掌子面的距离主要考虑管棚的挑高角度，在本标段的管棚施工过程中管棚的挑高高度一般为 600mm考虑到钻机的施工要求挑高的坡度为0.08，故要求在距离管棚施工面600/0.08 = 7500mm处进行掌子面封闭准备进行管棚施工。3、施工工艺流程三通一平t人员设备进场t铺设"H"钢轨道t设备组装调试t埋设孔口管t调试钻机方位、倾角7钻具组装进孔t冲洗液循环t导向钻进t回次加尺接线、接口补焊7孔斜测量T导向钻进T直至设计深度终孔T回取探头盒T管内及环状间隙注浆T移至下 一孔位。4、具体操作管棚施工准备 开孔：用专用开孔钻机开出长约 1000mm勺$ 159孔位，然后预埋$

42、 159的孔口管；考 虑到施工中的平安，要求开孔时跳孔进行管棚施工。 用$ 108X 8mm钢管做钻具，前端装有导向探头的导向专用钻头，采用泥浆护壁，利用有线导向仪监控，随钻进加尺方位、角度发生变化时，随时进行修正，将棚管依次打入。同时将钢管接口用丝扣连接后再采用焊接严密，直至到达设计长度。 钻具组装钻头楔掌板旋转直径 $ < 125mm楔型面与钻具钻杆交角w20°水眼直径为8-10mm;钻具前部的导向钻头，探头必须经检验，保证质量合格，性能可靠，安装齐全；探头盒后部加装灯光以备随时测斜之用。 冲洗液流通系统冲洗液具体配比由专业泥浆工程师根据具体地层情况确定。泥浆需经充分搅拌，

43、均匀配制而成。配制时，必须严格执行配比；冲冼液必须先配制好后使用，严禁使用中同时加清水、加料；冲洗液流通系统：冲洗液制备t储浆池t泥浆泵t送水器t钻具t管外环状间隙t孔口回水阀门t高吊管t回浆管沟。钻进过程中必须保持上述各流通环节的畅通；在施工过程中，应根据不同地层，合理调节泵压、泵量，以免因冲洗液缺乏引起通道堵塞或因过大导致过量泥沙外排。此工程中，一般宜取中低压、中小水量。导向钻进 导向钻进前应对钻机定位情况、方位、倾角情况，孔口管对中情况，冲洗液流通以及导向仪显示情况进行全面复检，确认正常后进行试钻； 钻进前须先开泵，待冲洗液流通正常后，方可钻进； 钻进时，泵压应控制在 ，泵量为10-30

44、L/min为宜。保持中低压力，匀速 中速钻进； 为防止水土流失， 控制沉降，必要时需采用孔内保压措施。要始终保持回水量小于或 等于进水量; 导向技术人员随着不断钻进，必须时刻观察探头角度变化情况，角度偏差大于0.3 ° 时，应及时纠偏。当纠偏无效、偏差大于0.6。时，应停止钻进，及时报告工程经理，研究对策后再施工。现场须及时进行导向数据记录和钻具前端长度及每次加管长度详细记录； 钻孔出现涌水时，应尽量保持泵压，泵量不能变小，以平衡孔内压力； 冲洗液不正常时， 严禁继续钻进。泵工应注意观察冲洗液变化情况，及时上报有关负责人； 导向钻进至20及40米时，应分别进行一次测斜。发现超限，及时

45、补救。回次加尺、接线、焊接 每根管在下坑前必须进行质量检查。管材不得有弯曲，丝扣四周壁厚均匀， 丝扣完好合格。管材内的铁屑、脏物及锈皮等必须去除干净。下坑时防止与硬物相碰，以免损伤管扣； 钻进中，每次加尺后，须先钻进后起出进行棚管丝扣接缝焊接即先钻后焊，以免钻进时的扭力造成开焊。要求对每个焊接接缝进行自检，保证焊接质量； 连接的电线应选用导电性能好，外壳绝缘性能好且耐磨的电线。接头处要用两层热缩套管套好，用热吹风机吹烤贴牢； 回次加尺、接线、接管以及焊接过程中，均注意不得将异物遗留或掉入打设管内。探头盒回取及终孔注浆 用$ 8mm勺钢丝绳将探头盒取出，取出时应每10米测量一次孔斜情况； 单孔打

