玉峰山隧道下穿公路

PAGEPAGE12玉峰山隧道淺埋、偏壓洞口近距離穿越既有公路施工技術研究報告1.立項背景和依據(jù)1.1立項背景新建鐵路重慶至利川玉峰山隧道位于玉峰山鎮(zhèn)，中心里程為：DK17+535，全長3222米。設計為最高速度350km/h，我四分部施工DK17+535~DK19+146段，長度為1611米。隧道位于直線和緩和曲線上，縱坡為4‰.Ⅲ級圍巖883米，Ⅳ級圍巖552米,Ⅴ級圍巖176米。隧道采用進、出雙口掘進。我四分部采用出口掘進。無軌運輸方式。隧道DK19+126~DK19+146段采用明挖施工，其余各采用暗挖施工。除DK19+126~DK19+146段采用明作襯砌外，其余均采用復合式襯砌，其中DK17+900~DK18+100段采用Ⅲ級圍巖下錨襯砌；DK18+900~DK19+100段采用Ⅴ級圍巖下錨襯砌。1.1.1.1.本隧道位于渝北區(qū)玉峰山村，地形起伏大，局部陡峻。出口處地形復雜，附近有居民。1.1.沿線氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L氣候類型，具有冬暖春早、夏熱秋涼、無霜期長、多云多霧及雨量充沛等特點。1.1.2本隧道主要地質(zhì)情況：粉質(zhì)黏土；碎石土；塊石土；泥巖夾砂巖；泥巖、頁巖夾砂巖；泥巖夾砂巖、頁巖、灰?guī)r；泥巖夾砂巖、頁巖；砂巖、頁巖夾煤層；白云巖、灰?guī)r夾巖溶角礫石。隨著我國高速鐵路建設的發(fā)展，將會出現(xiàn)越來越多的大跨度隧道，同時隨著我國鐵路、公路交通事業(yè)的發(fā)展，鐵路與公路相交及淺埋段地表沉降的控制問題，將會越來越多。因此，對淺埋、偏壓隧道下穿公路的施工方法，支護方法及地表沉降控制，進行立項研究是非常必要。1.2立項依據(jù)1.2.11.2.1.2.2.國內(nèi)外研究的動態(tài)鐵路、公路等級的提高，以及路網(wǎng)密度的增加，鐵路與公路相交的情況越來越多，在科研方面，無論是山嶺鐵路隧道還是公路隧道、或城市地鐵等，在淺埋暗挖施工、控制地表沉降方面均做過較多研究。洞口段淺埋、偏壓隧道近距離下穿高速公路的研究還是較少。3主要研究人員、內(nèi)容和成果3.1參與單位與主要研究人員參與研究的單位為中鐵十二局集團渝利鐵路項目部及所屬四分部，具體由中鐵十二局集團渝利鐵路指揮部第四項目部實施。主要研究人員見表1。表1：主要研究人員姓名年齡職稱、職務從事專業(yè)研究任務與分工孟建波47高工、項目經(jīng)理鐵道工程項目負責人、方案設計趙樹林45高工、指揮長經(jīng)濟管理方案審查孫志剛55高工、總工程師鐵道工程方案審查、指導設計姚日高34總工程師鐵路工程方案設計、撰寫研究報告張建新29工程師、工程部長土木工程參與方案設計孫海兵29工程師、實驗主任材料工程材料檢驗邢小偉31技師、測量隊長測繪工程測量放樣、變形量測肖占忠46工程師、安質(zhì)部長鐵路工程地質(zhì)預報方案實施趙普元49工程師、設備部長機械工程設備供應孫海濤29工程師、物質(zhì)部長機械工程材料供應王俊26工程師、技術主管隧道工程現(xiàn)場實施吳建嘉27工程師、技術主管隧道工程現(xiàn)場實施3.2主要研究內(nèi)容在玉峰山隧道采用超前大管棚及小導管超前支護、采用三臺階開挖方法、控制爆破、擴大拱腳、加強鎖腳錨桿與鋼架的連接及仰拱襯砌及時跟進等措施，降低隧道下沉和地表下沉降低隧道下沉和地表下沉，解決玉峰山洞口段下穿淺埋公路隧道施工難題。