水平岩层隧道施工工艺工法课件

1 水平岩层隧道施工工艺工法

1 前言

1.1 工艺工法概况

水平岩层隧道特点为隧道洞身围岩呈水平状分布，岩层倾角≤10°，水平层理发育，施工中拱部围岩易剥落、掉块呈门架型，隧道完成开挖及初支后，其拱顶部位初期支护出现纵向裂缝、剥落等现象，同时相应里程段落内的隧道变形沉降速率明显加快，部分地段初期支护出现纵向开裂、剥落后急剧演变为拱顶掉块、大面积失稳、坍塌现象。

根据水平岩层隧道围岩不同物理、力学性能分别采取台阶法施工或全断面法施工，全断面法适用于岩层整体性较好的巨厚层Ⅰ～Ⅱ级围岩(占隧道总比例较低)，台阶法适用于薄层～中厚层Ⅲ～Ⅳ级围岩（占隧道比例较高），薄层～中厚层水平围岩施工具有较高的代表性。

以双线铁路隧道为例，隧道设计开挖高度13.04m，开挖宽度11.43m，开挖面积120m2 ，上下台阶及仰拱平行进行钻眼爆破，下台阶分左右两幅错开施做。上下台阶及仰拱三个工作面可形成平行作业模式，整体向前推进。出碴则按照先上台阶，再下台阶，最后仰拱的顺序依次从掌子面向后方进行，始终保持掌子面优先的原则。各工作面出完渣后，及时进行初期支护，使其紧随开挖掌子面，各工序之间紧密衔接，使得隧道施工可达到安全、快速整体向前推进的良好局面。

1.2工艺原理

将隧道设计断面分成两部开挖（不包括仰拱），其中上台阶超前一定距离后，上下台阶同时并进，仰拱、二次衬砌紧跟下台阶。

2 工艺工法特点

水平岩层围岩采取台阶法施工，采用多功能平台进行开挖、支护作业，设备配置简单，上下台阶同时钻孔和起爆，达到隧道同时开挖掘进的目的，同时可保证开挖后及时完成初期支护，在快速施工的同时能够有效保证施工安全。在同等的地质条件下，效率比全断面开挖略低，将设计断面分两部份开挖后，可减少掌子面一次起爆装药量从而将爆破作用对隧道拱部围岩的破坏作用大大降低，同时有利于及时施做初期支护封闭围岩。

3 适用范围

本工艺工法适用Ⅲ、Ⅳ级围岩地段修建的铁路、公路隧道施工（Ⅴ级围岩在采取超 2 前支护、临时仰拱等有效支撑手段且监控量测数据未发生的异常的情况下，可慎重使用台阶法施工）。

4 主要引用标准

4.1 《客运专线铁路隧道工程施工技术指南》（TZ214)、《客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准》(铁建设[2005]160号)、《铁路隧道施工规范》(TB10204)、《新建铁路铁路工程测量规范》(TB 10101)、《客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定》(铁建设[2007]189号)。

4.2 设计图纸、合同文件。

5 施工方法

隧道在Ⅲ、Ⅳ级围岩地段采用台阶法施工，开挖采用光面爆破技术，多功能平台配合人工YT-28风动凿岩机钻眼，初期支护采用格栅钢架+锚杆+钢筋网+喷射砼联合支护体系。

隧道开挖分为上台阶、下台阶、仰拱三个部分分部开挖：上台阶长度35～50m，每循环进尺2.4～3m（Ⅲ级围岩循环进尺3m，Ⅳ级围岩循环进尺2.4m，与格栅钢架间距相对应）；下台阶长度25m，每循环进尺不超过3榀钢架间距，下台阶左右两侧错开间距大于3榀钢架间距；仰拱每次开挖及支护长度6m，每组仰拱填充砼浇筑长度12m。仰拱距掌子面距离不大于70m，衬砌距掌子面距离不大于90m。

