高速铁路黄土隧道开挖施工工艺及质量控制措施#多图.ppt

黄土隧道开挖施工工艺,任务:：1、项目工程地质特征 2、施工主要难点与重点马炯荣：3、施工流程和施工顺序 4、确定施工阶段划分霍绍才：5、施工方法和施工机械选择钟立东：6、质量验收标准与方法 姜军：7、确定质量管理控制措施 8、安全施工,黄土地质特征,物理力学性质压缩性湿陷性抗剪强度水理性,物理力学性质,黄土随深度越深孔隙比越小，压缩性和湿陷性越小越深干密度越大，压缩性和湿陷性越小,干密度大，压缩性和湿陷性小,压缩性,地质年代稍早的黄土固结度高，多为中等偏低或地压缩性晚期的多为中等偏高压缩性受颗粒分布和含水率变化的影响，黏粒含量较高、含水率较低时具较好的抗压缩性,湿陷性,黄土在自重压力或外力荷载压力不变的情况下，含水率增加会产生急骤显著下沉疏松多孔，结构性孔隙是湿陷性的必要条件,黄土的湿陷性,黄土的水理性,黄土中含有很多具有较好的亲水性物质，使其受水浸润后与水发生作用，是导致湿陷的主要原因。渗透性使黄土多处于干燥状态，具有较高强度。饱和黄土长期处于水浸泡环境，土颗粒之间的联结逐渐被破坏，尤其当黄土中砂质成分较多时，黄土呈现出一定的水崩解性。,黄土的抗剪强度,黄土中含有相当数量的黏土和盐类，使其具有一定的胶结，从而具有相当的原始内聚力，使其有一定的抗剪强度浸水过程中，湿陷处于发展期，此时土的抗剪强度降低很多。,不受水浸润时具有一定的强度,黄土隧道施工的主要重难点,难点,黄土隧道施工难点,施工难点的对策,“一短、两快、三严、四及时”，即短进尺、快循环、快封闭、严格标准、严格管理、及时支护、及时测量、及时反馈、及时二次衬砌。隧道施工遵循“超管前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤测量”十八字方针，稳扎稳打，步步为营。,黄土隧道施工的重点,做好施工过程中黄土构造节理的产状与分布的调查，及时对因构造节理切割面形成的不稳定部位加强支护以防止坍塌。保证正洞与斜洞交叉处施工安全及施工质量是顺利进入正洞施工的重中之重。及时准确的进行围岩变形监控量测，分析围岩变形动态，反馈指导施工，保证隧道施工在安全状态下进行也是重中之重。严把原材料质量关及高性能混凝土浇筑质量也是重点达到“防水可靠，排水通畅，经济合理，不留后患，做好隧道畅通、排水系统也是重点。,对有的隧道而言防坍塌也是难点,施工流程和施工顺序,马炯荣,施工工艺流程,施工顺序,1根据工地实际情况，设计并施打超前管棚。钢管真径一般为60 mm，长4.5m，间距30cm，外插角20，首尾相接长度不少于1.5m。钢管内充填20号砼或者水泥砂浆。2上半断面人工用风镐及电铲掏槽。掏槽宽度约1m，纵向掏槽深度每次约0.8m。3开挖后立即射砼封闭断面。喷射4cm厚的20号砼，封闭开挖断面，以免孔隙水从断面处渗出，而使土体失稳。4架钢拱及挂网。钢拱规格为20a，按设计断面计算用量。拱架之间的间距依每次开挖长度约为0.8m，每榀钢拱纵向用20钢筋连接，钢筋间距1.2m。管棚尾端焊接于拱架腹部，以增强共同支护作用。8钢筋网格间距为20cm20cm。,5喷射砼填充钢拱间空隙。拱架与开挖轮廓之间的所有间隙用20号砼喷射充填密实，先喷拱架与轮廓之间空隙，再喷拱架，然后再喷拱架之间，直至喷到规定的厚度。6按上述15的方式开挖5m左右后，开挖支撑掌子面的核心土支持部分。