浅埋黄土双线铁路隧道工法

浅埋黄土双线铁路隧道工法为解决浅埋、双线黄土隧道的施工技术，大秦铁路的军都山隧道曾进行多项专题研究，其成果获铁道部1989年科技进步二等奖。本工法是研究成果的一部分的具体在施工中应用。一、工法机理及适用范围本工法采用非爆破的大断面开挖、复合式衬砌。拱部在开挖前采用超前管栅（必要时注浆）加固地层，以减少尚未形成初期支护前的地层压力；用钢架、钢筋网喷混凝土和锚杆形成联合初期支护体系，为围岩提供主动抗力、抑制围岩有害变形，使围岩充分发挥自承能力，是主要的受力结构；第二次衬砌仅承受部分地层压力；在整个施工过程中通过对围岩的量测、监挖来指导设计和施工。本工法适用于开挖洞径在12m以内，拱顶复土厚大于0.3倍洞径的黄土、粘土、砂、砾石等四系地层的双线铁路隧道及相应的地下工程。有进下水时应另行采以有效的排、降水措施。二、工法特点（一）采取非爆破的大断面开挖、喷锚支护，不仅节约了木料，同时也为使用大型机械创造了条件，提高了施工进度，使用劳力少。（二）拱部开挖前采用超前管栅、自上而下的分层开挖和用量测结果指导施工，能有效地控制塌方，施工较安全。（三）全断面开挖完成后，拱墙模筑混凝土一次完成。（四）本工法适应性强，可使用大型机械，也可以使用小型机械，可使用有轨运输，也可以使用无轨运输。三、施工工艺（一）施工顺序断面分为上、中、下三导台阶，自上而下地开挖。施工顺序如图1所示。上、中层台阶开挖时可并行操作。上台阶挖下的土经水平运输后从上而下地倒在中台阶上，连同中台阶挖下的土在中台阶上装车运出洞外。下台阶的开挖和上、中台阶开挖采用交替作业。即在开挖下台阶时停止上、中台阶开挖，待下台阶开挖至一定长度后才停止开挖，作临时顺坡段L2再开挖上、中台阶。下台阶和仰拱开挖并行操作。（二）施工机械可根据施工进度要求和现有设备选定。军都山隧道使用的机械如下表，供作参考。主要施工机械施工项目机械名称规格、型号主要性能挖、装、运上台阶装载机CAT—9533（美国）内燃、履带式、斗斗容1.44M3挖、装

中、下台阶，仰仰拱装载机CAT--9666D(美国)内燃、轮胎式、斗斗容2.88M3反铲挖掘机WY—60（国产）内燃、履带式、斗斗容0.66M3运输无轨自卸汽车121—2T（意意大利）载重15t有轨电瓶车XK—8（国产）8t倾斜式矿车隧道工程车车容6M3管棚、锚杆凿孔孔风动凿岩机YT—28（国产）

注浆注浆机牛角泵（自制）风压喷射混凝土喷浆机转子Ⅱ型（国产）

（三）开挖劳力组织劳力组织根据采用的机械设备而定。采用上述机械时，开挖及装运全部由机械完成，其余施工人员负责配合机械施工、机械挖土后人工修整和初期支护。劳力组织采用综合作业。上、中台阶开挖每小班所须劳力：装载机2台司机4人、洞外拌喷料6人、上台阶15人、中台阶6人共31人。下台阶、仰拱开挖时停止上、中台阶开挖，所需劳力基本同上：装载机、反铲挖掘机司机各2人，开挖中台阶的6人转为开挖下台阶，开挖下台阶的15人负责仰拱的开挖、初期支护、二次衬砌和充填，洞外拌喷料6人不变。运输人员根据运输工具和运距远近而定。仰拱二次衬砌及充填所需混凝土的拌和、运输由拱墙二次衬砌人员负责。（四）工艺要点及注意事项在施工时除应符合国家和铁道部现行的有关标准、规范及工艺要求外，工艺要点及应注意事项如下：１、开挖（１）每次开挖长度应经量测结果决定，一般情况不得大于以下长度：上台阶为一榀钢架间距；中、下台阶为两榀钢架间距；仰拱为6m。（２）上台阶采用环形开挖留核心的开挖方法，核心长1.5~2.0m，核心的大小以工人在环形上操作方便为度。（３）开挖断面应较设计外扩以下尺寸：考虑施工误差衬砌内轮廓线外扩(一般为5cm)；予留围岩变形量(一般为8~12cm，可根据量测结果进行调整)。（４）每层台阶每闪开挖前均应进行测量放线，上一层台阶的初期支护未完成（如未打锚杆）不能进行下一层台阶的开挖。（５）中、下台阶均分左、右侧开挖，开挖完一侧后再挖另一侧，开挖面应前后错开7~8m。（６）上台阶长度一般为20~25m。中台阶长L在无轨运输时为30~90m，在有轨运输时为减少拆铺轨道的麻烦，可尽量加长其长度，如量测允许可将黄土段的中台全部挖完后再开挖下台阶。