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特大跨超浅埋隧道施工技术1工程概况轻轨较新线是重庆市轻轨规划中的主要组成部分,是国家确定的西部开发的十大基础设施项目之一。由中铁十一局五处承建的轻轨大坪车站隧道位于重庆大坪。大坪车站隧道起讫里程为DK7+658.20～DK7+739.5,全长为81.3m,纵坡为3‰,为超浅埋地段Ⅲ类围岩。衬砌断面采用大拱脚薄边墙隧道结构,边墙底部开挖宽为21.88m,隧道开挖高度为17.86m。地表有7～9层砖混结构的民用住宅楼,要求爆破震速小于2cm/s,隧道质量达到不渗不漏、Ⅰ级防水标准。112地质概述DK+658.2～DK7+739.5段洞顶岩体厚4～15m,成洞条件较差,围岩为泥岩夹砂岩,风化带泥岩的自然抗压强度为8.6MPa,岩石饱和强度为5.4MPa;微风化带泥岩的自然抗压强度为14.4MPa,饱和强度为9.9MPa;砂岩的岩石饱和抗压强度为28.3MPa,岩体完整性系数为0.83;隧道涌水量为159m3/d。2施工方案确定由于该隧道为超浅埋隧道,围岩自身承载能力差,呈松散状态;地表有较为密集的7～9层砖混结构的民用住宅楼;以及该隧道具有跨度大、泥岩风化严重、砂岩节理发育,受构造影响,岩层裂隙水发育;地表外荷载和围岩压力主要集中在隧道拱部。为避免隧道拱部垂直压力过大,造成隧道拱部下沉过多,危及地表建筑物的安全,在施工中采用以控制隧道拱部下沉变形为主的开挖方式,参考目前国内外类似大跨地下工程实例及以往的施工经验,针对重庆轻轨大坪车站隧道超浅埋围岩特点和确保地表建筑物的安全,采用上半断面双侧壁导坑正台阶法下半断面分部台阶法施工,能最大限度地减少对围岩的扰动,减少地面沉降,有效地控制围岩变形和保护围岩的天然承载力。3施工方法与施工工艺311施工工艺流程(见图1)(1)先沿隧道拱圈外侧施作大管棚,在大管棚预支护和小导管注浆条件下,展开上半断面左右两侧壁导坑的掘进,为尽量减少对围岩的扰动,右侧壁导坑滞后左侧壁导坑15～20m。(2)上半断面左右导坑采取正台阶分部开挖。先作左右导坑上半断面超前中空锚杆,再进行左右导坑上半断面环形土开挖,在施作环向锚杆、挂网和初喷混凝土以及左右导坑下半断面超前中空注浆锚杆后,开挖左右导坑两侧壁土石方和施作初期支护,在左右导坑拱部初期支护和中隔壁临时钢拱支撑完成后,开挖导坑上半断面核心土。(3)导坑掘进15～20m后,进行中隔壁正台阶上半断面土方开挖。(4)在中隔壁拱部断面锚喷支护基本稳定后,立模衬砌拱部混凝土。(5)在拱部混凝土保护下,进行上半断面中隔壁正台阶下部核心土开挖。(6)在隧道上半断面掘进30～35m后进行下半断面施工。在认真加固拱脚,打设拱脚锚杆,加强型钢的钢架纵向连接,使上部超前和初期支护与围岩联成完整体系;下部开挖后必须立即喷射混凝土,支护紧跟,尽量单侧落底或双侧交错落底,避免上部断面两脚的拱脚同时悬空;落底长度为2～3m,并不得大于4.50m。312超前支护该隧道超前支护采用超前长管棚及小导管注浆加固围岩。31211超前长管棚(1)套向架施工在拱部开挖线外缘设三榀20b工字钢,在工字钢顶部点焊固定102mm壁厚为4mm的无缝钢管,长3m,作为打管棚孔的导向管,在安装导向管时其位置要精确,严格控制其位置和角度,导向管的中心线设在开挖轮廓线外侧20cm。导向架20b工字钢纵向用钢管连接,经向采用在核心土中打锚杆,并将锚杆与工字钢间采用焊接,确保工字钢安装牢固,不移位。孔口管方向为在设计纵坡的基础上加2°的仰角。(2)管棚施工管棚成孔采用CLQ280A型潜孔钻机钻孔,根据潜钻机的操作范围,纵向分台阶下挖,分台阶打孔,台阶高度为3m,在施工时要加强加站暗挖前管棚范围内基坑土石方的开挖控制,不能盲目乱挖,以免超挖后超过潜孔钻机的操作范围。管棚采用89mm壁厚为6mm的无缝钢管,在钢管前端213m范围内钻10mm的花孔,花孔纵向间距40cm,环向间距10cm,相邻两排花孔要错开呈梅花型布置,管棚间采用丝扣连接。