3.3主要研究成果通過對超前大管棚施工技術研究、三臺階開挖技術和控制隧道下沉及地表下沉技術研究，達到杜絕隧道坍塌、路面沉陷，隧道和地表下沉量均小于設計要求且保證工程環(huán)保、工期的目的。3.3.1超前大管棚施工技術大管棚主要用于軟弱砂礫地層或軟巖、巖堆、破碎地帶層，多用于隧道及其它地下導坑輔助施工，其支護原理是：在預計開挖斷面外周，以一定間距、一定的外插角度，用鉆孔方法先行設置鋼管，通過管壁四周壓漿孔，壓入水泥漿，先行加固松散圍巖體，對隧道開挖起到有效支護的方法。3.3.3.1、主要機具設備主要機具設備見表1。主要機具設備表表1序號名稱規(guī)格單位數(shù)量1鉆機XY-28-300臺32注漿機BW-250/50臺23噴射機KW-500臺24錘把15空壓機L-10/B-1臺23.3.1.2、設計參數(shù)漿液擴散半徑設計為≥0.4m，故取管距環(huán)向0.4m。3.3.1.3、導向墻先行開挖明洞斷面，在明洞襯砌外緣施工C25級砼套拱，其厚度為100cm。該導向墻作為管棚施工的導向和固定設施，墻內(nèi)埋設鋼拱架。棚管的孔口管（內(nèi)徑為127mm）用ф25鋼筋固定在鋼拱架上，三者之間均用雙面焊接?？卓诠艿姆较蚋鶕?jù)計算結果，用全站儀準確測定其值。3.3.1.4、施鉆鉆孔順序為先從兩側拱腳開始，對稱向拱頂鉆孔頂管，使下部注漿體有力地支托其上部鉆進和頂管，既能防止坍孔，又便于頂管。施鉆時，將減速器升上限位置，把鉆桿旋緊后，開啟氣動馬達，待空載正常后，再慢慢開啟推氣缸，待釬頭置于工作面上，關閉推進氣缸，再開啟沖擊器，徐徐鉆進，待釬頭鉆進100mm左右時，再以全風門沖擊。在鉆進過程中，視進展快慢，慢慢開啟或關閉推進氣缸，使鉆具始終保持一定推進力。鉆完第一根鉆桿后，停止氣動馬達的轉(zhuǎn)動，關閉沖擊器停止鉆進，將減速器置于下限位置，用叉子把鉆桿固定在卡釬器內(nèi)，反轉(zhuǎn)減速器，使鉆桿與減速器的接頭脫開，然后將減速器升到上限位置裝入第二根鉆桿，連接牢固后，方可進行鉆孔作業(yè)，直到設計深度。當鉆桿到卸桿器與卡桿器接觸時，使鉆桿尾端的第二個扁槽對正卡桿器的長方槽，插入叉子反轉(zhuǎn)馬達，使減速器上的接頭與鉆桿脫開，再調(diào)整到鉆桿尾端上的第一個扁槽對上卸桿器的長方槽，插入另一個叉子，然后取出卡桿器的叉子，讓卸桿器和另一個叉子帶動鉆桿后退（可用馬達慢慢運轉(zhuǎn)，切不可反轉(zhuǎn)），當下一根鉆桿尾端的第二個扁槽與卡釬器的長方槽對正時，插入叉子，反轉(zhuǎn)馬達，使上下兩鉆桿的聯(lián)接螺紋脫開之后，拿走上一要鉆桿，緩緩放下減速器，并使卸桿器的長方槽對正下一根鉆桿尾端的第一個扁槽。然后重復以上動作，依次卸下鉆桿。依照上述方法，完成鉆孔作業(yè)。鉆孔時嚴禁反轉(zhuǎn)，以免鉆桿脫扣，加接鉆桿時，要特別注意孔內(nèi)清潔，以避免砂土沖擊器內(nèi)部，損壞機體引發(fā)故障。在鉆進過程，嚴禁突然快速開啟推動氣缸，以免頂起鉆機，造成事故。鉆孔工藝流程圖1。