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二次衬砌指隧道的二次支护,是相对隧道的初期支护而言的。
初期支护是隧道掘进后立即进行的支护,二次衬砌应该在围岩变形较小或稳定的状态下进行的。
(三)、山岭隧道的常规施工方法
山岭隧道常规施工方法又称为矿山法,是采用钻爆开挖加钢木构件支撑的施工方法,普遍称为“传统的矿山法”。
而将采用钻爆开挖加锚喷支护的施工方法称之为“新奥法”。
目前本工程施工就是采用“新奥法”。
1、新奥法基本原理及施工基本原则
应用岩体力学理论,以控制爆破为开挖方法,以维护和利用围岩的自承能力为基点,采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段,及时的进行支护,控制围岩的变形和松弛,使围岩成为支护体系的组成部分,并通过对围岩和支护的测量、动态修正设计参数和变动施工方法的一种隧道施工方法。
2、施工基本原则
少扰动——开挖时要尽量减少对围岩的扰动次数、扰动强度、扰动范围和扰动持续时间。
早支护——开挖后及时施作初期锚喷支护,使围岩的变形进入受控制状态。
勤量测——指以直观、可靠的量测方法和量测数据来准确评价围岩(或围岩加支护)的稳定状态,或判断其动态发展趋势,以便及时调整支护形式、开挖方法。
紧封闭——一方面指采取喷射混凝土等防护措施,避免围岩因长时间暴露而致强度和稳定性的衰减。
另一方面指要适时对围岩施作封闭形支护。
二、隧道施工主要的工艺工法
(一)、施工准备
开工之后首先修筑临时施工便道,架设施工供电线路、修筑供水设施和铺设供水管道,砌筑洞顶截水沟,开挖洞口段土石方(开洞门)。
洞口场地开挖完成后,安装和修建隧道供风、供水、发电、混凝土生产、钢结构加工等设备设施。
正洞内管线布置示意图
(二)、洞口边、仰坡开挖防护
边仰坡开挖前先施作截水天沟,按设计要求从上至下开挖边仰坡,并及时按设计要求进行边仰坡的防护加固。
边仰坡加固一般采用打设锚杆、挂网喷浆的方法。
(三)超前支护
1、大管棚超前支护施工
大管棚做为一种重要的超前支护形式,一般多用在隧道暗洞开挖之前(开洞门前)完成。
主要作用为加固周边一定范围围岩,与钢架组合成预支护体系,防止软弱围岩坍塌、下沉或松弛。
洞口段管棚长度一般为20米或30米,多采用108mm热轧无缝钢管,采用丝扣连接。
为保证长管棚施工精度,打设钢管前先施做导向墙,导向墙为混凝土结构,骨架采用工字钢定型生产。
大管棚施工工艺:
开挖管棚工作面→导向墙施工→测定孔位→搭设钻孔平台/安装钻机→钻孔/接长钻杆→钻杆分节退出卸下→安装管棚钢管→安装管棚钢筋笼→钢管内外注浆
2、超前小导管施工
超前小导管是隧道施工中较为常用的一种预支护形式。
主要作用与大管棚相同,也是为加固周边一定范围围岩,与钢架组合成预支护体系,控制软弱围岩坍塌、变形、掉块。
超前小导管有单层、双层两种形式,长度在3.5~5.0米不等,多采用42mm热轧无缝钢管,采用搭接连接。
施工工艺:
定位布孔→钻孔→插入小导管→注浆
采用凿岩机钻孔,人工安装超前小导管并与钢架焊接固定,小导管外插角符合设计,用注浆泵进行注浆作业,注入水泥单液浆,注浆压力一般为0.8MPa,施工中根据现场试验确定合理的注浆参数。
(四)、开挖方法
隧道开挖是隧道施工中的重要工序,根据地质条件、断面开挖宽度不同,铁路隧道可采用全断面法、台阶法、环形开挖预留核心土法、中隔壁法(CD法)、交叉中隔壁法(CRD法)、双侧壁导坑法等方法。
本工程由于围岩地质较好,主要采用的是台阶法、全断面法和分部开挖法。
1、全断面开挖法
全断面开挖法就是按照设计轮廓一次爆破成形,然后修建衬砌的施工方法。
