浅述隧道洞身V级加强黄土围岩开挖和支护

浅述隧道洞身V级加强黄土围岩开挖和支护一、工程概况张唐铁路一标段板山隧道位于河北省张家口市宣化区姚家坟与赵川段，起止里程为DK31+702，终止里程DK36+613，全长4911米，为双线隧道。围岩类型有Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级，其中Ⅲ级40%，Ⅳ级32%，Ⅴ级28%。隧道最小埋深10m，最大埋深为145m。隧道出口工作面部分围岩为Ⅴ级加强黄土围岩。二、隧道洞身V级加强黄土围岩开挖支护主要步骤简介（一）开挖支护方式及主要步骤洞身V级加强黄土围岩采用预留核心土三台阶七步法开挖方法，分上、中、下三个台阶七个开挖面，各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开，平行推进的隧道施工方法，其主要步骤为：1、拱部小导管超前支护；2、上部弧形导坑环向开挖，施作拱部初期支护和临时横撑；3、中、下台阶左右错开开挖，施作墙部初期支护；4、中心预留核心土开挖，隧底开挖，施作隧底初期支护。（二）开挖支护示意图每部开挖后均应及时支护，隧底初期支护后应及时施作仰拱，尽早封闭成环。三、隧道洞身V级加强黄土围岩开挖及支护（一）拱部超前小导管预支护1、超前小导管设计参数超前导管规格：符合设计要求；小导管环向间距40cm；倾角：外插角1°～3°，可根据实际情况调整；设置范围：拱部135°范围；长度3.5m。2、小导管加工小导管采用Φ42×3.5mm无缝钢管，L=3.5m，前端呈尖锥状（20cm长），尾部焊Φ12钢筋加劲箍，小导管在现场加工成型。3、小导管安装（1）测量放样，在设计孔位上做好标记，用风动凿岩机钻孔，孔径较设计导管管径大20mm以上。（2）成孔后，将小导管按设计要求插入孔中，或用凿岩机直接将小导管从型钢钢架上部、中部打入，外露20cm支撑于开挖面后方的钢架上，与钢架共同组成预支护体系。4、允许偏差方向角：2°；孔口距：±50mm；孔深：+50mm。（二）开挖及临时横撑开挖要以衬砌轮廓线为基准，考虑预留变形量，测量贯通误差及施工误差适当加大，由于V级加强黄土围岩质地较柔软且破碎，所以开挖多采用机械辅助人工开挖，掘进进尺上台阶每循环开挖长度为1榀（0.6m）钢架间距，边墙每循环开挖长度为2榀（1.2m）钢架间距。上台阶拱架架设完成，及时施做锁脚和临时横撑。临时横撑每2榀设置一道。允许超挖值：拱部：平均线性100mm，最大150mm；边墙：平均100mm；隧底：最大平均超挖100mm；不允许欠挖。（三）初期支护初期支护采用型钢钢架并挂网喷护。施工顺序为初喷→系统锚杆→挂网→组拼架立钢架→复喷C25混凝土至设计厚度。拱部、中、下臺阶钢架连接采用钢板和螺栓连接，拱脚设置锁脚锚管。1、喷射混凝土（1）施工准备水泥：采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，标号为42.5级，必要时采用特种水泥。骨料选择：砂采用坚硬耐久的中砂或粗砂，细度模数大于2.5。碎石选用碎石场中过筛的坚硬耐久碎石，粒径5～10mm，连续级配。