46、设验收合格后，通过管内压注水泥浆，对管内及管外环状间隙进行充填； 单孔验收合格后，在现场立即办理验收合格签证，再转入下一孔位施工。5、使用效果经开挖检查3根，距开孔50m处管棚垂直偏距分别是 12cm、6cm、9cm,相邻钢管方 向偏位分别为5、8、4cm，满足设计的垂直偏距小于 20cm、相邻钢管方向偏距小于 10cm 的要求。评审技术文件之四软弱地层大断面施工工法转换技术中铁十二局集团第二工程公司二OO六年十一月一、工程概况北京地铁十号线花园东路站八达岭高速站区间沿北土城西路南侧的土城遗址公园绿化用地布设，起点里程为K7+049.241，终点右线里程为K7+745.541，终点左线里程为K

47、7+771.341。左右线间距15.0m17.7m。平面线型位置为：在花园东路站东端有一处交叉渡线，渡 线向东侧、靠近右线引出220m长的停车线，预留 M16线联络线在渡线东侧由右线引出，左右线在八达岭高速站西侧均设置半径为2000m的S曲线。线路纵断面为：从花园东路站出站后，为2%o的下坡，在进入八达岭高速站前转为4%o和21 %。的上坡。区间覆土厚度9m-12m>左线和大局部右线为单线马蹄形断面，台阶法施工。区间从花园东路站东端出发，有一渡线和联络线，断面型式有马蹄形加宽断面、不对称双连拱断面、对称双连拱断面、三连拱断面，根据断面跨度大小，分别采用台阶法、CRD法、双侧壁导坑法、中洞

48、法、侧洞法、双侧洞法等施工。断面分布见图1。施工工法见表1。本区间设两座施工竖井，竖井采用喷混凝土与型钢围囹内支撑体系。I p 123456738343910 i i料订；亞船归刖1性如：空刃图1花八区间大断面分布图 单位：米断面断面类螫断面3:长處断米断面6:不对称断面形式断斤面8：采用双法断面略注宽断22.55 X1U.5U2 m施工方法-1双侧12.2 X9.343m88双连拱 17 施工方法：1双侧89 797 m60 X三联拱拱:断面双.侧洞法 m面7.3 X7.056 m施丄方法双侧壁导坑法-2二壁导坑法1一8 施工方法:施单洞双侧壁导坑法施工方法:双侧壁导坑法一3-349.03+

49、58.92+19.20CRfe9二单洞双侧壁导坑法4-4 ,7.08+400断面单:不对称双双侧壁导坑法断面5-5 13.42：加宽断面断面 4：加宽断面X9.108 m10160X9.543 m连拱层框架8.45 m明挖2#施工竖井6-6施工方法：双侧24施工方法：双侧不对称双连拱侧洞法7-725.27不对称双连拱侧洞法8-816.10对称双连拱中洞法9-913.19单洞CRD法表1大断面施工工法汇总表断面10:加宽断 面6.8 X6.891 m 施工方法：双侧 壁导坑法一10-1011.81单洞CRD 法二、不同施工工法断面转换类型本区间主体隧道存在 12种断面形式包括标准断面和人防段，采