为避免顺坡的麻烦，也可采用图2的施工顺序。（７）中、下台阶间的临时顺坡长L2根据运输设备的性能选定。（８）仰拱开挖亦分左、右侧进行。仰拱开挖和下台阶开挖面距离L3为30~90m，如量测允许可适当加大。（９）机械开挖时，防止机械扰动钢架和碰伤初期支护。0.3m（１０）机械开挖时，防止机械扰动钢架上碰伤初期支护。（１１）在开挖时如发现向下掉块或流砂，应立即用木板封口支挡，空隙用砂袋填塞，初期支护完成后在该部位进行壁后注浆。２、超前栅（１）材料及规格采用公称直径为32mm的普通钢管(外径42.25mm)制作，长2.5~3.5m，一端壁成尖形，另一端，端部的外管壁上焊一圈直径8mm的钢筋加强。如果要注浆，每隔一榀上还要钻上小孔。（２）布置一般布置在拱顶3/5长的拱弧范围内，间距20~40m，外插角5~7度，每隔一榀钢架设一次管栅。如在拱部出现砂、砾石层，则应在其范围内布管，此时外插角为20~30度，并应在钢管内注浆。如在拱脚或中层墙脚有砂、砾石层，则应在其拱、墙脚布置一排注浆管，管长为2.5m，纵向间距0.4m，向下倾角45度。（３）施工管栅给钢架的腰部向前穿出，当钢架用工字钢制作时，在其腰部应按管栅间距用电焊落孔。安装时先用吹风电钻（由煤电钻改制）或手封风动凿岩机引孔，然后用风动凿岩机（此时应摘去回转爪）将钢管击顶入土中。若钢管和管壁间有空隙，应采用注浆填满。（４）注浆将浆液装放特制的牛角泵内（比安装砂浆锚杆的牛角泵大），用风压注浆，风压一般小于0.6MPa。３、钢架（１）制作应符合设计，尺寸正确，质量符合标准（要重点检查焊缝尺寸及质量），每批部品必须抽样试拼。（２）架设钢架前应仔细检查工挖断面，要保证钢架和围岩间至少有2~3cm的保护层。（３）钢架架设误差不得超过以下允许值：在拱墙脚以上1m内钢架安装误差不得有负值。其它部位，个别突出部分(每平方米内不大于0.1m2)侵入衬砌断面不大于5cm；钢架的正误差不得大于10cm，并满足钢架的保护层厚；间距误差不得大于间距的10%；垂直度允许意味着20.。（４）两段钢架间的连接必须符合设计要求，上齐并拧紧螺栓。（５）按设计要求，安装两榀钢架间的连接拉杆，拉杆和钢架连接若设计为焊接，则应保证焊缝长度的焊接质量。４、钢筋网按钢架间距预制并点焊成网，安装时两片钢筋网之间在横向要搭拉一个钢筋间距。５、喷混凝土（１）管栅安装后在喷混凝土前完成，以免安装管栅时扰动已喷好的混凝土。管栅的注浆则在嚅混凝土后进行。（２）先检查钢架设尺寸无误后方可喷混凝土。（３）在喷混凝土以前应用高压风将钢架、钢筋和受喷面上的粉尘和杂物评理干净。拱、墙脚和隧底的浮碴、积水必须清理干净。（４）喷混凝土应保证设计厚度，超挖部分全部用喷混凝土回填，严禁在超挖部分回填片石。（５）钢架和钢筋必须全部被喷混凝土包住，四周至少2cm的保护层。钢架和围岩间的空隙要用喷混凝土充填密实。（６）喷混凝土顺序由下而上，拱部喷混凝土应先喷完左、右侧拱腰以下部分再喷拱顶。（７）粘附在拱、墙脚的回弹物必须及时清理干净。（８）为便于钢架上、下两片的连接，钢架的拱、墙脚连接板在喷混凝土时可临时用纸袋包缠，以防喷上混凝土。６、二次衬砌（１）初期支护变形稳定后方可进行第二次衬砌，否则应对第二欠衬砌采取加强措施。（２）宜先作仰拱及充填，且作拱、墙第二次衬砌。此时应保证其横向工作缝均在同一横断面上，以免仰拱及充填部分的混凝土收缩时拉裂拱墙混凝土，否则应待仰拱及充填部分的混凝土收缩至一定程度后方可在上作拱、墙第二次衬砌。四、监控量测本工法量测工作是施工管理中不可缺少的环节。它不仅监视围岩在开挖过程中的动态，确保施工安全。而且调整初期支护参数，确定二次衬砌和仰拱施作时间等提供信息依据。（一）量测项目：１、隧道初期支护拱脚、曲边墙、大跨处水平收敛量测；２、拱顶下沉量测；３、地表下沉量测；４、洞内状态观察。（二）量测断面间距(m)：１、隧道水平收敛和拱顶下沉量测间距10~20m；２、轩表下沉量测沿隧道纵向间距20~30m。（三）量测频率：１、隧道水平收敛和拱顶下沉量测频率。