管棚间距50cm,共设63根管棚,在管棚管内放置钢筋笼,并采用高压注浆向孔内压注水泥水玻璃双液浆,终压注浆压力为4MPa。注浆参数水:水泥=0.5:1,水玻璃浓度为35波美度,水泥浆体积:水玻体积=1:0.5,空隙率为15%,扩散半径为50cm。31212超前小导管注浆见图2。在大管棚预支护条件下开挖作业过程中,若遇到局部地段围岩仍处于松散状态自稳能力较差时,采用超前小导管注浆加强对围岩的注浆固结。小导管采用42,壁厚为5mm的无缝钢管,长为3.5m,环向间距为40cm,沿隧道开挖轮廓线,以5°的外插角布置,前后两排小钢管搭接长度不小于110m,开挖后及时施作锚喷和型钢支撑,并将超前小导管端头焊接在工字钢支撑顶部,以形成整体,在钢管尾部215m范围钻10mm的注浆花孔,孔距为15cm。采用水泥—小玻璃双液浆胶凝时间为2min,注浆设备采用DW250/50型双液注浆泵。313掘进(1)左右导坑、中隔壁及上下半断面均采用复式楔形掏槽,光面爆破,并设周边缓冲减震孔。(2)先沿开挖轮廊线布置1排密炮眼即周边缓冲减震孔,其眼距为60cm,距隧道轮廊线5cm,爆破时均不装药;再于周边缓冲减震孔内侧30cm处布置1圈炮眼(即周边眼),眼距60cm,眼深与外圈眼相同,眼内按正常药量装小直径药卷;孔位与周边缓冲减震也成梅花形布置。周边孔先起爆,此时的周边缓冲减震孔本身就能起到缓冲作用,在起爆后使周边密排空眼之间形成贯通的裂缝,又能起到反射其它炮眼爆破产生的爆破应力波的作用,使轮廓线附近的岩石破坏减到最小程度。(3)布置下半断面炮眼时,考虑到有两个临空面,爆破时,石碴向上抛掷会打坏临时支护的混凝土喷层,故第一排炮眼的最小抵抗线以1.1m左右为宜。先起爆的碴堆可以为下面几排炮眼起到覆盖作用,防止飞石对拱部临时支护的冲击。(4)一般隧道爆破,炮孔都是拱形布置拱形起爆,拱形对外力抵抗力大,要使它破碎用炸药量大,所产生的震动效应也随之增大,因此采用线形布置炮孔线形起爆,使岩石的夹制减小,有利于爆破,以减少对地表建筑物的震动。炮孔线形布置和起爆具有布置炮孔简单;炮孔参数准确;临空面好,可提高炸药爆炸能量利用率,用炸药量少,爆破震动速度小;炮孔排列整齐便于钻孔,可提高钻孔效率;易于采用光面爆破,控制开挖轮廓;便于调装孔网参数控制岩石块度,提高装载效率。(5)雷管采用3～29段非电毫秒雷管,隔段使用;炸药采用2号岩石硝铵炸药,规格分别为32×200和25×400两种。当有水时,换成乳化油炸药,使用毫秒雷管。周边眼使用25药卷,其余炮眼均用32药卷。(6)周边眼采用间隔装药方式,其余采用连接装药、密集堵塞方法,起爆网路为复式网路,以保证起爆的可靠性和准确性。联结时要注意爆管不能打结和拉细;各炮眼雷管连接次数应相同;引爆雷管就应用黑胶布包扎在离一簇导爆管自由端10cm以上处。网路联好后要有专人负责检查。洞内爆破时间安排在夜间22时之前,以减少居民的干扰,节假日不安排爆破作业。314初期支护31411中空注浆锚杆隧道拱部环向采用中空注浆锚杆,环向锚杆按25中空浆锚杆设计,锚杆每根长3.50m,按间距1.0×1.0m梅花形布置,锚杆端部采用厚8mm钢板、尺寸为20×20cm作垫板。采用锚杆钻孔台架钻孔,钻孔后采用高压水冲洗,然后将锚杆放入钻孔内,用注浆机将早强速凝砂浆通过中空锚杆注入围岩内以固结围岩,注浆前用止浆塞将锚孔堵塞,以防砂浆外泄,早强砂浆达到一定强度后方可安装钢垫板。31412砂浆锚杆(1)拱部核心土侧壁采用锚喷支护采用砂浆锚杆,杆体采用20猛硅22mm螺纹钢筋,锚杆长度为110m,间距为1.0×1.0m。(2)自制简易操作平台架,采用YP228型风动凿岩机钻孔,用高压风吹净孔内岩屑,然后用注浆机将早强水泥砂浆注入锚孔。