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高寒地区软弱围岩隧道安全快速掘进技术

发表时间：2020/10/21 来源：《基层建设》2020年第19期作者：韩文旭

[导读] 摘要：金源隧道为单洞双向隧道，全隧为Ⅴ级的圆砾、砂砾、粉质粘土软弱围岩，在施工过程中研究采用了非爆破机械开挖的三台阶（微台阶）无预留核心土的方法开挖，本文主要介绍采用此方法开挖的工艺和效果。

        青海省交通科学研究院西宁
        摘要：金源隧道为单洞双向隧道，全隧为Ⅴ级的圆砾、砂砾、粉质粘土软弱围岩，在施工过程中研究采用了非爆破机械开挖的三台阶（微台阶）无预留核心土的方法开挖，本文主要介绍采用此方法开挖的工艺和效果。
        关键词：Ⅴ级软弱围岩非爆破机械开挖三台阶无预留核心土微台阶安全快速
        1 工程概况
        金源隧道为青海省扶贫工程S306线官亭至哈城公路大河家至哈城段改建工程中的控制性工程。该隧道设计采用单洞双车道隧道，起讫桩号K65+100～K68+065，总长2965m，隧道净空（宽×高）：10.0m×5.0m，隧道平面进口位于直线上，出口位于圆曲线上，洞身段大部分处于直线上，隧道纵面为单向坡，坡度为2.9%/3240。隧道最大埋深328m，洞身段V级围岩占比100%，全为黄土、圆砾、砂砾、粉质粘土类软弱围岩，围岩稳定性差，雨季或丰水季节施工有滴水状出水现象，开挖时极易大面积坍塌。该隧道施工难度、安全风险及工期风险大，属高风险隧道。
        2 施工方案的确定
        根据金源隧道所处的地理环境、气候特征、围岩状况、交通运输条件及现有的资源和技术水平等因素，为确保此隧道安全、快速的完成，项目组织了相关专家就该隧道开挖方案方法及工艺进行了多方研讨。最终在比较了爆破开挖或非爆破机械开挖方案，三台阶法预留核心土或三台阶（微台阶）无预留核心土或侧壁导坑等工法的优劣比较后，确定了采用非爆破机械开挖方案和三台阶（微台阶）无预留核心土的开挖方法。
        3 开挖方案方法
        采用非爆破机械开挖方案和三台阶（微台阶）无预留核心土的开挖方法对金源隧道开挖掘进时，按照“新奥法”原理，遵循“早预报、管超前、短进尺、少扰动、严治水、强支护、早封闭、勤量测、紧衬砌”的原则稳步前进，合理分区，机械化配套同步平行作业。开挖后立即进行初期支护，保证在最短时间封闭围岩，及时完成仰拱，使全环型钢支撑及时成环，并根据量测数据确定最佳二衬施工时间，尽快完成二衬施工。具体步骤如下：
        3.1施工工艺流程图
        施工工艺流程见图3-1。

        图3-1 黄土隧道V级围岩机械化配套快速施工工艺流程图
        3.2施工准备
        3.2.1风、水管、电线敷设、施工便道、施工场地布置，机械设备、人员配置、材料准备、修建防排水设施、修建环保、水保设施。
        3.2.2根据设计资料详细分析了解工程地质、当地水文地质情况，制定合理的施工方案和施工措施，制定施工监控量测方案及沉降观测计划。
        3.3.3严格控制进场原材料质量符合相关设计、规范及验标要求。
        3.4.4制定各项应急预案，并上报审批。
        3.3施工步骤
        3.3.1严格按设计图设计尺寸及与隧道中线的相对尺寸进行测量放线。
        3.3.2超前支护施工
        隧道开挖过程是围岩应力重分布的过程，围岩由开挖前的天然应力平衡状态转变为向洞室松胀位移产生围岩变形，为把隧道开挖的影响限制在最小范围内，防止围岩的松弛，在断层、破碎带、浅埋带等自然性较差地质条件段，施作大管棚、小导管预注浆等超前预支护。
        3.3.3开挖施工作业
        根据官哈公路金源隧道施工，经过现场施工各工序的优化调整，总结出黄土隧道V级围岩如下开挖施工参数，其施工工序如图3-３-１所示“开挖工序示意图”。

