浅析软弱围岩隧道快速施工技术
08-22 12:12:06 浏览次数:350次 栏目：地铁遂道
标签：工程设计,
浅析软弱围岩隧道快速施工技术,http://www.gong66.com
摘要：通过对神延铁路W9标的羊马河隧道、关路坡隧道 、翅膀沟隧道8690m,软弱围岩隧道6175m,土质隧道5190m快速施工范例，总结了软弱围岩隧道快速施工的经验。
关键词：软弱围岩；隧道；快速施工
随着科学技术和生产管理水平的进步，我国修筑长大软弱围岩隧道的能力不断提高。这不但表现在克服各种软弱围岩复杂工程地质技术手段上，及在施工软弱围岩的成洞速度和工程质量上。现总结神延铁路W9标段隧道的施工经验，供同类施工隧道参考。
1 工程式概况
1、1 基本情况
神延铁路W9标段为三座越岭隧道：羊马河隧道长3810m,关路坡隧道长辈3159m,翅膀沟隧道长工1721m,共长8690m.其中：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩共6175m,占隧道总长的71%。Ⅳ类围岩总长为2515m,占隧道总长的29%。其中土质地段总长度5190m,占隧道设计长度的60%。
1.2 工程地质情况
神延铁路W9标段位于陕北黄土高原梁峁沟谷区，冲沟发育，植被稀疏，地形起伏较大。出露黄土质砂粘土；风积新黄土，冲积圆砾土、卵石土；老黄土；红粘土以及砂岩夹页岩，页岩夹砂岩。沿线冲沟、陷穴、滑坡溜坍、湿地、斜坡不稳、软弱地基及煤窑采空等不良地质现象特别发育。黄土隧道开挖后，初期变形大、变形速度快，围岩自稳时间较短。各岩层界面上、下土的含水量较大。这些对围岩的稳定性极为不利。
2 施工方法
2、1 洞口段施工
一般来讲，洞口段围岩破碎松散，开挖后，围岩不能形成自然拱，易导致坍塌。根据各隧道洞口的地质情况，采取了如下措施：羊马河隧道进、出口及湫沟斜井、关路坡隧道进、出口、翅膀沟隧道进、出口的地质条件较好，清理边仰坡、进行锚杆挂网和喷砼封闭后直接进洞；关路坡隧道蚂蚁斜井洞口位于地下水、地表水发育地段，地层为红粘土，含水量大，呈软塑状。对围岩采用超前小导管进行预加固。
2、2 正洞施工
本标段三座隧道可分为两类，即土质隧道和石质隧道。新黄土具Ⅱ级自重湿陷性，红粘土呈弱膨胀性，砂岩及页岩互层，风化严重，产状几乎呈水平状，且岩层较薄。在各岩层界面，有较丰富的地下水。针对这种情况，我们对土质隧道采用非钻爆开挖法（即用风镐配合挖掘机开挖），石质隧道采用了弱爆破开挖法。
2、2、1 土质隧道I、Ⅱ类围岩的施工
在土质隧道施工中,我们严格遵循了“短开挖，禁爆破，快支护，勤量测，紧衬砌，早成环”的原则，采取超短台阶法，用风镐配合挖掘机开挖的施工方法。
当围岩软弱、松散时，围岩变形快，侧压力大，自稳时间短，初期支护早期强度不能满足围岩稳定的要求，甚至开挖后便产生围岩失稳坍塌。根据本标段三座隧道围岩情况，一般情况下，采用超前锚杆的办法，稳定围岩。当覆盖层较薄，围岩松散破碎时，采用超前小导管进行预加固（具体开挖顺序见图1），其工艺流程见图2。
通过上述分析，土质I、Ⅱ类围岩地段的施工步骤如下:
a、 开挖（1）部
（1）部开挖非常重要，直接影响其它步骤的正常实施。本部开挖每次进尺不宜超过1.5m,开挖范围以同时满足人工开挖（1）部、施作初期Ⅱ部、并正确使用挖掘机开挖核心土（3）的最小尺寸要求，最大限度发挥机械施工效率，减少人工开挖作业量，加快施工速度。（1）部施工时要保留核心土（3）部。（3）部的作业即可作为（1）、Ⅱ的作业平台，从力学角度讲，它可以对II部拱脚形成反压，稳定拱脚，减小拱部下沉。为（1）部施工方便并考虑后续施工步骤容易实施，（1）部开挖的下部可以最大跨线为限，拱部开挖轮廓考虑预留变形量、钢架（格栅）的5cm砼保护层为限，并便于钢架（格栅）的分节安装。
