分岔隧道施工工法Word文件下载.docx

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我们应用动态施工过程力学原理和二维（三维）断裂损伤有限元方法、三维显式差分法（FLAC3D）等数值模拟的方法模拟了分岔隧道多种可行的开挖方法对围岩稳定性的影响，得到了与不同开挖方法所对应的围岩变形、应力状态、塑性区分布以及围岩可能出现的破坏模式。

然后，我们结合具有真实性、可靠性等优点的1/50模型实验、现场实验及其监测，提出了分岔隧道最优的施工开挖方法。

4.2以新奥法的基本精神为指导，强调发挥围岩的自身承载能力（分岔隧道在这方面的要求更高）。

通过在大拱使用预应力锚杆来更好地发挥了围岩的自身承载能力。

“少扰动”是新奥法的基本原则之一，但它仅仅停留在模糊的感性认识上，实践中往往难以准确地把握，对分岔隧道更是如此，因为分岔隧道的中隔墙（中间岩柱）比一般连拱（小间距）隧道的中隔墙（中间岩柱）还要薄得多。

为了定量地具体实施“少扰动”的原则，有效地保护连拱段的中隔墙和小间距段的中间岩柱，我们通过数值模拟分岔隧道开挖爆破时的围岩振动速度和松动情况，得到了关键薄弱部位的振速控制指标，确定了保证爆破效果、围岩（特别是中间分隔部位）稳定的的合理装药量及其开挖方法。

同时，应用弹塑性断裂损伤分析方法研究爆破振动对相邻洞室的围岩及结构的影响。

为了进一步减小围岩松动变形的程度，保证施工安全，在连拱段和小间距段采取左右洞交错施工并保持一定间距的开挖方案。

4.3“早喷锚、紧封闭”也是新奥法的两个基本原则。

为了在实际施工过程中准确地把握喷锚、衬砌的时机，根据新奥法的“勤量测”原则，在隧道内埋设多点位移计、压力盒、应变计和收敛点等监测设备，开展围岩物理力学参数测试、围岩收敛及应力分布量测、围岩深部位移规律量测、初期支护内力量测及锚杆内力量测等工作。

然后根据现场实际地质信息、施工信息、围岩变形和支护受力等监测信息对隧道围岩的稳定性进行反演分析，准确掌握了围岩和初期支护的承载能力、保证期限，提出了既方便施工，又确保安全的最佳的支护时机。

4.4EVA／ECB共挤防窜流复合防水板上具有连续的、突出的止水肋，能深深地嵌入二次衬砌混凝土中，因此即使防水板局部存在渗漏，地下水也不能在二次衬砌与防水板之间的大范围内流动。

这样只有当二次衬砌与防水板在同一区域漏水时，隧道结构才产生漏水现象。

4.5我们将应用三维断裂损伤有限元方法和三维显式差分法（FLAC3D）进行模拟计算的结果与现场监控量测的支护应力进行对比，研究了分岔隧道三维围岩的稳定性及支护结构的内力分布规律，优化了中间岩柱、中隔墙的厚度及衬砌结构的支护强度，取消了大拱的中隔墙及内衬结构。

5、施工工艺流程及操作要点

5.1施工工艺流程

施工准备→洞口开挖及防护→大拱段开挖及初支→连拱段开挖及初支→小间距段开挖及初支→隧道结构施工。

5.2操作要点

5.2.1洞口开挖及防护

分岔隧道成洞面的跨度及净空很大，洞口每延米的刷坡方量也就很大。

为了尽可能缩短明洞长度，减少洞口的刷坡方量，保护原始自然生态，我们通过超前长管棚（28m长）注浆来保证成洞面和浅埋地段开挖的稳定和安全，实现了“早进洞，晚出洞”的原则。

