技术交流

Technical exchange

单跨隧道开挖方法
来源:蒋中庸 郜强 刘镜       时间:2015-07-10       人气:3523

【摘  要】  本文介绍了单跨岩石隧道开挖常用的全断面、正台阶、中隔壁和交叉中隔壁、双侧壁导坑等方法的特点及使用范围。

关键词  全断面法;台阶法;中隔壁法;交叉中隔壁法;双侧壁导坑法;分部衬砌

 

单孔隧道的开挖方法随开挖断面大小和地质条件的不同而不同,常用的方法有全断面法开挖、台阶法、中壁法(CD法)、CD定义中壁法(CRD法)、双侧壁导坑法。其中台阶法是最基本的开挖方法。CDCRD法是将一个大断面横向分成两块开挖,双侧壁导坑法是将大断面横向分成三块开挖,每一块的开挖还是用台阶法。因此吧台阶法的开挖方法和要点作详细的介绍和分析,在以后的CDCRD和双侧导坑开挖中就不再详细介绍每一分块的台阶法开挖了。

 

1  全断面法开挖

1.1  开挖顺序和施工方法

全断面一次开挖成型(图11)),这是最简单的开挖方法。采用液压台车或风钻配简易台架钻眼。液压台车钻眼,当炮孔深5m时,最大值可达36cm。为减少台车构造外插角引起的超挖,当断面较大时可采用人机套打的施工方法(图12)),人工开挖部分用台架配合风钻钻眼。这种施工方法可以起到加快开挖进度和减少爆破材料消耗的作用。采用风钻配台架钻眼,采用预留光爆层的方法可以减少超挖(图13)),以上的12部均采用同时放炮。后两种开挖方法因为是分两部开挖实际上不算全断层开挖,因为其使用范围同全断面开挖,因此将其列在全断面开挖内。

 

喷混凝土可在爆破后的渣堆上施工,当渣堆距拱顶的距离较大时,往往喷混凝土的效果差,而且出完渣后还得补喷被渣堆掩盖的部分,施工也麻烦,而且喷混凝土要占开挖循环时间,影响施工进度。但有的地质条件为了施工安全,还是得先喷混凝土。由于采用全断面开挖的围岩一般开挖稳定性较好,因此多采用开挖和喷混凝土平行作业,前面凿孔,后面喷混凝土。可利用喷混凝土液压凿岩台车上得升降工作平台,抬价配合风钻施工时,台架的长度则应满足前面凿孔,后面喷混凝土施工,其长度一般应大于2倍开挖长度。

20世纪8090年代施工的长隧道多采用液压台车凿孔,以后由于风钻配台架的采用,其开挖速度并不低,修理配件也不必从国外空运,而且成本低很多,逐渐有所取代液压台车凿孔的趋势,也符合中国现阶段的国情。

1.2  方法特点

(一)工序简单,便于管理,单应配足够的凿孔设备和能力强大的装运设备,否则影响施工进度。

(二)在个别地质条件下,开挖时如果发生掉块和小的坍塌,由于高度不大好处理。

1.3  使用范围

当开挖高度超过液压台车和一般台架的凿孔高度则无法使用。

参考使用范围如表1

2  台阶法开挖

台阶法开挖时根据开挖的高度,将断面分成23个或多个台阶进行开挖,如图2所示。城市地铁多在第四系地层开挖,台阶上均要设临时仰拱,山岭隧道很少设临时仰拱。一下开挖方法均按不设仰拱考虑。

台阶的高度主要是根据围岩、类别和选定的施工方法确定的,一般为3.5-4.5,最大时可达6-7,m。为保证台阶的稳定,台阶一般应有0.2-0.3:1的坡度。

台阶开挖可以减少开挖面正面的高度,可以减少正面失稳的可能性;先护顶可以保护以下部开挖的安全;可以缩短从开挖到完成初期支护的时间,有利于围岩的稳定。上下台阶开挖又是台阶法开挖的基本方法,因此重点的介绍上下台阶法。

2.1  上、下台阶开挖(两层台阶开挖)

开挖顺序和方法

1)微台阶法

开挖顺序如图3所示,台阶长3-5m。上台阶的底一般设在起拱线。当拱的弧度平缓,为避免拱脚处的尖端形影响爆破效果,有时将上台阶的底设在起拱线下1m


当地质条件较差时,上台阶可采用环形开挖留核心的开挖方法,如图4所示。必要时下台阶也可以采用留核心的开挖方法。

上台阶采用留核心开挖可以增加开挖面正面的稳定,同时也可为钢架的架设提供一个工作平台。但影响爆破效果。

微台阶施工的台阶长度一般都能保证在1.5倍洞径内初期支护封闭成环,但不能太短,如图5所示。


 