a. 根据钢架（格栅）、喷拱部砼.初期支护II部
根据围岩（新、老黄土，红粘土）的工程地质特征，为施工安全，开挖后及时初喷砼5cm尽早封闭岩面，并保证钢架（格栅）的砼保护层厚度。
安装时，为了尽量减少拱顶下沉，严禁基脚处超挖，且将该处进行适当夯实处理，围岩承载力较小时，加大钢板或木板，增加承压面积。钢架两基脚处加锁脚锚杆。钢架（格栅）不仅是作为初期支护之前的施工支护，而且是复合式衬砌结构的一部分，还应严格按设计实施。
喷砼施工：作为喷锚构筑法的一个重要施工环节，还是作为隧道的永久支护，喷砼对隧道的顺利施工和运营安全都将起至关重要的作用。本标段三座隧道施工，选用TK—961湿喷机进行湿喷，加入TX—1型液体速凝剂以减少粉尘和回弹。
b. 开挖核心土（3）及落中槽（4）
为了（1）、Ⅱ部的施工方便,(3)部的长度不宜超过3m。
加快施工速度，采用反铲挖掘机开挖（3）部，但施工时，挖掘机大臂及挖斗严禁碰撞II部。
中槽（4）部可用挖掘机或装载机开挖，开挖长度控制在6m以内,可与(3)部顺接,其上、下口宽以保证两边墙马口上、下部宽度≮1.2m,马口与底部顺接。由于黄土隧道开挖后，侧压力较大，所以，中槽开挖不宜过长、过宽，确保马口稳定。
d、开挖马口(5)、（7）部及作初期支护Ⅵ、Ⅷ
为保证（Ⅱ）稳定，两侧马口开挖时，应前后错开，相距1m。用风镐开挖，坚持短进尺，每次挖1m，自上而下进行，同时应保证两榀钢架（格栅）不能同时悬空，边挖边接长钢架（格栅）。基脚处做历实处理，以期稳定。开挖完毕，即喷砼封闭岩面。该部施工时，切不可盲目冒进。
e、施作仰拱Ⅸ部
这一步是具体体现新奥法施工的一条重要原则：早日成环。黄土隧道施工，仰拱对衬砌结构的稳定起至关重要的作用。由于黄土隧道开挖后，变形较大，侧压力也较大，为防止边墙内挤侵限，按“早成环”的原则，应及时施作仰拱，封闭结构。仰拱一般紧跟初期支护，在地下水较多或土层较好时可拉开一定距离，但最大不超过10%，在含水较大的新黄土地段，应先施作仰拱。（4）、（5）、（7）部施工时不要扰动底部（轨面以下），底部随着开挖既施作仰拱，防止施工用水及地下水浸泡基础。
f、灌注二次衬砌砼Ⅹ、Ⅺ部
二次衬砌的施作时间，应满足下列条件：各测试项目所显示的位移率明显减缓、各项收敛速度＜0.2mm/d或拱顶位移速度＜0.15mm/d、已发生的各项位移，已达到预计位移总量的80～90%、初期支护表面没有再发展的明显裂缝。根据三座隧道的土质情况，既考虑上述条件，又考虑工期紧的具体情况：采取二次衬砌紧跟，即I类围岩地段衬砌距掌子面5～6m、Ⅱ类围岩地段衬砌距掌子面8～11m，Ⅲ类围岩地段衬砌距掌子面13～15m、浅埋地段应及时进行二次衬砌。
2.2.2土质隧道III类围岩开挖方式
土质III类围岩地段，在本标段主要为老黄土和红粘土，其施工方法同I、II类围岩，但开挖台阶长度可适当增加。由于红粘土具弱膨胀性，开挖后不宜暴露时间过长，为确保安全，开挖和初期支护参数原则上不能超过I、II类土质隧道开挖和初期支护参数。
2.2.3 石质II、III类围岩开挖方式
羊马河、关路坡隧道存在较长地段上部土层、下部石质岩层，部分地段土石界面几乎与拱部开挖轮廓线重合，土石界面处地下水较大。