6 工艺流程及操作要点

6.1施工工艺流程

施工工艺流程见图1，工艺流程图见图2

开始

施工准备

（含超前地质预报）

上台阶测量放线 下台阶测量放线 3

图1 水平岩层施工工艺流程图

4

图2 水平岩层施工工序布置图

6.2 操作要点

6.2.1施工准备

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。

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。

6.2.2施工步骤

Ⅲ、Ⅳ级围岩隧道采用台阶法施工工艺，上下台阶采用人工钻眼，光面爆破技术，装载机配合大型自卸车装渣运输，施做初期支护具体施工步骤如下：

1 上台阶开挖，开挖作业高度6.5m，装载机装渣，人工配合多功能平台钻眼，开挖进尺根据地质预报和掌子面的实际地质情况进行现场钻爆设计动态调整，充分考虑拱部围岩的完整性、层理分布、节理发育和岩性的软硬程度来灵活调整，尽可能减少对拱部围岩的扰动：拱部为厚层～巨厚层的砂岩时，则开挖进尺控制在2.5～3.0m；拱部为薄层～中厚层的泥岩及泥质砂岩时，则开挖进尺严格控制在2.5m以内；拱部为破碎的泥质砂岩及软弱泥岩层时，则将开挖进尺严格控制在1.2m。

钻爆设计采用多眼密孔爆破技术，严格遵循“短进尺、弱爆破”原则：周边眼眼间距严格控制在40cm以内，且周边眼宜采用ф25的小药卷间隔装药，水平砂泥岩层爆破抵抗线长度控制60～80cm左右，炸药的单耗严格控制在0.6Kg/m3内。

开挖后及时初喷混凝土，铺设钢筋网，安装格栅钢架，并打设φ42锁脚锚管进行固定（长度3.5m），打设L系统锚杆，喷砼封闭；钢架底部不密实或悬空时，在钢架底部 5 13720085135124511434402102222102221304安装砼垫块。

2 下台阶采用两侧错开开挖施工，错开距离3榀钢架间距以上，开挖每循环进尺3m。

初期支护

⑴厚层状水平围岩初期支护参数

其支护参数：拱墙喷射C25混凝土12cm厚；拱墙均设置φ8钢筋网片，钢筋网格间距25cm×25cm；拱部设置Φ25反循环中空注浆锚杆，边墙Φ22普通砂浆锚杆，L-2.5m，间距1.2×1.2m(环×纵)，梅花型布置；二次衬砌厚度为35cm厚C25混凝土。详见支护结构。

图3 横山隧道厚层砂岩段支护结构图 6

图4 砂岩开挖后光爆效果

厚层砂岩开挖完后，立刻安排喷射混凝土，后打设安装拱墙锚杆，采取先喷后锚工艺完成初期支护。

在采取上述支护参数后，厚层砂岩基本能够自稳，对于局部因开挖爆破造成厚层砂岩节理裂隙增大，出现初期支护裂缝现象。采取打设L-3.0m的Φ22砂浆锚杆予以加固，同时采用Φ22的螺纹钢按照50cm的间距纵横向布置，形成钢筋网片，并将其与加长锚杆端部焊接牢固，形成加强支护网。解决了厚层砂岩初期支护出现裂缝的问题。

⑵薄层状水平围岩初期支护工艺

图5 拱部薄层围岩分布图

对于拱部为薄层水平岩层围岩采取的初期支护参数为：在上台阶拱部180°范围设置格栅钢架，间距1榀 / 1.2m，每榀钢架设为3节，拱部喷射混凝土厚度为23cm，边 7 墙喷射混凝土厚度12cm；拱墙均设置φ8钢筋网片，网片规格25cm×25cm；拱部设置Φ25反循环中空注浆锚杆，边墙Φ22普通砂浆锚杆，L-2.5m，间距1.2×1.2m(环×纵)，梅花型布置；二次衬砌厚度为35cm厚C25混凝土。

