ib城市浅埋硬岩大断面隧道施工工法.doc
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1、城市浅埋硬岩大断面隧道施工工法工法编号:TLEJGF-0304-35、GZSJGF 07-03-08中铁隧道集团三处 唐果良 刘建国 邓青平一、前言随着我国城市建设事业的发展,地面空间已不能满足城市功能的需要,向地下拓展空间已成为城市建设的新方向。城区隧道与山岭隧道差别很大:一是位于市区,周边建筑较多,开挖爆破需要严格控制;二是城市地铁车站,商场的断面大,远大于铁路三线隧道。城市浅埋硬岩大断面隧道施工工法是依据新奥法原理,采用双侧壁导洞预留核心岩柱的方法开挖,通过综合减震措施减小爆破开挖时的地震动,保护周边环境,使用全断面整体式钢模台车进行二次衬砌,同时采用综合监测手段对施工过程进行动态监控和
2、实时处理的一个工程工法,它在重庆轻轨较新线一期工程临江门车站工程建设过程中形成。二、工法特点1、采用双侧壁导洞预留核心岩柱的方法开挖,二次衬砌紧跟核心岩柱上部开挖,控制二次衬砌面与核心开挖面的距离,从而减小变形,控制地表沉降,保证工程安全。2、紧临建、构筑物的开挖爆破通过超前导洞先行、预留光爆层光面爆破、周边密排空眼减震、开挖面增打减震孔、非电不对称起爆网络等综合减震技术减小爆破震动效应,保护周边环境。3、采用全断面整体式钢模台车进行二次衬砌,保证结构的整体性和防水效果,加快施工进度,从而保证工程质量,提高经济效益。4、采用综合监测技术,实时反馈信息,动态修正施工方法和支护参数,确保工程安全。
3、三、适用范围1、适用于新奥法指导施工的大断面、特大断面隧道及地下工程(即开挖宽度18m及以上,开挖高度12m以上)。2、紧临既有建筑物需要采用控制爆破开挖,级围岩的浅埋暗挖特大断面地下工程。3、围岩较完整较厚层的软岩,中硬岩硬岩。四、工艺原理1、采用双侧壁导洞预留核心岩柱的方法,将大跨减小,大断面隧道分割成几个小洞室分部施工,利用核心岩柱作为支撑,从而控制变形,保证安全。2、以控制爆破理论和新奥法理论为基础,通过各种综合减震手段,减小爆破开挖时的地震动效应,同时减小开挖爆破对围岩的扰动,从而保护周边环境,提高围岩自稳能力,保证工程安全。五、施工工艺(一)施工工艺流程施工工艺流程详见图1。(二)
4、开挖步序开挖步序详见图2。侧壁2部导洞开挖支护临时支撑分段拆除同部开挖核心4部侧壁3部导洞开挖支护6部全断面衬砌施工核心5部开挖核心7部开挖侧壁1部导洞开挖支护仰拱8部开挖仰拱9部开挖仰拱及铺底砼施工双侧壁错开步距同时施工内部装修竣工交验施工准备图1 施工工艺流程图地表、管线、建筑物、隧道变形、爆破振动、支护受力及衬砌受力监测图2 隧道开挖部序图说明: 1. 临时中隔墙采用50mmC25喷射混凝土及长500mm22锚杆支护,以20b工字钢支撑加强,钢支撑每500mm一榀,临时锚杆采用普通药包锚杆。2. 图中阿拉伯数字表示开挖及施工二次衬砌部序,罗马数字表示初期支护及临时支护部序。(三)说明1、
5、双侧壁上导洞1的开挖,施工该部初期支护(包括锚杆、喷射混凝土及格栅拱)、临时中隔墙及其支护、临时型钢支撑,左右两侧齐头应错开50米以上。2、双壁中部导洞2的开挖,施工该部初期支护、临时中隔墙及其支护、临时型钢支撑,左右两侧开挖齐头错开2d(d为跨度)。3、下部导洞3的开挖,施工该部初期支护,临时中隔墙及其支护。4、施工3部边墙基础仰拱钢筋混凝土。5、拆除临时中隔墙及其支护、。6、隧道拱部4的开挖,施工该部初期支护。7、核心5部的开挖。8、采用模板台车施工隧道拱墙全断面二次衬砌6(控制二次衬砌面与核心岩柱开挖面的距离)。9、隧道核心土7部的开挖。10、隧道仰拱8部开挖。11、隧道9部仰拱钢筋混凝
