公路隧道三台阶CD法开挖施工工法.docx
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公路隧道三台阶CD法开挖施工工法
公路隧道三台阶CD法开挖施工工法
工法编号:
RJGF(闽)-81-2010
完成单位:
福建省闽西交通工程有限公司
福建成森建设集团有限公司
主要完成人:
罗惠清钟天彬谢义宝吴荣军余运喜
1前言
在软弱围岩隧道施工中,特别是浅埋偏压段,软弱岩体破碎,裂隙发育,整体强度低,自稳能力差,隧道开挖后自稳时间短,甚至没有自稳时间,隧道开挖后,受隧道拱顶不均衡应力及局部侧压力的影响,围岩整体结构易失稳,易出现坍塌冒顶现象,给施工安全带来极大隐患。
我公司通过宁武高速及双永高速两个实际工程的建设,在隧道施工中,根据现场的地质条件及自身的施工能力,对传统的CD法开挖做出调整,由原来的4块改成6块开挖,拱部和边墙采用液压式自行整体衬砌台车衬砌,成功进行了施工,总结了成功经验,形成了公路隧道三台阶CD法开挖施工工法,并取得了良好的经济效益和社会效益。
2010年04月15日由省高指、宁武公司在宁武高速公路(南平段)A10合同段笔架山隧道召开了(全市高速公路)CD法施工现场观摩会,会上省高指对该施工方法给予了高度评价。
2特点
2.0.1将大断面的隧道开挖分解成小断面,达到减小开挖跨度和降低开挖高度的效果,进行分部开挖,分块分环,化大为小,步步封闭,加快了从开挖到支护完成的施工周期,减少了对周边软弱围岩的扰动,不易形成大面积的坍塌,特点是安全性高,结构受力较好,能提高初支强度、刚度,有效抑制大跨度、软岩隧道开挖的变形。
同时左右侧导坑可平行作业,开挖面相对稳定,作业较为安全。
2.0.2与传统的CD法施工相比,施工安全性更高,工序转换更为频繁,要理清各个工序先后顺序及相连关系,在施工中尽量减少各工序之间的相互影响,并根据施工中实际情况灵活调整,确保施工的质量及安全。
3适用范围
本工法适用于围岩极差、跨度大、浅埋、地表沉降需要控制,特别是土质和类土质、含水量大、承载力极低围岩及易产生大变形的公路隧道,也可适用于其它类似工程隧道。
4工艺原理
4.0.1先开挖隧道的一侧,并施作中隔壁,然后再开挖另一侧的施工方法,即将洞室全断面分为六大块,先行导坑上、中、下台阶,后行导坑上、中、下台阶,隧道中部设置中隔壁。
先行导坑上台阶初期支护封闭后,开挖先行导坑中台阶并初期支护封闭,然后下台阶落底并初支封闭成环,左右导坑纵向拉开距离不小于2D(D为开挖跨度)时,后行导坑可跟进平行施工,再拆除中隔壁临时支护,分部施工防排水系统和仰拱、边墙、拱部二次模筑砼衬砌。
施工中采用多部开挖,减小分部开挖跨度和开挖高度,小分割,短进尺,弱爆破,快支护,勤量测,早封闭的原则,同时分块分环,化大为小,步步封闭,环环相扣,施工安全有保障,如图4.0.1所示。
4.0.2通过监控量测数据,采用新奥法原理和控制爆破技术,及时采用超前支护及喷锚进行初期支护,针对围岩软弱特点,经监控量测数据反馈,合理确定工序间的关系。
4.0.3利用监控量测沉降、位移回归分析及初支锚杆拔力、钢支撑内力、喷射砼及二衬砼应力的量测结果指导施工。
图4.0.1三台阶CD法施工示意图
5施工工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程
施工工艺流程,如图5.1所示。
图5.1施工工艺流程图
5.2操作要点
5.2.1施工准备
1根据设计图纸及洞口地质情况,制定并实施进洞前辅助加固措施。
2配备专业施工队伍和施工人员,投入所需的相关设备,组合所需的各种材料。
5.2.2施作洞口超前管棚
