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三台阶法在大王顶隧道中的应用研究 于 2010年08月25日 发布 点击数:

 

 
摘 要:江肇高速公路大王顶隧道为6车道左、右线分离式隧道。左线隧道长2200m,右线隧道长2159m,属长隧道。原设计Ⅴ级(Ⅳ级)围岩采用双(单)侧壁导坑法开挖,对其进行优化设计后,改用三台阶法开挖,以达到少扰动围岩、早封闭、快速施工、降低工程造价和施工成本的目的,可供类似公路隧道施工参考。
关键词:公路隧道;超大断面;三台阶法;应用
大王顶隧道属珠江三角洲经济区外环公路江门至肇庆高速公路(简称江肇高速公路)的控制性工程。大王顶隧道位于佛山市高明区,采用双向六车道左、右线分离式高速公路标准,大王顶左线隧道进口桩号K41 700,出口桩号K43 900,隧道长2200m;大王顶右线隧道进口桩号K41 725,出口桩号K43 884,隧道长2159m。该隧道最大埋深约198.77m。隧道平曲线进口R=3800m、出口直线,进口R=4150m、出口直线,纵面设计左线纵坡(%)/坡长(m)1.03%/2210m、-2.39%/670m,右线1.03%/2270m、-2.88%/760m。
绪论
1.1  本课题研究的背景
要解决的重点、难点和关键问题在本项目大王顶隧道(属扁平、超大断面隧道)中有如下三个问题。
第一,大王顶隧道左线出口端按原设计采用超前支护30 mФ108长管棚及双侧壁导坑法进行开挖进洞,于2008年12月30日隧道出口端左洞内侧壁上台阶开挖进洞,至2009年1月7日,共开挖及支护9榀钢拱架,共进尺4.8m,平均每天进尺0.53m。双侧壁导坑法施工工序烦琐,施工进度很缓慢。如采用双侧壁导坑法开挖无法完成省委省政府要求2010年底建成通车及难于确保按总工期完成,急需解决双(单)侧壁导坑法改变为三台阶法开挖施工。
第二,大王顶隧道围岩为强风化砂岩夹泥岩,局部弱风化,受地质构造影响较严重,岩体破碎,存在破碎带,节理裂隙较发育,充填泥质物形成软弱夹层,开挖后出现掉块,局部小塌,围岩滴水或小股流,围岩强度低自稳能力较差;爆破后,洞渣呈碎屑状,只有少量零星小块。解决三台阶法适用于大王顶隧道开挖的实施方案,并在大王顶隧道各级围岩开挖形成一套快速施工、提高工效的隧道施工新工艺成套生产技术。
第三,三台阶法与双(单)侧壁导坑法进行对比验证,得出结论:三台阶法在大王顶隧道(属扁平、超大断面隧道)施工中少扰动围岩、早封闭、方便快速施工、降低工程造价和施工成本的经济效益, 更能确保工程质量及安全的目的。
1.2  重点、难点工程及其措施
结合大王顶隧道地质地貌及实际情况,本隧道技术重点、难点工程是大断面隧道开挖及初期支护的施工。
措施:
(1)各级围岩段采用三台阶法开挖。
(2)各级围岩开挖每循环进尺严格按三台阶法要求来控制。
(3)爆破采用楔形掏槽微差控制爆破技术,起爆方式采用塑料导爆管毫秒微差有序起爆,并根据爆破效果及时调整各种爆破参数。
(4)发挥隧道机械化施工的特色,辅之以施工中的技术创新及适应于现实环境下的新工艺、新技术相结合。
(5)施工阶段应加强超前地质预报,坚持全程进行超前地质预报。
(6)加强监控量测工作。通过对量测数据分析处理,及时调整和加强初期支护。
1.3  本课题主要研究内容
为更好的保证大王顶隧道开挖安全、保证质量及快速完成,尤其是在技术可行、经济合理的前提下,怎样提高隧道开挖速度,本课题结合大王顶隧道实际情况,开展了三台阶法在大王顶隧道中的应用研究工作。采用三台阶法开挖,施工中能维护和利用围岩的自承能力、自稳能力,符合新奥法原理。其优点是施工工序简单、紧扣、高效、投入少(节省开挖台车),避免了大量拆除临时支护作,节省了施工成本,以达到少扰动围岩、早封闭、快速施工、降低工程造价和施工成本的目的,能确保工程质量和安全。
主要的研究内容如下:
(1)各级围岩三台阶法设计研究。
(2)各级围岩三台阶法施工研究。
(3)三台阶法与双(单)侧壁导坑法对比试验研究。
(4)三台阶法经济效益分析。
气候、水文、地质的情况
2.1  气候状况
