玉峰山隧道下穿公路

PAGEPAGE12玉峰山隧道浅埋、偏压洞口近距离穿越既有公路施工技术研究报告1.立项背景和依据1.1立项背景新建铁路重庆至利川玉峰山隧道位于玉峰山镇，中心里程为：DK17+535，全长3222米。设计为最高速度350km/h，我四分部施工DK17+535~DK19+146段，长度为1611米。隧道位于直线和缓和曲线上，纵坡为4‰.Ⅲ级围岩883米，Ⅳ级围岩552米,Ⅴ级围岩176米。隧道采用进、出双口掘进。我四分部采用出口掘进。无轨运输方式。隧道DK19+126~DK19+146段采用明挖施工，其余各采用暗挖施工。除DK19+126~DK19+146段采用明作衬砌外，其余均采用复合式衬砌，其中DK17+900~DK18+100段采用Ⅲ级围岩下锚衬砌；DK18+900~DK19+100段采用Ⅴ级围岩下锚衬砌。1.1.1.1.本隧道位于渝北区玉峰山村，地形起伏大，局部陡峻。出口处地形复杂，附近有居民。1.1.沿线气候属亚热带季风气候类型，具有冬暖春早、夏热秋凉、无霜期长、多云多雾及雨量充沛等特点。1.1.2本隧道主要地质情况：粉质黏土；碎石土；块石土；泥岩夹砂岩；泥岩、页岩夹砂岩；泥岩夹砂岩、页岩、灰岩；泥岩夹砂岩、页岩；砂岩、页岩夹煤层；白云岩、灰岩夹岩溶角砾石。随着我国高速铁路建设的发展，将会出现越来越多的大跨度隧道，同时随着我国铁路、公路交通事业的发展，铁路与公路相交及浅埋段地表沉降的控制问题，将会越来越多。因此，对浅埋、偏压隧道下穿公路的施工方法，支护方法及地表沉降控制，进行立项研究是非常必要。1.2立项依据1.2.11.2.1.2.2.国内外研究的动态铁路、公路等级的提高，以及路网密度的增加，铁路与公路相交的情况越来越多，在科研方面，无论是山岭铁路隧道还是公路隧道、或城市地铁等，在浅埋暗挖施工、控制地表沉降方面均做过较多研究。洞口段浅埋、偏压隧道近距离下穿高速公路的研究还是较少。3主要研究人员、内容和成果3.1参与单位与主要研究人员参与研究的单位为中铁十二局集团渝利铁路项目部及所属四分部，具体由中铁十二局集团渝利铁路指挥部第四项目部实施。主要研究人员见表1。表1：主要研究人员姓名年龄职称、职务从事专业研究任务与分工孟建波47高工、项目经理铁道工程项目负责人、方案设计赵树林45高工、指挥长经济管理方案审查孙志刚55高工、总工程师铁道工程方案审查、指导设计姚日高34总工程师铁路工程方案设计、撰写研究报告张建新29工程师、工程部长土木工程参与方案设计孙海兵29工程师、实验主任材料工程材料检验邢小伟31技师、测量队长测绘工程测量放样、变形量测肖占忠46工程师、安质部长铁路工程地质预报方案实施赵普元49工程师、设备部长机械工程设备供应孙海涛29工程师、物质部长机械工程材料供应王俊26工程师、技术主管隧道工程现场实施吴建嘉27工程师、技术主管隧道工程现场实施3.2主要研究内容在玉峰山隧道采用超前大管棚及小导管超前支护、采用三台阶开挖方法、控制爆破、扩大拱脚、加强锁脚锚杆与钢架的连接及仰拱衬砌及时跟进等措施，降低隧道下沉和地表下沉降低隧道下沉和地表下沉，解决玉峰山洞口段下穿浅埋公路隧道施工难题。3.3主要研究成果通过对超前大管棚施工技术研究、三台阶开挖技术和控制隧道下沉及地表下沉技术研究，达到杜绝隧道坍塌、路面沉陷，隧道和地表下沉量均小于设计要求且保证工程环保、工期的目的。3.3.1超前大管棚施工技术大管棚主要用于软弱砂砾地层或软岩、岩堆、破碎地带层，多用于隧道及其它地下导坑辅助施工，其支护原理是：在预计开挖断面外周，以一定间距、一定的外插角度，用钻孔方法先行设置钢管，通过管壁四周压浆孔，压入水泥浆，先行加固松散围岩体，对隧道开挖起到有效支护的方法。3.3.3.1、主要机具设备主要机具设备见表1。