浅谈七步台阶法在宝兰客专黄土隧道施工中的优化.docx
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浅谈七步台阶法在宝兰客专黄土隧道施工中的优化
浅谈七步台阶法在宝兰客专黄土隧道施工中的优化
张卫军
(宝兰客专十标段项目经理部)
摘要本文结合宝兰客专黄土隧道台阶法施工实践,经过分析七步台阶开挖法施工过程中隧道围岩与结构的变形和受力特点,以及施工参数和相应的辅助技术措施。
通过对黄土隧道七步台阶开挖法的优化及适应性研究,结合现场监控量测信息反馈,对七步台阶开挖法的推广应用将具有促进作用。
为类似隧道工程积累经验。
关键词:
宝兰客专黄土隧道七步台阶开挖法优化
一、前言
黄土隧道施工因其难度大、进度慢、安全风险高成为焦点。
如何解决隧道开挖断面大,黄土承载力低,蠕变时间长的特点,如何控制隧底工后沉降,确保工程质量及施工安全,是隧道施工的关键技术难题。
一般来说,Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩段隧道设计建议采用三台阶法、双侧壁导坑法、中隔壁法(CD)、交叉中隔壁法(CRD)法等工法施工。
目前,国内在大断面隧道修建技术上也积累了大量经验。
我国修建了很多大断面铁路隧道(表1)。
通过对苏家川隧道设计的三台阶施工法的试验和总结,找出适合宝兰客专黄土大断面隧道的施工工法:
(1)通过对苏家川隧道综合地层条件试验段开挖,提出了优化的七步台阶开挖法施工工艺和施工技术参数。
(2)通过施工现场监控量测,分析了黄土地层七步台阶开挖施工围岩与支护体系的变形特性,并对隧道支护结构进行了安全评价,说明优化的七步台阶开挖法在黄土地层施工中的适用性。
二、苏家川隧道施工方法的选择
2.1工程地质概况
宝兰客专位于陕西、甘肃两省。
是国家铁路“四纵四横”快速客运网的重要组成部分,是横贯西北地区与中、东部地区客运主通道,是一条高标准、高密度、大能力的客运专线。
线路正线长度402.635公里,桥隧比例为91.58%。
隧道62座,累计长度231.688km,其中长度>10km隧道6座。
其中绝大部分为黄土隧道。
苏家川隧道位于定西市安定区,地处黄土高原西北部。
洞身通过的地层主要为第四系全新统冲积砂(黏)质黄土、砂类土及碎石类土,上更新统风积砂(黏)质黄土,中更新统风积砂质黄土,底部为上第三系泥岩。
特殊岩土主要为湿陷性黄土、松软土及膨胀岩。
第四系砂(黏)质黄土属Ⅳ级自重湿陷性黄土场地,湿陷土层10~25m;砂(黏)质黄土属松软土,层厚为10~20m;上第三系泥岩具弱膨胀性。
隧道起讫里DK929+205~DK929+964,隧道长759m,为双线隧道,隧道洞深最大埋深55m。
2.2隧道工程设计
苏家川隧道结构设计参数详见表2、表3,支护结构断面如图1。
图1支护结构断面
2.3苏家川隧道试验段施工方法选择
试验段施工方法:
苏家川隧道进洞后选择了试验段进行开挖方法的的研究(DK929+227~DK929+427),根据设计图纸的要求以及围岩(Ⅴ级)情况,拟定开挖循环进尺为1.0m,分三个台阶七个掌子面开挖,各台阶相距5m左右(图2)。
各分部开挖方法如下
(1)①部开挖前,施做超前小导管,小导管规格为φ42壁厚4mm热轧无缝钢花管,长3.5m;环向间距40cm,纵向搭接不小于1m;设置范围为拱部140范围。
小导管外插角10°~15°;注1:
1水泥浆液,注浆压力0.5~1MPa;采用YT-28风钻钻孔,活塞式注浆泵水泥-水玻璃浆液。
(2)②部、③部在承载拱的保护下,交错开挖左右中台阶边墙,开挖循环进尺为1.5m,后按同样方法进行支护,使同一断面处暴露开挖面仅限于一侧,保持左右错开2榀。
(3)④部开挖中部台阶预留土。
(4)⑤部、⑥部左右交错开挖下台阶边墙,开挖循环进尺为1.0~1.5m,及时施作支护,保持左右错开2榀。
(5)⑦部主要为开挖下部和仰拱,施做初期支护及仰拱。
仰拱开挖长度约6m左右,仰拱与下导的距离不超过35m。
2.4洞内位移变化