6、土及仰拱填充。(四)施工方法及注意事项1、施工准备1.1 熟悉设计图纸,调查收集工程环境、周边建、构筑物的基础资料。评估工程施工对周边环境、建筑物的影响及控制指标。1.2 分析工程重点、难点及风险,制订详细的施工方案和措施,针对关键工序如爆破开挖、二次衬砌砼浇灌编制作业指导书。设计制作全断面整体式衬砌台车。1.3 编制监测方案,在分析工程重点、难点及风险的基础上,针对性的选择关键部位、关键断面作为重点监测对象,根据工程风险及难度选择合适的监测项目、监测频率和监测密度。布置地表及周边建、构筑物的监测点,监测仪器。1.4 编制测量方案,布置测量桩点,引入测量导线并完成施工测量准备。1.5 准备施工
7、队伍和设备,培训施工人员,组织所需设备、材料。2、开挖爆破2.1 爆破方案设计原则2.1.1 以地面建筑物基础底部(或地面)至爆源中心距离R为安全控制半径,借助于经验公式:QmR3(Vkp/K)3/a,并以设计质点振动波速度限值作为控制标准,进行反算各部分所允许的单段用药量,并进行试爆试验,取得合理的爆破参数。2.1.2采用微台阶分部开挖,以创造多临空面条件,每部分又分多次爆破,控制爆破规模和循环进尺,以达到控制质点振动速度的目的。2.1.3炮眼按浅密原则布置,控制单眼装药量,使有限的装药量均匀地分布在被爆破体中,采用非电毫秒不对称起爆网路降低隧道爆破的地震动的强度。2.1.4 上导洞1部掏槽
8、眼位尽量布置在开挖部位的底部靠核心土一侧,以加大掏槽部爆源至地面建筑物基础底部(或地面)的距离,减小掏槽爆破对周围建筑物的震动影响。2.1.5 上导洞1部及拱部4部开挖断面周边眼间均设直径为50mm的密排减震空眼,以作为减振和光爆导向眼。中导洞2、3部开挖时在两侧各预留1m的光爆层,增加了爆源至周围地面建筑物基础底部(或地面)的距离,同时降低爆破振动对核心岩石的破坏和临时支撑的破坏,保证上部支撑基础的稳定。2.1.6核心7部、仰拱8部的爆破以松动爆破为主,控制爆破飞石对衬砌台车及衬砌混凝土表面的破坏。2.1.7地面洞内均需配合爆破振动监测,及时调整钻爆参数,满足环境及施工要求。2.2 减小爆破
9、振动强度的方法在许多座隧道进行的爆破振动观测表明:光面爆破与普通爆破法相比可收到保护围岩、减小爆破振动效果的效果,质点振速可减小14%左右。此外,必要时可采用低爆速炸药、开挖面增打减振孔、预留光爆层、非电毫秒不对称起爆网路技术等综合减振措施的减轻爆破地震动。2.3 预留光爆层确保施工安全的方法侧壁中导洞2部的开挖是在1部爆破开挖后初期支护及临时支护施工完毕的前提下施工的,1部初期支护的格栅拱脚及底部是支撑在2部的开挖面岩石的顶面,若2部的光爆层随中间拉槽一起爆破施工,势必将造成1部初期支护的格栅拱脚及临时型钢支撑底部同时悬空,若下部的格栅拱及临时型钢支撑不能及时接上,喷混凝土不能及时封闭岩面和
10、格栅拱,整个支护体系受到破坏,将对整个隧道施工安全构成威胁。如果采用拉中槽两侧预留光爆层的施工方法,拉中槽超前,两侧预留光爆层左右交替爆破施工,这样不仅可以降低爆破震动强度,避免上部格栅拱脚及临时型钢支撑底部同时悬空,下部的格栅拱及临时型钢支撑能及时接上,及时喷混凝土封闭岩面和格栅拱,整个支护体系形成封闭环。确保开挖稳定,有利于控制隧道超欠挖。侧壁下导洞3的开挖方法与侧壁中导洞2部的开挖方法相同。2.4 爆破参数的选择爆破参数的确定采用理论计算方法、工程类比法与现场试爆相结合,在保证爆破振动速度符合安全规定的前提下,提高隧道开挖成型质量和施工进度。2.4.1 炮眼深度L爆破设计的炮眼深度主要受
11、爆破地震动强度控制,设计炮眼深度根据爆破部位不同和控制标准经计算后确定。一般为12.0m。2.4.2 炮眼数目N炮眼直径采用42mm,每次开挖面积约为3650m2,单位面积钻眼数为1.5个(未包括光面爆破炮眼)。2.4.3 炮眼布置2.4.3.1 周边炮眼采用经验公式和工程类比法确定:间距:E=(812)d(d为炮眼直径),抵抗线:W=(1.01.5)E,装药集中度:q=0.10.15 kg /m。2.4.3.2 掏槽眼掏槽眼布置主要应用于侧壁导洞1部。侧壁导洞1部开挖只有1个临空面,爆破施工的关键是减小爆破振动速度,保证开挖面与周围建筑物之间岩柱的稳定。在对隧道爆破的质点振动速度观测中发现,