7在上半断面初期支护稳定的条件下，开始开挖下半断面：首先通过在上半断面的钢拱的拱脚打注浆锚杆，以防止拱架及围岩变形与下沉。钻进后进行注浆，两侧以等间距各打5根锚杆。经过做试验，这样的锚杆与黄土结合后，抗拨力可达8t以上。8开挖出碴完成后立即喷射砼封闭围岩，然后架钢拱支撑和挂网，经分层喷射砼直到设计厚度。再铺设土工布防水板，做二次衬砌。,施工步骤图,施工步骤,第1步 黄土隧道 预留核心土，环向开挖上部弧形导坑，上台阶开挖矢跨比必须大于0.3（f/L0.3）开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，隧道周边部位预留30cm人工开挖，其余部位采用机械开挖。核心土长度控制在35m，宽度为隧道开挖宽度的1/31/2。,施工步骤,岩石隧道 机械辅以人工开挖，最大进尺不得超过1.5m，严格控制超欠挖。采用弱爆破时，严格控制装药量，减少围岩扰动。,施工步骤,第2、3步 左、右侧中台阶开挖：开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5m，开挖高度一般为33.5m，左、右侧台阶错开23m，开挖后立即初喷35混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架墙脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。,施工步骤,第4、5步 左、右侧下台阶开挖：开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5m，开挖高度一般为33.5m，左、右侧台阶错开23m，开挖后立即初喷35混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架墙脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。,施工步骤,第6步：上、中、下台阶开挖预留的核心土。开挖进尺应同隧道开挖进尺一致，最大不得超过1.5m。便于机械、人工作业方便，提供作业平台。,主要施工机械,1采用国产WES12A型煤电钻改制成开挖风镐10台。2自制砼衬砌台车1台。3 PC-200挖掘机2台。4其余如手持风钻（锚杆）、砼喷射机、电焊机、钢筋切割机、砼搅拌机、出碴车辆、装载机、注浆机、空压机、变压器等按常规隧道施工配置。,施工步骤,第7步，隧底开挖 每循环开挖长度控制在23m以内，完成两个隧底开挖、支护后及时施做仰拱，仰拱分段长度宜为46m。仰拱采用栈桥施工，满足平行作业要求。,施工方法,为了预防在黄土中开挖隧道的大变形和坍塌问题，采用台阶分布开挖法（又称环形开挖留核心土法），结合喷射砼及时封闭开挖面，用超前管棚支护、钢拱支撑、挂网、打锚杆等来加强土体强度及限制围岩应力重新分布，实施短开挖，快循环来减少对土体的扰动，是目前黄土隧道施工的较完整的方法。,在施工工程中严格遵循“管超前，短开挖，强支护，早封闭，勤量测”的原则，采用动态施工，实行网络信息化管理，加强地质超前预报，加强对地表、围岩和支护的监控量测，及时对信息进行分析，以科学、合理的施工方法做到优化施工。,不同的开挖方法其安全效果不同，但是如何即能加快隧道的施工进度又能有效保障安全，这是业主、施工监理共同关注的问题。