2.4.1隧道洞内位移监测
隧道开挖过程中,及时进行洞内拱顶下沉和周边收敛量测,洞内监测点布置如图3。
Ⅴ级围岩拱顶沉降观测标埋设5m一个断面(图3)。
2.4.2隧道开挖对洞顶沉降的影响分析
为了分析隧道各部开挖对拱顶沉降的影响,对几个典型的断面观测数
据进行分析。
隧道在开挖过程中,由于各分部开挖衔接不及时、各分部步距不合理、初支不及时施做和仰拱封闭不及时都会引起隧道拱顶大的沉降
通过对苏家川隧道三台阶开挖拱顶下沉监测及结果分析,得出以下主要结论:
(1)从图4~7可以得出在开挖中、下导和仰拱时拱顶沉降发生突变。
原因是黄土的蠕变性比较强,岩土开挖扰动后要经过一段长的时间才能稳定。
如果各分部开挖的间距比较偏大,初支封闭成环的时间太长,拱顶的沉降更大。
(2)从图4、7得出仰拱开挖拱顶沉降发生突变主要是因为仰拱开挖过程中上部钢拱架拱脚处于一种悬空的状态,从而造成整个拱顶沉降加剧。
在仰拱施工完毕后,拱顶沉降又处于平缓的状态。
因此,钢拱架拱脚必须落于稳定的土层上,锁脚锚杆一定要严格施工。
(3)施工方法,试验段三台阶开挖上导未留核心土,不能平衡掌子面外推土压力。
掌子面塑形变形整体外推,造成塑形变形区加大,引起掌子面土体压力进一步增加,使得初期支护变形加剧。
仰拱封闭成环时间太晚,造成初期支护不能及时封闭成环,沉降无法趋于稳定而日趋加大,违背了新奥法的“快封闭”原则。
三、七步台阶施工方法优化
为了保证围岩稳定和施工安全,加快施工进度。
通过对苏家川试验段开挖工艺以及变形等数据的分析研究,对该工法的施工工艺和施工技术参数进行了优化调整。
采用预留核心土七步流水开挖法的施工方法(图8、9)。
第1步:
拱部超前小导管施做,进行上导预留大核心土开挖:
顶部空间2.0m,两侧宽2.2m,开挖循环进尺为1榀钢架间距。
开挖后及时进行喷3~5cm混凝土进行掌子面封闭。
架设钢拱架并挂网复喷至设计厚度,形成较稳定的承载拱。
锁脚锚杆采用φ42钢花管取代,按两根一组打设焊接在工字钢上,锁脚用的钢花管必须进行注浆。
下垫32槽钢。
第2、3步:
在承载拱的支护下,交错开挖左右中台阶边墙,开挖循环进尺根据不同围岩级别为1~2榀钢拱架间距控制。
后按同样方法进行支护,使同一断面处暴露开挖面仅限于一侧。
保持左右错开2~3榀。
第4、5步:
左右交错开挖下台阶边墙,开挖循环进尺根据不同围岩级别为2~3榀钢拱架间距控制,及时施作支护。
保持左右错开2~3榀。
第6步:
开挖中部上中下台阶预留核心土。
第7步:
第5步初期支护做完后马上开挖仰拱,尽快封闭成环。
施做仰拱初支及混凝土按照3~5m控制。
随后及时施作二次衬砌,二衬到仰拱距离最大不超过3段。
为了更清楚地分析优化的七步台阶开挖法的施工技术特点,对优化的三七步台阶开挖法与前期七步台阶开挖法进行了比较(表4)所示。
表4七步台阶开挖法技术指标应用对比
项目
前期台阶七步法
优化后台阶七步法
开挖方法
人工配合机械
先施工环向开挖,留核心土
掌子面稳定
无核心土
核心土5~6m
上导长度
5~6m
3~5m
中台阶长度
6~7m
3~5m
下台阶长度
5~6m
5~8m
仰拱封闭时间
16~20天
12~15天
仰拱到掌子面距离
35m
30m
二衬到仰拱距离
30-50m
20-30m
加强措施
扩大拱脚、加强锁脚
扩大拱脚、加强锁脚
四、七步开挖法施工监控量测
对优化的七步开挖法施工断面(DK929+255、DK929+265)围岩监控量测数据分析研究,根据隧道不同的围岩、含水率、地基承载力等情况变化,除了因布置监测点滞后而损失的部分沉降与纵向位移,得出以下主要结论:
(1)采用台阶七步开挖时,上台阶、中台阶、下台阶、仰拱开挖四个时段会引起较大的拱顶沉降和位移。
上导开挖后,拱顶短时间内即发生沉降变形下沉20mm左右。
在整个施工过程中,拱顶下沉最大值200mm,拱顶纵向位移最大值35mm,位移时态曲线显示支护结构已处于基本稳定状态。
在各分部开挖过程中,特别是上、中台阶、仰拱开挖,应避免钢拱架拱脚悬空,并采取锁脚锚杆、锁脚小导管以及扩大临时拱脚等加强措施。