石质II、III类围岩地段，采用三步短台阶法开挖，人工钻爆，（1）部由人工倒碴至（3）部再由挖掘机扒至（5）部，（3）部开挖的碴也扒至（5）部，随（5）部将碴一起运出。上部土层地段的施工同土质I、II类围岩的施工，下部岩石采用弱爆破。部分浅埋地段采用超前小导管预支护外，其余均采用超前锚杆预支护。施工工艺与土质I、II、III类围岩相同，其施工步骤如下（施工顺序见图3）：
开挖（1）部、施作II部初期支护（含钢架）、开挖（3）部、施作Ⅳ部初期支护（含钢架）、开挖（5）部、施作Ⅵ部初期支护（含钢架）、施作仰拱Ⅶ、二次衬砌Ⅶ。
2.2.4 施工机械
主要设备有：挖掘机、装载机、空压机、通风机、砼输送泵、砼输送车、自卸汽车、砼拌和站、湿喷机、运输汽车、衬砌台车、抗干扰工作平台、变压器、发电机，由于两个斜井的坡度较大，各增加一台20T卷扬机。
2.2.5施工中应注意事项
a 、严格执行既定的施工原则，不得为盲目追求进度，蛮干冒进。
b 、为保证衬砌厚度以及衬砌结构不侵限，开挖轮廓应考虑预留变形量。预留变形量初期可按I类围岩10cm,II类围岩8cm、III类围岩6cm考虑。施工过程中，结合测量结果及时修正。
3 施工绩效
三座隧道主体工程仅用16个月，提前合同工期15天。实际施工时
间比国家定额工期节省14个月。施工过程中出现土质地段及石质I、II类围岩地段月成洞85m,8个，土质地段平均单口月成洞60m,最高单口月成洞82m.石质II类围岩地段月成洞120m14个，石质III类围岩地段单口月成洞140m6个。三座隧道连续5个月完成成洞850m以上，最高月完成985m,平均月完成543m。被专家们称赞为“开创了国内软弱围岩隧道施工的奇迹。
，浅析软弱围岩隧道快速施工技术
摘要：通过对神延铁路W9标的羊马河隧道、关路坡隧道 、翅膀沟隧道8690m,软弱围岩隧道6175m,土质隧道5190m快速施工范例，总结了软弱围岩隧道快速施工的经验。
关键词：软弱围岩；隧道；快速施工
随着科学技术和生产管理水平的进步，我国修筑长大软弱围岩隧道的能力不断提高。这不但表现在克服各种软弱围岩复杂工程地质技术手段上，及在施工软弱围岩的成洞速度和工程质量上。现总结神延铁路W9标段隧道的施工经验，供同类施工隧道参考。
1 工程式概况
1、1 基本情况
神延铁路W9标段为三座越岭隧道：羊马河隧道长3810m,关路坡隧道长辈3159m,翅膀沟隧道长工1721m,共长8690m.其中：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩共6175m,占隧道总长的71%。Ⅳ类围岩总长为2515m,占隧道总长的29%。其中土质地段总长度5190m,占隧道设计长度的60%。
1.2 工程地质情况
神延铁路W9标段位于陕北黄土高原梁峁沟谷区，冲沟发育，植被稀疏，地形起伏较大。出露黄土质砂粘土；风积新黄土，冲积圆砾土、卵石土；老黄土；红粘土以及砂岩夹页岩，页岩夹砂岩。沿线冲沟、陷穴、滑坡溜坍、湿地、斜坡不稳、软弱地基及煤窑采空等不良地质现象特别发育。黄土隧道开挖后，初期变形大、变形速度快，围岩自稳时间较短。各岩层界面上、下土的含水量较大。这些对围岩的稳定性极为不利。
2 施工方法
2、1 洞口段施工