本课题大王顶隧道所在区域属南亚热带季节气候,干湿季节明显,春夏温和多雨水,秋冬凉爽无严寒,植被四季常青。该区年平均气温18.8℃~22.4℃,月平均气温最高30.9℃,月平均气温最低12.9℃,极端最高气温42℃。年均降雨量1754.9~2215.7mm,主要集中在4~9月份,尤以6月份降水最多,常年平均雨日157天。
2.2  水文情况
大王顶隧道工程区属西江流域,西江从路线东北部流过。最近隧道约4~10公里,西江支流主要有高明河、杨梅河。
1、地表水
隧址区地表水主要为沟谷中的流水,流量较小,受季节影响明显。大气降水、沟谷两侧的基岩裂隙水及谷底的泉水为其主要补给来源。
2、地下水
隧址区地下水分为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水两种类型。
松散岩类孔隙水:赋存于基岩全风化层和部分坡积层孔隙中的潜水,水量较贫乏。
基岩裂隙水:赋存于强~弱风化砂岩的节理裂隙中,水量大小分布很不均匀,节理、裂隙发育,水量较大,反之则小。
据水质分析报告,隧址区地下水为HCO3�CL-Na和HCO3-Na型水,PH=6.6~6.9,Mg2 =2.67~14.83mg/L,CL-=12.41~15.86mg/L,SO42-=4.84~13.08mg/L,HCO3-=21.97~152.55mg/L,侵蚀CO2=0~10.56mg/L,按《公路工程地质勘察规范》(JTJ 064-98)判定:隧址区属Ⅱ类环境类型,地下水对混凝土无腐蚀性。
3、预测最大涌水量
大王顶隧道预测最大涌水量:右线隧道为4373.88m3/d;左线隧道为4153.68m3/d。
2.3  地质情况
2.3.1  地形地貌
大王顶隧道位于佛山高明隆起区,山峦叠嶂,沟谷发育,多呈“V”字形,山坡坡度25�~45�,山坡植被茂盛,隧道区高程27~244.00m,属侵蚀低山地貌。隧道最大埋深约198.77m。
2.3.2  地层岩性
根据工程地质调绘及钻探结果,隧址区大部分地段上部分布第四系全新统坡积物(Q4d1)亚粘土,局部地段分布碎石;冲沟底部分布第四系全新统坡洪积物(Q4d1 p1)亚粘土;基岩为泥盆系砂岩(D) 、寒武系砂岩(∈)。
2.3.3  地层构造
隧址区位于华南褶皱系所挟持的粤中地块,为地壳相对稳定区。据勘察结果,隧址区地质构造相对简单,主要为砂岩中的节理裂隙。
(1)节理裂隙
此次勘察发现,隧址区内砂岩节理裂隙发育。
(2)褶皱
杨梅背斜:位于K41 700~K44 200段,背斜走向为北东—南西向,向北西或南东方向陡倾,倾角一般在55�~70�,核部地层为寒武系,东南翼被花岗岩侵入破坏,西北翼被断层破坏,致使该背斜残缺不全,该背斜构造对隧道工程无影响。
(3)断层
区内主构造线方向主要呈北东-南西方向,地层走向和主要断裂构造成北东-南西向。近场区主要断裂为金鸡-鹤城断裂,对隧道工程无影响。
2.3.4  不良地层
根据钻探及地质调绘、物探资料,隧道区未见严重不良地质现象。
各级围岩三台阶法设计研究
大王顶隧道是江肇高速公路控制性隧道工程,为落实完成省委省政府要求江肇高速公路南段2010年底建成通车任务的目标,必须将原设计双(单)侧壁导坑法变更为三台阶法开挖施工。同时,三台阶法在大断面、软弱围岩开挖形成一套快速施工、提高工效的隧道施工技术,以达到少扰动围岩、早封闭、快速施工、降低工程造价和施工成本的目的,能确保工程质量和安全。
3.1  Ⅴ级围岩三台阶法设计
Ⅴ级围岩采用三台阶法开挖,主洞拱部采用Φ50mm超前小导管注浆预支护及初期支护,即安装钢拱架(浅埋段Ⅰ22b纵向间距60cm、深埋段Ⅰ22a纵向间距80cm),挂Φ8mm钢筋网(浅埋段双层、深埋段单层),安装Φ25mm中空注浆锚杆、喷C25混凝土,上、中、下台阶每榀钢拱架拱脚处增设5m锁脚锚管两根(Ф42�4mm锁脚锚管)。加强段2洞之间加固中间岩柱采用Φ25mm中空注浆锚杆。上台阶长5m,中台阶长10m,下台阶长10~15m,仰拱至下台阶距离15~20m,2次衬砌至仰拱端头不大于50m。上台阶高292cm,中台阶高385cm,下台阶高397cm。如下图所示。
 
