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兰州交通大学隧道施工课程设计

目录

1工程概况 (3)

1.1地形地貌及气候条件 (3)

1.2.地层岩性及地质构造 (3)

1.3.水文地质 (4)

1.4.岩溶及岩爆预测 (4)

1.5.隧道涌水量预测 (4)

2 隧道施工方案 (4)

2.1 隧道开挖、支护、出碴、防排水、衬砌等施工方案 (4)

2.2 弃碴防护方案 (5)

2.3 隧道施工机械化配套、辅助方案 (6)

2.4施工组织方案 (7)

2.5施工临时设施布置 (7)

3 隧道施工工艺、方法 (7)

3.1 洞口 (8)

3.2 洞身开挖 (10)

3.3 超前及初期支护施工工艺和施工方法 (16)

3.4 防、排水 (25)

3.5 仰拱及填充 (28)

3.6 二次衬砌 (29)

3.7 附属建筑物 (33)

3.8 施工辅助作业 (33)

3.9 围岩量测 (35)

3.10 地质超前预报 (36)

4.施工进度计划 (37)

4.1 隧道施工进度指标 (37)

4.2 施工进度计划 (38)

5.本工程使用的施工机械设备 (38)

5.1 施工机械设备配置原则 (38)

5.2.本工程使用的测量、试验、检测仪器 (40)

6.隧道施工安全保证措施 (40)

6.1钻孔作业安全保证措施 (40)

6.2爆破作业安全保证措施 (40)

6.3装碴运输作业安全保证措施 (41)

6.4临时支护作业安全保证措施 (41)

6.5洞内照明、防尘与降温安全保证措施 (42)

6.6洞内防火与防水安全保证措施 (42)

6.7洞内电气设备安全保证措施 (42)

1工程概况

1.1地形地貌及气候条件

1.1.1地形地貌

天德隧道位于太行山脉中南段,为基岩中低山区沟壑侵蚀地貌。太行山脉剥蚀中低山区内山峰林立,绵延起伏,形成了形态各异的陡崖、峭壁、单面山。峡谷深切。多呈“V”字型,地势起伏较大,最大高差600余米。大多数峡谷中无水,均为干谷,山上植被较为稀少,基岩裸露,呈山地地貌的典型特征。

1.1.2气象特征

隧道区内地处暖温带亚润湿区,属高寒山地气候,降水稀少,气候垂直分带不明显,这里四季分明,夏季炎热少雨,冬季寒冷干燥,年降水量在350~800mm。

1.1.3河流水系

本区主要河流有阴山河、黑砚水河、温河及龙华河,均属海河水系滹沱河支流,其中阴山河从太行山隧道上部通过,河谷宽阔平坦,呈“U”字型。现河床干涸无水;隧道区内其它沟谷均为涸沟,只是在雨季有少量积水。其中,双尖梁至越宵山一线为地表水分水岭,岭底西至香炉寺断裂为地下水分水岭。

1.1.4地震烈度

根据《中国地震参数区划图》(GB18303-2001),隧道区动峰值加速度为

0.05~0.10g。本地区基本地震烈度为Ⅵ~Ⅶ度。

1.2.地层岩性及地质构造

1.2.1地层岩性

天德隧道洞身通过的地层岩性为寒武系,有个别闪长岩脉侵入。隧道通过地层多为石灰岩和白云岩硬质岩层,岩体完整~较完整,断层带和岩脉侵入体附近岩体较破碎,岩石为弱风化~微风化,岩土施工工程分级为Ⅴ级,少量页岩为Ⅳ级。

1.2.2地质构造

天德隧道区位于沁水块坳东端的娘子关-坪头坳缘翘起带北端,总体表现为东翘西倾的单斜构造。区内地质构造发育,主要发育燕山早期逆冲推覆构造、逆断层和褶皱,及燕山中晚期南北向断层。其中,以F5断层(洪河槽-张家庄断层)

为标志,包括F1、F2、F3、F4、F5断层及闪长岩脉共同构成洪河槽-张家庄断层导水构造带。

1.3.水文地质

地下水主要类型为:松散岩类孔隙潜水、碎屑岩类裂隙孔隙水、碳酸盐岩类裂隙溶隙水。本地区地下水对混凝土不具腐蚀性,石灰岩、白云岩地下水中的侵蚀性CO2对混凝土具有中等腐蚀性。角砾状泥灰岩(膏溶角砾岩)对混凝土具有硫酸盐弱腐蚀性。