12、一般掏槽爆破在整个断面爆破中往往产生最大的地震动强度。因为掏槽爆破只有一个临空面,需用最大的装药密度来破碎和抛掷这部分岩石,为随后爆破的炮眼提供第二临空面之故。如果对掏槽区多加注意,能在最初就提供第二临空面,便可显著地降低掏槽爆破的地震动强度。因此,从掏槽效果及减小地震动强度等方面的综合考虑,采用空眼双层复式楔形混合掏槽。2.4.3.3 掘进炮眼炮眼深度L:为降低爆破地震动强度,循环进尺根据开挖部位不同来确定,掘进炮眼深度取L根据循环进尺来确定。确定抵抗线W:抵抗线通常均小于炮眼深度,否则各个炮眼将成为各自独立的漏斗爆破,达不到理想的爆破效果。当炮眼直径在3542mm的范围内时,抵抗线W与炮眼
13、深度有如下关系式:W(1525)d或 W(0.30.6)d(L) 在坚硬难爆的岩体中,或炮眼较深时,应取较小的系数,反之则取较大的系数。2.4.4 单眼装药量的计算隧道爆破,炮眼所在的部位不同,所起的作用是不同的。掏槽眼要求抛掷;掘进眼只要求松动,而在掏槽部位的两侧与其上、下部位各部分的炮眼要求又不一样,侧部要求松动,上部要求弱松动,下部要求加强松动,周边眼则要求光面爆破,底板眼则要求用抛掷爆破的药量,否则可能底板爆破失败。所以各部位炮眼的装药量是不同的。周边眼装药参数在上面已确定。其它炮眼的装药量均可按以下公式计算:q=kawL(kg)式中 q-单眼装药量(kg); k-炸药单耗(kg/m3
14、);a-炮眼间距(m);w-炮眼爆破方向的抵抗线(m);L-炮眼深度(m);-炮眼部位系数(参照表1选取)。表1 中 硬 岩 隧 道 炮 眼 部 位 系 数炮眼部位掏槽眼炮扩槽炮眼掘进槽下掘进槽侧掘进槽上内圈炮眼二台炮眼底板炮眼值1.521.01.21.01.210.81.00.50.81.21.51.52.02.4.5 炮眼堵塞堵塞作用使炸药在受约束条件下作充分爆炸应力提高能量利用率,因此堵塞长度不小于20cm,堵塞材料采用炮泥(组分:砂:粘土:水=3:1:1)。堵塞质量要求密实,不能有空隙和间断。2.4.6 爆破器材的选择根据微振爆破的特点及爆破部位的不同,选用不同的爆破器材炸药:在无水地
15、段,采用二号岩石硝铵炸药;在有水地段,采用乳化炸药,周边炮眼采用小药卷,直径25mm,其它炮眼采标准药卷32mm(乳化)、35mm(销铵)。雷管:孔外采用火雷管起爆,连接件及孔内均采用非电毫秒微差雷管(115段)。导火索及导爆索:火管雷采用导火索引爆,周边炮眼间隔装药采用传爆线传爆。2.4.7 装药结构隧道爆破炮眼中的炸药采用正向或反向起爆,其装药结构参见图3。实验结果表明,仅装瞬发雷管的炮眼应该采用正向起爆,其它炮眼采用反向起爆。即掏槽眼的首段采用正向起爆,这样可得到较好的岩碴块度。周边眼采用间隔不偶合装药形式,为保证每个周边眼内炸药同时起爆须使用导爆索连结各药卷。图3 隧道爆破装药结构示意
16、图2.5 爆破注意事项2.5.1 采用非电不对称起爆网络技术起爆联线时,要确保起爆顺序和每一炮孔都能起爆;2.5.2 选择合理的段间隔时间,以杜绝爆破震动波的叠加,一般选择段间隔100ms以上,最小不小于75ms。2.5.3 围岩强度不同,产状不同,爆破效果已不一样,爆破震动强度也不一样,施工时需进行爆轰试验,取得可靠合理的爆破参数。爆破震动安全检算采用公式为:QmK/R3(Vkp/K)3/a 式中 Qm最大一段允许用药量(kg);Vkp振动安全速度(cm/s);R爆源中心到振速控制点的距离(m)。K与爆破技术、地震波传播途经介质的性质有关的系数,取160;a爆破振动衰减系数,取1.8。K/修
17、正系数考虑不同的减振措施、不同的爆破临空面的数量、以及在爆破施工实践中的爆破振动衰减,修正系数K/参照表2选取。表2 爆破振动衰减修正系数序号减振措施K/1中空眼减振1.051.152小直径炸药1.151.253增加临空面1.22.04周边密排空眼减震1.21.8爆破震动衰减系数随采取的减震措施而选取合理值,通过试爆确定。处理受喷面安设检测桩湿喷机输料管施工准备计 量干搅拌2分钟湿搅拌3分钟运输/上料振动过筛湿喷机给料器湿喷机砼输送泵喷 嘴受喷面机具清洗移位砂、石水泥、硅粉钢纤维水减水剂等自动计量掺入器速凝剂储存箱子高压风初 喷复 喷养 护图4 湿喷钢纤维混凝土施工工艺流程图湿喷机具就位机电检