目前常见的开挖方法主要有台阶法、侧壁导坑法、中隔壁法（CD）或交叉中隔壁法(CRD)。中铁十二局又在台阶法和环形开挖法的基础上推出了七步流水法等等。总之，不同的围岩条件就要选择不同且适宜的开挖方法，才能达到即快又安全的目的。这里，承包人的经验就起关键的作用。,大断面隧道三台阶七步 开挖法,三台阶七步开挖法施工图,（1）施工空间大,大型施工机械可多个作业面平行施工，工效高。部分软岩地段可采用挖掘机直接开挖下半部断面，减少对围岩扰动。（2）在地质结构复杂多变、软硬围岩相间的隧道施工中，施工方法调整灵活，进度稳定，工期保障性强。（3）适应不同跨度和多种断面形式，不需拆除临时施工支护，节省投资。（4）混凝土仰拱超前施作，便于初期支护及时闭合不承载，改变洞内作业、运输环境。（5）全断面一次施作防水层和灌筑混凝土衬砌，确保混凝土衬砌施工质量。（6）无需增加特殊设备，投入少，操作性强，易推广。,三台阶七步开挖法在隧道开挖过程中分上、中、下台阶和仰拱4部分，前后左右7个不同的开挖面相互错开并同时开挖，同时支护，形成支护整体，缩短作业循环时间，逐步向纵深挖掘。其实质为台阶法的一种，拱部采用环形开挖预留核心土，利用核心土施压掌子面，中部和下部也是先开挖两侧，保持中部土体不动，保证掌子面稳定。三台阶七步开挖法主要技术特点如下。,“三台阶七步开挖法”采用三层短台阶，分步平行开挖，分步平行施作拱墙初期支护，仰拱超前施做,及时闭合构成稳固的初期支护体系。以保护围岩的天然承载力，减少对围岩的扰动。经量测监控信息化反馈指导施工，及时调整支护参数和混凝土衬砌施工时间，适用于不同跨度、多种断面形式及地质结构复杂多变的隧道施工中。,开挖步序图,超前支护,（1）黄土隧道严格按设计要求施作超前支护，超前小导管沿线路纵坡布置于钢架外缘。（2）软弱破碎岩石隧道严格按设计要求施作超前支护，超前小导管沿线路纵坡布置于钢架外缘。（3）严格按注浆工艺加固地层，保证隧道开挖在超前支护的保护下施工。,初 期 支 护,初喷砼封闭掌子面,软弱围岩各步序开挖后应立即初喷35cm厚混凝土封闭，避免围岩长时间暴露而导致失稳。,施作系统锚杆,初喷后及时施做系统锚杆，锚杆必须设置垫板。岩石隧道拱部系统锚杆必须带排气装置，采取沿锚杆孔进浆的施工工艺。黄土隧道系统锚杆按设计要求选用。,安装钢筋网、钢架,钢筋网随受喷面起伏铺设，保护层厚度不小于4cm。软弱围岩钢架应架设在坚实基面上，严禁拱（墙）脚悬空或采用虚碴回填。,喷射砼作业,二次复喷混凝土应分层喷射，每层厚度宜为56cm。喷射表面应平顺、无空鼓、裂缝等。,锁脚锚杆（管）施工,（1）在钢架拱脚以30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30打设锁脚锚杆（管）。（2）锁脚锚杆（管）加工成“L”型。（3）锁脚锚杆（管）应与钢架焊接牢固，增强拱（墙）脚承载力，控制变形。,仰拱初支施工,隧底开挖后，及时清除虚碴、杂物、泥浆、积水，初喷35cm厚混凝土封闭岩面。按照设计要求安装仰拱钢架，喷射混凝土至设计厚度，使初期支护及时闭合成环。,监控量测,隧道监控量测工作紧跟开挖、支护作业进行布点和监测，量测数据运用工程类比法及时分析反馈，必要时根据分析结果及时调整支护参数，以保证施工安全。量测项目可分为必测项目和选测项目，选测项目可结合工程实际情况，按照铁路隧道监控量测技术规程的规定选取。