主要应用于双线隧道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩和斜井Ⅱ、Ⅲ级围岩的施工。
循环进尺宜控制在3m左右。
2、台阶法
根据台阶长度不同,划分为长台阶法、短台阶法和微台阶法三种。
施工中采用哪一种台阶法,要根据两个条件来决定,第一是对初期支护形成闭合断面的时间要求,围岩越差,要求闭合时间越短,第二是对上部断面施工所采用的开挖、支护、出碴等机械设备需要施工场地大小的要求。
(1)、长台阶法
长台阶法开挖断面小,有利于维持开挖面的稳定,适用范围较全断面法广,一般适用于地质条件较好的Ⅱ、Ⅲ级围岩。
(2)、短台阶法
短台阶法适用于地质条件差的Ⅳ、V级围岩,台阶长度定为1-2倍开挖宽度,主要是考虑拉开工作面,减少干扰,因此台阶长度不宜过短。
短台阶法可缩短支护闭合时间,改善初期支护的受力条件,有利于控制围岩变形。
缺点是上部出渣对下部断面施工干扰较大,不能全部平行作业。
(3)、微台阶法
适用于V级以上围岩,一般为3-5m的台阶长度。
微台阶法上下断面相距较近,机械设备集中,作业时相互干扰大,生产效率低,施工速度慢。
3、分部开挖法
分部开挖法包括三台阶七步开挖法、环形开挖预留核心土法、双侧壁导坑法、中洞法、中隔壁法等。
在这里主要介绍三台阶七步开挖法。
三台阶七步开挖法可分以下主要步骤:
①第1步:
上部弧形导坑开挖,预留核心土;
②第2、3步:
左、右侧中台阶开挖,左、右侧台阶错开2~3m;
③第4、5步:
左、右侧下台阶开挖,左、右侧台阶错开2~3m;
④第6步:
开挖上、中、下台阶预留核心土;
⑤第7步:
开挖隧底。
(五)、光面爆破施工
在山岭隧道施工中,多数情况下都需要采用钻眼爆破进行开挖。
光面爆破也是隧道新奥法施工理论的前提与基础。
爆破作业应根据工程地质条件、开挖断面、开挖方法、循环进尺和爆炸材料进行钻爆设计。
钻爆设计应根据爆破效果不断优化爆破参数。
钻爆设计的内容包括炮眼(掏槽眼、辅助眼、周边眼)的布置、深度、斜率和数目,爆破器材、装药量和装药结构,起爆方法和爆破顺序,钻眼机具和钻眼要求等。
钻爆设计土应包括炮眼布置图、周边眼装药结构图、钻爆参数表、主要经济指标和必要的说明。
光面爆破工艺及技术要求:
施工布眼→钻眼→清孔→装药→联起爆网络→起爆→效果检查
光面爆破的分区起爆顺序:
掏槽眼一辅助眼一周边眼一底板眼。
辅助眼则应由里向外逐层起爆。
(六)、出渣
运输采用无轨运输方式,即侧卸式装载机装碴,自卸汽车运碴。
(七)、初期支护
初期支护是在隧道开挖清危后首先初喷4cm混凝土,然后按设计要求打设锚杆,铺挂钢筋网,安装拱架,打设锁脚锚杆,然后再喷射混凝土到设计厚度。
1、喷射混凝土施工
喷射混凝土施工操作要点:
喷射操作程序应为:
打开速凝剂辅助风→缓慢打开主风阀→启动速凝剂计量泵、主电机、振动器→向料斗加混凝土。
喷射混凝土应采用湿喷工艺,作业应采用分段、分片、分层依次进行,喷射顺序应自下而上,分段长度不宜大于6m。
喷射时先将低洼处大致喷平,再自下而上顺序分层、往复喷射。
先喷钢架与壁面间混凝土,再喷两钢架之间混凝土。
边墙喷混凝土应从墙脚开始向上喷射,使回弹料不致裹入最后喷层。
喷射速度要适当,喷射时使喷嘴与受喷面间保持适当距离,喷射角度尽可能接近90°
,以使获得最大压实和最小回弹。
喷嘴与受喷面间距宜为1.5~2.0m。
2、锚杆施工
(1)、砂浆锚杆施工工艺流程
锚杆制作→锚杆孔位测量放样→锚杆钻机就位→钻孔→锚杆孔清孔→注水泥砂浆→插入锚杆→安装垫板
砂浆锚杆采用螺纹钢筋加工而成,锚杆钻孔利用开挖作业台架施钻,TY28风动凿岩机钻孔,钻孔方向尽可能垂直结构面或初喷砼表面;