(3)对于向下的锚杆,将注浆管插入孔底,随后边注浆边向外拔注浆管,直到注满为止;对于向上的锚杆,采用排气注浆法,将内径4～5mm,壁厚1～1.5mm的软塑料排气管沿锚杆全长固定于杆体上,并在孔外留1m左右的富余长度;将锚杆缓慢送入孔中至设计位置;将长250～300mm、外径25mm左右的薄壁钢管用早强或超早强水泥固定在孔口位置并将孔口堵密;注浆前应检查排气管,当确认注浆管畅通时即可注浆,注浆时正常情况下有气体排出,当排气管不排气或溢出稀浆时即可停止注浆;浆液采用早强砂浆,以缩短安装垫板的时间,加快工程进度。31413钢筋网的挂设初期支护钢筋网采用615和8钢筋,按20cm间距绑扎和点焊。钢筋网使用前清污除锈,现场预点焊成网片,在围岩表面喷射一层砼后挂设,随受喷面起伏铺设,钢筋网应与锚杆联结牢固,喷射砼时不产生晃动。31414型钢钢架制安(1)按间距50сm设置一榀I20b工字钢钢架,中隔壁导坑I14号工字钢与拱部I20b工字钢要连接牢固,并与环向锚杆加以连接。(2)型钢钢架安装前必须先打锚杆,挂网后先喷一层混凝土,然后再安装型钢钢架,型钢钢架与环向砂浆锚杆或中空注浆锚杆相焊接,焊接后按设计要求厚度分层喷射混凝土。(3)钢架间采用22钢筋联接,环向间距0.8m,在1/3拱腰处增加交叉联接钢筋,以防钢架向一个方向倾倒,钢架与纵联22钢筋间用满焊联接,钢架与联接钢板采用满焊联接,联接钢板间先用M16螺栓联接,再用点焊加固。钢架与岩面间的空隙必须用喷射混凝土填塞密实,以免钢架出现点支撑,受力不均。31415侧壁坑支护加固措施(1)除采用型钢、网喷支护外,特别加强拱顶,拱腰和拱脚三个部位的支撑。拱顶支撑采用和型钢拱架和未开挖土体的中隔墙型钢钢架焊成整体,型钢钢架采用22钢筋按间距60cm连接,并喷混凝土将中隔墙面进行封闭。(2)拱腰及拱脚采用108钢管作对撑,钢管两端焊16mm钢板作托和底脚,若对撑底板受水浸泡且土质松软时,将底板喷混凝土封闭,并垫5cm厚木板加大基础,拱脚处按下倾角60°打入215m的锁脚锚杆(22)或钢管(48),拱架与围岩间采用木楔加紧。若围岩极软弱且侧压力过大,拱顶采用108钢管加强支撑并与拱腰支撑管脚连接,拱脚支撑底脚亦可与拱腰底脚采用钢管连接并喷混凝土进行封闭,形成两个封闭环结构,以加强初期支护结构的稳定性(见图3)。(3)拱部侧壁导坑开挖后在起拱线上3.5m处设置支撑钢管(108),以加强侧壁导坑和中隔墙型钢钢架的刚度和整体性。315模喷混凝土31511待喷面处理检查待喷面尺寸、几何形状是否符合设计要求;拆除待喷射面影响喷射作业的障碍物,对不能拆除者应加以保护;为保证施工质量和施工作安全,施工前喷射面要进行如下处理:清除浮面和有害的粘着的杂物等;有涌水的地方要做好排水;喷射面吸水性较强时要预先洒水;凡设有加强钢筋或铁丝网时,为了不致反弹,要将钢筋或铁丝网牢固地固定在喷射基层面上;31512喷射混凝土(1)采用TK2961湿式喷射机,其工作风压大于0.5MPa为宜,以利于克服拌和好的混凝土在管道内流动的阻力。(2)拱部喷射混凝土厚40～55cm,厚度较大,采用喷射方式难以达到其设计厚度,故采用模喷混凝土方式进行施工,隧道拱部径向锚杆、挂网和20b工字钢钢架安装和焊接后,进行挂作业,采用2根Φ16钢筋置于与型钢钢架相应的位置,将模板置于钢筋与钢架之间,再用12#铁丝将型钢钢架与钢筋捆结牢,确保模喷混凝土的厚度。(3)混凝土喷射应分片依次自下而上进行,并先喷型钢格栅与壁间混凝土,然后再喷两钢筋格栅之间混凝土;爆破作业时,喷射混凝土终凝到下一循环放炮间隔时间不应小于3h;喷射混凝土2h后应养护,养护时间不应少于14d,当气温低于+5℃时,不得喷水养护;喷射混凝土施工区气温和混合料进入喷射机温度均不得低于+5℃。316防水施工31611防水层(1)岩面整修防水板铺设前,先测量长度、修整基面,砼喷面是不光滑的,或者凸出的铁线、钢管架,应进行整修处理,整修方法和标准如下:①喷射面的凹坑,用砂浆或补喷砼找平,或采用凿打凸起处,直至矢跨小于1:5,以防防水板被拉裂。②钢筋、铁线先掐断,后铆平,然后用灰浆抹平,以防防水板被钝器刺破。③当有凸出螺栓时,先割掉