,超前支护施工质量检测一、超前锚杆1、基本要求锚杆的材质、规格；超前锚杆与隧道轴线的外插角510；锚杆搭接长度不小于1m。2、实测项目长度不小于设计值；孔位偏差50mm；孔深偏差50mm；孔径大于杆体直径15mm。检查方法与频率：尺量：检查103、外观鉴定,二、超前钢管1、基本要求超前钢管的型号、规格、质量符合设计和规范要求；超前钢管与钢架配合使用时，应从钢架腹部穿过，尾端与钢架焊接。2、实测项目长度不小于设计值；孔位偏差50mm；孔深偏差50mm；孔径大于杆体直径20mm。检查方法与频率：尺量：检查103、外观鉴定,三、注浆效果检查1、分析法2、检查孔法3、声波监测仪 这些方法目前应用还不成熟，准确性有待进一步改进，隧道检验评定标准尚未列出注浆检验评定的方法。,施工质量验收,开挖质量检测隧道开挖的基本原则：在保证围岩稳定或减少对围岩的扰动的前提条件下，选择恰当的开挖和掘进方式，并应尽量提高掘进速度。隧道开挖质量检测的目的：有效控制超欠挖。开挖是控制隧道工期和造价的关键工序。,欠挖过多不修整影响支护厚度工程质量留下隐患 修整费时、费力 影响工程进度。,二、超欠挖测定方法1、直接量测开挖断面面积的方法 以内模为参照直接量测法；使用激光束的方法：（利用激光射线在开挖面上定出基点，并由该点实测开挖断面面积）,使用投影机的方法：（利用投影机将基点或隧道基本形状投影在开挖面上，然后根据此实测开挖断面面积）,2、非接触观测法 三维近景摄影法 利用拍摄手段进行多角度、立体拍摄，不宜作为测量的手段。直角坐标法 测量仪器：激光打点仪、经纬仪、水平仪、钢尺、塔尺等。,极坐标法（断面仪法）PROFILIR4000 测量原理：极坐标法；它是以某物理方向（如水平方向）为起算方向，按一定间距（角度或距离）依次一一测定仪器旋转中心与实际开挖轮廓线的交点之间的矢径（距离及该矢径与水平方向的夹角），将这些矢径端点依次相连即可获得实际开挖的轮廓线。测出实际开挖断面，并与理论设计断面相叠加，从而得出超挖和欠挖。,a、激光断面仪的用途:用于隧道施工过程开挖断面检测；工程限界验收检测；隧道形变检测等场合之中；也可用于小于60米以内的建筑物距离的检测；或类似的其它条件的检测；如正在建设的公路铁路等路基土石方测算；桥梁静载测试护坡挡土墙的验收检测等工作；可以测量前方断面；主要用于快速检测刚开挖的隧道断面；在要求精度较高的场合应以测量当前断面为主；根据设计好的炮眼数据对炮眼位置进行指示，方便施工；也可以对隧道轮廓进行放样；测量围岩收敛，记录围岩的收敛情况；方便检测隧道等的变形。,b、主要技术指标 检测半径145米；检测时间自动检测约为5分钟一个断面(50个点)；测距精度优于1毫米；测角精度优于0.01；方位角范围 30330仪器测头垂直向下为零度；手动测头转动方位角范围0350；定位测量方式具有垂直向下激光定心标志测距功能；可连续纪录断面数大于2500个断面.每个断面选50个点。,4 初期支护施工质量检测 初期支护：隧道开挖后，除围岩完全能够自承而无须支护以外，在围岩稳定能力不足时，则须加以支护才能使其进入稳定状态，称为初期支护。初期支护质量检测包含：锚杆、喷射混凝土、钢拱架。,一、锚杆 1、锚杆作用原理“悬吊”作用。所谓“悬吊”作用是指为防止个别危岩的掉落或滑落，用锚杆将其同稳定围岩联结起来，悬吊作用主要表现的加固局部失稳的岩体。