成孔后采用高压风清孔。
(2)、组合中空锚杆
组合中空锚杆的组合:
锚杆体(螺纹钢筋套丝)、垫板、螺母、排气管、止浆塞和锚头,其中锚杆体由中空锚杆体和热轧带肋钢筋经连接套连接组合而成。
中空组合锚杆施工工艺:
锚杆制作(安装锚杆及排气管)→锚杆孔位放样→钻锚杆孔→清孔→插入锚杆→封堵止浆塞→注水泥浆→加设锚垫板
操作要点:
a、锚杆安设作业在初喷混凝土后及时进行;
b、钻孔采用直径Φ42mm的钻头,钻孔前根据设计要求定位出孔位,做出标记。
在孔位用风动凿岩机垂直岩面(节理面)钻孔,中空组合锚杆钻孔位置为拱部120度范围内;
c、组合中空锚杆注浆采用水灰比1:
2水泥浆,注浆压力为0.5MPa左右,同时应考虑岩层的裂隙阻力,根据现场情况试验后确定。
但瞬间最高压力值不应超过0.5MPa。
止浆塞塞入牢固以确保能承受锚杆及注满锚杆孔砂浆的重量。
排气管必须确保插入锚杆孔底,排气孔未出浆前,不得停止注浆;
d、注浆完成后,卸下注浆接头并将注浆接头清理干净以便以后重复使用。
安装垫板、螺母。
锚杆安设后不得随意敲击,其端部3天内不得悬挂重物。
3、钢筋网施工
⑴、钢筋网片加工
钢筋网片采用Ⅰ级φ8钢筋焊制,在钢筋加工场内集中加工。
⑵、挂网
按图纸标定的位置挂设加工好的钢筋网片,钢筋网片随初喷面的起伏铺设,绑扎固定于先期施工的系统锚杆之上,再把钢筋片焊接成网,网片搭接长度为1~2个网格。
4、钢架施工
钢架施工工艺:
钢架加工→钢架预拼→中线、标高测量→定位锚杆施工→清除底脚浮碴→分部安装钢架、连接→加设鞍形垫块→安装纵向连接筋→与定位锚杆焊接,打设锁脚锚杆锁定。
隧道钢架支护分为型钢钢架和格栅钢架两种,型钢钢架主要由工字钢弯制而成,格栅钢架主要由四根Φ22或Φ25主筋和其它钢筋制成,连接板螺栓连接。
钢架安装在掌子面开挖初喷完成后立即进行。
根据测设的位置,各节钢架在掌子面以螺栓连接,连接板应密贴。
为保证各节钢架在全环封闭之前置于稳固的地基上,安装前应清除各节钢架底脚下的虚碴及杂物。
同时每侧安设2根锁脚锚管将其锁定,底部开挖完成后,底部初期支护及时跟进,将钢架全环封闭。
(八)、仰拱、仰拱填充施工
施工前于隧道边墙每隔6米施放测量控制点,作为仰拱开挖及混凝土施工控制点。
为不影响机械车辆通行,仰拱、仰拱填充利用栈桥平台进行混凝土施工。
施工工艺流程:
清底、抽排水、接缝凿毛处理→焊接上下排钢筋定位筋→仰拱钢筋绑扎→安装止水带→立端模及内模→浇筑砼→仰拱砼养护→中心排水管安装固定→填充砼浇→填充砼养
(九)、隧道防排水施工
隧道防排水施工是隧道施工质量控制的重点。
水害的防治效果直接影响隧道后期使用的耐久性。
1、结构防排水施工工艺:
检查净空及初期支护表面情况→割除外露超长的钢筋、锚杆,修整凹凸不平的表面以及渗漏水处理→安装环、纵向透水盲管→铺设土工布、防水板→充气检验及隐蔽检查。
2、技术要求:
隧道防排水采用“防、截、排、堵相结合,因地制宜,综合治理”的原则,达到防水可靠,经济合理,不留后患的目的。
本线隧道二次衬砌混凝土采用防水混凝土,其抗渗等级不低于P8;
拱墙设置EVA塑料防水板加土工布;
施工缝设置止水条或中埋式止水带,并涂刷混凝土界面剂或膨胀止水胶;
二次衬砌混凝土施工后,拱部进行充填注浆。
3、操作要点:
(1)、防水板超前二次衬砌10~20m施工,用自动爬行热焊机进行焊接,铺设采用专用台车进行;
(2)、铺设前进行精确放样,弹出标准线进行试铺后确定防水板一环的尺寸,尽量减少接头;
(3)、防水板铺设从拱顶向两侧铺设,防水板铺设要有一定松驰量,检查时要保证防水板全部面积均能抵到围岩;
暗钉圈固定缓冲层示意
(4)、两幅防水板的搭接宽度不应小于150mm;