鉆機就位鉆機就位鉆機固定測量右孔鉆機鉆進方向矯正鉆孔及接長錨桿鉆桿接長準備鉆桿分節(jié)退出卸下圖1鉆孔工藝流程圖3.3.1.5、頂管（1）清孔：成孔后先利用高壓風或高壓水進行沖洗，然后用特制清孔鉤認真進行清孔。（2）管件制作：管棚ф89mm無縫鋼管，壁厚6mm，管節(jié)長為3m和6m，預制鋼管時，管身鉆孔，孔眼直徑10mm，間距20cm，按梅花形交錯布孔以加大漿液滲透能力，第一根鋼管前端要焊上合金鋼片空心鉆頭，以防管頭頂彎或劈裂，鋼管間聯(lián)接用加工好的管節(jié)聯(lián)接套，預先焊在每節(jié)鋼管兩端，以便于聯(lián)接。相鄰管的接頭應前后錯開，避免接頭在同一截面上，隧道縱向同一橫斷面內(nèi)的接頭數(shù)不大于50%，且兩相鄰管接頭必須錯開1m以上，以滿足管棚受力要求。（3）頂管：頂進鋼管采用挖掘機配合人工作業(yè)。當?shù)谝桓摴芡七M孔內(nèi)，孔外剩余30~40cm時，人工進行接管，嚴格控制角度，人工持鏈鉗進行鋼管聯(lián)接，使兩節(jié)鋼管在聯(lián)接套處聯(lián)成一體。然后再低速推進鋼管，根據(jù)管棚設計長度，按同樣方法繼續(xù)接長鋼管。3.3.1.6、止?jié){墻制作注漿前，必須進行堵露處理。沿插管周圍噴射20cm厚C20混凝土一圈，封閉該工作面，再用木塞和紙塞把無縫鋼管未注漿的管頭堵死，這樣，止?jié){墻便形成。注漿時，漿液就不會從管壁周圍沿掌子面滲露，也不會從其它管露出，注漿效果明顯提高。由于施工要求，噴射砼時加入一定量的速凝劑，以滿足施工要求。3.3.1.7、注漿進行超前長管棚預注漿前，對注漿地段的巖性，涌水量、涌水壓力、水溫、涌水的化學特性等進行認真研究，據(jù)此確定注漿參數(shù)?，F(xiàn)場試驗確定注漿終壓力，以便漿液能夠充分擴散填充，從而達到堵水和加固圍巖作用。注漿方式采用全孔一次性注漿。拌漿水泥漿液攪拌在拌和機內(nèi)進行,嚴格按施工配合比進行投料，放的同時將緩凝劑一并加入攪拌，待水量加足后繼續(xù)攪拌1min，再將水泥投入，攪拌時間不少于3min，并于注漿過程中不停攪拌。水玻璃漿液濃度宜為30~35be`，為稀釋水玻璃漿液，采用邊加水邊攪拌，邊用波美計量測。配制水泥漿或稀釋水玻璃漿液時，嚴防水泥包裝紙及其雜物混入。拌好的漿液在進入貯漿槽及注漿泵這前均應對漿液進行過濾，未經(jīng)過濾網(wǎng)過濾的漿液不允許進行泵內(nèi)。注漿時要充分考慮漿液擴散半徑，凝結時間要先予以確定，然后再過試驗調(diào)整。施工時要通過變換雙液比例、變換水灰比，變換水玻璃濃度控制雙液漿的凝膠和凝結時間。注漿擬采用單液漿以水泥為主，添加5%的水玻璃（含量比），注漿壓力至達到的計終壓大于20分鐘。注漿：注漿管路連接好后，先壓水檢查管路是否漏水，待設備正常后，對圍巖做壓水實驗，以沖洗巖石裂隙，擴大漿液通路，增加漿液擴散密實性，核實圍巖的滲透性。注漿時要記錄注漿時間及注漿量。注漿中密切注意注漿壓力表，初始階段壓力較低，正常階段壓力和注入量呈小的波浪式起伏，但總的比較平穩(wěn)，當達到壓密性注滿階段，注入量迅速遞減，而壓力迅速升高，直到達到注漿終壓合理范圍，則停止該孔注漿，進行封堵后，轉(zhuǎn)注下一孔，直至完成注漿作業(yè)。