1.4.岩溶及岩爆预测

1.4.1岩溶

天德隧道DK64+070~隧道出口段,洞身穿越以泥质条带灰岩为特性崮山组地层,岩溶不发育。

1.4.2岩爆

天德隧道DK64+500~DK65+500崮山组泥质条带灰岩由于强度稍低,可能发生岩爆,但由于最大水平主应力方向与洞身斜交,隧道多处有断裂切割,即使有岩爆发生,规模和程度均较小。

1.5.隧道涌水量预测

预测天德隧道正洞的正常涌水量为5663m3/d,最大涌水量为32515m3/d;斜井的正常涌水量为2063m3/d,最大涌水量为12887m3/d;总涌水量为7726m3/d,最大涌水量为45402m3/d。

2 隧道施工方案

2.1 隧道开挖、支护、出碴、防排水、衬砌等施工方案

天德铺隧道Ⅴ级围岩采用三台阶七步开挖法。官山隧道Ⅴ级围岩采用双侧壁导坑法开挖,Ⅳ级围岩采用三台阶七步开挖法,Ⅲ级围岩采用YT28型凿岩机与自制钻孔台车配合钻孔,岩石采用光面爆破技术,严格控制超欠挖,软弱围岩地段采用人工风镐开挖,以减轻对围岩的扰动和破坏。

隧道支护施工方案见表2。

隧道出碴采用无轨运输,采用装载机装碴,自卸汽车运输至卸碴场,弃砟场采用浆砌挡砟墙进行防护。

隧道防排水施工方案见表3。

隧道衬砌施工方案见表4。

2.2 弃碴防护方案

我单位将派专人负责碴场的建设、管理和维护。在开挖碴料的运输过程中,采取有效的防护和处理措施,确保路面清洁,不会引起路面扬尘;合理安排车辆运输时段,加强输导和道路管理工作,确保不影响交通,弃碴场设置见表5。

表3 隧道防排水施工方案

表4 隧道衬砌施工方案

表5 隧道弃碴场设置一览表

碴场配备1台大型推土机负责弃碴料场的道路修筑和场地平整。采用从下而上分层方式存料或弃碴,分层厚度约4m。为了保证碴体整体稳定,碴体边坡必须按稳定边坡1:1.5进行堆放,每层堆料后及时用推土机平整。

坡脚设置M10浆砌片石挡碴墙,弃碴场顶设排水沟一道,M10浆砌片石砌筑。

弃碴场顶向外作不小于3%的排水坡。弃碴完毕后边坡及顶部即使恢复植被。

2.3 隧道施工机械化配套、辅助方案

隧道施工布署五条主线、四条辅线,详见表6。施工通风采用自然通风。

2.4施工组织方案

隧道安排一个施工队进行施工,首先进行施工便道,利用既有乡村道路修建进入施工现场道路。两座隧道配备两套掘进及支护设备,设置一套二次衬砌设备。

2.5施工临时设施布置

混凝土在拌合站集中拌制,采用混凝土搅拌运输车运送到施工现场。在洞口附近设置材料加工场、变压器及发电机房、空压机站,现场值班室。设置到达现场的施工临时便道。

天德铺隧道施工现场平面布置见图1。

3 隧道施工工艺、方法

本标段内隧道两侧洞门区域由于处于超浅埋区域,按照设计图纸要采用明挖

施工队营地图1 天德铺隧道施工平面布置图

图3 洞斜切式洞门施工工艺流程图

3.1.1 洞口开挖方法

洞口工程开始施工前,首先对洞口附近的地形、地貌及地质条件进行复勘与调查,确认与图纸一致后,再进行施工。

洞口施工的顺序是:测量放样→洞口截、排水→洞口土石方开挖→边仰坡防护→进洞开始洞身施工,而后进行洞门施工。⑴测量放样:

场地满足洞口施工要求后,及时组织测量放样,按设计断面尺寸、坡比准确定出开挖边线、开挖深度,准确定出洞口位置,放出边仰坡及天沟、截水沟位置。

⑵洞口排水:

洞口土石方开挖前,根据洞口地形情况事先作好洞顶截水沟、洞口土方及边仰坡防护施工。

洞口土石方开挖后,地面排水沟按照设计要求分段进行施工,在施工前,先按不同的排水方式进行测量放样,对照地形与排水设计图纸逐桩核对,若发现水流不畅,则做适当调整。砌筑严格按施工规范、检验评定标准和设计要求执行。

排水工程在施工中,必须注意与周围排水系统连通,保证路基安全稳定,水流畅通,避免污染环境。

⑶洞口及明洞段土石方开挖:

洞口土方采取挖掘机配合装载机自上而下分层开挖,大型自卸车运输,并及时做好坡面防护,开挖一段防护一段。洞口明洞采用明挖法施工。开挖时要确保边坡的平顺和稳定,尽量避免超、欠挖和对周围围岩的扰动。开挖边、仰坡时,随挖随支护,随时监测、检查山坡稳定情况,加强防护。

⑷边仰坡防护:

边仰坡防护、边仰坡开挖按设计坡度一次整修到位,并分层进行边仰坡防护,以防围岩风化,雨水渗透而坍塌。边仰坡采用混凝土喷锚网防护和浆砌石镶嵌,以稳定边仰坡。

⑸洞门修筑:

隧道洞门在进洞施工正常后,适时安排施工。结合地形地质条件及考虑洞口美化等条件。进洞施工前,应先将洞外排水系统做好,再行进洞,以防对洞门造成威胁。

3.1.2 明洞衬砌方法

洞口段明洞衬砌计划在暗洞衬砌完成后进行施工。首先施作明洞仰拱及填充,隧底应清理干净,对于超挖部分及坑洼不平处采用仰拱同级别混凝土进行回

填,仰拱及填充施工不能同时进行。

明洞钢筋在加工场加工制作,汽车运输到工作面,现场绑扎施工。

明洞衬砌采用整体液压衬砌台车作内模及支架,外模采用建筑钢模板,钢管弯制外拱架组成外支撑体系,拉杆联成整体。

明洞衬砌混凝土在拌合站集中拌制,混凝土搅拌运输车运输,泵送混凝土入模。明洞衬砌浇筑完成后,进行覆盖洒水养生。

3.1.3 洞门施工方法

在明洞衬砌完成后,即可进行排洞门施工。洞门模板采用衬砌台车作底模,外模采用组合钢木模;模板采用内外支撑、拉杆固定牢固,外拉采用锚拉法施工,即外拉一端固定在边仰坡埋设锚杆上。

洞门混凝土采用拌合站集中拌制,混凝土搅拌运输车运输,泵送混凝土浇筑,拆模后覆盖洒水养生。

明洞衬砌及洞门混凝土达到设计强度后,按设计要求施作防水层,两侧对称回填土石方至设计坡度,进行坡面防护等施工。

3.1.4 明洞防排水及回填

按设计施做盲沟、防水层和防水板。回填分层对称进行,逐层夯实;填料要经土工试验选定,夯实机具、回填层厚和夯实遍数经实验确定。

3.2 洞身开挖

本标段各隧道依据地质条件及围岩类型的不同,洞身分段采用不同的开挖方法。天德铺隧道Ⅴ级围岩采用三台阶七步开挖法。官山隧道Ⅴ级围岩采用双侧壁导坑法开挖,Ⅳ级围岩采用三台阶七步开挖法,Ⅲ级围岩采用台阶法开挖。

隧道开挖工艺见图4。

图4 隧道开挖施工工艺流程图

3.2.1开挖方法

(1)三台阶七步开挖作业法

三台阶七步开挖法施工程序及步骤见图6。

(2)双侧壁导坑开挖作业法

本施工方法适用于Ⅴ级围岩偏压地段,施工程序及步骤见图7。

上下断面开挖分界线

横断面示意图Ⅱ

纵断面示意图

L

据量测定

①开挖1,施作Ⅱ拱部初期支护;②开挖3,施作Ⅳ曲墙部分初期支护;③施作Ⅴ及Ⅵ步仰拱及填充;

