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黄草隧道施工技术
黄草隧道施工技术
刘维平
(中铁第十九局集团公司第一有限公司渝怀项目部重庆彭水409600)
摘要本文结合渝怀铁路第七长隧道黄草隧道施工方案、方法和施工工艺,重点介绍了光面爆破参数的选择、有轨运输、超前小导管预注浆工艺、围岩量测、复合式二次衬砌、施工机具配套和隧道通风技术。
关键词铁路长大隧道施工方法施工工艺
1、工程概况
黄草隧道位于新建渝怀铁路黄草场站到铁碛坝站之间,全长7186m。
是渝怀铁路第七长隧道,隧道穿越区域为中山剥蚀地貌,地形陡峻,左低右高,自然横坡30°~60°,绝对高程200~1380m。
且地表冲沟,切沟发育,植被较发育,居民点集中。
隧道进口长669m设计为双线和三线大跨,其中洞口7m为双线明洞。
进、出口90m内洞身位于黏土,夹约30%角砾、碎石,局部并夹有灰岩块石。
为Ⅳ~Ⅴ级围岩,局部有偏压,采用偏压衬砌。
其中主要地质状况表述为,炭质页岩,可能有瓦斯气体。
涌水量较大,隧道设计涌水量为3600t/d,经检测实际正常涌水量为51327m3/d,雨季日涌水量为92000m3/d;进、出口段各出现6500m3/d以上的管流三次。
其中进口有一泥石流沟,对进口施工及结构的安全有一定的威胁。
2、施工方案的选择
2.1黄草隧道大跨段采用双侧壁导坑法开挖,单线段采用台阶法施工。
进出口各500米内由于场地限制采用无轨运输方式,其余为采用有轨方式运输。
2.2隧道平行导坑是在进口端开挖三线隧道后,在洞内沿以后的复线位置开始修筑。
为了今后修复线安全考虑,在三线隧道变成二线单线隧道开始段,复线一次修筑,采用加强衬砌。
平行导坑采用有轨运输方式。
平行导坑与正洞间设4条横通道,横通道用来与正洞构造巷道通风、出碴和排水。
2.3采用双侧壁导坑、正台阶法开挖,挂网锚喷支护,先墙后拱衬砌,Ⅴ、Ⅳ级围岩段拱部采用小导管注浆超前支护,Ⅲ级围岩段采用全断面开挖,网喷施工支护,特殊地段施作大管栅超前注浆支护。
2.4隧道进口有一泥石流沟,为保护洞口安全,在线路右侧沟中修建护岸堤及泥石流导流槽。
3、主要工序的施工方法及施工工艺
3.1施工测量
(1)洞外控制
隧道外平面控制采用导线测量,洞口设置一基准导线,敷设精度较高基准导线,便于引测进洞,能与开挖后的洞口通视之处,尽可能避免干忧,且不会被弃碴掩埋。
高程控制采用水准测量,每个洞口布设两个高精度水准点,水准点布设在坚固、通视好、施测方便,便于保存,且高程适宜之处。
两个水准点高差以安置一次水准仪即可联测为宜。
(2)洞内控制
洞内控制采用以下两种导线。
施工导线:
在开挖面向前推进时,用以放样来指导开挖的导线,基边长5~50m。
直线地段配置一台激光指向仪固定中线。
地面及拱顶开挖20m打一线路中心桩。
基本导线:
当隧道掘进100~300m时,为检查隧道方向是否与设计相符,选择一部分施工导线,敷设50~100m精度较高的基本导线。
3.2钻爆设计
根据“新奥法”施工要求,隧道开挖必须尽可能减轻对围岩的振动,充分发挥围岩的自承能力,故在钻爆作业中拟采用微振控制爆破技术,实施光面爆破,并根据围岩情况,及时修正参数,达到最佳爆破效果,并形成整齐准确的开挖断面,减少超欠挖。
爆破设计遵守以下原则:
炮孔布置要准确;尽量提高炸药能量利用率,以减少炸药对围岩的破坏,采用光面爆破,控制好开挖轮廓;控制好起爆顺序,提高钻爆效果;在保证安全前提下,尽可能提高掘进速度,缩短工期。
(1)爆破器材选用