3.3.1.8、施工中幾個問題施鉆時鉆頭選擇：必須大于棚管外徑1-2cm，以便于頂管；鋼管制作應避免同一截面，施工時鋼管采用奇偶數(shù)編號進行制作，頂管時應實行“對號入座”。注漿時如遇竄漿或跑漿，必須及時進行封堵處理，然后方可注漿；注漿時如發(fā)現(xiàn)泵壓突然升高，先判斷是否堵塞，若堵管則進行堵管處理，否則先關掉水玻璃泵，往管道內(nèi)注入清水，待泵壓正常后再繼續(xù)進行雙液注漿；注漿時，一定要做好注漿量及注漿時間的記錄；注漿一般采用由下向上、左右交替進行；施工時，要針對長管棚施工的作業(yè)工序（鉆孔、運料、配料、注漿），制定詳盡的勞動力組織計劃及作業(yè)工序的安全保證措施。技術質(zhì)量標準及要求鉆孔前按設計準確鉆孔位置;鉆孔角度誤差控制在0.50以內(nèi)，平面誤差小于或等于1cm；鉆進速度嚴格控制，成孔要孔壁圓順，孔深符合要求；鋼管管節(jié)聯(lián)接絲扣要認真檢查，有脫扣裂紋的管節(jié)棄用；注漿時應準確掌握漿液配合比，并使?jié){液在管內(nèi)充填密實；長管棚接頭要錯開，避免同一截面，以利整體受力。導向管的外插角：3度外插角。洞口預留沉降：15cm，管棚導向管定位拱架外半徑：R外=R二襯外徑+預留量+支護厚度3.3.2三臺階分部開挖技術3.3.2.1.施工方案比選軟弱破碎淺埋圍巖施工通常采用幾種施工方法，分別是雙側壁導坑法、CRD法、CD法、臺階側壁法和臺階法。各種施工工法施工斷面圖圖1雙側壁導坑法施工斷面圖圖2CRD法施工斷面圖圖3CD法施工斷面圖圖4臺階法施工斷面圖3.3.2.2各種工法優(yōu)劣分析3.3.23.3.23.3.23.3.2.2根據(jù)玉峰山隧道地質(zhì)情況，決定在玉峰山隧道淺埋、偏壓洞口段近距離下穿既有公路段采用三臺階法，同時現(xiàn)場備足工字鋼、方木、鋼管、枕木等應急物資進行試驗性開挖。3.3.2.3、三臺階工法施工步驟3.3.2.3.1施工順序圖見圖5：三臺階施工順序圖。圖5三臺階施工順序圖3.3.2.3.2施工步驟通過采用三層短臺階，分步平行開挖，分步平行施作拱墻初期支護，仰拱超前施做，及時閉合成環(huán)，構成穩(wěn)固的初期支護體系。第1部：拱部進行超前支護后，采取上弧導預留核心土短臺階開挖。開挖后及時進行噴、架、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護，形成較穩(wěn)定的承載拱。第2、3部：在承載拱的支護下，分別開挖中臺階左右邊墻（左右邊墻錯開3m左右），以一定的時間差進行中臺階邊墻初期支護，使同一斷面暴露開挖面僅限于一側。第4部：上中臺階支護完成后中部拉槽。第5、6部：在完成上中臺階支護后，分段左右開挖下臺階，以一定的時間差施作下臺階初期支護。第7部：下臺階開挖落底并及時施作仰拱初期支護及仰拱砼，及早封閉成環(huán)。第8部：利用襯砌臺車一次性灌筑拱墻襯砌3.3.2.4、結論玉峰山隧道采用三臺階分部開挖法，成功地穿越了淺埋、交通繁忙的既有公路，施工中未發(fā)生安全、質(zhì)量事故，隧道下沉（最大13mm）和地表下沉(最大6mm)均滿足設計的指標要求。在施工中通過重視方案預控備足應急物資，加強量測及時掌握變形信息，杜絕對稱開挖、杜絕工序距離超標降低安全風險，本著短進尺、弱爆破、快支護、勤量測、搶封閉、快襯砌的原則，采用三臺階分部開挖施工法，既節(jié)約了臨時支護降低工程投資，又加快了施工進度，同時也有效地控制了地表下沉，值得類似工程借鑒。