文档介绍：大断面黄土隧道三台阶七步开挖法施工技术
摘要:针对西(安)平(凉)铁路中咀1号隧道地质结构,分析对比中隔壁法、交叉中隔壁法、双侧壁导坑法和三台阶七步开挖法的主要技术特点,确定施工方案和采用三台阶七步开挖法进行施工。介绍三台阶七步开挖法施工工艺及原理,论述上台阶开挖支护、中台阶左侧和下台阶右侧边墙开挖支护、仰拱开挖支护和施工注意事项。分析施工重点,提出监控量测、超前支护、及时封闭仰拱、及时封闭二次衬砌永久支护、加设锁脚锚杆、预防塌方等安全保证措施,以及质量保证措施。
关键词:大断面黄土隧道;三台阶七步开挖法;施工工艺;西平铁路
西(安)平(凉) km,为国家Ⅰ级电气化单线铁路,设计时速120 km,货运量为3000万t/年,单向客运量为160万人/年。西平铁路连接陇海、宝中两条重要的铁路干线,建成后可兼顾部分省际及地方客货运输,建设工期4年。
西平铁路第一标段的中咀1号隧道全长1158 m,呈南高北低走势,周边冲沟发育,切割深度50~200 m,小型冲沟较多,大型冲沟进出口各有一个。冲沟两侧坡面较陡,沟内小型浅层高度滑坡、错落发育,多有溜坍、坍塌。隧道地处黄土残塬区,地质结构复杂,地表主要为第四系上更新统及中更新统黏质黄土,具Ⅳ级自重湿陷性,湿陷土层厚度约20~40m。隧道进出口段埋深小于20m的地段均位于湿陷性土层范围内,对工程影响较大。隧道洞身为黏质黄土,棕黄、棕红色,具大孔隙结构,粉土质,夹数层古土壤层,具垂直柱状节理,具有自重湿陷性。
1 施工方案与方法确定
黄土隧道工程地质条件较差,施工断面大,确立施工方案必须遵循以下原则:重地质、管超前、短开挖、强支护、快封闭、早成环,主要开挖方法有中隔壁法(CD法)、交叉中隔壁法(CRD法)、双侧壁导坑法、三台阶七步开挖法等。
CD法、CRD法或双侧壁导坑法的各部开挖及支护自上而下,步步成环,及时封闭,各分部封闭成环时间短,但分布较多,施工速度慢,不利于机械化作业,后面的开挖和拆除支护将对前面施工形成的力学平衡体系产生影响,围岩应力状态多次改变,可能出现较大的变形量。其施工面多,作业干扰大,拆除临时支撑时安全性差。
三台阶七步开挖法在隧道开挖过程中分上、中、下台阶和仰拱4部分,前后左右7个不同的开挖面相互错开并同时开挖,同时支护,形成支护整体,缩短作业循环时间,逐步向纵深挖掘。其实质为台阶法的一种,拱部采用环形开挖预留核心土,利用核心土施压掌子面,中部和下部也是先开挖两侧,保持中部土体不动,保证掌子面稳定。三台阶七步开挖法主要技术特点如下。
(1)施工空间大, 大型施工机械可多个作业面平行施工,工效高。部分软岩地段可采用挖掘机直接开挖下半部断面,减少对围岩扰动。
(2)在地质结构复杂多变、软硬围岩相间的隧道施工中,施工方法调整灵活,进度稳定,工期保障性强。
(3)适应不同跨度和多种断面形式,不需拆除临时施工支护,节省投资。
(4)混凝土仰拱超前施作,便于初期支护及时闭合不承载,改变洞内作业、运输环境。
(5)全断面一次施作防水层和灌筑混凝土衬砌,确保混凝土衬砌施工质量。
(6)无需增加特殊设备,投入少,操作性强,易推广。
通过对施工方法的分析比选,确定中咀1号隧道采用三台阶七步开挖法开挖。
2 施工原理及工艺
三台阶七步开挖法为平行流水作业,采用分步平行开挖和施作拱墙初期支护,仰拱超前施作及时闭合,构成稳固的初期支护体系,保护围岩的天然承载力,有效抑制围岩变形,并通过量测监控系统信息反馈,指导施工和及时调整支护参数与混凝土衬砌时间。
在断层带、破碎带等自稳性较差地层和富水地层中,采用小导管预注浆固结、止水等辅助施工措施,采用上部弧形导坑法短开挖施作拱部初期支护后,再左右错位开挖及进行边墙初期支护,下台阶立即进行仰拱施作,尽早闭合成环构成支护体系。
三台阶七步开挖法施工工艺以机械为主,人工辅助修边。上台阶每循环开挖进尺为l榀钢架距离( m), m,台阶长度控制在3~5 m,~ m,其两侧距开挖面约2 m; m,台阶长度控制在3~4 m;下台阶开挖高度约2 m 。上台阶钢拱架由3个单元组成,避免连接部位在拱顶,各单元钢架之间采用16mm厚的钢板通过4套M20高强螺栓连接。
三台阶七步开挖法工艺流程见图1。
仰拱喷混凝土
开挖仰拱
立设钢架
仰拱钢筋
拱墙防水
超前小导管
开挖弧形拱部
立设拱部钢架
锚杆、网片安装
开挖左右侧中部台阶
立设钢架
锚杆、网片安装
拱部喷混凝土
中部台阶喷混凝土
开挖左右侧下部台阶
立设钢架
锚杆、网片安装
下部台阶喷混凝土
拱墙钢筋
拱墙衬砌
图1 三台阶七步开挖法工艺流程
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