④适时进行Ⅶ步施工,施作防排水系统及二次衬砌。

图5 台阶法开挖顺序图

三台阶七步开挖法施工工序纵断面图

此段未示初期支护之钢架及临时支护

喷混凝土

系统锚杆

拱部超前支护

初期支护

仰 拱隧底填充⑤

⑥隧道中线

200

370

360300

ⅨⅨ

锁脚钢管

⑤⑥

⑥③⑥2m

3~5m

2~3m 2~3m 2~3m

2~3m 15~25m

4~6m 锁脚钢管

喷5cmC20混凝土封闭掌子面

二次衬砌

格栅钢架

三台阶七步开挖法施工工序横断面图

1.7m

①、上部环形土开挖,进行初期支护 ;②、左侧导坑开挖,进行初期支护; ③、右侧导坑开挖,进行初期支护;④、左侧导坑开挖,进行初期支护; ⑤、右侧导坑开挖,进行初期支护; ⑥、预留核心土开挖; ⑦、仰拱开挖;Ⅷ、仰拱部支护;Ⅸ、仰拱回填浇筑;

Ⅹ、拱墙防水板及二次衬砌。

图6 三台阶七步法开挖施工顺序图

超前锚杆

双侧壁导坑法施工工序横断面

临时钢架

初期支护

仰拱

型钢钢架

纵向连接钢筋

导坑拱部超前支护

拱部超前小导管或长管棚

系统径向锚杆

拱墙二次衬砌

初期支护

初期支护

临时支护

临时支护

双侧壁导坑法施工工序纵断面

双侧壁导坑法施工工序平面

隧底填充临时钢架

2Ⅲ

5

防水板及二次衬砌

预留变形量初期支护开挖轮廓线

径向系统锚杆(拱部)Φ25中空注浆锚杆

径向系统锚杆(边墙)

砂浆锚杆Ⅶ

8Ⅸ

10

ⅫⅫ

ⅩⅢⅩⅢⅩⅣⅩⅣⅠ

2ⅢⅩⅣ

ⅩⅢ

10

8Ⅸ

515~30m

边墙基座

15~30m

2Ⅲ

5

8

10

ⅫⅩⅢ

ⅩⅣ

二次衬砌

顺序说明:

Ⅰ、左导坑超前支护;2、左导坑开挖;

Ⅲ、左导坑初期支护;Ⅳ、右导坑超前支护;5、右导坑开挖;

Ⅵ、右导坑初期支护;Ⅶ、上台阶超前支护;8、上台阶开挖;

Ⅸ、上台阶初期支护、导坑隔壁拆除;10、下台阶开挖;

Ⅺ、下台阶(仰拱)初期支护; Ⅻ、仰拱浇筑;

ⅩⅢ、仰拱回填浇筑;

ⅩⅣ、拱墙防水板及二次衬砌。

图7 双侧壁导坑开挖法施工程序及步骤图

3.2.2 开挖施工

按光面爆破设计布眼,采用YT28型凿岩机钻孔,塑料导爆管非电起爆、毫秒微差爆破。

⑴测量放线

钻孔前测量放样,准确绘出开挖轮廓线及周边眼、掏槽眼和辅助眼的位置,用激光铅直仪控制边线。距开挖面50m处埋设中线桩,每100m设置临时水准点。每次测量放线的同时,要对上次爆破断面进行检查,利用隧道开挖断面量测系统对测量数据进行处理,及时调整爆破参数,以达到最佳开挖断面效果。

⑵钻孔作业钻眼前,钻工要熟悉炮眼布置图,严格按钻爆设计实施。特别是周边眼和掏槽眼的位置、间距及数量,未经主管工程师同意不得随意改动。

定人定位,周边眼、掏槽眼由经验丰富的司钻工司钻。准确定位凿岩机钻杆,使钻孔位置误差不大于5cm,保持钻孔方向平行,严禁相互交错。

周边眼钻孔外插角度控制:眼深3m时外插角<3°,眼深5cm时外插角<2°,使两茬炮接口处台阶不大于15cm。

同类炮眼钻孔深度要达到钻爆设计要求,眼底保持在一个铅垂面上。

⑶周边眼的装药结构

周边眼的装药结构是实现光面爆破的重要条件,严格控制周边眼装药量,采用合理的装药结构,尽量使炸药沿孔深均匀分布。施工时采用不耦合装药结构,不耦合装药系数一般控制在1.4~2.0范围内。