为保证台阶的稳定,要求L>1= 12H2tg:sty'>

式中:L—台阶长;

H2—下台阶高;

1—破裂面在上台阶的长度;

α—破裂面和垂直线的夹角;

α=45°-Ф/2

Ф—围岩的换算内摩擦角,参考值如下:

围岩级别        内摩擦角Ф

               50-60

               40-50

               30-40

如果台阶太短,上台阶的拱部初期支护强度还未达到要求,此时开挖下台阶则有可能引起围岩的失稳。

采用台阶施工时上下台阶可以平行作业,如果台阶的高度较大下台阶可配台架凿孔,上台阶可配简单的脚手架(板凳架)凿孔。上、下台阶同时放炮后上台阶上的少量余渣可用人工或反向挖掘机将渣倒运至下台阶,然后用布置在下台阶上的装运设备运出洞外。

2)短台阶法

公路施工规范的分类方法是长阶长度5-50m为短台阶。为了叙述方便,因为在地质条件较差时要求初期支护在1.5倍洞径内封闭成环,且在上台阶上不布置大型装运设备,因此这里将短台阶的长度定为≤1.5B。又大于不能使用反向挖掘机倒渣的台阶长度。

短台阶的施工顺序和方法同微台阶法,但上台阶一般使用人工将渣倒运至下台阶上。

3)长台阶(L>5B

长台阶开挖可采用单工序作业或平行作业,采用平行作业时,在上下台阶上均布置装运设置。为了弃渣的顺坡,下台阶不宜太陡。采用上。下台阶平行作业时,下台阶采用左右错进开挖。为便于运渣车辆上下,在台阶间用弃渣填成斜坡道,如下图6所示。


 


 

上台阶的高度大于下台阶的高度。在上台阶上用台架配合风钻凿孔,下台阶用人工直接凿孔。为防止放炮砸坏台架,台阶长L应不宜小于50m;在左右错进开挖时,为避免频繁换边,台阶长度还要增加。

这种施工方法,从衬砌到开挖的距离长,由于下台阶要放炮,对风、水管和电线要进行保护,并且经常砸坏通风管,影响通风效果。

2.2三层微台阶开挖

(一)三层微台阶开挖

 

 基本的开挖方法如图7所示,这种施工方法用手持风钻凿孔,放炮后先在渣堆上凿孔,台阶上的渣出尽后再凿下部台。装运设备设在下台阶上,上、中台阶爆破后的余渣可用人工、或反向挖掘机向下翻渣。衡广复线的雷公尖隧道曾利用放在汽车上的卷扬机带动来回上下的耙斗向下扒渣。卷扬机的钢丝线穿在临时锚固定在上层台阶的开挖面上,其工作原理同斜井施工的矿用耙斗机。这种施工方法必须配合人工扒渣,施工速度慢,现在已很少采用。

(二)三层台阶留核心开挖法(见图8

这种施工方法的装运设备在下台阶,上台阶的渣装人力车经核心土的顶面倒运至下台阶上。二、三层台阶可用反向挖掘机向下扒渣。

这种施工方法使用人工多,施工速度不快,但在1.5B以内初期支护可以封闭成环。

(三)三层台阶左右错进(见图9

 


 

这种施工方法上、中台阶采用微台阶,中、下台阶间采用长台阶施工。三个台阶可以平行开挖,施工的速度快。这种施工方法和特点同上、下台阶开挖的微台阶和长台阶法。

2.3参考使用范围

(一)Ⅴ级围岩

1、上台阶应采用留核心开挖,以下台阶必要时也应采用留核心开挖。

2、采用在1.5倍开挖洞径内初期支护成环的微台阶法、短台阶法。

3、开挖宽度在12m以内宜采用上下台阶开挖,以上宜采用三层台阶开挖,最大开挖宽度不宜超过14-16m

(二)Ⅳ级围岩

1、开挖可不留核心

2、如果要求1.5倍洞径内初期支护封闭成环,仍宜采用微台阶、短台阶法开挖;无要求时可以采用长台阶施工。

3、根据开挖宽度在16m以内可以采上、下台阶或三层台阶开挖。

(三)Ⅲ级围岩

开挖宽度超过14m的三线隧道宜用上下台阶法开挖。

3  中壁法

中壁法是将一个开挖宽度大的断面纵向分成左、右两块开挖,在分块内采用台阶法开挖。根据施工顺序的不同又可分为中壁法(CD法)、交叉中壁法(CRD法)

3.1  开挖顺序和施工方法

(一)中壁法(见图10


 