洞口段开挖以挖掘机为主，辅以人工风镐进行，需爆破时采用浅孔微震爆破，严格控制装药量，避免围岩受到过大扰动。

施工中先施作山坡上的截水沟，然后采取从上到下的顺序对边坡进行开挖及防护。

一边开挖，一边进行锚喷防护，同时处理好施工用水与降雨的排放，防止其软化边坡坡脚的土体。

开挖至成洞面附近时要预留核心土，待套拱、管棚施作后再开挖进洞。

洞口开挖及防护施工工艺流程见下面的图5.2.1。

图5.2.1洞口开挖及防护施工工艺流程图

洞口长管棚注浆注意事项：

注浆尽量采用单液注浆，这样不仅可以简化工艺，降低造价,而且固结强度较高。

因此注浆前先进行单液注浆实验,单液注浆以水泥为主,添加5%的水玻璃（重量比）。

如可灌性差,再进行水泥-水玻璃双液注浆实验。

双液注浆参数通过现场试验确定。

5.2.2大拱段开挖及初支

八字岭分岔隧道的四车道大拱段长58.6米，Ⅲ、Ⅳ类围岩。

开挖断面最大跨度24.7米，最大高度12米。

原设计采用的是比较保守的常规开挖方法，即先施作中隔墙，然后在中隔墙的保护作用下开挖两侧边墙（参见下面的图5.2.2-1原设计大拱施工工艺流程图）。

我们经过科研论证，取消了原设计的中隔墙及内衬结构，同时对原设计的六部（上面三部，下面三部）开挖方法进行优化，形成了在此种条件下最优的四部（上面一部，下面三部）开挖方法（参见下面的图5.2.2-2实施性大拱施工工艺流程图）。

经过优化，取消了中隔墙并最大限度地实现了大断面开挖，但初期支护的强度并没有并没有增加，即优化后的施工方案同样采用原设计的初期支护参数（参见下面的表5.2.2大拱段支护参数）。

表5.2.2大拱段支护参数

围岩

类别

初期支护

二次衬砌

（C25钢筋混凝土）

锚杆

钢筋网

钢拱架

喷射砼

Ⅲ类

和

Ⅳ类

φ25预应力锚杆（L=6m）;

φ22全长粘结砂浆锚杆（L=3.5m）

双层φ8

20b工字钢（间距100cm）

C20喷射砼（厚25cm）

外衬拱部厚80cm

（取消原设计内衬结构）

施工工序：

⑴开挖上半断面拱部;

⑹施作中隔墙;

⑵施作拱部初期支护;

⑺开挖两侧边墙;

⑶开挖两侧（拱腰）;

⑻施作两侧边墙部初期支护;

⑷施作两侧（拱腰）初期支护;

⑼全断面施作二次衬砌;

⑸开挖中部核心土;

⑽施作内衬结构。

图5.2.2-1原设计大拱施工工艺流程图

施工工序：

⑴开挖上半断面;

⑸施作下半断面左侧壁初期支护;

⑵施作上半断面初期支护;

⑹开挖下半断面右侧壁;

⑶开挖下半断面中槽;

⑺施作下半断面右侧壁初期支护;

⑷开挖下半断面左侧壁;

⑻全断面施作二次衬砌。

图5.2.2-2实施性大拱施工工艺流程图

施工中的其它问题说明如下：

1、Φ25预应力锚杆施工工艺

大拱初期支护的Φ25预应力锚杆材料为20MnsiΦ25Ⅱ级钢筋，一般施加80～100KN的预应力，局部围岩较完整地段施加30～50KN的预应力。

施工时采用配套钻头成孔并彻底清孔，将安装有涨壳锚头或环氧树脂（20～40cm）锚头的杆体及注浆管插入（若采用环氧树脂锚头，建议杆体在锚头之后包裹40～70cm药卷），然后用力顶紧，施加初始预应力，随后可以采用分段注浆施加预应力或一次性注浆完毕达到要求后施加预应力至设计值即可，注浆材料采用水泥砂浆，应保证锚孔内注浆饱满。

