武广客运专线隧道工程施工工艺及关键技术.doc
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第十二部分武广铁路客运专线隧道工程施工工艺及关键技术
中铁隧道局武广客专项目经理部
第一节 客运专线隧道的特点
客运专线上,由于列车运行速度的大幅提高,在列车高速通过隧道时,与普速铁路相比,不但加大了对隧道结构的冲击扰动,而且其进入隧道所诱发的空气动力学效应对行车、旅客乘车舒适度、车辆结构强度和环境等方面均将产生不利影响。
因此,为了克服上述问题,确保列车的安全和乘车舒适度,在隧道的结构、有效面积和建筑材质上提出了新的要求外,同时对隧道的永久性建筑的耐久性、施工精度、防排水等方面也提出了更高的要求。
一、高速列车进入隧道后诱发的空气动力学效应
空气动力学效应主要表现在三个方面:
瞬变压力、洞口微气压波、行车阻力。
其中,瞬变压力主要表现在由于压力的瞬间变化使人的听觉感到不适,影响其大小的主要因素是行车速度、隧道横断面的大小和阻塞比以及列车的密封系数。
洞口微气压波是列车进入隧道时产生的压缩波在另一端释放时产生爆破声,影响周围环境。
行车阻力问题主要是影响经济性。
微气压波的量值主要取决于行车速度和隧道净空面积〈阻塞比〉,但行车速度更为敏感,
当行车速度达到300km/h以上时,加大断面对防止微气压波不能起到显著作用,应考虑在洞口设置缓冲结构。
解决行车阻力问题主要是加大隧道断面面积,根据铁科院的研究报告,在隧道净空面积为100m2时最大行车阻力只比明线增大15—30%,会车时的空气阻力比明线的增大值也不超过30%.
设计暂规规定,确定隧道断面内轮廓应考虑以下因素:
线间距和建筑接近限界;缓解空气动力学效应对隧道断面有效面积的要求;维修、救援、工程技术作业空间和其他使用要求所需的空间。
单洞双线隧道断面有效面积不宜小于100m2;单线隧道断面有效面积不宜小于70m2。
限速地段,当检算行车速度小于或等于200km/h时,可采用较小的隧道断面有效面积,但双线隧道断面有效面积不应小于80m2;单线隧道断面有效面积不应小于50m2。
二、隧道衬砌
客运专线线隧道的横断面较大,受力比较复杂,且列车运行速度较高,隧道维修有一定的时间限制,复合式衬砌比喷锚衬砌安全,且耐久性好,故隧道衬砌优先采用复合式衬砌,不得采用喷锚衬砌。
隧道均采用曲墙式衬砌,其中边墙与仰拱内轮廓的连接宜采用顺接断面。
仰拱矢跨比应结合隧道衬砌受力和沟槽设置情况确定,双线隧道断面取1/12-1/15,单线隧道断面取1/8-1/10。
Ⅲ-Ⅵ级围岩采用曲墙带仰拱的衬砌。
Ⅰ、Ⅱ级围岩地段可采用曲墙式不带仰拱衬砌。
各级围岩隧道衬砌结构混凝土强度等级不应低于C25,钢筋混凝土强度等级不应低于C30。
衬砌施工必须遵循仰拱超前,拱墙整体浇筑的原则。
三、隧道底部结构
隧底结构由于在长期列车重载作用及地下水侵蚀的影响下易产生破坏,从而引起基底沉陷、道床翻浆冒泥等病害,不但增加养护维修工作量,而且严重影响运营安全,尤其是客运专线铁路对隧道底部的强度较普通铁路要求更高,且客运专线铁路隧道的断面跨度较大,因此客运专线铁路隧道铺底厚度要增大。
仰拱填充混凝土强度等级不低于C20。
Ⅰ、Ⅱ级围岩隧道衬砌结构底板厚度,双线隧道不小于30cm,单线隧道断面不小于25cm,混凝土强度等级不低于C30,并应配置钢筋。
仰拱与仰拱填充应分开施工。
四、隧道防排水
长期以来,在隧道工程中,由于地下水的作用,致使围岩应力重新分布使结构受荷增大,结构受到侵蚀、冻融破坏,最终对隧道的永久建筑产生致命影响,酿成事故的情况时有发生。
由于客运专线对隧道的结构和耐久性提出了新的要求,同时,列车供电、控制系统对隧道防排水的要求更加严格,所以对客运专线隧道防排水效果提出了更高的要求。
客运专线铁路隧道工程施工防水应以混凝土自防水为主体,以施工缝、变形缝防水为重点,并应重视初期支护的防水,辅以注浆防水和防水层加强防水,满足结构使用功能。