采用塑料导爆管、毫秒雷管起爆系统,毫秒雷管采用15段别毫秒雷管,引爆采用火雷
管。
炸药采用2#岩石铵锑炸药和乳化炸药(有水地段使用该种炸药),选用Ф25、Ф32、二种规格,其中Ф25为周边眼使用的光爆药卷。
掏槽形式采用小中空孔直眼掏槽,梅花形布置。
(2)光面爆破参数
为减轻爆破对围岩的扰动,周边眼采用Ф25小直径光爆药卷,周边眼E=50cm,最小抵抗线W=60cm,相对距离E/W=0.83,装药集中度为0.2~0.3kg/m,采用导爆索药串装药结构,孔口堵塞长度不小于20cm。
施工中根据爆破情况及时修正钻爆参数,以达到最佳爆破效果。
(3)钻爆作业
钻爆作业必须按照爆破设计进行钻眼、装药、接线和引爆。
钻眼前开挖断面中线,水平线和断面轮廓线,并根据爆破设计标出炮眼位置,经检查符合设计要求后才可钻眼。
钻眼应符合下列要求:
控制炮眼布置图正确钻孔;
掏槽眼深度、角度按设计施工,眼口间距误差和眼底间距误差不大于5cm;
辅助眼深度、角度按设计施工,眼口排距、行距误差均不得大于10cm;
周边眼位置在设计断面轮廓线上,允许沿轮廓线调整,其误差不大于5cm,眼底不超出开挖面轮廓线10cm,最大不超过15cm;
内圈炮眼与周边眼的排距误差不大于5cm,炮眼深度超过2.5m时,内圈炮眼与周边眼以相同的斜率钻眼。
当开挖面凸凹面较大时,应按实际情况,调整炮跟深度,力求所有炮眼(除掏槽眼外)眼底在同一垂直面上;
钻眼完毕,按炮眼布置图进行检查,并做好记录,有不符合要求的炮眼应重钻,经检查合格后,才能装药起爆。
装药分片分组,严格按爆破参数表及炮孔布置图规定的单孔装药量、雷管段别“对号入座”。
装药前应将炮眼内泥浆、石粉吹洗干净。
所有装药的炮眼均应堵塞炮泥,周边眼的
堵塞长度不宜小于20cm,连线要仔细,连完线后要检查有无漏连现象。
Ⅳ级围岩光面爆破效果力争达到周边眼痕保留率达到80%以上,前后两排炮周边开挖轮廓错台小于10cm。
3.3装碴运输
隧道出口场地狭窄,铺设轨道较为困难,为便于填筑施工场地和有轨运输道路,有利于施工,前期无轨运输采用侧卸式装载机装碴,自卸式汽车运碴;进洞500m后改为有轨出碴,受地形限制,采用二次倒运至弃碴场。
进口无须倒运一次运至弃碴场。
3.4施工支护
施工支护能迅速控制或限制围岩松弛变形,充分发挥围岩自身承载能力,是确保施工安全和施工质量的重要环节。
(1)喷砼
隧道喷砼采用ALIVA~285湿喷机,该机与AL~305机械手组成喷锚支护作业机械线,在作业时采用湿喷机和遥挖AL~305机械手进行作业,洞外由砼搅拌机拌好,通过电瓶车牵引梭式矿车向洞内送料,空压机供风,所用设备均安放在一台平板车上,组成喷射列车。
潮喷工艺流程框图
注意事项:
混合料应随拌随喷,不掺速凝剂时,存放时间不大于2h,掺有速凝剂时存放时间不应大于20min。
喷射作业应分段、分片、分层,由下而上,依次进行,如有较大凹洼时,应先填平。
必须紧跟开挖工作面及时喷射。
喷射砼厚度10cm时,拱部喷射砼分两次进行,第一次喷射厚度5cm,第二次喷射至设计厚度,边墙部位则一次喷射至设计厚度。
速凝剂掺量应准确,添加要均匀,不得随意增加减少。
混凝土参考配合比:
水:
水泥:
石子:
速凝剂=1:
2:
2:
06:
0.06,实际配合比由现场试验确定。
(2)锚杆施工
两座隧道均设计系统砂浆锚杆和中空注浆锚杆,系统砂浆锚杆施工工艺流程为:
钻孔→清孔→注浆→插入杆体,钻孔采用YT—28凿岩机,锚杆预先在洞外按设计要求加工制作,施工时锚杆钻孔位置及孔深必须精确,钻孔达到标准后,用高压风清除孔内岩屑,然后将湿润好的药包顶入孔内,将杆体插入孔内,并将锚杆与钢筋网焊为整体,待终凝后,进行锚杆拉拔试验。