一般来讲，洞口段围岩破碎松散，开挖后，围岩不能形成自然拱，易导致坍塌。根据各隧道洞口的地质情况，采取了如下措施：羊马河隧道进、出口及湫沟斜井、关路坡隧道进、出口、翅膀沟隧道进、出口的地质条件较好，清理边仰坡、进行锚杆挂网和喷砼封闭后直接进洞；关路坡隧道蚂蚁斜井洞口位于地下水、地表水发育地段，地层为红粘土，含水量大，呈软塑状。对围岩采用超前小导管进行预加固。
2、2 正洞施工
本标段三座隧道可分为两类，即土质隧道和石质隧道。新黄土具Ⅱ级自重湿陷性，红粘土呈弱膨胀性，砂岩及页岩互层，风化严重，产状几乎呈水平状，且岩层较薄。在各岩层界面，有较丰富的地下水。针对这种情况，我们对土质隧道采用非钻爆开挖法（即用风镐配合挖掘机开挖），石质隧道采用了弱爆破开挖法。
2、2、1 土质隧道I、Ⅱ类围岩的施工
在土质隧道施工中,我们严格遵循了“短开挖，禁爆破，快支护，勤量测，紧衬砌，早成环”的原则，采取超短台阶法，用风镐配合挖掘机开挖的施工方法。
当围岩软弱、松散时，围岩变形快，侧压力大，自稳时间短，初期支护早期强度不能满足围岩稳定的要求，甚至开挖后便产生围岩失稳坍塌。根据本标段三座隧道围岩情况，一般情况下，采用超前锚杆的办法，稳定围岩。当覆盖层较薄，围岩松散破碎时，采用超前小导管进行预加固（具体开挖顺序见图1），其工艺流程见图2。
通过上述分析，土质I、Ⅱ类围岩地段的施工步骤如下:
a、 开挖（1）部
（1）部开挖非常重要，直接影响其它步骤的正常实施。本部开挖每次进尺不宜超过1.5m,开挖范围以同时满足人工开挖（1）部、施作初期Ⅱ部、并正确使用挖掘机开挖核心土（3）的最小尺寸要求，最大限度发挥机械施工效率，减少人工开挖作业量，加快施工速度。（1）部施工时要保留核心土（3）部。（3）部的作业即可作为（1）、Ⅱ的作业平台，从力学角度讲，它可以对II部拱脚形成反压，稳定拱脚，减小拱部下沉。为（1）部施工方便并考虑后续施工步骤容易实施，（1）部开挖的下部可以最大跨线为限，拱部开挖轮廓考虑预留变形量、钢架（格栅）的5cm砼保护层为限，并便于钢架（格栅）的分节安装。
a. 根据钢架（格栅）、喷拱部砼.初期支护II部
根据围岩（新、老黄土，红粘土）的工程地质特征，为施工安全，开挖后及时初喷砼5cm尽早封闭岩面，并保证钢架（格栅）的砼保护层厚度。
安装时，为了尽量减少拱顶下沉，严禁基脚处超挖，且将该处进行适当夯实处理，围岩承载力较小时，加大钢板或木板，增加承压面积。钢架两基脚处加锁脚锚杆。钢架（格栅）不仅是作为初期支护之前的施工支护，而且是复合式衬砌结构的一部分，还应严格按设计实施。
喷砼施工：作为喷锚构筑法的一个重要施工环节，还是作为隧道的永久支护，喷砼对隧道的顺利施工和运营安全都将起至关重要的作用。本标段三座隧道施工，选用TK—961湿喷机进行湿喷，加入TX—1型液体速凝剂以减少粉尘和回弹。
b. 开挖核心土（3）及落中槽（4）
为了（1）、Ⅱ部的施工方便,(3)部的长度不宜超过3m。
加快施工速度，采用反铲挖掘机开挖（3）部，但施工时，挖掘机大臂及挖斗严禁碰撞II部。
中槽（4）部可用挖掘机或装载机开挖，开挖长度控制在6m以内,可与(3)部顺接,其上、下口宽以保证两边墙马口上、下部宽度≮1.2m,马口与底部顺接。由于黄土隧道开挖后，侧压力较大，所以，中槽开挖不宜过长、过宽，确保马口稳定。
d、开挖马口(5)、（7）部及作初期支护Ⅵ、Ⅷ
为保证（Ⅱ）稳定，两侧马口开挖时，应前后错开，相距1m。用风镐开挖，坚持短进尺，每次挖1m，自上而下进行，同时应保证两榀钢架（格栅）不能同时悬空，边挖边接长钢架（格栅）。基脚处做历实处理，以期稳定。开挖完毕，即喷砼封闭岩面。该部施工时，切不可盲目冒进。