 

中壁法是将一侧用台阶法开挖完成后再开挖另一侧,左、右分块的间距A应大于1.5倍开挖宽度,即1/2B。其施工方法和特点同前台阶法。

(二)交叉中壁法

交叉中壁法是左右块交叉开挖,根据开挖顺序不同又可分为以下三种开挖方法。

1)常规交叉中壁法(见图11


 


 

这是最常用的交叉中壁法施工顺序,施工方法基本同上下台阶的左右错进。56部放炮开挖后仍用石渣填斜坡道。由于左右分块的宽度不大,在分块内不采用左右错进,而是一次顺坡。

2)特殊的交叉中壁法(见图12

 

这种中壁法的开挖顺序,左侧同前常规的中壁法,右侧上台阶采用长台阶施工,中下台阶采用微台阶施工。左侧12开挖平行作业,124单工序作业;右侧56平行作业,356单工序作业。如果采用CRD工法施工的距离不长时,可以先挖通3后再挖56

3)先完成拱部开挖的交叉中壁法(见图3


 


 

先用长台阶法单工序作业完成左、右侧的拱部开挖,然后用微台阶法开挖中下台阶,其开挖方法基本同上述特殊交叉中壁法的右侧开挖。

3.2  中壁法施工的特点和开挖方法的选择

根据有关资料的介绍,交叉中壁法比中壁法的地表沉降能减少20%,因此地铁施工中均采用常规的交叉中壁法。在山岭隧道施工中,由于采用爆破施工,对各种中壁法开挖顺序的选择也不同。

(一)中壁的受力特点

在先开挖的右侧块时,中壁承受垂直压力和侧向压力,当左侧开挖后中壁只承受垂直力;如果中壁的弧度大,先开挖右侧,其承受侧向力的能力强,但左侧开挖后,弧度越大弯压结构能承受的垂直力越小;如果弧度小,抵抗倒向的能力又差。为解决这个矛盾,基本将中壁设计成垂直,同时增设中壁的侧向锚杆,但一方面影响爆破效果,另一方面爆破将会对中壁造成更大的破坏。

当左右侧断面全部开挖完成后,中壁是一个细长比大的弯压结构。如按垂直中壁高10m,厚0.2m考虑,纵向失稳的压力折见系数根据钢筋混凝土设计范围为0.19,即只有矮中壁承载能力的20%。另外,拱部初期支护和中壁在承受地层力应力时,其大小是按刚度分配的,拱部初期支护在计算时考虑地层的弹性抗力,在承压时不考虑纵向弯曲折线,即Ф=1,刚度大,中壁的刚度随开挖高度增加而减少,对底层的支撑作业也随之减少。

(二)爆破对中壁的影响

一侧开挖后,在另一侧开挖放炮,中壁的一侧岩石和岩石是牢固的结合成一体的,一般的预留光爆层技术是很难不损坏。炸裂3中壁的喷混凝土,同时,在中壁上粘连的未掉下的石块,因风化的作用随时有掉下的危险,其危险随中壁的高度增加而增加,长期不拆除危险性也很大。因此,要求完成全断面开挖后尽快进行模砌混凝土。

(三)各种中壁法的选择

1、中壁法(CD法)

中壁承受的侧压力最大,在上、下台阶开挖时可以选用,在三层台阶开挖时很少使用。

2、常规的交叉中壁法

是非爆破地段常用的开挖方法,但采用爆破施工时,1234部开挖后中壁保留的时间长,到衬砌施工的距离长。

3、特殊的交叉中壁法

开挖上部3时,爆破对中壁有损坏,但高度不大,仍有一定的支撑力,56部开挖后就能衬砌,全高地中壁存在时间短。

4、先完成拱部开挖的交叉中壁法

先完成拱部初期支护可以减少中壁的受力(包括侧压力)同时有上述特殊交叉中壁法的特点。如果加强初期支护,由于中壁承受的侧压力小,完全可以采用垂直的中壁。

3.3  中壁的拆除

目前山岭隧道的墙拱二次衬砌多采用模板台车,为保证施工进度,一般采用仰拱衬砌超前平行作业的施工方法。施工顺序如图14所示。


 


 

根据上图,拆除中壁的长度至少为3倍衬砌循环的长度,因此衬砌循环的长度应配合地质条件,当然拆除中壁的长度应根据测量的结果而适当增减。作为设计的初期支护参数应适当加强,以保证需要拆除的中壁长度内结构的稳定性。如果初期支护的强度不够,施工时又不根据测量结果拆除中壁,则可能造成极为严重的坍塌事故。