系统锚杆为WTD25中空锚杆,使用YT-28风动凿岩机,钻孔前根据设计定出孔位,钻孔保持直线并与所在部位岩石结构面位置垂直,钻孔直径φ42mm,钻孔深度大于锚杆设计长度10cm,钻孔后用高压风吹净孔内岩屑,将锚头与锚杆端部结合,戴上垫片与螺母,将组合杆体送入孔内,直达孔底,将止浆塞穿入锚杆末端与孔口取平并与杆体固紧,锚杆末端戴上垫板,然后拧紧螺母,采用NZ130A砂浆锚杆专用注浆泵往中空锚杆内压注水泥浆,砂浆的配合比为:
水泥:
砂=1:
1.5;水灰比:
1:
0.4~0.5;注浆压力为0.2~0.5Mpa,砂浆随拌随用。
(3)挂钢筋网
钢筋采用Φ8钢丝加工成方格网片,网格间距20×20cm,纵横钢筋相交处可点焊成块,也可用铁丝绑扎成一体。
有格栅支撑时,将钢筋网点焊在两榀钢格栅的外弧上;无钢格栅时,通过锚杆焊接固定在开挖的轮廓面上,且随岩石面起伏铺设。
(4)格栅钢架施工
钢架在洞外按设计加工成型,洞内安装在初喷砼之后进行,与定位钢筋焊接。
格栅钢筋设纵向连接筋,钢架间以喷砼填平,钢架拱脚必须安放在牢固的基础上,架立时垂直隧道中线,当钢架和围岩之间间隙过大时,设置垫块,喷砼填平。
现场制作格栅钢架
在砼平面加工场地上放出格栅钢架设计大样,将钢筋冷弯后,符合大样尺寸,弧形圆顺。
钢架分节加工后于大样上试拼,要求沿隧道周边轮廓误差不应大于3cm,钢架平面翘曲应小于±2cm,螺栓孔眼中心间距误差不超过±0.5cm。
为保证钢架置于稳固的地基上,施工中将栅钢架基脚部位预留0.15~0.2m原地基,架立格栅钢架时挖槽就位,软弱地段在格栅钢架基脚处设槽钢,砼垫块增加基底承载力,格栅钢架平面应垂直于隧道中线,倾斜度不大于2°,格栅钢架的任何部位偏离铅垂面不应大于5cm;为使格栅钢架准确定位,预先打定位系筋,系筋端与格栅架焊接在一起,另一端锚入岩石0.5~1m,并用砂浆锚固,在安设过程中当格栅钢架和初喷层之间有较大间隙,应设马鞍型垫块,钢架与围岩接触间距不应大于50mm,钢筋之间用Φ22纵向钢筋连接,格栅钢架定位后,尽快喷钢筋砼将格栅全部覆盖,形成整体。
安装注意事项:
a安装前分批检查验收加工质量。
b清除干净底脚处浮碴,超挖处加设钢结构(木)垫块,拱脚部接头板用砂子埋住,防止砼堵塞接头板螺栓孔。
c按设计布设定钢筋及纵向连接筋,段间连接安设垫片拧紧螺栓,确保安装质量。
严格控制中线及标高。
e拱架与岩面安设马鞍形垫块,确保岩面拱架密贴。
f拱架在初喷3~5cm后架立。
3.5隧道Ⅴ级围岩采用超前小导管予注浆超前支护,超前小导管预注浆施工。
(1)设计参数
小导管材质为外径Φ42mm,壁厚3.5mm,热轧无缝钢管,L=3.5m,前端尖锥状,尾部焊Φ6加劲箍,管壁四周按15cm间距梅花形钻设Φ8mm压浆孔。
小导管外插角1~3°,环向间距0.3m并相互平行插入拱部围岩。
纵向每1.6m施作一环。
搭接不少于1.5m。
注浆材料采用水泥砂浆,水泥砂浆配比:
水泥:
砂子:
水=1:
(0.75~1):
0.75,注浆压力0.5~1.0MPa。
施工采用YT—28风动凿岩机钻孔,ZB—30注浆泵注浆。
(2)施工工艺流程
施工工艺流程见《超前小导管予注浆施工工艺流程框图》
超前小导管预注浆施工工艺流程框图
3.6超前锚杆施工
隧道围岩采用Φ25锚杆超前支护,超前锚杆采用Φ25螺纹钢,长3.5m,环向间距40cm,锚固方向考虑岩体结构面形状,尽量使锚杆穿透更多结构面,外插角10~30o度不等,粘接材料采用砂浆。