(5)、环向铺设时,下部防水板应压住上部防水板;
(6)、防水板之间的搭接缝应采用双焊缝、调温、调速热楔式功能的自动爬行式热合机热熔焊接,细部处理或修补采用手持焊枪,单条焊缝的有效焊接宽度不应小于15mm,焊接严密,不得焊焦焊穿;
(7)、防水板的搭接缝焊接质量检查应按充气法检查,将5号注射针与压力表相接,用打气筒进行充气,当压力表达到0.25MPa时停止充气,保持15min,压力下降在10%以内,说明焊缝合格;
如压力下降过快,说明有未焊好处。
用肥皂水涂在焊缝上,有气泡的地方重新补焊,直到不漏气为止。
(十)、衬砌施工
(1)、衬砌施工工艺流程
监控量测确定施作二衬时间,测量断面是否侵限→中线水平放样→钢筋定位筋放样安装→钢筋绑扎→台车就位→安装挡头模板→灌筑混凝土→台车脱模退出→养护。
(2)、衬砌模板
模板衬砌台车必须按照隧道内净空尺寸进行设计与制造,钢结构及钢模必须具有足够的强度、刚度和稳定性。
模板台车长度宜为9~12m,工点设计应根据沉降缝、预留洞室和预埋管线位置、断面加宽等因素综合确定。
模板台车侧壁作业窗宜分层布置,层高不宜大于1.5m,每层宜设置4~5个窗口,其净空不宜小于45cm×
45cm。
拱顶部位应预留2~4个注浆孔。
(3)、衬砌钢筋
采用衬砌钢筋绑扎作业台架提供作业平台,首先环向钢筋定位筋的绑扎与固定,保证整个环向钢筋布置与隧道中线垂直,然后进行分布筋绑扎,最后绑扎好垫块。
(4)、混凝土浇筑
混凝土浇筑采用泵送完成,插入式振捣棒结合附着式振捣器捣固。
从最底层下料口开始下料,逐步上移,各下料口均匀下料,混凝土浇筑要左右对称进行,防止钢模台车偏移。
三、隧道不良病害的处理
隧道施工过程中,开挖断面涌水、掌子面坍塌及拱顶落石是较常出现的不良地质病害,采取有效措施,处理好这些病害是保证施工安全及施工进度重要手段。
(一)、隧道透水
隧道施工中水源主要来自岩石裂隙水、地表水通过断裂带补充为地下水、隧道通过岩溶的溶洞发生透水等几种情况。
对于上述几种透水情况的处置主要为:
1、做好超前地质预报,在施工前及时发现并判定性质,采取相应对策;
2、采取超前注浆、超前小导管、超前大管棚等形式进行超前支护;
3、对于隧道可能出现的涌水、透水,根据形态和性质,采取堵、疏、泄、防的处理方法;
4、当开挖断面无规则裂隙水流出时,且流水量不是很大时,不影响施工的情况下,可以将流水集中引入两边排水沟,排出洞外,让裂隙水压自然释放,慢慢减少;
5、施工时注意短进尺,紧支护,保证施工安全。
同时加强超前钻探,查看掌子面前方情况;
6、如果掌子面爆破后侧壁仍有裂隙水长期流出,则在初期支护时必须预埋排水管,将裂隙水集中引出,最后引入隧道中心管排出。
(二)、塌方发生后的应对措施
1、小型塌方处理:
对于小塌方应该先清理塌方面,后对塌方面采用超长锚杆加固,将锚杆伸入到围岩的稳定区,锁住松动圈,然后用加强联合支护法支护,最后再进行塌方处理;
2、较大塌方处理:
塌方的一般规律是围岩压力增大,支撑压紧,发出声响,接着产生位移变形。
围岩掉碴,出现裂缝,直
至滑动、坍塌。
大塌方处理一般是塌方基本稳定后进行,先查看塌方规模,分析产生塌方原因,再制定塌方处理方案或按预案执行。
处理方法一般有支顶法、固结法,两种方法均需先进行治水和支护加固,防止塌方事态扩大;
支顶法一般选择围岩稳定地段开挖导洞,埋入型钢,用钢筋混凝土锁住两侧,上部用浆砌片石封填,对较大塌方可用套拱法,保证塌方面稳定后再进行清理。
固结法是采用注浆法,先将坍体和松动部分进行注浆处理,将松动部分固结后再清理坍体。
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