客运专线隧道施工技术

客运专线隧道施工技术内容摘要：

过程中，围岩稳定与否，虽然主要地取决于围岩本身的工程地质条件，但无疑开挖对围岩稳定状态有直接而重要的影响。 因此，隧道开挖的基本 原则是：在保证围岩稳定或减少对围岩的扰动的前提条件下，选择恰当的开挖方法和掘进方式，并应尽量提高掘进速度。 即在选择开挖方法和掘进方式时，一方面应考虑隧道围岩地质条件及其变化情况，选择能很好地适应地质条件及其变化，并能保持围岩稳定的方法和方式；另一方面应考虑坑道范围内岩体的坚硬程度，选择能快速掘进，并能减少对围岩的扰动的方法和方式。 隧道施工中，开挖方法是影响围岩稳定的重要因素之一、因此，在选择开挖方法时，应对隧道断面大小及形状、围岩的工程地质条件、支护条件、工期要求、工区长度、机械配备能力、经济性等相关因素 进行综合分析，采用恰当的开挖方法。 尤其应与支护条件相适应。 隧道开挖方法实际上是指开挖成形方法。 按开挖隧道的横断面分部情形来分，开挖方法可分为全断面开挖法、台阶开挖法、分部开挖法等，见表 10。 全断面开挖法 断面开挖法就是按照设计轮廓一次爆破成形，然后修建衬砌的施工方法。 (1)施工顺序 隧道掘进正规循环作业横道图见图 5。 图 5 隧道掘进正规循环作业横道图 工 序 交换班 钻 眼 装 药 爆破、通风 初期支护 出 碴 机动时间 二次衬砌 1 2 3 4 5 6 7 8 时 间 (h) ① ② ① ② ① ③ ② ② ① ② ③ ① ③ ② ① ② ③ ① ① ③ ② ① ② ③ ① ③ ③ ② ② ① ② ③ ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ① ③ ② ④ ⑤ ⑥ ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 表 10 隧道主要施工 (开挖 )方法 序号 名称 横断面示意 纵断面示意 1 全断面开 挖法 2 台阶法 3 环形开挖预留核心土法 4 单侧壁导 坑法 5 双侧壁导 坑法 6 中洞法 7 中隔壁法 (CD) 8 交叉中隔壁法(CRD) (2)适用条件 ① I~IV 级围岩，在用于Ⅳ级围岩时，围岩应具备从全断面开挖到初期支护前这段时间内，保持其自身稳定的条件。 ②有钻孔台车或自制作业台架及高效率装运机械设备。 ③隧道长度或施工区段长度不 宜太短，根据经验一般不应小于 lkm，否则采用大型机械化施工，其经济性较差。 1 2 L 1 2 (1~)L (b)短台阶法 (a)长台阶法 1 2 5L 1 2 L 图 6 台阶法类型 1 2 3~5m (c)微台阶法 1 2 L 采用全断面一次开挖法，必须注意机械设备的配套，以充分发挥机械设备的效率。 隧道机械化施工，有三条主要作业线，见表 11。 为加快隧道建设，必须实现隧道施工机械化，而隧道工程新技术、新工艺的推广又为机械化施工奠定了基础。 同时，机械化的发展又推动了隧道施工工艺水平的不断提高。 机械设备选型时应遵循可靠性、经济性、配套性等原则。 表 11 隧道机械化施工作业线 作业线 采用的大型机械设备 开挖作业线 钻孔台车、装药台车、装载机配合自卸汽 车（无轨运输时）、装渣机配合矿车及电瓶车或内燃机车（有轨运输时） 喷锚作业线 混凝土喷射机、混凝土喷射机械手、喷锚作业平台进料运输设备及锚杆灌浆设备 模筑衬砌作业线 混凝土拌和作业厂、混凝土输送车及输送泵、施作防水层作业平台、衬砌钢模台车 台阶法 根据台阶长度不同，划分为长台阶法、短台阶法和微台阶法三种，如图 6 所示。 施工中采用哪一种台阶法，要根据两个条件来决定，第一是对初期支护形成闭合断面的时间要求，围岩越差，要求闭合时间越短，第二是对上部断面施工所采用的开挖、支护、出渣等机械设备需 要施工场地大小的要求。 对软弱围岩，主要考虑前者，以确保施工安全；对较好围岩，主要考虑如何更好地发挥机械设备的效率，保证施工中的经济效益，因此只考虑后一条件。 (1)长台阶法 长台阶法开挖断面小，有利于维持开挖面的稳定，适用范围较全断面法广，一般适用于地质条件较差的Ⅲ，Ⅳ， V 级围岩，在上、下两个台阶上，分别进行开挖、支护、运输、通风、排水等作业线，因此台阶长度适当长一些，一般考虑至少为 50m。 但台阶长度过长，如大于 l00m，则增加了轨道的铺设长度，同时其通风排烟、排水的难度也大大增加。 这样反而降低了施工的综合 效率，因此推荐台阶长度为 50~80m。 (2)短台阶法 短台阶法适用于地质条件差的Ⅳ、 V 级围岩，台阶长度定为 10~15m，即 1~2 倍开挖宽度，主要是考虑拉开工作面，减少干扰，因此台阶长度不宜过短。 上台阶一般采用少药量的松动爆破，出渣采用人工或小型机械转运至下台阶，一般不考虑有轨运输，因此台阶长度又不宜过长，如果超过 15m，则出渣所需的时间显得过长。 短台阶法可缩短支护闭合时间，改善初期支护的受力条件，有利于控制围岩变形。 缺点是上部出渣对下部断面施工干扰较大，不能全部平行作业。 (3)微台阶法 微台阶法是全断 面开挖的一种变异形式，适用于工，Ⅱ，Ⅲ级围岩，一般为 3~5m的台阶长度，台阶长度小于 3m时，无法正常进行钻眼和拱部的喷锚支护作业，台阶长度大于 5m时，利用爆破将石渣翻至下台阶有较大的难度，必须采用人工翻渣，所以不可取。 微台阶法上下断面相距较近，机械设备集中，作业时相互干扰大，生产效率低，施工速度慢。 分部开挖法 分部开挖法包括环形开挖预留核心土法、双侧壁导坑法、中洞法、中隔壁法等。 (1)环形开挖留核心土法 环形开挖留核心土法常用于Ⅵ级围岩单线和 V~Ⅵ级围岩双线隧道掘进。 施工方法见施工顺序：人 工或单臂掘进机开挖环形拱部十架立钢支撑，挂钢丝网，喷射混凝土十在拱部初期支护保护下，用挖掘机械单臂掘进机开挖核心土个随即接长边墙钢支撑，挂网喷射混凝土，并进行封底十根据围岩变形，施作二次衬砌。 施工时要求：环形开挖进尺一般为 ~；开挖后应及时施作喷锚支护、安设钢架支撑，每两榀钢架之间采用连续钢筋连接，并加锁脚锚杆；核心土面积不小于整个断面的 50％；当围岩地质条件差，自稳时间较短时，开挖前在拱部设计开挖轮廓线以外，进行超前支护；二次衬砌采用先墙后拱法施作。 环形开挖留核心土法施工具有简单明了，施工 易行；不需要特殊的机械设备，减少施工投入；开挖工作面稳定性好，施工较安全等特点。 在土质及软弱围岩中使用较多，在大秦线军都山隧道黄土段等隧道施工中均有应用。 (2)双侧壁导坑法 双侧壁导坑法适用于 V~Ⅵ级围岩双线或多线隧道掘进。 由于跨度较大，一般开挖宽度达 11m左右，无法采用全断面或台阶法开挖，采用先开挖隧道两侧导坑，相当于先开挖 2 个小跨度的隧道，并及时施作导坑四周初期支护及边墙衬砌，再根据地质条件、断面大小，对剩余部分断面进行一次或二次开挖。 双侧壁导坑法施工要求：侧壁导坑高度以到起拱线为宜；侧壁导坑形状 应近于椭圆形断面，导坑断面为整个断面的 1/3；侧壁导坑领先长度一般为 30~50m，以开挖一侧导坑所引起的围岩应力重分布不影响另一侧导坑为原则；导坑开挖后应及时进行初期支 护，并尽早封闭成环。 双侧壁导坑法具有控制地表沉陷好 (仅为短台阶法的 1/2)，施工安全等优点，但进度慢，成本高。 因此，适用于断面跨度大，地表沉陷要求严格，围岩条件特别差的隧道，在衡广复线香炉坑隧道、大秦线西坪隧道通过塌方体、北京地铁西单车站等地下工程中均有应用。 (3)中洞法 中洞法适用于双连拱隧道。 采用先施作隧道中墙混凝土，后开挖两侧的施 工方法。 中洞法施工要求：中洞法开挖高度应大于中墙高度 1m，开挖宽度应大于 5m；中洞开挖长度根据隧道长度、宽度以及地质情况综合考虑，一般为 50~80m；对长度 200~300m的短隧道可先贯通中洞，然后再施工两侧侧洞；中洞开挖后应及时施作初期支护，再分段灌筑中墙混凝土，每一纵向段长度为 4~6m，在中墙混凝土达到设计强度后方可拆模，并进行临时横向支撑。 (4)中隔壁法 (CD) 中隔壁法是近年来从国外引进的先进的施工方法，通过在国内的铁路隧道和城市地下工程中的实践，证明这种方法是通过软弱、浅埋、大跨度隧道的最有 效的施工方法，它适用于 V~Ⅵ级围岩的浅埋双线隧道。 