⑷装药及起爆

根据岩石强度选用不同猛度爆速的炸药,有水地段及周边眼选用乳化炸药,其余均用2号岩石硝铵炸药。周边眼用φ25×200小药卷,不耦合装药;其余炮眼用φ40×200药卷,连续装药。采用塑料导爆管复式起爆网路非电起爆。装药按钻爆设计图确定的装药量定人、定位、定段别,自上而下顺序进行,导爆管要“对号入座”。所有炮眼均以炮泥堵塞,堵塞长度不小于20cm。

⑸爆破作业管理控制

按“一标准、二要求、三控制、四保证”的原则进行光面爆破施工。

“一标准”即一个控制标准。“两要求”即钻眼作业要求和装药联线作业要求。“三控制”即控制钻眼角度、深度、密度;控制装药量和装药结构;控制测量放线精度。

“四保证”即搞好思想保证,端正态度,纠正“宁超勿欠”等错误思想;搞

好技术保证,及时根据爆破实际情况调整钻爆设计参数;搞好施工保证,落实岗位责任制,组织QC小组活动,严格工序自检、互检、交接检;搞好经济保证,落实经济责任制。

装药前,所有炮眼全部用高压风吹洗;严格按爆破设计的装药结构和药量施作。

严格按设计的联接网络实施,控制导爆索连接方向和连接点牢固性。

⑹微震爆破

隧道周边采用光面爆破,不良地质、浅埋地段采用微震控制光面爆破。微震爆破作业段最大一段允许装药量:

Q max =R3×(V

kp

/K)3/a式中:

Qmax—最大一段爆破药量,kg;

Vkp—安全速度,cm/s;取Vkp=2cm/s;

R—爆破安全距离,m;

K—地形、地质影响系数;

a—衰减系数。

K、a值是针对隧道的具体情况,通过多次试爆基础上进行K、a值回归分析后确定。根据爆破物距爆心的安全距离要求,并由此推出的每段的最大装药量。

⑺钻爆设计

钻爆设计以Ⅲ级围岩台阶法施工为例,见图8。

说明:

1、图中1、3、5、7、9、11、13、15为毫秒雷管段号,其余数字单位为cm 。

2、其钻爆参数在现场进行试验后确定,以达到最佳效果。

光面爆破参数表

楔型掏槽示意图

周边眼不耦合装药结构示意图

0.2~0.28

0.2~0.280.8~0.90.8~0.90.15~0.250.8~0.90.15~0.20.8~0.90.7~0.8

0.7~0.8550~650500~600

400~500500~60035~45

35~450.15~0.20.8~0.850.5~0.6400~50035~45周边眼爆破参数

装药集中度(kg/m)0.15~0.25光面眼预裂眼

炮眼密集系数光面眼预裂眼0.8~0.9450~550(m)最小抵抗线预裂眼光面眼炮眼直径(mm)炮眼直径开挖部位的跨度

>5m

≤5m 边 墙

拱部

图8 Ⅲ级围岩台阶法开挖爆破设计图

根据以往施工经验,爆破产生大振速部位通常为:掏槽爆破、底板或底角爆破、周边光面(预裂)爆破,为此,采用的措施一是采用楔形复式掏槽技术;二是根据根据爆破震动衰减规律公式反算控制最大单响起爆药量,将药量大的炮眼,分段进行起爆。

其它各级围岩参照其设计进行适当调整,并在实际施工中不断优化爆破参数,以取得最佳爆破效果。

对于软弱围岩,采用小型挖掘机直接开挖,或者采用人工风镐开挖,以减少对围岩的震动。

⑻施工注意事项

隧道施工坚持“管超前、弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测、速反馈”的原则。

在隧道开挖时,根据超前地质预测预报结果,及时反馈信息,核对围岩级别及地下水状态,及时调整施工方案、施工方法,调整超前支护,确保施工安全。

3.3 超前及初期支护施工工艺和施工方法 超前支护体系及初期支护体系见表7。

3.3.1长管棚注浆预支护

长管棚分为两种形式;洞口段长管棚、洞身段长管棚。

洞口段超前管棚的打设仰角为1度,长管棚采用Φ108mm ×6mm 、接头钢管采用Φ115mm ×7mm 的热轧无缝钢管,每节长度为6m 、4m 交替使用,以保证隧道纵向同一横断面内的接头数不大于50%,端部长15cm 的丝扣以便连接。管棚施作前,施工混凝土导向墙,导向墙由I16工字钢架、Φ121mm ×5mm 导向钢管、C20混凝土构成。