3.3.33.3.3.1引起隧道下沉和地表下沉的分析3.3.3.1.1隧道開挖破壞原有應力平衡狀態(tài)，造成隧道下沉隧道開挖后，地層的一側喪失了約束，原有的平衡狀態(tài)受到破壞，引起應力集中，對于軟弱、破碎、裂隙發(fā)育的圍巖無法抵抗周邊壓力，加之開挖時受到爆破震動，在坑道周邊一定范圍內(nèi)的巖體遭到嚴重的分割與破壞，因此這一部分巖體在坑道開挖后，先是產(chǎn)生向內(nèi)的變形運動，其后則出現(xiàn)松動或坍塌，對支護結構施加壓力，造成隧道下沉。3.3.3.1.2淺埋軟弱破碎圍巖無法形成平衡拱，隧道荷載加大，造成隧道下沉淺埋軟弱破碎圍巖，自穩(wěn)能力差，開挖后易形成持續(xù)掉塊、坍塌，無法形成“天然拱”，支護措施不強的情況下，造成隧道下沉，同時由于隧道淺埋，坍塌容易延伸至路面，造成地表沉陷。3.3.3.1.3初期支護不密實，造成隧道下沉噴射砼是惟一能夠與圍巖大面積、牢固接觸的一種支護方式，噴砼與巖層的附著力可以把作用在噴砼上的外力分散到圍巖上，在隧道壁面附近形成承載環(huán)，平衡隧道周邊的裂隙和節(jié)理等剪切阻力，防止局部掉塊。同時也能夠?qū)毫鬟f到鋼支撐和錨桿上，與鋼架、錨桿、鋼筋網(wǎng)片形成聯(lián)合支護作用。當拱架與圍巖之間存在空洞時，一方面噴砼未形成連續(xù)構件約束圍巖應力、阻止圍巖松動，另一方面由于存在空洞，使圍巖應力無法傳遞給錨桿、網(wǎng)架，使支護結構受力不均勻，增大拱架受力，造成隧道下沉。3.3.3.1.4拱架底腳不實，造成隧道下沉拱架安裝后底腳座落在虛碴上，當拱架受到圍巖壓力和松馳荷載時，無法將外力傳遞到堅實基礎，造成隧道下沉。3.3.3.1.5拱架連接不到位，造成隧道下沉由于隧道開挖施工是分部進行，同時為方便施工，拱架分成若干節(jié)，各節(jié)之間通過螺栓連接，當拱架加工不標準或安裝不圓順時，螺栓連接不密貼，當拱架受力時連接部分會產(chǎn)生位移，造成隧道下沉。3.3.3.2控制隧道下沉和地表下沉的技術3.3.3.2.1設置超前大管棚，防止隧道坍塌，控制地表沉降通過開挖前在拱部1200范圍內(nèi)施作壁厚6mm的φ89大管棚，并在管棚內(nèi)壓注充填水泥漿增強圍巖的抗剪切強度，使管棚和圍巖構成棚架體系。掘進時，鋼管在掌子面及后方初期支護的支撐下形成梁式結構，防止圍巖的崩塌和松馳，有效防止隧道坍塌，控制地表下沉。3.3.3.2.2軟弱破碎地層中，圍巖穩(wěn)定性差，開挖輪廓與管棚之間巖體易掉塊，掌子面易坍落，通過采取初噴砼封閉開挖面，并在開挖輪廓與管棚之間增設間距15～20cm密排φ42超前小導管，來穩(wěn)定圍巖，控制地表下沉。3.3.3.為減小拱頂管棚承載力，減小開挖跨度，開挖進尺控制在0.8m。同時由于隧道爆破的轟擊波對圍巖會產(chǎn)生較大的震動影響，軟弱破碎圍巖受到震動后會出現(xiàn)掉塊、坍塌，施工中針對破碎地層采取人工或風鎬開挖，對于巖石地層采取弱爆破措施，降低爆破對圍巖的不利影響。3.3.3.2.4擴大拱腳，增大拱架受力面積，提高拱架承載力由于三臺階施工上臺階斷面較大，開挖后易出現(xiàn)下沉，為有效控制下沉，增設牛腿擴大拱腳，增大受力面積。