,提高层间摩阻力，形成“组合梁”；对于水平或缓倾斜的层状围岩，用锚杆群能把数层岩层连在一起，增大层理间摩阻力，从结构力学观点看就是形成“组合梁”,加固围岩；由于锚杆的加固作用，使围岩中，尤其是松动区中的节理裂隙，破裂面等得以联结，因而增长了锚固区围岩的强度（即c、值）；锚杆将节理发育的岩体和松动围岩形成整体，成为隧道外围的道“加固带”,2、锚杆质量检测 锚杆质量检测包括加工质量、安装尺寸、拉拔力试验、砂浆锚杆注满度等。安装尺寸检查锚杆位置；孔位偏差15mm；孔深偏差50mm；孔径大小15mm。锚杆拉拔力试验（拉拔力指锚杆能承受的最大拉力）锚杆拉力试验不是检验锚杆的安装质量，而是检验该类围岩能否用锚杆加固,砂浆锚杆注满度检测 Thurner 原理：为了检查锚杆周围的砂浆是否均匀、密实。1978年，瑞典的H.Thurner提出测超声能量损耗来判定砂浆、灌注质量的好坏。在锚杆体外端发射一个超声波脉冲，它沿杆体钢筋以管道波形式传播，到达钢筋底端反射，在杆体外端可接收此反射波。,如果钢筋外密实、饱满地由水泥砂浆握裹，砂浆又与周围岩体粘结，则超声波在传播过程中，不断从钢筋通过水泥砂浆向岩体扩散，能量损失很大，在杆体外端测得的反射波振幅很小，甚至测不到；如果无砂浆握裹，仅是一根空杆，则超声波仅在钢筋中传播，能量损失不大，接收到的反向波振幅则较大；如果握裹砂浆不密实，中间有空洞或缺失，则得到的反射波振幅的大小介于前二者之间。由此，可以根据反射波振幅大小判定水泥砂浆的饱满程度。,二、喷射混凝土 1、喷射混凝土作用原理支承围岩 由于喷层能与围岩密贴和粘结并给围岩表面以抗力和剪力，从而使围岩处于三向受力的有利状态，此外喷层本身的抗冲能阻止不稳块体的塌滑。,卸载作用 由于喷层属柔性，能有控制地使围岩在不出现有害变形的前提下，进入一定程度的塑性，从而使围岩“卸载”。填平补强围岩 喷射混凝土可射入围岩张开的裂隙，填充有凹穴，使裂隙分割的岩块层面粘联在一起，保持岩块间的咬合、镶嵌作用，提高其间的粘结力摩阻力，有利于防止围岩松动，并避免或缓和围岩应力集中。,覆盖围岩表面（封闭作用）喷层直接粘贴表面，形成防风化和止水的防护层，并阻止节理裂隙中充填物流失。分配外力 通过喷层把外力传给锚杆、网架等，使支护结构受力均匀分担。,2、检测项目及方法检测项目 强度：（压、拉、剪、劳、粘）相互关联，喷射砼抗压强度是表示其物理力学性能及耐久性的一个综合指标。故一般只检测抗压强度及粘结强度。厚度：（100mm300mm）之间 粉尘、回弹检查,强度及厚度的检测方法 抗压强度试验方法 喷大板切割法 简单不准确 凿方切割法 可靠太麻烦喷射砼与围岩粘性强度试验 试块制作方法：成型试验法；用劈裂法进行试验 直接拉拔法。厚度 凿孔：喷射8h以内，用短杆将孔凿出，厚度不足时可及时补喷。激光断面仪 地质雷达,（三）质量评判：10组以下 试件抗压强度的平均值Rn1.05R设计值 Rmin0.9R设计值 10组以上 试件抗压强度的平均值Rn1.0R设计值 Rmin0.85R设计值,2、钢支撑的检测 加工质量检测：尺寸；强度、刚度；焊接；安装质量检测：安装尺寸；倾斜度；连接与固定；3、钢支撑与锚喷支护的区别 区别在于作用机理不同 钢支撑是依靠“被动支撑”来维护围岩稳定 传统的支护方式 锚喷支护则依赖“主动加固”来保持围岩稳定 现代的支护方式,锚喷支护中锚杆和喷射混凝土两者是相互依存的关系，在某些情况下可能是以其中的一种为主，另一种为辅；在大多数情况下两者应并重。