主要机具设备表表1序号名称规格单位数量1钻机XY-28-300台32注浆机BW-250/50台23喷射机KW-500台24锤把15空压机L-10/B-1台23.3.1.2、设计参数浆液扩散半径设计为≥0.4m，故取管距环向0.4m。3.3.1.3、导向墙先行开挖明洞断面，在明洞衬砌外缘施工C25级砼套拱，其厚度为100cm。该导向墙作为管棚施工的导向和固定设施，墙内埋设钢拱架。棚管的孔口管（内径为127mm）用ф25钢筋固定在钢拱架上，三者之间均用双面焊接。孔口管的方向根据计算结果，用全站仪准确测定其值。3.3.1.4、施钻钻孔顺序为先从两侧拱脚开始，对称向拱顶钻孔顶管，使下部注浆体有力地支托其上部钻进和顶管，既能防止坍孔，又便于顶管。施钻时，将减速器升上限位置，把钻杆旋紧后，开启气动马达，待空载正常后，再慢慢开启推气缸，待钎头置于工作面上，关闭推进气缸，再开启冲击器，徐徐钻进，待钎头钻进100mm左右时，再以全风门冲击。在钻进过程中，视进展快慢，慢慢开启或关闭推进气缸，使钻具始终保持一定推进力。钻完第一根钻杆后，停止气动马达的转动，关闭冲击器停止钻进，将减速器置于下限位置，用叉子把钻杆固定在卡钎器内，反转减速器，使钻杆与减速器的接头脱开，然后将减速器升到上限位置装入第二根钻杆，连接牢固后，方可进行钻孔作业，直到设计深度。当钻杆到卸杆器与卡杆器接触时，使钻杆尾端的第二个扁槽对正卡杆器的长方槽，插入叉子反转马达，使减速器上的接头与钻杆脱开，再调整到钻杆尾端上的第一个扁槽对上卸杆器的长方槽，插入另一个叉子，然后取出卡杆器的叉子，让卸杆器和另一个叉子带动钻杆后退（可用马达慢慢运转，切不可反转），当下一根钻杆尾端的第二个扁槽与卡钎器的长方槽对正时，插入叉子，反转马达，使上下两钻杆的联接螺纹脱开之后，拿走上一要钻杆，缓缓放下减速器，并使卸杆器的长方槽对正下一根钻杆尾端的第一个扁槽。然后重复以上动作，依次卸下钻杆。依照上述方法，完成钻孔作业。钻孔时严禁反转，以免钻杆脱扣，加接钻杆时，要特别注意孔内清洁，以避免砂土冲击器内部，损坏机体引发故障。在钻进过程，严禁突然快速开启推动气缸，以免顶起钻机，造成事故。钻孔工艺流程图1。钻机就位钻机就位钻机固定测量右孔钻机钻进方向矫正钻孔及接长锚杆钻杆接长准备钻杆分节退出卸下图1钻孔工艺流程图3.3.1.5、顶管（1）清孔：成孔后先利用高压风或高压水进行冲洗，然后用特制清孔钩认真进行清孔。（2）管件制作：管棚ф89mm无缝钢管，壁厚6mm，管节长为3m和6m，预制钢管时，管身钻孔，孔眼直径10mm，间距20cm，按梅花形交错布孔以加大浆液渗透能力，第一根钢管前端要焊上合金钢片空心钻头，以防管头顶弯或劈裂，钢管间联接用加工好的管节联接套，预先焊在每节钢管两端，以便于联接。相邻管的接头应前后错开，避免接头在同一截面上，隧道纵向同一横断面内的接头数不大于50%，且两相邻管接头必须错开1m以上，以满足管棚受力要求。（3）顶管：顶进钢管采用挖掘机配合人工作业。当第一根钢管推进孔内，孔外剩余30~40cm时，人工进行接管，严格控制角度，人工持链钳进行钢管联接，使两节钢管在联接套处联成一体。然后再低速推进钢管，根据管棚设计长度，按同样方法继续接长钢管。3.3.1.6、止浆墙制作注浆前，必须进行堵露处理。沿插管周围喷射20cm厚C20混凝土一圈，封闭该工作面，再用木塞和纸塞把无缝钢管未注浆的管头堵死，这样，止浆墙便形成。注浆时，浆液就不会从管壁周围沿掌子面渗露，也不会从其它管露出，注浆效果明显提高。由于施工要求，喷射砼时加入一定量的速凝剂，以满足施工要求。3.3.1.7、注浆进行超前长管棚预注浆前，对注浆地段的岩性，涌水量、涌水压力、水温、涌水的化学特性等进行认真研究，据此确定注浆参数。