尾端支撑于钢架上,纵向搭接长度不小于150cm。
采用7655风动凿岩机引孔打入。
3.7监控量测
围岩量测是“新奥法”施工三要素之一。
目的在于掌握围岩变形动态,了解支护结构稳定状态,谋示设计和施工的经济性、安全性,并反馈于设计,指导施工。
(1)量测内容
洞内观察
开挖工作面的观察:
在每个开挖面进行,尤其软弱围岩地段开挖后立即进行地质调查,绘出地质情况图。
周边位移与拱顶下沉量测
周边位移、拱顶下沉、测点要设在同一断面上,在开挖后立即进行。
Ⅴ级围岩地段要增加监测频率。
(见下表)
监控量测项目、仪器及方法表
项目
洞内外观察
净空水平收敛
拱顶下沉
目的及应用场
合
核对地质资料,判别围岩和支护系统的稳定性。
应用于整个隧洞的施工中,为施工管理和工序安排提供依据,并检验支护参数。
围岩稳定性的判别以及位移分板,应用于整个隧洞的施工过程中,为二次衬砌的施作提供依据,并为预测和反馈提供参数。
围岩稳定性的判别应用于整个隧洞的施工过程中,为二次衬砌的施作提供依据,并为预测和反馈提供参数。
直观或取样试验,对围岩和支护,作以下观察,开挖后及时观测岩性,结构面产状等,核对围岩分类,并绘制地质扫描图,填写工作面状态记录表及围岩类别判定卡。
检查喷层有无观察及描述记录。
按规定取样并测试围岩的物理力学性质。
采用钢卷尺,地质罗盘。
采用QJ-85型坑道周边收敛计,开挖后按图安装各个收敛杆件,并进行统一编号,以方便记录。
精密水平仪,水平尺,钢尺或测杆等。
位置
每次开挖及初期支护后进行。
以断面测点的具体位置见图4-12,每个断点设3个收敛桩,另外测点的安设应能保证24小时内和下次爆破前测读初次读数,并应安设在距掌子面2米范围内。
同一种围岩类别内50米设一个量测断面,且保证每种围岩类别内不少于2个量测断面。
同左
量测时间
每次开挖后进行
见量测频率表
见量测频率表
备注
此项目工作应贯穿于隧洞施工全过程,以便及时掌握围岩的工作性质、围岩与支护的稳定情况,为安全施工提供直观的、必要的信息。
此项量测是研究围岩的变形规律,确定二次衬砌施作时间,制定施工安全措施的关键是各项测量中的重点。
目的是了解地层与结构共同作用的结果,与洞周边收敛位移的测点对应布置,以便测量结果分析。
(2)监控量测项目、仪器及方法
(3)量测频率
量测频率表
变形速度(mm/d)
量测频率
>10
1~2次/d
1~10
2次/d
0.5~1
1次/2d
0.2~0.5
1次/周
<0.2
1次/15d
(4)监控量测资料整理及信息反馈
根据量测数据绘制周边位移,拱顶下沉时态曲线,以及距开挖面距离关系图等。
对时态曲线进行回归分析,预测可能出现的最大拱顶下沉及周边收敛值。
根据开挖面状态,周边位移,拱顶下沉量的大小以及速率,进行综合分析,判断围岩及支护的稳定性。
根据量测结果及《位移管理等级表》规定指导施工。
位移管理等级表
管理等级
管理位移
施工状态
Ⅳ
U0 可正常施工 Ⅴ Un/3≤U0≤2Un/3 应加强支护 Ⅳ U0≤2Un/3 应采取特殊措施 注: U0–实测变形值;Un允许变形值 (5)周边允许相对位移值 见《隧洞周边允许相对位移值》 隧洞周边允许相对位移值(%) 围岩类别 覆盖层厚度(M) <50 50~300 300~500 Ⅴ 0.1~0.3 0.2~0.5 0.4~1.2 Ⅳ 0.15~0.5 0.4~1.2 0.8~2.0 Ⅲ 0.2~0.8 0.6~1.6 1.0~3.0 注: 相对位移值系指实测位移与两测点间距离之比,或拱顶位移实测值与隧洞宽度之比;脆性围岩取表中较小值,塑性围岩取表中较大值,本表所列数值可在施工中通过实测和资料积累作适当修正。 