速凝剂：湿喷采用的是液态速凝剂，选用初凝时间不大于5min，终凝时间不大于10min，经国家技术部门批准生产的合格速凝剂。（2）混凝土喷射前的检查检查隧道断面尺寸，清除杂物，冲洗受喷面，全面检查调试喷射作业系统。（3）喷射作业分段、分片、分层，由下而上喷射作业，每段长度不超过6m。一次喷射厚度据设计厚度和喷射部位确定，初喷厚度4cm。初喷砼着重填平补齐，将小的凹坑喷圆顺。一次喷射砼厚度拱部不超过8cm，边墙不得超过10cm。后一层喷射在前一层混凝土终凝后进行。若终凝后间隔1h以上且初喷表面已蒙上粉尘时，受喷面应用高压风水清洗干净。喷射时，喷头距岩面距离以1.5m～2.0m为宜，与受喷面基本垂直，环形旋转水平移动并一圈压半圈，环形旋转直径0.3m。喷射行间搭接2～3cm；喷砼厚度用标志钢筋外露长度控制；表面平整度目测平顺为宜。钢架喷射砼先喷钢架与壁面之间的混凝土，后喷钢架之间的混凝土，由两侧拱脚向上对称喷射，将钢架覆盖。2、系统锚杆施工本隧道系统锚杆有拱部Φ25中空锚杆和边墙Φ22砂浆锚杆两种类型。拱墙分界以拱部120°划分。Ⅴ级围岩系统锚杆长度3.5m。中空锚杆：V级加强黄土围岩按设计不必设置中空锚杆，但为挂网锚喷，可根据施工需要设置少量锚杆。砂浆锚杆：采用20MnSiφ22mm螺纹钢筋。3、钢筋网钢筋网纵向采用Φ6、环向采用Φ8光圆钢筋加工而成，网眼尺寸为20×20（cm），采用在钢筋加工场加工成型，按网格间距制成1.5m左右大小的网片，纵横钢筋相交处可点焊成型，也可用铁丝绑扎成一体。运到现场后，点焊固定在锚杆头或钢架上，网片间搭接长度不小于1～2个网格。4、钢拱架施工（1）钢拱架加工：钢拱架采用I20a工字钢在钢筋加工场加工成型，运到现场进行拼装。允许误差为：沿隧道周边轮廓偏差为±3cm，平面（翘曲）偏差±2cm，不合格不用。（2）锁脚锚杆：锁脚锚管采用外径42mm，厚5mm的热轧无缝钢管，钢管长度4.0m；锁脚锚管的设置高度在型钢钢架的钢垫板上方40cm，倾斜45°岩面打入，锁脚锚管与钢架的焊接采用Φ22的螺纹钢筋，弯制成U型弯钩，长边长度为15cm，短边长度为12cm，长边与锁脚锚管焊接，短边与钢架焊接，焊缝长度不小于8cm。（3）安装要求：钢架间距为0.6m，先将钢架节段预组装成安装段，拧紧连接螺栓。钢架立起后，据中线、水平将其校正到正确位置，然后用定位筋固定，并用纵向连接筋将其和相邻钢架连接牢靠，连接筋间距为1.0m，内外交错布置。钢架与壁面间用钢楔或混凝土垫块楔紧，确保岩面与拱架密贴。5、初期支护主要质量标准（1）喷射混凝土：喷射砼的早期（1d）强度必须符合设计要求。一般10min左右终凝，2h后具有强度，喷射砼平均厚度大于设计厚度，检查点数最少60%大于设计厚度且最小不小于设计的1/2；表面平整度的允许偏差为边墙35mm，拱部50mm。表面平顺、无裂纹和掉渣，外露的钢筋头和锚杆头要割掉。（2）锚杆：锚杆安装数量必须符合设计要求；锚杆孔内灌注砂浆饱满密实。锚杆安装允许偏差：锚杆孔的孔径符合设计要求；锚杆孔深允许偏差为±50mm；锚杆孔距允许偏差为±150mm；锚杆插入长度不得小于设计长度的95%，且位于孔的中心。（3）钢筋网：钢筋网的安装位置符合设计要求，并与锚杆或其他固定装置联结牢固。钢筋网的砼保护层厚度不得小于3cm。网格尺寸允许偏差为±10mm。