3.4参考使用范围

Ⅴ级围岩:开挖宽度在14~16m,隧道的洞孔段、加强段和偏压段。

Ⅳ级围岩:开挖宽度在16~18m时使用。

4  双侧壁导坑法

双侧壁导坑法是将一个开挖宽度大的断面纵向分成三块开挖,一般每块宽度约为开挖断面的三分之一。在分块内采用台阶开挖。根据二次衬砌的方式不同,分为全断一次衬砌和分部衬砌两种施工方法。

4.1  全断面衬砌的双侧壁导坑法

(一)施工顺序和方法(见图15


 


 

施工顺序如图所示,分3块开挖,各分块中采用台阶法开挖(参见前台阶法开挖)。开挖的顺序是:左导→右导→中洞,各分块间的距离,铁路施工规范规定:“侧壁导坑领先长度应根据现场具体情况确定,一般情况下当为30~50m”。根据现场施工经验,应在左洞初期支护封闭成环后1.5倍左洞洞径后才开挖右洞,且间距不小于10~15m。中洞距右导的间距同上。

(二)侧壁导坑内壁的拆除

同前中壁法中壁的拆除。

(三)方法特点

施工的工序少,施工的速度快,墙拱二次衬砌可使用衬砌台车,施工缝少,施工的质量好。

如前中壁法中爆破对中壁的损坏,如初期支护强度不足时则可能发生意外。

42  分部衬砌的双侧壁导坑法

(一)施工顺序和方法

分部衬砌的施工顺序如图16所示。总的施工顺序是:先开挖左、右导,完成左、右导范围内的二次衬砌,开挖中东上台阶,完成拱部二次衬砌,最后开挖中洞下台阶,完成其余部分的仰拱。


 


 

由于左、右导开挖断面较小,均采用单工序作业。左导向前开挖全部完成后,退采用后退式施作导坑范围内的仰拱衬砌,仰拱衬砌全部完成后再施工带坑范围内的边墙,边墙上方留缺口不到顶,并预留防水板搭,长度以便以后防水板搭。为更好的抵抗侧向推力,仰拱和内壁间的空隙应用低标号混凝土或加临时撑。左、右导开挖初期支护成环后10~15m开挖右导,施工方法及顺序同上。

在左、右导范围内的仰拱和边墙全部完成后再进行中洞施工。在开挖中洞的上台阶4-2前,先在左、右导内施工换撑4-1.在开挖上台阶4-2时,底部要设横撑4-3.以便平衡左、右导边墙衬砌上端的侧压力。其余部分的衬砌v至上台阶4-2的开挖距离要满足爆破对衬砌作业的安全距离,同时要满足上台阶装渣、拆除导坑内壁上段支护和铺设防水板、钢筋绑扎平行作业的长度,一般为40~50m。其余的拱部衬砌全部完成后向前开挖下台阶6,最后后退式施工其余的仰拱衬砌Ⅶ。

(二)导坑内壁支护的拆除

在开挖中洞上台阶前在导坑内采用换撑的方法来替代导坑内壁在中洞上台阶范围内的上段,完成了力的转换,为了可靠,在施工中洞拱部二次衬砌铺设防水板前才拆除左、右导内壁的上段。完成中洞拱部二次衬砌后,完全可以承受全部地层压力,因此其余的导坑内壁支护可随中洞的下台阶而拆除。

(三)方法特点

在开挖中洞上台阶前,左、右导内壁上段的换成和导坑范围内仰拱和内壁间的空隙采取支撑措施,在内壁的上段破除后形成新的成环,并且边墙衬砌也能起到抵抗侧向力的作用(如果不设换成4-1,没有封闭的边墙实际是悬臂梁,不但起不到抵抗侧向力的作用,而且墙角有可能受偏心力矩的作用)。因此在铺设中洞上部的防水板时很安全。

在开挖中洞前和完成其余的拱墙衬砌后已实现了力的转换。导坑内壁也基本失去承载的功能,爆破对其造成的破坏对结构安全影响很小,主要的作用是防止爆破已施工的拱墙衬砌,起到隔离作用了。

因此本法施工的风险小。

和前一方法相比,施工的工序多,施工的进度慢,而且混凝土的施工缝多,比前一方法多4个,整体性和防水效果不如前一方法好。

4.3  参考使用范围

Ⅳ、Ⅴ级围岩开挖宽度在16m以上宜采用双侧壁导坑法,Ⅳ级围岩宜采用全断面一次衬砌的双侧壁导坑法,考虑爆破对导坑内壁的破坏,隧道的初期支护宜加强,以保证能安全施工。Ⅴ级围岩的地质条件较差,可采用分部衬砌的双侧壁导坑法。




 

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