        图3-3-1开挖工序示意图
        ①上部导坑开挖：在拱部超前支护后进行，环向开挖上部导坑，人工修整边壁。开挖高度为3.5m左右，纵向开挖长度为3～5m。开挖循环进尺根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1～2榀钢架间距，开挖后立即初喷3～5cm混凝土。开挖后及时进行架设钢拱架、锚杆、钢筋网系统支护。在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°～45°打设锁脚锚管，锁脚锚管与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。见图3-3-2、图3-3-3。在①上部导坑进行架设钢拱架、锚杆、钢筋网系统支护的同时进行②、③ 左、右侧中台阶开挖。
        ②、③左、右侧中台阶开挖：开挖进尺根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过2榀钢架间距，开挖高度为2.5m左右，台阶长度为5～8m。左、右侧台阶错开保持2榀钢架间距，开挖后及时初喷3～5cm混凝土，一次安装2榀钢支撑与上部钢支撑对接通过螺栓连接牢固，及时进行施工锚杆、钢筋网、喷射混凝土等初支系统支护。依设计在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°～45°打设锁脚锚管，锁脚锚管与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度，见图3-3-4、图3-3-5。在②、③ 左、右侧中台阶进行架设钢拱架、锚杆、钢筋网系统支护的同时进行①上部导坑复喷浆，并同时进行④、⑤ 左、右侧下台阶开挖。
        ④、⑤左、右侧下台阶开挖：开挖进尺根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过2榀钢架间距，开挖高度为2.5m左右，左、右侧台阶错开2榀钢架间距，开挖后及时初喷3～5cm混凝土，一次安装2榀钢支撑与中部钢支撑对接通过螺栓连接牢固，及时进行施工、锚杆、钢筋网、喷射混凝土系统支护。根据设计在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°～45°打设锁脚锚管，锁脚锚管与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度，见图3-3-6。在④、⑤左、右侧下台阶进行架设钢拱架、锚杆、钢筋网系统支护的同时进行②、③上部导坑复喷浆，并同时进行⑥ 左、右侧下台阶开挖。
        ⑥ 隧底开挖：为使初支尽快封闭成环，3m开挖一次，开挖完后及时喷射混凝土覆盖，喷射混凝土初凝后绑扎仰拱钢筋、浇注仰拱混凝土，仰拱混凝土浇筑4～6小时后回填填料，推进下一循环施工。见图3-3-7。在⑥左、右侧下台阶进行架设钢拱架、锚杆、钢筋网系统支护的同时进行④、⑤上部导坑复喷浆。

        图3-3-2                                       图3-3-3

        图3-3-4                                       图3-3-5

        图3-3-6                                        图3-3-7
        3.3.4防水施工
        防水层采用专用台车进行安装，按设计材料和技术参数施作防水层，铺设时要采用无钉孔工艺，并视初期支护的平整情况，将防水板留一定余量，以防止过紧而被混凝土挤破。
        3.3.5二衬施工
        仰拱施作完成后，及时施作二次衬砌，二次衬砌距离仰拱宜根据围岩级别控制在30～70m内，具体滞后距离根据洞内围岩变位监控反馈信息确定。
        混凝土衬砌采用全断面液压钢模衬砌台车、泵送混凝土灌注、混凝土输送车运输。灌筑时要注意台车两侧对称均匀下料，防止台车偏移。
        4 工序循环时间安排
        工序循环时间安排

        综上表所统计，按金源隧道所揭露的岩层（黄土）进行正常开挖时，每一循开挖两榀时环所需时间为540min（9h），每天可进行2.6个循环，进尺约为3m，每月进尺可达90m。
        5 资源配置
        5.1劳动力组织
        为确金源隧道施工的安全、质量及进度，同时兼顾成本，通过多次实践，合理的人员配置如表5-1。
        表5-1 单洞作面作业劳动组织表

        5.2机械设备配置
        根据金源隧道断面的大小、围岩的软硬、所确定的施工方案及工艺工法所需机械设备配备如表5-2所示。
        表5-2 单洞作业机械设备配备表

        6 开挖效果
        通过对金源隧道采用非爆破机械开挖方案和三台阶（微台阶）无预留核心土的开挖在不管是在安全质量、施工速度，还是经济效益上都取得了比较好效果，具体如下：
        6.1施工分区空间合理，利于多作业面机械化平行施工作业，且三台阶可同时作业业，施工工效高，施工进度快，根据金源隧道施工统计，正常情况平均月成洞达70～100m，其施工进度较其它开挖方法快。
        6.2减小了对围岩的扰动，有效控制了隧道初支结构沉降、变形，安全步距控制容易，极大的降低了安全风险，同时施质量也能更优。
        6.3采用非爆破挖掘机机械开挖，能够有效控制隧道超欠挖，并能节省炸药和用电量，极大了节省成本。
        6.4在地质条件发生变化时，便于灵活、及时快速转换施工工序，调整施工方法，进度稳定，工期有保障。
        6.5无需特殊施工设备，投入少，操作性强，值得类似工程借鉴。
        参考文献：
        ⑴省道306线官亭至哈城公路大河家至哈城段改建工程GH-SG3合同段两阶段施工图设计。