网格搭接长度为1～2个网孔。（4）钢架：制作钢架的钢材品种和规格必须符合设计要求。钢架安装不得侵入二次衬砌断面，底部不得有虚碴，钢架砼保护层厚度不得小于4cm。沿钢架外缘每隔2m应用钢楔或砼预制块与初喷层顶紧，钢架与初喷层间的间隙应采用喷射砼填密实。钢架安装允许偏差：钢架间距±100mm；钢架横向±50mm；钢架高程±50mm，垂直度±2°，保护层厚度-5mm。四、仰拱及填充施工（一）开挖及基底清理紧随初期支护尽早修筑仰拱，以利于初期支护结构的整体受力。为了仰拱施工、掘进平行作业，采用自制的仰拱作业栈桥，仰拱开挖前必须完成钢架锁脚锚杆，每循环开挖进尺不得大于3m，开挖时设置专门人员对围岩进行不间断的监控量测，预防坍塌。仰拱开挖后及时施做初期支护并封闭成环，封闭位置距掌子面距离不得大于35m。（二）仰拱施工1、仰拱钢筋：采用钢管做托架，架起洞身主筋，并固定钢筋位置，下部与仰拱钢筋搭接焊，然后从下至上对称绑扎钢筋。按设计，仰拱二衬与拱墙二衬钢筋连接，连接方式为接驳器，在施工中要注意拱墙竖直主筋的预留长度，相邻主筋预留钢筋不要放在同一水平面上。2、模板：仰拱及填充模板采用钢模板，钢模板分上、下两部分，上下两部分中间设置止水带。3、混凝土施工：采用全幅整体浇筑至拱墙脚基座标高。施工缝和变形缝处做好防水处理。混凝土自中间向两侧对称浇筑，插入式振捣器进行振捣密实。仰拱混凝土终凝后才可进行填充混凝土的施工。4、混凝土养护混凝土浇筑完毕后，进行自然养护或洒水养护，达到可以通行運输车辆的强度，然后拖移栈桥进入下一个仰拱施工。仰拱高程允许偏差±15mm；表面平整度为20mm。（三）仰拱填充在施作前清除仰拱面的碎碴、粉尘，并冲洗干净，不得有积水。仰拱混凝土达到设计强度70%后，才能施作仰拱回填混凝土。仰拱填充混凝土施工方法与仰拱混凝土施工方法相同，仰拱填充表面高程和坡度符合设计要求，确保水流畅通。五、防水、排水施工（一）防水层铺设1、在铺设防水层前对初支混凝土基面进行如下处理：平整基面，使喷射混凝土表面无明显的凸凹及起伏，喷混凝土基面有钢筋、锚杆等突出物时，予以切除、再用手持砂轮机磨平。对隧道净空进行量测检查，对欠挖地段、凸凹不平等处基面进行处理，确保表面平顺，跨深比h/b≤1/6，以满足净空及基面要求。有局部渗水处，进行处理。2、土工布铺设：首先在喷射混凝土的隧道顶部正确标出隧道纵向中线，再使裁剪好的土工布衬垫中心与喷射混凝土上的中线标志重合，用专用锚钉将无纺布固定在喷射混凝土表面上，从拱顶开始起向下对称铺设。3、防水板铺设：先在隧道拱顶部的无纺布上正确标出隧道纵向中线，再使防水板的横向中线与这一标志重合，与土工布衬垫一样从拱顶开始向下两侧对称铺设，边铺边与垫片热溶焊接，中间留检查孔。铺设时，防水板与喷射混凝土密贴，并留出搭接余量。整个隧道的防水板为一整体，防水板拼接采用自行式爬焊机焊接，双道焊缝，焊缝宽度不小于2cm，不得有漏焊点，破损处补焊。要求搭接宽度不小于10cm，控制好热合机的温度和速度，避免漏焊或过焊，保证焊缝质量。相邻两幅防水板的接缝错开，错开距离不小于1m。粘接结合部位采用真空加压检测，焊缝强度一般不低于材料强度的80%。（二）止水带、止水条施工洞身环向施工缝设中埋式止水带防水措施，变形缝设中埋式止水带及遇水膨胀止水条材料复合防水措施。