3.8复合式二次衬砌 黄草隧道进出口各配三台12m长自制简易轨道式衬砌台车,小模板拼装,六个台车交错进行灌注砼达到平行作业,砼由洞外强制式自动计量拌合机拌合,轨行式砼运输车8t电瓶车牵引送到灌注地点,自制简易砼输送带送砼入模。 插入式振捣器人工捣固。 砼施工注意事项: 为保证砼具有良好的密实性、耐久性,达到设计要求的抗压、抗折、抗渗指标,在开工前,严格进行配合比选配,确定最优配合比方案,砼应两侧对称灌注,保证两侧灌注高差不超过1m,砼灌注过程中要注意振捣,防止过捣或漏捣现象,保证砼密实,表面光滑,无蜂窝麻面。 封顶由封顶口倒退施工,以确保拱顶砼回填密实。 3.9衬砌背后及拱部压浆 隧道整体式衬砌背后填充压浆,复合式衬砌进行拱部压浆。 衬砌背后压浆须待衬砌砼的强度达到70%以上方可进行。 每隔5~10m设3个压浆断面,分别设于两侧拱脚和拱顶,压注水泥浆用425#普通硅酸盐水泥,配合比由试验室选定,压力达到0.3~0.5Mpa。 压浆工艺见下图: 压浆工艺流程图 压浆间隔进行,先压注1、3、5……单号孔,若双号孔流出砂浆,表明该段已压满,如果压不进时,则从双号孔外压。 4、机械配套技术 4.1掘进作业 (1)钻爆机具 自行设计制作简易钻爆台架3台,配合70台YT—28手持式风动凿岩机打眼,洞门口配9台电动压风机和4台内燃型压风机,其中各有一台备用。 (2)装碴机具 选用日本产KL~41CN挖掘装载机,该机连续性强,工作效率高达280m3/h;备用柳州产EL~40侧卸式装载机,工作效率180m3/h。 (3)运输机具 选用江西矿山机械厂生产的S8D型梭式防爆矿车15辆,自行设计平板车10辆,装载量分别8m3和5m3自动卸碴。 大小车辆的配属根据施工的需要调整,原则上不影响掌子面出碴。 选用六盘水煤机厂生产的XK~2型防爆电瓶车,最大时速20km/h,配拉梭式矿车和平板车。 由于选用的匀是环保型机械,不产生有害气体。 十分适合于长大隧道的施工要求。 4.2衬砌作业 衬砌机械配套,要充分考虑衬砌与出碴的干扰、混凝土需求量、运输道路状况,保证施工安全和工程质量,实现快速施工等因素。 (1)拌合站 配备成都产JDY500拌合机8台,成都产HPD800自动计量配料机2台,皮带运输机8台。 (2)衬砌台车 用自行设计加工的简易门架台车6台(12m),武汉钢模厂生产的120cm×30cm配合衬砌施工。 (3)混凝土运输 混混土运输选用自制平板车,运至台车下,用移动式提升料斗,将混凝土捉升到位落入传送带,送混凝土入模。 (4)捣固 手持插入式振捣器及人工木锤和扁铲配合。 每板拆模后用手持式刨光机修整模板表面,保持表面的光洁度。 4.3运输作业 运输轨道是出碴工序快慢的关键,是缩短掘进循环时间的重要因素。 所以搞好轨道质量对施工进度将产生十分重要的影响。 (1)线路布设 采用P43钢轨和道岔,枕木采闸油枕。 轨距均为762cm,枕木间距70~100cm。 按需要设置装碴线、调车线、弃碴线、砼作业专用线。 隧道铺设进出双线,并铺设双开道岔,以便掉道时不影响车辆运行。 (2)掌子面轨道 采用扣轨或配套短轨节,短轨节的枕木要适当加密,便于装载机作业。 一旦具备一定长度,尽快更换长轨,拨正道并调整轨道高程。 (3)安全措施 设专职调度员,重要道口设置专职扳道员;洞内、外及道岔处设电话、电铃、红绿灯声光双重联络方式,搞好车辆调度和洞外卸碴作业,加快车辆调转,保证行车安全。 5、施工通风 通风是隧道施工的重要技术环节,是保障施工正常进行的关键。 