e、施作仰拱Ⅸ部
这一步是具体体现新奥法施工的一条重要原则：早日成环。黄土隧道施工，仰拱对衬砌结构的稳定起至关重要的作用。由于黄土隧道开挖后，变形较大，侧压力也较大，为防止边墙内挤侵限，按“早成环”的原则，应及时施作仰拱，封闭结构。仰拱一般紧跟初期支护，在地下水较多或土层较好时可拉开一定距离，但最大不超过10%，在含水较大的新黄土地段，应先施作仰拱。（4）、（5）、（7）部施工时不要扰动底部（轨面以下），底部随着开挖既施作仰拱，防止施工用水及地下水浸泡基础。
f、灌注二次衬砌砼Ⅹ、Ⅺ部
二次衬砌的施作时间，应满足下列条件：各测试项目所显示的位移率明显减缓、各项收敛速度＜0.2mm/d或拱顶位移速度＜0.15mm/d、已发生的各项位移，已达到预计位移总量的80～90%、初期支护表面没有再发展的明显裂缝。根据三座隧道的土质情况，既考虑上述条件，又考虑工期紧的具体情况：采取二次衬砌紧跟，即I类围岩地段衬砌距掌子面5～6m、Ⅱ类围岩地段衬砌距掌子面8～11m，Ⅲ类围岩地段衬砌距掌子面13～15m、浅埋地段应及时进行二次衬砌。
2.2.2土质隧道III类围岩开挖方式
土质III类围岩地段，在本标段主要为老黄土和红粘土，其施工方法同I、II类围岩，但开挖台阶长度可适当增加。由于红粘土具弱膨胀性，开挖后不宜暴露时间过长，为确保安全，开挖和初期支护参数原则上不能超过I、II类土质隧道开挖和初期支护参数。
2.2.3 石质II、III类围岩开挖方式
羊马河、关路坡隧道存在较长地段上部土层、下部石质岩层，部分地段土石界面几乎与拱部开挖轮廓线重合，土石界面处地下水较大。
石质II、III类围岩地段，采用三步短台阶法开挖，人工钻爆，（1）部由人工倒碴至（3）部再由挖掘机扒至（5）部，（3）部开挖的碴也扒至（5）部，随（5）部将碴一起运出。上部土层地段的施工同土质I、II类围岩的施工，下部岩石采用弱爆破。部分浅埋地段采用超前小导管预支护外，其余均采用超前锚杆预支护。施工工艺与土质I、II、III类围岩相同，其施工步骤如下（施工顺序见图3）：
开挖（1）部、施作II部初期支护（含钢架）、开挖（3）部、施作Ⅳ部初期支护（含钢架）、开挖（5）部、施作Ⅵ部初期支护（含钢架）、施作仰拱Ⅶ、二次衬砌Ⅶ。
2.2.4 施工机械
主要设备有：挖掘机、装载机、空压机、通风机、砼输送泵、砼输送车、自卸汽车、砼拌和站、湿喷机、运输汽车、衬砌台车、抗干扰工作平台、变压器、发电机，由于两个斜井的坡度较大，各增加一台20T卷扬机。
2.2.5施工中应注意事项
a 、严格执行既定的施工原则，不得为盲目追求进度，蛮干冒进。
b 、为保证衬砌厚度以及衬砌结构不侵限，开挖轮廓应考虑预留变形量。预留变形量初期可按I类围岩10cm,II类围岩8cm、III类围岩6cm考虑。施工过程中，结合测量结果及时修正。
3 施工绩效
三座隧道主体工程仅用16个月，提前合同工期15天。实际施工时
间比国家定额工期节省14个月。施工过程中出现土质地段及石质I、II类围岩地段月成洞85m,8个，土质地段平均单口月成洞60m,最高单口月成洞82m.石质II类围岩地段月成洞120m14个，石质III类围岩地段单口月成洞140m6个。三座隧道连续5个月完成成洞850m以上，最高月完成985m,平均月完成543m。被专家们称赞为“开创了国内软弱围岩隧道施工的奇迹。
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