1开挖1部前,按照设计文件在拱部154度范围内布设φ108×6mm,L=42m,环向间距a=0.5m超前钢管施作超前支护。
2进洞第一排管棚施工前,施作C25砼明暗洞衬砌套拱(厚0.6m),套拱内埋设3榀钢拱架,钢拱架与管棚导向钢管焊成一个整体。
3施作钻孔:
采用CSJ-30管棚钻机沿开挖轮廓线向外倾斜α角(外插角控制在1°~3°)钻孔,管间用丝扣接头联接,钢管顶进到位后,将其与钢支撑焊接成一体,采用CS麻丝胶泥封堵孔口段止浆。
注浆采用水泥浆,水灰比为:
W/C=0.5,注浆的初始压力0.5-1.0MPa,终结压力控制在2.0MPa。
注浆料的配合比及压力要通过试验参数调整确定。
5.2.3施作洞身超前小导管
1在洞口未设管棚地段,开挖1部前,按照设计文件在拱部150范围内布设φ50mm,L=5m,a=0.3m超前小导管施作超前支护。
小导管的搭接长度为2.33m、型钢间距为0.5m。
2钻孔、插入小导管:
采用φ60mm钻机钻孔,孔径为:
沿开挖轮廓线向外倾斜α角(外插角控制在15°)。
孔位检查合格后,插入小导管,小导管的后端焊接在钢拱架上然后进行注浆,注浆采用单浆水灰比为:
W/C=0.5,注浆的压力控制在0.5-1.0MPa,注浆料的配合比及压力要通过试验参数调整确定。
5.2.4开挖与支护
1开挖顺序:
1部先行开挖,随即依次开挖2部、3部。
1部作业空间较小,采用0.2m3挖掘机(具有挖、推双重功能)开挖,2、3步采用0.65m3挖掘机开挖,15t自卸汽车运输。
台阶间距控制在3-5m之间。
开挖循环进尺为1.5倍钢拱架间距,即为0.75m(钢拱架间距为0.5m)。
2初期支护为:
C20喷射混凝土厚24cm,钢拱架间距为0.5m,单层HPB235钢筋网以及法向Φ25中空注浆锚杆,每两榀钢拱架之间设φ25纵向连接钢筋,环向间距为1m。
3临时支护为:
C20喷射混凝土厚24cm,钢拱架间距为0.5m,单层HPB235钢筋网以及Φ22超前药卷锚杆,每两榀钢拱架之间设φ25纵向连接钢筋,环向间距为1m。
4喷射混凝士采用湿喷工艺,可大幅度减低粉尘浓度和回弹率,增大一次喷层厚度,提高生产效率,保证工程质量。
1)喷射作业按三台阶分部开挖顺序分段、分片实施,由下而上沿两侧拱脚往拱部中心对称喷射,确保喷射表面平整,无“排骨”现象。
喷射作业以先初喷,初支后复喷方式分层进行。
2)注意事项:
a.混凝土材料和易性好,坍落度控制在8-15cm;
b.风压控制在0.1MPa左右,风量10m3/min;
5施作工序
1)先行导坑上台阶(1部)量测划出开挖轮廓线,拱部沿轮廓线施作超前小导管及侧壁临时超前锚杆支护;采用人工配合0.2m3挖掘机开挖,必要时辅予弱爆破,单循环进尺0.75m;周边及掌子面初喷混凝土厚4cm,在周边钻锚杆孔,安装系统径向中空锚杆并注浆,挂设钢筋网并与径向锚杆焊接牢固,架立钢拱架(包括侧壁临时钢拱架),钢拱架0.5m/榀,并设置锁脚锚杆,周边复喷混凝土至设计厚度,同时浇筑先行导坑上台阶C20临时仰拱砼。
及时封闭成环。
2)待1部进尺3-5m时,进行2部开挖。
2部采用人工配合0.65m3挖掘机开挖,必要时辅予弱爆破,装载机装,15t自卸汽车出渣,单循环进尺1~1.5m;周边及掌子面初喷混凝土厚4cm,在周边钻锚杆孔,安装系统径向中空锚杆并注浆,挂设钢筋网并与径向锚杆焊接牢固,钢支撑落底(包括侧壁临时钢拱架)封闭成环,钢拱架0.5m/榀,必要时设置锁脚锚杆,周边复喷混凝土至设计厚度,确保先行导坑相邻台阶纵向错开距离不大于5m。
同理可进行先行导坑下台阶的开挖。
3)先行导坑上台阶(1部)掘进长度大于2D(D为隧道开挖跨度)时,进行后行导坑开挖。