2、关于初期支护的承载能力和保障期限

原设计要求“大拱中隔墙、二次衬砌及内衬施工应随着开挖及时跟进。

隧道主洞准备进洞施工开挖的同时，施工二次衬砌的模板台车必须基本到位，模板台车不到位不得进洞开挖施工”。

但我们监控量测的数据显示，表5.2.2中的大拱支护参数至少能使二次衬砌比初期支护滞后7个月施作，所以完全可以等大拱段全部开挖完成后统一进行二次衬砌施工。

3、有关要求（后面的连拱段和小间距段亦同）

1）通过数值模拟、弹塑性断裂损伤分析和爆破试验，确定爆破遵循以下原则。

因分岔隧道对爆破减振要求甚高，炮眼应按浅密原则布设。

各种爆破参数应在一般中硬岩光面爆破参数的基础上进一步减小，周遍眼间距宜小于40cm并适当布设空眼以减少单孔装药量，装药不偶合系数宜小于1.5，周边眼装药集中度宜小于0.2kg/m，相对距E/V宜小于0.7。

除此之外还应采取增加雷管的段数，加强炮孔堵塞等综合减振措施。

施工时应注意对爆破振动速度的监控，加强对爆破实际效果的分析，从而使隧道围岩和支护结构受到的影响降到可接受的范围内。

2）为了有利于出碴和初期支护施工，第⑴部上半断面的左右两端应向上微微翘起（参见上图5.2.2-2）。

3）初期支护严格按设计施工，确保质量，并尽早封闭成环。

特别是大拱段以及围岩比较差的地段，初期支护应紧跟开挖面，这时初期支护完成4h后方能进行爆破作业。

应注意清净最下部的拱脚处松碴或局部软土，确保初支落底不悬空，必要时可用砼加固基底或采取扩大拱脚、增设锁脚锚杆等措施。

5.2.3连拱段开挖及初支

八字岭分岔隧道的连拱段长120.7米，其实际围岩属于Ⅲ类和Ⅳ类，中隔墙设计最薄处为1.4m。

原设计是先一次性施作中隔墙，主洞施工采用保守的环形掏槽先二衬后挖核心土施工方案（参见下面的图5.2.3-1原设计连拱段施工工艺流程图）。

这种开挖方法存在以下缺点：

1、因一次性浇筑中隔墙，中隔墙顶部与主洞二衬之间会产生施工缝，易发生漏水现象。

2、为了先全断面施作二次衬砌，不得不增加第⑶、⑼部开挖。

由于第⑴、⑺部开挖已经创造了临空面，开挖下半断面所产生的洞碴抛掷方向是向上的，所以增加第⑶、⑼部开挖对保护中隔墙意义不大，但却增加了工序和费用，不利于进度。

3、在第⑹或⑿部开挖前施作第⑸或⑾部二次衬砌，不能使用衬砌台车组织大型机械化快速施工，同时二次衬砌会因开挖爆破而受到损伤。

施工工序（假设先从右洞开始）：

⑴开挖右侧主洞上半断面;

⑺开挖左侧主洞上半断面;

⑵施作右侧主洞上半断面初期支护;

⑻施作左侧主洞上半断面初期支护;

⑶开挖右侧主洞下导坑;

⑼开挖左侧主洞下导坑;

⑷施作右侧主洞下导坑初期支护;

⑽施作左侧主洞下导坑初期支护;

⑸浇筑右侧主洞二次衬砌;

⑾浇筑左侧主洞二次衬砌;

⑹拆除中导坑右侧支护、开挖核心土;

⑿拆除中导坑左侧支护、开挖核心土。

图5.2.3-1原设计连拱段施工工艺流程图

我们经过科研论证，主洞施工实际采用了如下面的图5.2.3-2所示的施工工艺流程。

经过现场实践和监测，证明效果非常好。

连拱段施工的主要工艺流程是：

中导坑开挖、支护→中隔墙浇筑（两侧各预留30cm厚度与主洞二衬整体浇筑）→主洞施工（主洞施工详见下图5.2.3-2）。

⑹施作左侧主洞上半断面初期支护;

⑺拆除中导坑左侧支护、

⑶拆除中导坑右侧支护、开挖左侧主洞下半断面;

开挖右侧主洞下半断面;

⑻施作左侧主洞下半断面初期支护;

⑷施作右侧主洞下半断面初期支护;

⑼浇筑主洞二次衬砌。

⑸开挖左侧主洞上半断面;