50、用六种暗挖工法施工。根据本区间的施工顺序安排，1#竖井向东西两侧施工，2#竖井向东西两侧施工，两个竖井中间在8-8断面处集合。按照断面型式存在 3-3断面向4-4断面转换，4-4断面向3-3断 面转换，3-3断面向8-8断面转换；6-6断面向7-7断面转换，7-7断面向3-3断面转换；3-3 断面向2-2断面转换，2-2断面向1-1断面转换；9-9断面向10-10断面转换，10-10断面向 标准断面转换。按照工法，存在双侧壁导坑法向中洞法转换、侧洞法向双侧壁导坑法转换、CRD法向台阶法转换和双侧壁导坑法向双侧洞法转换等四种断面转换施工方法。断面转换分为两种：大断面向小断面转换、小断面向大断面转

51、换。断面变化处有的尺寸相差不大，直接转换即可；对断面尺寸相差较大的，须采用一定的技术措施才能实现平安过渡。三、大断面向小断面转换施工方法将大断面全部施作到设计位置后，先施做钢格栅喷射混凝土封端墙，再破除混凝土进入小断面施工。当大断面或大断面的某一分部开挖至设计位置，自上而下架设格栅挂网喷混凝土封端，同时架设小断面或小断面的某一分部的格栅，作为开口的环框，直接过渡到小断面或小断面的某一分部。为方便架设，将小断面格栅分成假设干片适当加强，作为开口圈梁，用焊接方式连接在一起，喷射砼封闭。施工流程主要包括以下几点：1、 大断面或大断面的某一分部开挖至设计位置，密排两榀钢格栅，后面的一榀喷射混凝土， 前

52、面的一榀留下不喷，为施作大、小断面间的封端墙作准备；2、准确定出小断面的位置，架设加强的小断面钢格栅，作为小断面开挖的加强环；3、采用水平钢格栅连接大、小断面格栅，保证焊接质量；4、 打设小断面范围的超前小导管大管棚；5、圭寸端墙喷射混凝土，同时作超前注浆的止浆墙；6、小导管大管棚注浆；7、重复以上步骤，直至小断面具备开挖条件；8、短进尺开挖小断面，深度以能够密排架设一榀钢格栅为宜，小断面开口部位两榀格栅密排，作为锁口圈;9、按照小断面施工步序开挖，完成断面转换。四、小断面向大断面转换施工方法小断面转换到大断面，通过上挑、拓宽实现。当两断面相差不大的情况下，直接采取错台方式实现断面转换；当断面

53、尺寸相差较大时，采取转换施工方案、配合超前支护手段、利用格栅喷射砼逐渐加高加宽断面的渐变扩挖，由于本工程成型断面不存在过渡段，过渡扩挖后需反向开挖形成垂直端墙。扩挖上挑坡度一般按1 : 2设置，在大小断面间架设渐变的异型格栅并喷射混凝土支护，逐渐过渡到大断面或大断面的某一分部；在大小断面变化点， 增设锁口圈或过梁，同时注浆加固该段拱墙土体。2-2断面到1-1断面的转换涉及的工法多、断面尺寸变化大、工序多，极具代表性，见图2 (蓝色为1-1断面，红色为2-2断面，黑色图2三种断面类型位置关系图1、1-1断面的施工工法(1 )工法简介1-1断面为三联拱形式，将整个断面分为3个局部，两侧的侧洞和中间的中洞，并分别采用CRD法开挖，待两侧洞施工完二次衬砌后再进行中洞开挖，这种方法暂定名为双侧洞 法。施工步序见图 3。图3 双侧洞法施工步序图2 施工流程a在结构拱部120°范围施作小导管注浆加固地层，导管长 4米，间距0.3米，每0.5 米打设一环。b按图示施工顺序，分别采用CRD法进行两侧洞开挖，及时施作初期支护及临时支护格栅喷层，封闭支护体系。各导坑之间距离不小于5.0米。c. 初支成环稳定后，分段撤除3、4部内虚线示意处仰拱，一次撤除长度不大于 5.0米。施作中隔墙防水层，整体浇注中隔墙结构混凝土A局部，预留结构防水层、钢筋接头，并将撤除局部临时仰拱与中墙顶