开挖后1~15天，量测频率1次/天。开挖后16~30天，量测频率1/2天。开挖后1~3个月，量测频率1次/周。开挖后3个月以后，量测频率2次/月。当下半断面开挖总指挥量测断面时，量测频率应适当增加，以便掌握位移（下沉）的变化情况。当日变形值增大时，或变形突破，位移速度加速时，应增加量测频率。２、地表下沉量测频率。在地表下沉量测区间内(距开挖面前方为2倍洞径开始进行，到开挖面后方2~5倍洞径处止)，量测频率1次/2天；３、进行洞内状态观察时，对每个开挖面都要进行观察，一般每天观察一次。（四）围岩变形控制标准：１、当隧道水平位移速度为0.1~0.2mm/天。拱顶下沉速度为0.1mm/天以下时，一般可认为围岩已基本稳定，模筑混凝土衬砌待围岩达到基本稳定后浇筑。２、隧道水平位移日收敛值控制在2mm，累计最大收敛值控制在30mm以下，拱顶下沉控制在每日4mm，累计最大值70mm以下；地表下沉控制在每日3mm，累计最大值控制在50mm以下。（五）加固措施：当变形量超过上述控制值时，又无收敛趋势或初期支护发生明显变形时，则需对超标准段除加强监视外并及时采取加固措施。１、一般情况增加喷砼厚度。２、当变形段较长时，每隔8m作一网喷钢筋混凝土加固圈，每圈长2m，如果变形仍得不到控制，则在8m的未加固段中，再设加固圈。３、按上条办法加固变形仍不能控制，则应分段加设临时仰拱。４、当围岩仍达不到稳定，初期支护难以控制围岩变形发展，可考虑提前施工作模注混凝土或钢筋混凝土衬砌。（五）修改初期支护参数当初期支护支围岩位移很小，而且很快达到稳定时，可在下一段同类围岩初期支护结构适当减弱。五、效益分析（一）施工安全，速度比常规施工快；（二）节省投资。在军都山隧道：和明挖路堑相比，每延米可节省424元；与明洞相比，每延米可节省3947元；（三）运营安全可靠，无病害；（四）扩大了在浅埋软弱地层中用暗挖法修建大断面隧道施工技术领域，为铁路隧道，城市地铁的修建开创了新路。六、施工实例军都山隧道在进口端625m长的黄土段为冲积，洪积的黄土质沙粘土，部分地段夹有碎石、角砾石和细沙层。有地下水。拱顶覆土厚3.6~23m。地表有民房和通行25t的汽车公路。隧道设计采用复合式衬砌、蛋形横断面。开挖断面120.26平方米，开挖断面的高、宽分别为11.2m，11.46m。初期支护参数为：１、喷混凝土厚25cm；２、直直径6mmm钢筋网、间间距15×155cm；３、拱拱墙用直径径22×30000mmm锚杆，间间距1.00m，按梅梅花形布置置，起拱22m以上范范围不设；；４、钢钢支撑用116号工字钢钢和用直径径22mmm钢筋制作作的格栅支支撑。钢支支撑由分段段组成，拱拱部3~4段，每侧侧边墙两段段，仰拱两两段。每段段用螺栓连连接（仰拱拱中间用钢钢筋搭焊）。钢钢支撑间的的连接杆用用直径222mm园钢钢，间距11m。第二次次衬砌的模模注混凝土土厚50ccm、在两次次支护之间间设有1mmm厚的聚聚氯乙烯软软塑料板以以作防水层层。在隧道道开挖时采采有了前述述的主要机机械。由于有有地下水，机机械碾压形形成的泥浆浆使施工无无法进行。开开始在洞内内挖井降水水、井深11.5m，左左右交叉设设置，间距距10m，效效果不佳。后后来对地下下水较大地地段采彡地地表深井降降水，共钻钻28口井，最最大时的抽抽水量共443m3/h，取得了了较好的效效果。降水水井的布置置是：在每每横断面上上左右中布布置一口井井，井位距距隧道中心心各9m；井位位纵向间距距20m；井井深由隧底底下10~166m。终孔孔直径1330mm，采采用的是100JJD×244型深井泵泵。黄土段段的施工由由进口端和和1号斜井两两端同时进进行，进口口端采用无无轨运输，斜斜井端采用用的是有轨轨运输。基基本上使用用的是图1、图2的方法按按本工法的的要求施工工。后来，为为了减少施施工干扰和和中、下台台阶间作顺顺坡段的麻麻烦，而且且量测结果果又允许，剩剩下的下台台阶和仰拱拱的开挖是是在整个黄黄土段的上上、中台阶阶挖完后才才进行的。此此时下台阶阶和仰拱的的开挖由斜斜井工区来来完成，用用反铲挖掘掘机挖土，CAT-966D装