隧道封闭成环后约两周左右,钢拱架受力基本稳定。
(2)现场监测结果表明,在初期支护不人为破坏,拱脚不泡水悬空的情况下,最初2天内拱顶下沉20mm左右,以后逐渐变小到5~6mm左右,每次落腿均有一次相对较大的沉降,中导和下导落腿分别为20~30mm左右,15天之内封闭,总体拱顶下沉量在17cm左右,最大为20cm。
因此,七步台阶开挖法在隧道施工中能够获得了效果。
而且在黄土这种特殊地质中依靠大核心土维持掌子面稳定,加强锁脚,通过垫槽钢扩大拱脚变相提高承载力,采取加强钢支撑之间的连接,以增加初期支护的刚度等措施,七步台阶流水作业得以实施。
五、七步台阶开挖法的施工控制要点
通过苏家川隧道采用预留核心土七步开挖法的施工实践,根据黄土隧道不同的围岩、含水率、地基承载力等情况变化,各个工序施工过程中必须要控制做好以下几点:
(1)上导开挖前必须做好超前小导管施做工作。
严禁开挖面扩大挖
除核心土,核心土纵向必须保留5~6m,宽度宜为隧道开挖宽度的1/3~1/2。
开挖循环进尺为1榀拱架间距。
开挖后及时初喷混凝土,安装钢支撑,并施作锁脚锚管固定(φ42,长不小于3.5m),然后安装钢筋网片,钢支撑相互焊联,喷混凝土。
钢支撑脚板必须支撑稳固。
(2)中、下导开挖采用单侧或两侧开挖施工,开挖作业宽度1.5~
2.0m,中间暂留核心土,长度控制在3~5m,宽度宜为隧道开挖宽度的1/3~1/2。
开挖每循环2~3榀钢架,开挖后及时初喷混凝土,安装钢支撑与上部钢支撑对接通过螺栓连接牢固,施作锁脚锚管固定(φ42,长不小于3.5m),然后安装钢筋网片,钢支撑相互焊联,喷混凝土。
两侧前后错开距离2~3榀型钢长度。
(3)拱脚均采用大拱脚,拱脚加宽至40cm,拱脚垫32槽钢形成纵向托梁。
锁脚锚管管应与水平向成45°施作,不能随意施打,严禁排成水平向或向上打,施作后及时注浆。
(4)钢拱架安装时必须在同一断面,垂直于水平。
(5)开挖仰拱,施工初支。
每循环开挖3~5m,一次安装4~6榀型,仰拱钢支撑和墙下部钢支撑通过连接板连接牢固,仰拱施工期间采用栈桥保持通行。
(6)施工期间严格控制每个台阶开挖步距,特别是仰拱开挖,一定要控制在3~5m左右。
观测掌子面位移,如掌子面出现大的掉块、坍塌、推移、挤出现象,应及时采取插打钢管、注浆等措施,控制掌子面位移,确保开挖是在掌子面稳定的情况下进行。
(7)喷射混凝土必须与岩面紧密粘接,结合牢固,喷射厚度符合要求,不能有空洞,喷层内不容许添加块石等杂物。
(8)施工过程中,台阶长度不能短于台阶高度加4榀钢支撑宽度,否则容易引起台阶失稳,要充分发挥监控量测作用,重视台阶稳定性,及时发现、解决险情。
六、结论
通过对苏家川隧道黄土地层七步台阶开挖施工的试验与优化,总结了采用七步台阶开挖法掘进大断面隧道的施工技术。
(1)根据苏家川隧道黄土综合地层条件,分析在试验段发生大变形的原因,提出了有针对性优化的七步台阶开挖法施工工艺和施工技术参数。
(2)根据苏家川隧道黄土地层优化的七步台阶开挖施工特点,分析了黄土地层条件下七步台阶开挖施工围岩变形特征,说明了优化的七步台阶开挖法在黄土地层施工中的适用性。
(3)基于优化的七步台阶开挖法在苏家川隧道黄土段的应用总结,提出了相应的黄土地层大断面隧道施工技术指标。
(4)七步台阶开挖法在软弱围岩条件下的成功应用,充分发挥了仰拱紧跟、二衬紧跟,加强锁脚,及时封闭成环,尽快强化和发挥支护体系的空间效应的作用。
同时与掌子面及其前方核心土体的稳定有着直接的关系,因此有关掌子面前方核心土的预留等仍需要在以后的工程中深入分析,以进一步完善和推广该工法。
参考文献
[1]霍玉华大断面黄土隧道快速掘进施工方法研究[J]铁道标准设计,2007(增刊1)
[2]杜永昌高速与客运专线铁路施工工艺手册[M].北京:
科学技术文献出版社,2006
[3]赵勇.高速铁路隧道[M].北京:
中国铁道出版社,2006
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