 
3.2  Ⅳ级围岩三台阶法设计
Ⅳ级围岩采用三台阶法开挖,主洞拱部采用Φ50mm超前小导管注浆预支护及初期支护,即安装Ⅰ18钢拱架(浅埋段纵向间距80cm、深埋段纵向间距100cm),挂Φ8mm钢筋网,安装Φ25mm中空注浆锚杆,喷C25混凝土,上、中、下台阶每榀钢拱架拱脚处增设4m锁脚锚管2根(Ф42mm�4mm锁脚锚管)。加强段2洞之间加固中间岩柱采用Φ25mm中空注浆锚杆。上台阶长5m,中台阶长10m,下台阶长10~15m,仰拱至下台阶距离15~20m,2次衬砌至仰拱端头不大于50m。上台阶高285cm,中台阶高392cm,下台阶高329cm。
如下图所示。
 
 
3.3  Ⅲ级围岩三台阶法设计
Ⅲ级围岩采用三台阶法开挖,一般段主洞拱部采用初期支护,即安装Ⅰ16钢拱架(纵向间距100cm),安装Φ22mm药卷锚杆,挂Φ8mm钢筋网,喷C25混凝土;加强段主洞拱部采用初期支护,安装Φ25mm中空注浆锚杆,挂Φ8mm钢筋网,喷C25混凝土,两洞之间加固中间岩柱采用Φ25mm中空注浆锚杆;下台阶每榀钢拱架拱脚处增设3.5m锁脚锚管两根(Ф42�4mm锁脚锚管)。上台阶长度5m,中台阶长度10m,下台阶长度10~15m,仰拱至下台阶距离15~20m,二次衬砌至仰拱端头不大于50m,上台阶高度为281cm,中台阶高度为388cm,下台阶高度为388cm。如下图所示。
 
 
各级围岩三台阶法施工研究
4.1  三台阶法施工工、料、机的投入
4.1.1  三台阶法施工工人配备
大王顶隧道开挖采用三台阶法施工,开挖施工配备工人如下表:
序号
施工工序名称
配备人数
1
上台阶开挖
5
2
中台阶开挖
8
3
下台阶开挖
8
4
上台阶初支
4
5
中台阶初支
8
6
下台阶初支
8
 
4.1.2  三台阶法施工材料配备
大王顶隧道开挖采用三台阶法施工,开挖施工配备材料如下表:
序号
材料名称
规格
1
钢拱架工字钢
Ⅰ22a、Ⅰ22b
Ⅰ18、Ⅰ16
2
中空注浆锚杆
Φ25mm
3
锁脚锚管
Ф42mm�4mm
4
药卷锚杆
Φ22mm
5
钢筋网
Φ8mm
6
喷C25混凝土
C25
7
速凝剂
AC
8
半加圆排水管
Φ100mm
 