根据岩层分布和变形特征，针对性的在上台阶部位设置格栅钢架支护措施，其工艺要点则要确保上台阶的格栅钢架与围岩连接牢固，形成一个整体。为防止其在下台阶开挖过程时，出现下沉等现象，在拱架安装时，专门设置了锁脚锚管，确保其将拱架与上台阶围岩连接牢固。格栅钢架分为3节，在每个节点板和脚板处各设置2根L-4.0m的锁脚锚管，每榀格栅钢架共设置8根锁脚锚管，使钢架与围岩联为一个整体，形成一个支护体系。锁脚锚管设置在节点板和脚板30cm高度处左右两侧，锚管打设方向为斜向下角度，与水平面的夹角控制在30°左右，锚管端头采用φ22U筋与格栅钢架焊接牢固。

⑶软弱层理围岩的初期支护工艺

采用I16型钢钢架代替格栅钢架，架设间距为1榀 / 1.2m，喷射C25混凝土上台阶拱墙部20cm厚，下台阶边墙9cm厚；拱墙均设置φ8钢筋网片，网片规格25cm×25cm；拱部180°范围设置L-2.5m的锚杆，间距1.2×1.2m(环×纵)，梅花型布置，边墙不设置锚杆；二次衬砌为35cm厚C25混凝土。

图6 软弱层理水平围岩型钢钢架安装

⑷水平岩层互层地段初期支护工艺 8

图7 水平状互层围岩横断面揭示图

由于围岩呈现为砂泥岩互层状，且地下水较发育，岩层结合力差，容易出现大面积的掉块现象。支护参数如下：拱墙均设置格栅钢架，架设间距1榀 / 1.2m；喷射C25混凝土拱墙23cm厚，仰拱10cm；拱墙均设置φ8钢筋网片，网片规格20cm×20cm；拱部采用Φ25中空注浆锚杆，边墙采用Φ22砂浆锚杆，L-3.0m，间距1.2×1.0m(环×纵)，梅花型布置；二次衬砌厚度为40cm厚C25混凝土。

为了控制爆破后拱部周边围岩自然掉块、坍塌，配合格栅钢架架设的间距，在拱部破碎层范围处打设超前小导管，超前小导管采用Φ42钢管，壁厚3.5mm，导管长度保持在3.5m以上，外露0.5m，导管环向间距40cm。导管打设的外插角保持在6°～10°范围内。为了增强超前小导管的抗弯强度可在导管内填充M20水泥砂浆。

下台阶初期支护拱架连接，采取左右错开分幅施工，单边一次开挖距离不得大于3榀拱架的间距。开挖后，及时架设边墙拱架，与上台阶边墙拱架采用螺栓连接牢固，打设锚杆、安装钢筋网，喷射混凝土完成其初期支护。

4 开挖仰拱，每循环开挖长度6m，施做初期支护，浇筑仰拱砼，每组仰拱砼

浇筑长度12m。仰拱施工期间采用自制栈桥保持车辆通行。

5 整体液压模板台车就位（台车长度12m），灌注拱墙衬砌砼。

6.2.3监控量测

9 表1 监控量测项目表

7 劳动力组织

见表2单工作面（双线隧道）劳动力组织表。

表2 单工作面（双线隧道）劳动组织表

序号 工作项目 作业内容 人数

1 开挖 开挖工 35

风镐手 2

装载机司机 3

挖掘机司机 3

自卸车司机 14

2 初期支护 格栅加工 6

钢筋网片加工 2

钢架安装 10

喷射混凝土 20

混凝土搅拌运输罐车司机 8

3 砼生产 混凝土搅拌机司机 3

装载机司机 2

机械修理工 2

4 衬砌 砼工 24

5 测量及其他 技术员 2

测工 6

6 其他 队长 1

技术负责人 1

质检工程师 1

专职安全员 2

试验员 2

电工 3

修理工 2

空压机司机 3

调度 3

辅助人员 5

8 主要机具设备 围岩级别 断面间距(m) 每断面测点数量

水平收敛量测 拱顶下沉量测

Ⅳ 20～30 1条基线 1点

Ⅲ 30～50 1条基线 1点