后行导坑开挖方法和顺序同先行导坑。
4)施工中先行导坑掌子面与后行导坑掌子面在纵向错开距离不小于2D(D为隧道开挖跨度)。
5)先行导坑、后行导坑初支全部封闭成环,待初期支护收敛后,拆除中隔壁钢架支撑,浇筑仰拱、二衬砼及填充层。
6)根据监控量测数据分析,当围岩基本稳定时(监控量测数据满足下列要求时可认为已基本稳定:
a已产生的各项位移已达预计总位移量的80%,b周边位移速率小于0.1~0.2mm/d,c或拱顶下沉速度小于0.07~0.15mm/d),逐段拆除中隔壁临时支护,浇筑仰拱二衬砼及填充层。
5.2.5超前地质预报与施工监测项目
1超前地质预报
在隧道施工中,将超前地质预报作为工序纳入施工管理,对地质超前预报进行分级管理。
超前地质预报的内容包括不良地质及灾害地质预报、水文地质预报和围岩级别及其稳定性预报。
地质预报应分级进行,采用物探和钻探,长距离、中长距离和短距离相结合,多种手段综合分析,相互印证。
2预报内容
1)推断掌子面前方约40m范围内可能出现的地层、构造、岩性情况;
2)推断掌子面实见的各种不良地质体向掌子面前方延伸的情况;
3)对掌子面涌水量的观测,结合岩性、构造特征,推断工作面前方一定范围内可能的地下水涌出情况;
4)在上述推断的基础上,预测工作面前方一定范围内的隧道围岩级别,提出准确的超前支护建议,并对施工支护提出初步建议。
3监控量测
监控量测项目主要根据隧道工程的地质条件、围岩级别、跨度、埋深、开挖方法和支护类型等综合条件确定。
具体项目、测点布置、量测频率和周边允许相列位移值,如表5.2.5-1、表5.2.5-2和表5.7.5-3所示。
表5.2.5-1监测项目
序号
监测项目
测试工具及仪表
备注
1
地质和支护状况
地质罗盘及规尺
必测
2
地表下沉
水平仪及水平尺
必测
3
拱顶下沉
精密水准仪
必测
4
周边移位
收敛机
必测
5
锚杆抗拔力
应力计
选测
6
钢拱架支撑内力
支柱压力
选测
表5.2.5-2测点布置图
围岩级别
测点间距(m)
水平收敛
拱顶下沉
表面移位
Ⅴ
5
6
3
2
表5.2.5-3量测频率
位移速度
距工作面距离
量测频率
>10
0~1B
1~2次/d
5~10
1~2B
1次/d
5~1
2~5B
1次/2d
<1
>5B
1次/周
根据位移变化速率判别,当净空变化速率连续三天>1mm/d时,需加强支护系统;当拱顶下沉速度<0.07-0.15mm/d,或周边位移速率<0.1-0.2mm,则认为围岩基本稳定。
5.2.6注意事项
1应坚持“管超前、短进尺、弱爆破、强支护、勤量测、早封闭”的原则。
2应采取分部开挖、小分块、早成环、环套环形成全断面初期支护封闭结构的施工方法。
3先行导坑上、中、下台阶与后行导坑上、中、下台阶可以平行交叉作业,确保纵向错开距离满足设计及规范要求。
5.3劳动力组织
劳动力组织人员配备,如表5.3所示。
表5.3劳动力组织情况表
序号
开挖及初支各班组
人数
1
测量(含监测)
8
2
开挖班(含超前及锚杆钻孔)
24
3
支护班(初喷、安装小导管、锚杆、修边、挂网、架立钢拱架、复喷)
28
4
出渣
12
5
电工
2
6
排水、通风道路维护
4
7
合计
78
6材料与设备
表6材料与设备配备
序号
机械设备名称
型号
数量
1
装载机
LG856
2
2
挖掘机
斗山MX311
1
3
挖掘机
小松PC56
1
4
自卸汽车
15t
2
5
空压机
艾维特.SG
2
6
气腿式凿岩机
YT28
8
7
混凝土搅拌机
Js750
2
8
混凝土运输车
Vr350
2
9
湿式喷射机