现场试验确定注浆终压力，以便浆液能够充分扩散填充，从而达到堵水和加固围岩作用。注浆方式采用全孔一次性注浆。拌浆水泥浆液搅拌在拌和机内进行,严格按施工配合比进行投料，放的同时将缓凝剂一并加入搅拌，待水量加足后继续搅拌1min，再将水泥投入，搅拌时间不少于3min，并于注浆过程中不停搅拌。水玻璃浆液浓度宜为30~35be`，为稀释水玻璃浆液，采用边加水边搅拌，边用波美计量测。配制水泥浆或稀释水玻璃浆液时，严防水泥包装纸及其杂物混入。拌好的浆液在进入贮浆槽及注浆泵这前均应对浆液进行过滤，未经过滤网过滤的浆液不允许进行泵内。注浆时要充分考虑浆液扩散半径，凝结时间要先予以确定，然后再过试验调整。施工时要通过变换双液比例、变换水灰比，变换水玻璃浓度控制双液浆的凝胶和凝结时间。注浆拟采用单液浆以水泥为主，添加5%的水玻璃（含量比），注浆压力至达到的计终压大于20分钟。注浆：注浆管路连接好后，先压水检查管路是否漏水，待设备正常后，对围岩做压水实验，以冲洗岩石裂隙，扩大浆液通路，增加浆液扩散密实性，核实围岩的渗透性。注浆时要记录注浆时间及注浆量。注浆中密切注意注浆压力表，初始阶段压力较低，正常阶段压力和注入量呈小的波浪式起伏，但总的比较平稳，当达到压密性注满阶段，注入量迅速递减，而压力迅速升高，直到达到注浆终压合理范围，则停止该孔注浆，进行封堵后，转注下一孔，直至完成注浆作业。3.3.1.8、施工中几个问题施钻时钻头选择：必须大于棚管外径1-2cm，以便于顶管；钢管制作应避免同一截面，施工时钢管采用奇偶数编号进行制作，顶管时应实行“对号入座”。注浆时如遇窜浆或跑浆，必须及时进行封堵处理，然后方可注浆；注浆时如发现泵压突然升高，先判断是否堵塞，若堵管则进行堵管处理，否则先关掉水玻璃泵，往管道内注入清水，待泵压正常后再继续进行双液注浆；注浆时，一定要做好注浆量及注浆时间的记录；注浆一般采用由下向上、左右交替进行；施工时，要针对长管棚施工的作业工序（钻孔、运料、配料、注浆），制定详尽的劳动力组织计划及作业工序的安全保证措施。技术质量标准及要求钻孔前按设计准确钻孔位置;钻孔角度误差控制在0.50以内，平面误差小于或等于1cm；钻进速度严格控制，成孔要孔壁圆顺，孔深符合要求；钢管管节联接丝扣要认真检查，有脱扣裂纹的管节弃用；注浆时应准确掌握浆液配合比，并使浆液在管内充填密实；长管棚接头要错开，避免同一截面，以利整体受力。导向管的外插角：3度外插角。洞口预留沉降：15cm，管棚导向管定位拱架外半径：R外=R二衬外径+预留量+支护厚度3.3.2三台阶分部开挖技术3.3.2.1.施工方案比选软弱破碎浅埋围岩施工通常采用几种施工方法，分别是双侧壁导坑法、CRD法、CD法、台阶侧壁法和台阶法。各种施工工法施工断面图图1双侧壁导坑法施工断面图图2CRD法施工断面图图3CD法施工断面图图4台阶法施工断面图3.3.2.2各种工法优劣分析3.3.23.3.23.3.23.3.2.2根据玉峰山隧道地质情况，决定在玉峰山隧道浅埋、偏压洞口段近距离下穿既有公路段采用三台阶法，同时现场备足工字钢、方木、钢管、枕木等应急物资进行试验性开挖。3.3.2.3、三台阶工法施工步骤3.3.2.3.1施工顺序图见图5：三台阶施工顺序图。图5三台阶施工顺序图3.3.2.3.2施工步骤通过采用三层短台阶，分步平行开挖，分步平行施作拱墙初期支护，仰拱超前施做，及时闭合成环，构成稳固的初期支护体系。第1部：拱部进行超前支护后，采取上弧导预留核心土短台阶开挖。开挖后及时进行喷、架、锚、网系统支护，形成较稳定的承载拱。第2、3部：在承载拱的支护下，分别开挖中台阶左右边墙（左右边墙错开3m左右），以一定的时间差进行中台阶边墙初期支护，使同一断面暴露开挖面仅限于一侧。第4部：上中台阶支护完成后中部拉槽。