图5.2.3-2实施性连拱段施工工艺流程图

施工中的其它问题说明如下：

1、第⑴、⑺部左右两端向上微微翘起是为了保护中隔墙，方便出碴和初期支护施工。

2、连拱段支护参数（参见下面的表5.2.3）。

表5.2.3连拱段支护参数

（C25素混凝土）

Ⅲ类和Ⅳ类

φ22药卷锚杆（L=3m）

单层φ8

C20喷射砼（厚15cm）

拱部40cm

根据我们监控量测的数据显示，表5.2.3中的连拱支护参数至少能使二次衬砌比初期支护滞后3个月施作，所以完全可以等连拱段全部开挖完成后统一用衬砌台车进行二次衬砌施工。

3、注意事项

1）左右线隧道主洞交错开挖，其开挖掌子面应保持20m以上的距离。

2）中隔墙顶部与中导坑之间的空隙用C20喷射砼喷填密实。

3）局部围岩软弱地段可据监测信息采取在喷射砼内增加工字钢拱架或钢筋格栅等措施，若遭遇溶洞更应采取专门的治理方案，本项亦适用于下面的小间距段。

4）中隔墙防护

开挖一侧主洞时，中隔墙与另一侧主洞之间须采取下部用土石回填挤实，上部用原木支撑牢固的措施，防止爆破冲击波导致中隔墙倾斜;

中隔墙与本侧主洞之间用竹排防护，防止爆破飞石损伤中隔墙（参见上面的图5.2.3-2实施性连拱段施工工艺流程图）。

5.2.4小间距段开挖及初支

八字岭分岔隧道的小间距段长174.9米，其实际围岩属于Ⅲ类和Ⅳ类，中间岩柱厚度为2.5～11.8m。

为了尽可能保护洞室周边岩体（特别是中间岩柱）的完整性，小间距段也不宜采用全断面开挖。

为了确保施工安全以及隧道使用的耐久性，小间距段最优的施工工艺流程如下图5.2.4所示。

施工工序（假设先从左洞开始）：

⑴开挖左洞上半断面;

⑹施作右洞初期支护;

⑵施作左洞拱部初期支护;

⑺开挖右洞下半断面;

⑶开挖左洞下半断面;

⑻施作右洞边墙部初期支护;

⑷施作左洞边墙部初期支护;

⑼施作二次衬砌。

⑸开挖右洞上半断面;

图5.2.4小间距段施工工艺流程图

1、小间距段支护参数（参见下面的表5.2.4）。

靠近连拱段的42.8m由于中间岩柱很薄，需进行加固。

具体办法是：

在中间岩柱内设水平方向布置的φ25高强预应力钢筋（预应力50～80KN），岩柱表面设双层φ8钢筋网及喷射砼，高强预应力锚固钢筋的尾端焊接在钢筋网上（参见上面的图5.2.4小间距段施工工艺流程图）。

表5.2.4小间距段支护参数

备注

φ22药卷锚杆（L=3m）;

φ25高强预应力钢筋

单双层φ8钢筋网

C20喷射砼

（厚15cm）

靠近连拱段的42.8m

远离连拱段的132.1m

根据我们监控量测的数据显示，表5.2.3中的小间距支护参数至少能使二次衬砌比初期支护滞后3个月施作，所以完全可以等小间距段全部开挖完成后统一用衬砌台车进行二次衬砌施工。