而我们在施工过程中往往会出现“重喷轻锚”的不正确观点，在某些情况下（如大跨度洞室，层状顶板或软弱围岩等情况），锚杆起着主要作用。若不加锚杆光靠喷层往往难以解决问题，在这种情况下，设计上应“以锚为主，锚喷结合”。在实际的施工过程中，经常会出现“长锚短打”、“厚喷减薄”的情况，因此应加强施工期间锚喷支护的质量检测。,四、初期支护及二衬背后的检测 1、检测方法：地质雷达法 2、检测内容：支护、衬砌厚度 背部回填的密实度 背后的空洞 内部的钢架、钢筋分布 3、地质雷达检测原理：地质雷达探测是根据电磁波在不同电性介质里传播时其波形特征发生改变，进而推测介质分布情况。介质的电性特征是指介质的介电常数，电导率和衰减系数。4、现场测线布置 现场测线一般以纵向为主，环向为辅，纵向测线有3测线、5测线、7测线等。环向测线一般以点测为主。,隧道进洞前，及时做好洞顶及洞口防排水系统。洞顶及洞口排水沟采用铺砌，用砂浆抹面，防止地表水及施工用水下渗，影响结构安全。,施工安全控制要点姜军,三台阶七步开挖法施工应做好工序衔接。工序安排应紧凑，尽量减少围岩暴露时间，避免因长时间暴露引起围岩失稳。,1.初期支护应及时封闭成环，全断面初期支护闭合时间宜控制在15d左右；,2.仰拱应超前施作，仰拱距上台阶开挖工作面宜控制在3040m。铺设防水板、二次衬砌等后续工作应及时进行。,3.二次衬砌距仰拱宜保持2倍以上衬砌循环作业长度，但不得大于50m。,在满足作业空间和台阶稳定的前提下，尽量缩短台阶长度，核心土长度应控制在35m，宽度为隧道开挖宽度的1/31/2。,三台阶七步开挖法施工应严格控制开挖长度，根据隧道围岩地质情况，合理确定循环进尺，张茅隧道土质地段每次开挖长度不超过1.0m；开挖后立即初喷35cm混凝土，以减少围岩暴露时间。,严格按设计要求施作超前支护，控制好超前支护外插角，严格按注浆工艺加固地层，保证隧道开挖在超前支护的保护下施工。,隧道周边部位预留30cm人工开挖，其余部位采用机械开挖，中、下台阶左、右侧开挖应错开，严禁对开，左右侧错开距离宜为 23m。,钢架严格按设计及规范要求加工制作和架设。钢架应架设在坚实基面上，并加垫槽钢，严禁拱（墙）脚悬空或采用虚土回填。钢架应与锁脚锚杆焊接牢固。,隧道超挖部位必须回填密实，严禁初期支护背后存在空洞。必要时初期支护背后应进行充填注浆，保证初期支护与围岩密贴。,完善洞内临时防排水系统，严禁积水浸泡拱（墙）脚及在施工现场漫流，防止基底承载力降低。当地层含水量大时，在上台阶开挖工作面附近开挖横向水沟，将水引至隧道两侧排水沟排出洞外。反坡施工时，设置集水坑将水集中抽排。,确保隧道施工的洞内通风，保证作业环境符合职业健康及安全标准。,应加强监控量测工作，根据量测结果，及时调整支护参数，确定二次衬砌施作时间，进行信息化施工管理。,应完善洞内临时防排水系统，严禁积水浸泡拱（墙）脚及在施工现场漫流，防止基底承载力降低。当地层含水量大时，上台阶开挖工作面附近宜开挖横向水沟，将水引至隧道中部或两侧排水沟排出洞外。必要时应配合井点降水等措施，降低地下水位至隧道仰拱以下，确保施工顺利进行。反坡施工时，应设置集水坑将水集中抽排。,隧道施工应加强洞内通风，作业环境应符合职业健康及安全标准。,