拟采用管棚钻机钻孔、顶进钢管施作管棚。 长管棚布置示意见图9,施工工艺见图10。 3.3.1.1 钻孔

洞口段管棚施作前,施工混凝土导向墙,导向墙由I16工字钢架、Φ121mm ×5mm 导向钢管、C20混凝土构成,并确保施工精度。

单位:cm

砼套拱

长管棚

设计长度

明洞衬砌

仰坡

护孔口管

100

100

线

心中道隧

砼套拱

明洞衬砌

图9 洞口长管棚超前支护示意图

图10管棚钻孔工艺流程

导向管直径比管棚钢管直径大20~30mm。钻孔顺序由高孔位向低孔位进行。测斜仪控制钻孔角度。

钻机开孔时要低压力,待成孔1.0m后,压力逐渐增大,转速升至正常转速,第一节钻杆钻入围岩后,尾部剩余20~30cm时,停止钻进,钻机退回原位,人工装入第二根钻杆,换钻杆时,注意检查钻孔质量,偏离时及时调整。在施钻进程中及时记录和收集岩性及钻孔参数。钻孔达到要求深度后,拆卸钻杆,钻机退回原位。

3.3.1.2管棚钢管顶进

管件制作:棚管现场制作,钢管节长为6m、4m,管棚长度12~20m,因此必须接长2~4次。管棚接长时先将第一根钢管顶入钻好的孔内,再逐根联接。

顶管作业:先将钢管安放在钻机上后,钻机对准已钻好的引导孔,低速推进钢管,其冲击压力控制在18~22Mpa,推进压力控制在4.0~6.0Mpa。接管:当第一根钢管推进孔内,孔外剩余30~40cm时,停止推进,人工持链钳进行钢管联接,使两节钢管在联接套处联成一体。凿岩机再以冲击压力和推进压力低速顶进钢管。管棚管补强:采用压浆注浆或M10水泥砂浆封堵。

3.3.1.3 注浆

水泥浆液水灰比为1:1(重量比),注浆压力:0.5~2.0MPa。

注浆前进行现场注浆试验,根据实际情况调整注浆参数,取得管棚注浆施工经验。注浆结束后用M5水泥砂浆充填钢管,以增强管棚强度。

单根钢花管的注浆量按Q=πR2Lη估算,式中R为浆液扩散半径,取R=0.6L0; L0为注浆钢花管的间距;L为钢花管长;η为围岩孔隙率。

注浆按钢管施钻顺序从下而上叠加进行。

3.3.2 超前小导管注浆加固支护

超前小导管采用φ42×3.5mm热扎无缝钢管制作,在现场加工钢花管,喷射混凝土封闭岩面,风动凿岩机钻孔并顶推超前小导管打入岩层,测斜仪控制钻孔角度,注浆泵压注浆液。超前小导管施工工艺流程见图11。

图11 超前小导管施工工艺流程图

小导管布设见图12。

图12 超前小导管施工示意图

3.3.2.1小导管加工

小导管为外径φ42mm 钢花管,钢管前端呈尖锥状、尾部爆上φ12mm 加劲环箍,管壁四周按15cm 间距钻φ6~8mm 注浆孔,梅花形布置,但尾部30cm 不设压浆孔,导管长4.5m 。加工如图13所示。

图13 超前小导管加工示意图

3.3.2.2小导管施工

布孔:根据小导管的施工设计和开挖断面的中线,沿拱顶外轮廓线中心高程和支距进行布孔放样,并以插钎作为标记控制小导管的间距。

成孔:首先架设方向架,确定打孔方向、位置和仰角,采用钻孔台车成孔,钻孔方向要求顺直,不得弯曲和塌孔等,孔径比钢管直径大3~5mm 。钢管与隧道

10°

超前小导管,φ42,

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