第5、6部：在完成上中台阶支护后，分段左右开挖下台阶，以一定的时间差施作下台阶初期支护。第7部：下台阶开挖落底并及时施作仰拱初期支护及仰拱砼，及早封闭成环。第8部：利用衬砌台车一次性灌筑拱墙衬砌3.3.2.4、结论玉峰山隧道采用三台阶分部开挖法，成功地穿越了浅埋、交通繁忙的既有公路，施工中未发生安全、质量事故，隧道下沉（最大13mm）和地表下沉(最大6mm)均满足设计的指标要求。在施工中通过重视方案预控备足应急物资，加强量测及时掌握变形信息，杜绝对称开挖、杜绝工序距离超标降低安全风险，本着短进尺、弱爆破、快支护、勤量测、抢封闭、快衬砌的原则，采用三台阶分部开挖施工法，既节约了临时支护降低工程投资，又加快了施工进度，同时也有效地控制了地表下沉，值得类似工程借鉴。3.3.33.3.3.1引起隧道下沉和地表下沉的分析3.3.3.1.1隧道开挖破坏原有应力平衡状态，造成隧道下沉隧道开挖后，地层的一侧丧失了约束，原有的平衡状态受到破坏，引起应力集中，对于软弱、破碎、裂隙发育的围岩无法抵抗周边压力，加之开挖时受到爆破震动，在坑道周边一定范围内的岩体遭到严重的分割与破坏，因此这一部分岩体在坑道开挖后，先是产生向内的变形运动，其后则出现松动或坍塌，对支护结构施加压力，造成隧道下沉。3.3.3.1.2浅埋软弱破碎围岩无法形成平衡拱，隧道荷载加大，造成隧道下沉浅埋软弱破碎围岩，自稳能力差，开挖后易形成持续掉块、坍塌，无法形成“天然拱”，支护措施不强的情况下，造成隧道下沉，同时由于隧道浅埋，坍塌容易延伸至路面，造成地表沉陷。3.3.3.1.3初期支护不密实，造成隧道下沉喷射砼是惟一能够与围岩大面积、牢固接触的一种支护方式，喷砼与岩层的附着力可以把作用在喷砼上的外力分散到围岩上，在隧道壁面附近形成承载环，平衡隧道周边的裂隙和节理等剪切阻力，防止局部掉块。同时也能够将压力传递到钢支撑和锚杆上，与钢架、锚杆、钢筋网片形成联合支护作用。当拱架与围岩之间存在空洞时，一方面喷砼未形成连续构件约束围岩应力、阻止围岩松动，另一方面由于存在空洞，使围岩应力无法传递给锚杆、网架，使支护结构受力不均匀，增大拱架受力，造成隧道下沉。3.3.3.1.4拱架底脚不实，造成隧道下沉拱架安装后底脚座落在虚碴上，当拱架受到围岩压力和松驰荷载时，无法将外力传递到坚实基础，造成隧道下沉。3.3.3.1.5拱架连接不到位，造成隧道下沉由于隧道开挖施工是分部进行，同时为方便施工，拱架分成若干节，各节之间通过螺栓连接，当拱架加工不标准或安装不圆顺时，螺栓连接不密贴，当拱架受力时连接部分会产生位移，造成隧道下沉。3.3.3.2控制隧道下沉和地表下沉的技术3.3.3.2.1设置超前大管棚，防止隧道坍塌，控制地表沉降通过开挖前在拱部1200范围内施作壁厚6mm的φ89大管棚，并在管棚内压注充填水泥浆增强围岩的抗剪切强度，使管棚和围岩构成棚架体系。掘进时，钢管在掌子面及后方初期支护的支撑下形成梁式结构，防止围岩的崩塌和松驰，有效防止隧道坍塌，控制地表下沉。3.3.3.2.2软弱破碎地层中，围岩稳定性差，开挖轮廓与管棚之间岩体易掉块，掌子面易坍落，通过采取初喷砼封闭开挖面，并在开挖轮廓与管棚之间增设间距15～20cm密排φ42超前小导管，来稳定围岩，控制地表下沉。3.3.3.为减小拱顶管棚承载力，减小开挖跨度，开挖进尺控制在0.8m。同时由于隧道爆破的轰击波对围岩会产生较大的震动影响，软弱破碎围岩受到震动后会出现掉块、坍塌，施工中针对破碎地层采取人工或风镐开挖，对于岩石地层采取弱爆破措施，降低爆破对围岩的不利影响。3.3.3.2.4扩大拱脚，增大拱架受力面积，提高拱架承载力由于三台阶施工上台阶断面较大，开挖后易出现下沉，为有效控制下沉，增设牛腿扩大拱脚，增大受力面积。