GSP-D2
2
10
注浆机
G2JB
2
11
抽水机
4
12
电焊机
630A型、400A型
2
13
切断机
GJ32
2
14
发电机
350KW
1
15
变压器
500KVA
2
16
轴流式风机
55KW
3
7质量控制
7.1质量控制标准
施工时,三台阶CD法开挖质量控制及验收标准严格按以下规范及要求执行:
1)中华人民共和国行业标准《公路工程质量检验评定标准》(JTGF80/1-2004)
2)中华人民共和国行业标准《公路隧道施工技术规范》(JTG042-94)
7.2质量保证措施
7.2.1采用三台阶CD法开挖,开挖步骤多,工序比较复杂,必须合理安排工序,才能保证施工规范、有序进行,确保工程质量。
7.2.2三台阶CD法施工,上、中、下台阶长度控制在3~5m较适宜,根据监测位移变化速率判别,当净空变化速率>0.5mm/d时,台阶长度控制在3m内;当拱顶下沉速度<0.5mm/d,或周边位移速率<0.4mm时,台阶长度控制在5m内。
7.2.3先行导坑掌子面与后行导坑掌子面纵向错开距离应大于2D(D为隧道开挖跨度),尽量减少后行导坑的掘进对先行导坑初支的扰动。
7.2.4上部初支喷射砼强度达到70%后才开进行中、下台阶的开挖,中、下台阶的左右侧马口钢支撑落底应错开,同时下台阶初支仰拱应跳槽施工。
7.2.5每一分部的开挖高度控制在3.2m左右,现场可根据设备、地质等情况适当调整,地质很差时左右侧上部开挖施应考虑预留核心土切环开挖。
7.2.6由于工序多,施工用水和隧道渗水容易在边墙处汇集,浸泡拱脚基础,使其变软,从而造成初期支护和围岩的整体下沉,因此施工中的施工用水和隧道渗水必须设法有效排放。
7.2.7临时中隔壁的作用在于分隔隧道、形成中心支柱,从而“减小”开挖断面,减小隧道断面效应,同时传递荷载,因此在施工中爆破必须注意药量控制,不能对中隔墙造成很大破坏,注意加强中隔墙的支护质量,确保其支撑强度,同时注重临时仰拱的施工,可以大大提高支护强度,从而保证使用本工艺施工成功。
7.2.8超欠挖控制。
对测量控制点应保护,特别是洞内布点,应经常复合。
采用弱爆破,断面开挖测量时应检验上一循环爆破效果,有欠挖的及时挖除,超挖严重的分析原因,改进爆破方法。
超前钢管钻孔要严格控制外插角,钢管连接、长度以及注浆压力达到设计和规范要求。
7.2.9钢支撑定位准确,连接牢固,无翘曲、垂直,拱脚垫槽钢。
7.2.10锚杆垂直岩面施作,其间距、孔深、长度、直径和抗拔力应符合设计要求。
7.2.11钢筋网紧贴围岩,钢筋直径和网格间距符合设计要求。
7.2.12喷射混凝土应密实饱满,不得留有孔洞,厚度和轻度合格。
8安全措施
各工序操作必须严格遵守安全操作规程,另采取以下安全措施:
8.0.1隧道掌子面50m以内设置专用逃生管。
8.0.2在监控量测和超前地质预报信息的指导下,进行隧道的开挖。
8.0.3尽量少用炸药,采用弱爆破,土质围岩段采用人工配合机械开挖。
8.0.4坚持“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的方针。
8.0.5加强通风、照明、防尘、降温等工作,保护施工人员的身心健康。
8.0.6备齐应急物质,建立抢险专业队伍。
9环保措施
9.0.1施工场地
在施工场地平面布置过程中,将环保工作纳入统一规划,少占耕地。
施工便道尽量避开村庄,驻地及生产设施的建设充分考虑与自然景观的和谐统一。
施工生产用水排放沟统一布置,设置多级沉淀池,妥善处理,不排入农田、耕地、河道等处,避免排水回溢、冲刷、污染自然水源。
工地厕所设置三级化粪池净化,施工完毕后覆盖埋置;生活垃圾及时清理,弃至指定地点,并作好绿化。