隧道辅助洞室与正洞交接处设置一道中埋式止水带，辅助洞室拱墙背后设置防水板及Φ50mm纵向盲沟。1、中埋式止水带：纵向止水带施工采用钢筋卡定位，环向止水带施工采用特制模板定位，确保止水带埋入二衬及边墙的位置准确。2、止水条施工：止水条施工前，在二衬端头预留安装止水条的小槽，然后用铆钉或粘胶将止水条安装在小槽内。（三）隧道排水盲沟的施工：环向盲沟φ50mm透水管，纵向盲沟φ80mm透水管。纵向排水管全隧道埋设，设在墙脚，并用土工布半卷纵向排水管。纵环向盲沟用三通连接，使环向盲沟内水汇集于纵向盲沟，纵向盲沟在拱脚部位直接拉入中心水沟内。六、二次衬砌施工（一）钢筋绑扎用门式钢管架做绑扎工作平台，架起洞身主筋，并固定钢筋位置，下部与浇筑仰拱时预留的钢筋采用驳接，然后从下至上对称绑扎钢筋。（二）衬砌台车混凝土二次衬砌施工采用全断面用全液压衬砌台车，钢模台车，满足刚度和强度要求。断面尺寸准确无误。台车就位时，先调顶模中心标高，然后调整台车中线符合要求。最后调节边模张开度，调整到位后放下翻转模和底脚斜撑丝杠加固。两侧电缆沟盖板以下直墙部分，人工立模先行浇筑。台车控制标准：严格控制轨道中心距，允许误差±1cm；轨面标高比隧道路面中心高15cm，允许误差±1cm；（三）混凝土混凝土在自动计量拌和站拌和，搅拌运输车运输，泵送混凝土，送泵接封顶器封顶技术。混凝土由下至上分层、左右交替、对称灌注。两侧混凝土灌注面高差宜控制在50cm以内，同时合理控制混凝土浇注速度。混凝土不得直冲防水板板面流至浇筑位置，垂距控制在1.5m以内，以防混凝土离析。隧道衬砌起拱线以下的反弧部位是混凝土浇注作业的难点部位，对混凝土性能、坍落度及捣固方法进行有效控制，以减少减小反弧段气泡。当不承受外荷载时，混凝土强度达到8MPa或在拆模时棱角不被损坏并能承受自重时拆模；当衬砌施作时间提前，承受有围岩压力时，按规范要求进行。二次衬砌在围岩和初期支护变形基本稳定后施作，一般为水平收敛（7天平均值）小于0.2mm/天、拱顶下沉小于0.15mm/天；当围岩变形量较大，流变特性明显时，二次衬砌及早施作，以保安全。二次衬砌要满足安全步距要求，距掌子面距离不得大于70m。（四）二次衬砌主要质量标准1、衬砌台车：设计制造时考虑施工误差、贯通测量调差及预留沉落等因素。衬砌台车安装允许偏差：边墙脚平面位置及高程±15mm；起拱线高程+10mm/0；模板平整度5mm；相邻浇筑段表面高低差±10mm。2、衬砌钢筋钢筋加工允许偏差：受力钢筋全长：±10mm，弯曲钢筋弯折位置：20mm，箍筋内净尺寸：±3mm。同一截面内接头数量不大于50%，轴心受拉构件不得大于25%，同一截面指在钢筋直径35倍且不大于50cm范围内。受力钢筋排距误差：±5mm，同一排钢筋间距误差：边墙±20mm；拱部±10mm。保护层厚度误差-5，+10mm。（3）衬砌混凝土衬砌厚度不小于设计厚度。衬砌超挖回填符合设计要求。墙脚以上1m范围内各整个拱部的超挖部分采用同级混凝土回填。衬砌与仰拱接触面凿毛及清理干净。衬砌施工完毕后按时养生，时间为7～14天。衬砌外形尺寸偏差：边墙平面位置：±10mm；拱部高程：+30mm/0；边墙、拱部表面平整度：15m