所以,黄草隧道进出口及平行导坑各采用2台轴流式通风机,配备φ1200软风管进行强制通风。 5.1风量计算 (1)按洞内允许的最小风速计算 Qp=60Sv 式中;S~隧道断面积; v~洞内未衬砌面允许的最小风速,取0.3m/s。 (2)按爆破因素计算 Q=7.8/t3×[A×(S×L)2]1/3 式中;t~通风时间t=60(min); A~爆破药量; S~隧道断面积; L~通风区段长度; (3)按洞内同时工作的最大人数计算 Q=K·n·q 式中;K~风量备用系数,K=1.15; n~同时在洞内工作的人数,取75人; q~每人需要的新鲜空气量,取40(m3/min) (4)总风量计算 Q=Q需/(1—β)L-100或Q=Q需×K(取二式的最大值) 式中: L~风管长度,m; β~100m漏风率,取1%; K~500m风管的漏风系数,K=1.3; Q~风机风量,m3/min 5.2高山地区风量修正 Q高=(760/P高)×Q正 式中: P~高山地区大气压力,Kpa; Q高~正常条件下计算的风量。 5.3风压计算 通风机的静压是用来克服沿途所有阻力的,在数值上等于风管沿程阻力损失和局部阻力损失。 在一般情况下摩擦阻力是主要的管道通风时,局部阻力一般可考增加5~10%,本隧采用管道压入式通风,管道摩擦阻力按下式计算。 (1)风管的沿程阻力 h沿=α×(L×U/S5)×Q2 式中: h沿~风管的沿程阻力(Pa); L~通风管长度,取L=3191m; α~管道摩擦阻力系数,取0.000115; Q~单位时间内通过风管的风量(m3/s),Q=25m3/s; S~风管断面积m2; U~风管周边长度,m; (2)风管的局部阻力 h局=(1/2)×ρ×υ2×∑ε局 式中: ρ~空气密度,kg/m3; υ~风管中风流速度; ∑ε局~风管最大阻力管路局部阻力系数之和。 (3)在隧道通风中,考虑到台阶法开挖等其它因素,风压应适当增加20%~30%,记为h其它。 (4)总阻力 H=h沿+h局+h其它 经计算隧道总风压应为6825pa。 5.4通风机的选择和布置 根据以上计算,隧道选用四台2kz-e型轴流式通风机做主扇,局扇采用JBT-62型轴流式通风机,通风机的技术性能见(通风机技术性能表)。 通风机技术性能表 型号 直径 风量 全压(Pa) 功率(kw) 备注 2kz~e 1200 2100 5000 150 JBT~62 600 250~390 700~3200 28 隧道均采用管道压入式通风,每个口设两台主风机,两台主风机均安装在洞外距洞口一定距离处,以保证压入洞内的空气新鲜,防止洞内排出的污浊空气被再次压入洞内,风机两台工作。 风管采用φ1200mm双抗软管,挂在边墙拱脚附近,其台数根据实际需决定。 5.5通风管理 通风管理是通风效果好坏的关键,为了确保通风效果,要加强通风管理。 (1)建立专门通风管理机构,每个口设通风组,负责通风系统的管理和维修。 (2)定期对通风系统进行测试,例如风量、风速、风压等,并把测试结果报告有关部门,以便对通风效果做出评价和采取改进措施。 (3)通风管要始终保持平、直、顺,接头严密,若有破损及时修补或更换。 (4)通风系统安装后,不经允许不可随意改动,非管理人员不得开关风机。 (5)为确保在瓦斯段不间断通风,配置一定备用风机,以应急用。 (6)在洞内禁止明火,不许把火柴等火种带入洞,洞内不许吸烟,洞内严禁电、气焊作业。 (7)加强瓦斯通风管理人员的业务培训,提高技术素质和职业道德。
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