中隔墙开挖时，应沿一侧自上而下分为二或三部进行，每开挖一步均应及时施作锚喷支护、安设钢架、施作中隔壁，底部应设临时仰拱，中隔壁墙依次分步联结而成，之后再开挖中隔墙的另一侧，其分步次数及支护形式与先开挖的一侧相同。 中隔壁洞法施工要求：各部开挖时，周边轮廓尽量圆顺，减小应力集中；各部的底部高程应与钢架接头处一致；每一部的开挖高度为 ；后一侧开挖应全断面及时封闭；左右两侧纵向间距一般为 30~50m；中隔壁设置为弧形或圆弧形。 (5)交叉中隔壁法 (CRD) 交叉中隔壁法适用于 V~Ⅵ级围岩浅埋的双线或多线隧道。 采用自上而下分为二至三步开挖中隔墙的一侧，并及时支护，待完成 1~2 部后，即开始另一侧 l~2 部开挖及支护，形成左右两侧开挖及支护相互交叉的情形。 采用交叉中隔壁法施工，除满足中隔壁法的要求外，尚应满足：设置临时仰拱，步步成环；自上而下，交叉进行；中隔壁及交叉临时支护，在灌注二次衬砌时，应逐段拆除。 各施工方法的适用范围总结如表 12 所示。 表 12 各施工方法的适用范围 隧道施工辅助方法 在前面介绍隧道开挖方法时，就有一个假定，即开挖面 (或称掌子 面 )均为直立的。 但事实上这个假定只能是对稳定性较好的围岩才成立，对于软弱破碎围岩则不然。 在这种情形中，即使是采取短进尺开挖，开挖面也会向下坍塌。 其结果是造成支护和开挖面前方的更大坍塌，甚至影响后方的施作支护部分的稳定或波及地表沉陷。 当地下水丰富时，这种情况就更为严重。 在隧道工程历史中，这样的事例并不鲜见，造成了人、财、物的大量消耗。 随着开挖技术、锚喷支护技术、地层改良技术的研究应用和发展，隧道工作者研究出了许多辅助稳定措施，从而使得现代隧道工程施工的开挖和支护变得更简捷、及时、有效、彻底，也更具有可预防性 和安全性。 隧道施工中常用的辅助稳定措施有： 超前深孔围幕注浆超前小导管注浆注浆加固围岩和堵水插板长管棚短管棚管棚超前支护前方围岩临时仰拱封底超前锚杆锚固前方围岩喷射混凝土封闭工作面预留心土挡护开挖面稳定工作面 上述辅助稳定措施的选用应视围岩地质条件、地下水情况、施工方法、环境要求等具体情况而定，并尽量与常规施工方法相结合，进行充分的技术经济比较，选择一种或几种同时使用。 施工中应经常观测地形、地貌的变化以及地质和地下水的变异情况，制定有关的安全施工细则，预防突然事故的发生。 必须坚持先支护 (或强支护 )、后开挖、短进度、弱爆破、快封闭、勤测量的施工原则，并作好详细的施工记录。 超前锚杆 (1)构造组成 超前锚杆是 沿开挖轮廓线，以稍大的外插角，向开挖面前方安装锚杆，形成对前方围岩的预锚固，在提前形成的围岩锚固圈的保护下进行开挖等作业 (图 7)。 (2)性能特点及适用条件 这类超前支护的柔性较大，整体刚度较小。 虽然可以与系统锚杆焊接以增强其整体性，但对于围岩应力较大时，其后期支护刚度就有些不足。 因此此类超前支护主要适用于应力不太大，地下水较少的软弱围岩的隧道工程中，如土砂质地层、弱膨胀性地层、流变性较小的地层、裂隙发育的岩体、断层破碎带等、浅埋无显著偏压的隧道。 也适宜于采用中小型机械施工。 (3)设计、施工要点 ① .超前 锚杆的超前量、环向间距、外插角等参数，应视围岩地质条件、施工断面大小、开挖循环进尺和施工条件而定。 一般超前长度为循环进尺的 3~5 倍，宜采用 3~5m长，环向间距采用 ~；外插角宜用 10176。 ~30176。 ；搭接长度宜为超前长度的 40%~60%左右，即大致形成双层或双排锚杆。 ②超前锚杆宜用早强砂浆全粘结式锚杆，锚杆材料可用不小于 φ 22 的螺纹钢筋。 ③超前锚杆的安装误差，一般要求孔位偏差不超过 10cm，外插角超过 1176。 ~2176。 ，锚入长度不小于设计长度的 96%。 ④开挖时应注意保留前方有一定长度的锚固区，以使超前锚 杆的前端有一个稳定的支点。 其尾端应尽可能多地与系统锚杆及钢筋网焊连。 若掌子面出现滑坍现象，则应及时喷射混凝土封闭开挖面，并尽快打。