客运专线铁路隧道工程防排水,应采取“防、排、截、堵相结合,因地制宜,综合治理”的原则,达到堵水有效,排水通畅,防水可靠,不留后患的目的。
隧道衬砌结构防水等级应满足《地下工程防水技术规范》(GB50108)的一级标准。
衬砌结构不允许渗水、表面无湿渍。
加强结构自身防水:
采用复合式衬砌隧道,初期支护和二次衬砌之间设置防水板,防水板厚度不得小于1.2mm。
设置隧道洞身排水系统:
隧道衬砌背后应设置与深排水沟配套的纵、环向排水盲沟。
后期施作的隧道洞内埋设件,埋设深度应以不穿透二次砌为原则,以保护防水板。
隧道衬砌结构的施工缝、变形缝应采取可靠的防水措施。
防水材料应符合耐久性要求。
隧道洞口及明洞防排水应执行现行《铁路隧道防排水技术规范》(TB10119)中的有关规定。
衬砌外贴防水层应具有较好的耐热度、抗冻性、柔性、防腐和耐水、抗老化性能。
五、结构、材料的耐久性
使用寿命100年。
提出了隧道衬砌混凝土、防水材料的耐久性控制要求。
隧道衬砌混凝土的地质环境复杂,对耐久性、抗渗性、抗冻性等耐久性指标应严格控制。
第二节 客运专线隧道主要施工方法及工艺简介
一、隧道的开挖
采用钻爆法施工时应优先采用新奥法,根据隧道通过地层围岩状况,选择合理的爆破、支护方式,充分利用围岩的自承能力,保证隧道安全、快速作业。
新奥法是六十年代奥地利专家腊布希维兹(L.V.Rabccwicz)总结前人在隧道施工中累积的经验后所提出来的一套隧道设计、施工的新技术。
1948年提出,并于1962年奥地利第八届土力学会议上得到正式命名的隧道施工方法。
新奥法的实质就是利用控制爆破技术减少对围岩的扰动,采取及时有效的支护手段与岩体结合形成弹塑性支撑结构,允许围岩变形,但防止其有害变形充分发挥围岩本身的自承能力,达到支护的目的;即洞室开挖后,利用围岩的自稳能力及时进行以喷锚为主的初期支护,使之与围岩密贴,防止围岩有害形变,提高其自承能力,使支护与围岩联合受力形成支撑环,共同作用。
新奥法的技术支撑点有三个,即:
控制爆破技术、喷锚支护技术、围岩量测技术。
(一)隧道的开挖方法
在矿山法施工的隧道中,其开挖方式应根据不同的地质条件进行确定,其常见的方法一般有如下几种:
全断面法、半断面法、上下导坑法;在半断面法上下导坑法中又分为短台阶法、超短台阶、长台阶法;在导坑法中又有CRD法及侧壁导坑法,另外还有预留核心土法等等。
新奥法的施工技术均适用于上述施工方法。
下面具体介绍使用的开挖工法:
1.全断面法
①适用地质条件:
全断面法主要用于隧道洞内Ⅱ围岩和Ⅲ级硬岩地层。
浅埋、偏压和洞口地段不适宜采用全断面法开挖。
②施工方法:
采用三臂凿岩台车钻孔施工或人工在多功能台架上风钻钻孔施工,楔形掏槽方式,周边眼采用间隔装药、导爆索引爆的光面爆破,其它眼连续装药;开挖进尺台车钻爆为4.5~5.0m,人工钻爆为3.3~3.5m。
初期支护时采用湿喷机喷射混凝土;挖掘机配合装载机装碴,自卸汽车出碴的无轨运输方式。
2.台阶法
①适用地质条件:
上下两部分部开挖法主要用于Ⅲ级软岩和Ⅳ级围岩,洞口、偏压、浅埋段硬岩地层宜采用台阶法开挖。
将全隧断面分成上下两个台阶开挖,台阶长度一般控制在1~1.5倍洞径以内,并尽快开挖下半断面,或将台阶长度控制在1~2个循环进尺以内形成短台阶施工,及早施作初期支护形成封闭结构;若地层较差,为了稳定工作面,也可辅以小导管超前支护等措施。
②施工方法:
上下台阶每次开挖长度2~3m,周边采用光面爆破减少对围岩的震动以控制成形。
上、下台阶采用人工风钻钻孔,开挖循环进尺为2.8m。
挖掘机将上台阶的碴扒到下断面,下断面出碴利用装载机装碴,自卸汽车运碴至指定的弃碴场地。
为确保施工安全量测及时进行。
③三台阶法
对于IV级相对偏弱和Ⅴ级围岩采用三台阶法开挖,根据施工现场的实际情况灵活的调整台阶长度。
先利用上一循环架立的钢架施作超前支护等辅助措施。
在施工中坚持“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则。
爆破时严格控制炮眼深度及周边眼的装药量,减少对围岩的震动以控制成形。