4.1.3  三台阶法施工机械配备
大王顶隧道开挖采用三台阶法施工,开挖施工配备主要机械如下表:
序号
机械名称
规格
1
风压机
20M3/min
2
挖掘机
卡特320C
3
装载机
ZL50
4
凿岩机
T28
5
冷弯机
LW-25
6
砼喷射机
GSP-D
4.2  Ⅴ级围岩三台阶法施工
Ⅴ级围岩采用三台阶法开挖具体施作过程必须严格控制如下几点关键问题:①三台阶法上、中、下台阶每循环掘进开挖宜控制在2榀以内;②中台阶、下台阶开挖分左右两侧进行,马口错开长度约5m左右;③上、中、下台阶每榀钢拱架拱脚处增设5m锁脚锚管两根(Ф42�4mm锁脚锚管)。锁脚锚管的作用,控制钢拱架下沉;④采用预裂爆破,控制爆破中的震动效应;⑤洞口30m长管棚范围内,拱部增加Ф50超前小导管52根,L-5.0m,环向间距40cm,α=10~15�,与长管棚错开间距20cm布设;⑥30m长管棚范围外,为有效控制拱顶下沉变形,拱部设Ф50超前小导管环向间距40cm,L-5.0m,α=10~15�;⑦加强监控量测,特别关注地表及拱顶下沉问题。如下图所示。
 
 
 
 
Ⅴ级围岩采用三台阶法开挖现场
4.3  Ⅳ级围岩三台阶法施工
Ⅳ级围岩采用三台阶法开挖时,施作过程中必须严格控制如下几点:1)上、中、下台阶每循环掘进开挖宜控制在2榀以内;2)中台阶、下台阶开挖分左右两侧进行,马口错开长度约5m;3)上、中、下台阶每榀钢拱架拱脚处增设4m锁脚锚管2根(Ф42mm�4mm锁脚锚管),锁脚锚管用于控制钢拱架下沉;4)采取预裂爆破,控制爆破中的震动效应;5)加强监控量测,特别关注地表及拱顶下沉。
4.4  Ⅲ级围岩三台阶法施工
Ⅲ级围岩采用三台阶法开挖具体施作过程必须严格控制如下几点关键问题:①三台阶法上、中、下台阶每循环掘进开挖宜控制在2榀以内;②中台阶、下台阶开挖分左右两侧进行,马口错开长度约5m左右;③下台阶每榀钢拱架拱脚处增设3.5m锁脚锚管两根(Ф42�4mm锁脚锚管)。锁脚锚管的作用,控制钢拱架下沉;④采用预裂爆破,控制爆破中的震动效应;⑤加强监控量测,特别关注地表及拱顶下沉问题。
 
结论
大王顶隧道采用三台阶法开挖施工,比原工期提前了10个月完成,为落实完成省委省政府要求江肇高速公路南段2010年底建成通车的任务奠定了扎实的基础,经过论证表明三台阶法在大王顶隧道中的应用研究是成功的。三台阶法优点少扰动围岩、早封闭、方便快速施工、降低工程造价和施工成本的经济效益, 更能确保工程质量及安全的目的。对类似的围岩和公路隧道中具有工程实践意义。
本项目研究成果克服了大王顶隧道围岩为强、弱风化砂岩夹泥岩,受地质构造影响较严重,岩体呈压碎结构,节理裂隙较发育,充填泥质物形成软弱夹层,爆破时亦掉块,有渗水现象,围岩自稳能力相对较差,各级围岩采用三台阶法开挖,达到快速开挖、少扰动围岩、早封闭、能确保安全、保证质量的新工艺成套生产技术。本项目研究的创新点重要体现如下三点:
1、三台阶法在大王顶隧道各级围岩开挖形成一套快速施工、提高工效的隧道施工技术。
2、大王顶隧道采用三台阶法开挖,与双(单)侧壁导坑法相比具有较大降低工程造价和施工成本的经济效益成果。
3、大王顶隧道采用三台阶法开挖能确保工程安全、保证质量。