18、查3、初期支护施工3.1 格栅拱制作与安装3.1.1 格栅拱集中制作,现场安装;3.1.2制作过程中严格控制加工质量,其中连接钢板与钢筋连接的“T”型焊接部位是薄弱环节,加工过程中要重点检查;3.1.3 单节格栅拱钢筋不宜搭接,必要时可以采取闪光对焊;3.1.4 隧道断面大,格栅拱需分成好几段,因此在闭合成环时偏差大,应在闭合段加工调节端。3.2 湿喷钢纤维混凝土施工3.2.1 施工工艺流程(参见图4)3.2.2 湿喷控制重点及关键技术3.2.2.1 喷头控制是湿喷作业的重点,宜使用自动化机械手。喷头与受喷面的距离控制在12米,角度以90最佳。喷射时喷头作顺时针旋转,一圈压半圈,纵向蛇行进行;
19、3.2.2.2 喷射时先补平坑洼低处。喷射时分段、分部、分层进行,并按初喷、复喷(间隔46小时)分两次进行,初喷时先拱后墙,复喷时先墙后拱;3.2.2.3喷射工作风压:大容量湿喷机为0.40.7Mpa,中小容量湿喷机在0.30.7Mpa,风压的大小与湿喷机型号关系密切,风压过小容易造成堵管;3.2.2.4 一次喷层厚度:边墙为715cm,拱部厚度为58cm,后一层喷射应在前一层终凝后才进行;3.2.2.5 钢纤维掺入后容易造成堵管。因此,应严格筛选骨料,防止超径骨料混入,准确控制水灰比,保持正常风压,保持管路畅通。同时,钢纤维应在搅拌中达到均匀分布,不能有结块现象,必要时可先将钢纤维浸泡15分
20、钟,单独搅拌至均匀散开后再掺入;3.2.2.6 有渗漏水的部位,喷射前应遵循“堵、集、引、排”相结合的原则进行处理。4、二次衬砌施工4.1衬砌台车制作4.1.1台车采用自行液压组合门架式,即行走机构为两组涡轮涡杆减速器通过链传动驱动四对行走轮,升、拆模通过液压油缸操作,操纵机构为电气操纵;4.1.2 台车长度以912m为宜。4.1.3台车在衬砌时最大的问题是稳定性,开挖时保留7、8部核心岩柱,衬砌时在顶横梁下增加2列共8个支撑千斤顶,一头支撑在核心岩柱上,一头支撑在台车门架横梁上,另一个措施是在门架立柱上增加横向支撑,一边支撑在门架立柱上,一边支撑在核心岩柱上,采取以上两项措施后,台车衬砌时的
21、稳定性就大大提高了。4.1.4台车的升、脱模通过集中油泵供油,调节支撑千斤顶来完成的,在台车拱架拱肩与拱顶相接处左右各设一铰接点,脱模时,左右边墙支撑千斤顶收缩,边模与混凝土脱离,然后拱顶支撑三角架的千斤顶下降,顶模与混凝土分离,脱模完成,设计拱顶最大脱模高度20cm,边墙脱模高度15cm。4.1.5 台车模板采用定型组合钢模板,以增加模板刚度。4.1.6 模板上预留浇注孔,间距不大于2m。因断面大,拱顶上较平,拱顶上两侧各应增开12个刹尖孔。4.1.7 衬砌台车制作可参见图5进行。图5 衬砌台车制作示意图4.2 衬砌台车的强度验算根据衬砌台车的结构设计参数及施工过程的工艺要求,需对设计的全断
22、面衬砌台车进行结构强度及主要构件刚度验算。假定混凝土为流体,台车在每模混凝土浇注即将结束时受力最大,分别验算门架横梁、立柱、上纵梁、下纵梁、上部三角架、水平横撑等关键受力部位和构件的强度和刚度,计算理论变形。理论变形值以不大于2mm为宜。4.3衬砌混凝土施工工艺及质量控制措施4.3.1大体积现浇商品混凝土施工工艺流程(参见图6)并有应急设备设备完好下一模砼砼合格砼不合格,退货施工准备模板台车轨道安装衬砌断面检查验收;仰拱、端头墙施工缝处理关挡头板泵送、浇筑砼混凝土养护拆 模 板模板台车清洗打油模板台车就位铺防水板,钢筋及预埋件制作安装监理工程师验收砼泵进场、接管照明、捣固设备已准备好砼进场测量
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