3、注意事项：

左右线隧道主洞交错开挖，其开挖掌子面应保持30m以上的距离。

5.2.4隧道结构施工

1、主要流程

处理初期支护表面→铺设防水板→二衬立模→二衬浇筑→二衬脱模养生→装修工程（防火涂料）。

2、注意事项

1）二次衬砌施作的合理时间应根据施工监测数据确定，尽可能发挥初期支护的承载能力，但又不能超过其承载能力。

二衬支护参数应根据实际监测情况和理论分析进行修正和调整。

本工法在保证安全和质量的前提下取消了常规分岔隧道所设计的钢筋混凝土中隔墙及内衬结构（中隔墙及内衬结构参见上面的图5.2.2-1原设计大拱施工工艺流程图）。

2）分岔隧道断面较大且多变，防排水施工应当引起高度重视。

二次衬砌灌筑前应仔细检查防水板有无穿孔，焊缝是否紧密，确保万无一失。

3）由于取消了中隔墙及内衬结构，大拱段衬砌断面很大（宽约24m，高约12m），而且断面大小是渐变的（往洞口方向衬砌内轮廓逐渐变小）。

为了保证二衬的安全和质量，应进行模板设计和力学检算。

由于大拱段长度只有58.6m，在专门厂家订做模板既不经济，也没有必要。

为此我们将衬砌台车门架和脚手架结合起来制成了简易实用的模板，实践证明效果非常好。

具体支模方法是：

以衬砌台车门架（兼作过车通道）为中间骨架，其上部和两侧为φ48钢管脚手架（扣件间距1m*1m*1m，辅以剪刀撑和斜撑）。

5.2.5监控量测工作

监控量测是新奥法的灵魂。

分岔隧道不安全因素较多，监控量测工作更显必要。

我们将科研课题中的理论计算、模型试验结果与现场监测信息进行对比分析，及时掌握了围岩在开挖过程中的动态以及支护结构的稳定状态，从而动态修正了爆破参数、支护时机和支护强度等施工方案。

本项目主要的监控量测项目及量测方法如下表5.2.5所示。

表5.2.5监控量测项目及量测方法

序

号

项目名称

方法及工具

布置

量测间隔时间（d）

1

～

15

16

30

90

大

于

地质和支护状态观察

岩性、结构面产状及支护裂缝观察或描述，地质罗盘及规尺等

开挖后及初期支护后进行

每次爆破后进行

2

锚杆内力量测

锚杆测力计

每10m一个断面，每个断面至少做三根锚杆

—

3

围岩体内位移（洞内设点）

多点位移计

每15m一个断面，每断面7个测点

每

天

次

两天

周

月

4

围岩与初期支护间压力

压力盒

每代表性地段一个断面，每断面20个测点

5

钢支撑内力量测

应变计

每10榀钢支撑一对测力计

6

水平收敛及拱顶下沉量测

收敛计、水准仪

每15m～30m一个断面

7

支护、衬砌内应力、表面应力及裂缝量测

应变计、应力计、测缝计及表面应力解除法

每代表性地段一个断面，每断面11个测点

5.3劳动力组织（见下表5.3）

表5.3劳动力组织情况表

序号

人员类别

人员数量

主要领导

正副经理、总工

职

能

管

理

部

室

工程部

10

合同、计划、统计、验工、技术和测量等

机电物资部

安质环保部

办公室

9

文件收发、炊事、小车司机、后勤保障、协调等

试验室

财务室

8

作业班组

开挖爆破

48

出碴

风、水、电路

11

锚喷支护

26

12

钢筋

13

防排水施工

14

二衬立模、脱模及养生

砼拌和及浇筑

28

其它

17

合计

6、材料和设备

6.1材料

本工法所涉及的大部分材料规格在上一章的支护参数表（表5.2.2、表5.2.3、表5.2.4）中有所体现，基本上属于土木建筑工程的常见材料，其主要技术指标执行相关国家标准，无需特别说明，所以下面的材料表（表6.1）只对两种材料进行具体介绍。

表6.1材料表

材料名称

规格

主要技术指标

20Mnsi

Ⅱ级钢筋

Φ25

杆体抗拉强度

大拱段预应力锚杆

共挤防窜流

复合防水板

EVA／ECB

断裂拉伸强度

≥60N／cm

与止水条、止水带配合使用

断裂延伸率

≥400℅

抗渗透性

0.3MPa,30min无渗漏

加热收缩量

＜4mm

执行相关国家标准

常见材料

6.2主要设备（见下表6.2）

表6.2主要设备表

设备名称

设备型号

主要参数

数量

（台、套）

新旧程度（℅）

发电机组

IFC6352-4LA4

200kw

90℅

凿岩机

YT28

50mm

24

80℅

空压机

4L-20/8

20m3/min

85℅

挖掘机

PC300-6

1.2m3

PC400

1.6m3

装载机

ZL50（ZL50D）

3m3

2

（1）

自卸汽车