9.0.2弃土场环保
1)弃土必须分层压实,严禁倾倒,完工后进行平整,加以防护及绿化。
2)通往弃土场施工便道,设置纵向排水沟,保证排水通畅,不污染农田。
3)根据设计与当地环保部门签定协议按要求,对弃土采取稳妥的防护措施,做好弃土堆坡面防护,为复耕或绿化提供优良条件。
4)弃土场均设置拦碴墙,施工完后及时复耕或绿化。
9.0.3施工扬尘
为防弃土装运工程渣土的车辆遗洒碴土,所有运输车辆全部采用有盖自卸汽车。
所有出施工场地的车辆必须经过清洗,并设专人监管采取有效措施,保证不污染道路和环境。
配备专用洒水车对段内施工便道定时洒水,将灰尘降到最低程度;并经常进行清扫,避免造成道路污染。
10效益分析
10.0.1社会效益
三台阶CD法开挖隧道,减小了对围岩的扰动,工序施工周期短,同时平行作业使工序紧凑,施工环境安全可靠,在确保安全的前提下工效相对较高,。
10.0.2经济效益
与传统的CD法相比,三台阶CD法开挖断面更小,小步快进,安全可靠,节省了大型机械使用,减少能源的浪费,经济效益相对显著。
11应用实例
本工法成功应用于宁武高速A10标及双永高速A6标等工程,工程质量满足规范和合同要求,现以宁武高速A10标和双永高速A6标为实例。
11.0.1宁武高速A10标工程实例
1工程概况
宁武高速(南平段)A10标笔架山隧道由福建省闽西交通工程有限公司承建,于2009年10月开工,现仍在建,采用本工法施工。
笔架山隧道位于南平市政和县,起讫桩号ZK150+309~ZK152+955(左洞)、YK150+305~YK152+935(右洞),全长2638m,进出口采用削竹式洞门;隧道限界10.75×5m,采用三心圆拱衬砌。
隧址区洞口为坡残积粘土和强风化凝灰熔岩,断裂及裂隙发育,围岩级别以IV~V级为主。
洞身围岩为弱风化—微风化凝灰熔岩,属较硬岩—坚硬岩为主,级别以II、III级围岩为主。
该隧道V级围岩796m(折合单洞),在隧道软弱围岩段施工中,特别是浅埋偏压段,软弱岩体破碎,裂隙发育,整体强度低,自稳能力差,隧道开挖后自稳时间短,甚至没有自稳时间,隧道开挖后,受隧道拱顶不均衡应力及局部侧压力的影响,围岩整体结构易失稳,易出现坍塌冒顶现象,给施工安全带来极大隐患。
2施工情况
采用本工法开挖,掘进顺利,软弱地段围岩开挖过程中未出现坍塌,断面超欠挖控制有力。
尽量组织导坑平行施工作业,在同等软弱围岩情况下,施工进展相对较快。
3工程评价
采用本工法施工,在极软弱围岩条件下,有效确保围岩的稳定及隧道施工安全。
导坑之间平行穿插作业,提高施工进度,具有较好的进度效益和经济效益。
11.0.2双永高速A6标工程实例
1工程概况
双永高速A6标苏坂隧道由福建省闽西交通工程有限公司承建,于2009年10月开工,现仍在建,采用本工法施工。
苏板隧道位于龙岩新罗区苏坂乡,ZK139+309~ZK140+109,长800m;右线起讫桩号为YK139+280~YK140+123,长843m。
隧道限界10.75×5m,采用三心圆拱衬砌。
隧址区洞口为坡残积粘土和强风化岩,断裂及裂隙发育,围岩级别以III~V级为主。
该隧道V级围岩1282(折合单洞),为双车道隧道软弱围岩,部分为极软弱、破碎围岩。
2施工情况
采用本工法开挖,有效控制了极软弱地段围岩开挖过程中的稳定,同时,有效组织导坑平行施工作业,施工进展满足合同计划要求。
3工程评价
采用本工法,隧道极软弱围岩段施工安全,进度快。
具有较好的进度效益和经济效益。
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