三台阶均用风钻钻孔,爆破后挖掘机将上、中断面的碴扒到下断面,装载机装碴,自卸汽车出碴。
施工中,按照规范及有关要求及时进行监控量测,及时反馈结果,分析洞身结构的稳定性,调整支护参数,确保施工的安全进行。
具体施工方法见下图1。
3.环形开挖预留核心土法
①适用地质条件:
主要用于较差的地层,围岩级别为硬岩IV、V级,软岩Ⅲ、Ⅳ级,洞口段、偏压段、浅埋段硬岩Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级和软岩Ⅱ、Ⅲ级。
上台阶取1倍洞径左右环形开挖,留核心土,用系统小导管超前支护、预注浆稳定工作面;用网钩钢拱架做初期支护;拱脚、墙脚设置锁脚锚杆。
②施工方法:
首先进行超前支护,进行上部弧形导坑开挖→初期支护施工→中部左右侧交错开挖→边墙支护→仰拱和边墙基础开挖与支护→核心土和中槽开挖→仰拱基础开挖与支护。
上部弧形开挖超前中部5m,主要采用风镐开挖(必要时进行弱爆破),人工翻碴至两侧导坑内,装载机端碴;下部左侧超前右侧5m,左右交错进行开挖与支护,采用装载机端碴,自卸汽车运输,中部采用反铲开挖,必要时采用弱爆破。
施工过程中以上部分拉开距离后各作业面可同步作业。
底部仰拱开挖后进行支护及时封闭成环。
具体施工方法及顺序见图2。
图1台阶法图2环形开挖预留核心土法
4.CD工法
①适用地质条件:
Ⅴ级围岩地质相对较差时采用CD工法进行开挖支护施工。
②施工方法:
在施工中坚持“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则。
导坑采用三台阶法开挖,台阶长度3m,左侧超前右侧长度5m。
采用风钻钻孔,三台阶同时爆破,周边全部采取光面爆破控制成形,开挖循环进尺为0.5m。
上台阶出碴利用挖掘机扒碴至下断面,下台阶利用装载机装碴,自卸汽车运碴至指定的弃碴场地。
爆破后先进行初喷,及时施作初期支护及临时支护。
喷砼采用湿喷机作业,风钻钻锚杆孔,人工安装锚杆、拱架和钢筋网。
临时钢架的拆除应在洞身主体结构初期支护施工完毕并稳定后进行。
为确保施工安全量测及时进行。
具体施工方法及顺序见图3。
5.CRD工法
①适用地质条件:
主要用于特别破碎的岩石、碎石土、卵石土、圆砾土、角砾土组成的Ⅴ级围岩和软塑状粘性土、潮湿的粉细砂组成的Ⅵ级围岩及较差围岩中的洞口段、偏压段、浅埋段等适合于非爆破和少爆破围岩的开挖支护施工。
②施工方法:
首先进行超前支护施工→左侧1部开挖及初支结构和中隔墙支护→左侧中层2部开挖及临时仰拱和中隔墙初期支护→右侧上层3部开挖及初期支护作业→右侧中层4部开挖及初期支护作业→左侧下层5部落底开挖及仰拱初期支护作业→右侧6部落底开挖及仰拱初期支护封闭作业
施工过程中监控量测紧跟及时反馈,以调整支护参数;二次衬砌前拆除临时支护,为确保拆除后施工安全量测必须及时进行。
具体施工方法及顺序见下图4。
6.双侧壁导坑法
①适用地质条件:
主要用于地层较差的可采用人工或人工配合机械开挖的Ⅴ级围岩地层、不稳定岩体和浅埋段、偏压段、洞口段及溶洞开挖。
②施工方法:
左右侧壁导坑、中央部上部、中央部下部错开一定距离后平行作业。
侧壁导坑可采用短台阶法开挖,左右侧壁导坑施工同步进行。
当量测显示支护体系稳定,变形很小时,可适当加大循环进尺。
侧壁导坑、中央部上部、中央部下部错开一定距离后平行作业。
侧壁导坑可采用短台阶法开挖,左右侧壁导坑施工同步进行。
当量测显示支护体系稳定,变形很小时,可适当加大
图3CD法图4CRD工法图5双侧壁导坑法
循环进尺。
具体施工方法及顺序见下图5。
(二)预留变形量
隧道开挖断面应以衬砌设计轮廓线为基准,考虑预留变形量、测量贯通误差和施工误差等因素适当放大。
预留变形量应符合设计规定,或根据围岩级别、隧道宽度、埋置深度、施工方法和支护情况等条件,采用工程类比法确定。
当无
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- 客运 专线 隧道 工程施工 工艺 关键技术