天恒山隧道综合施工技术

天恒山隧道综合施工技术 天恒山隧道综合施工技术 2009年第11期 (总第189期) 黑龙江交通科技 HEILONGJIANGJIAOTONGKEJI No.11,2009 (SumNo.189) 天恒山隧道综合施工技术 廖延军 (中铁十三局集团有限公司第四工程公司) 摘要:天恒山隧道作为国内第一座严寒地区浅埋大跨粘土隧道,从施工工艺到施工组织,国内没有同类工 供借鉴,程经验可性的标准和要求几近空白,国外可供借鉴的类似工程也不多见.项目针对该隧道特 点,在深入调研和借鉴国内外先进经验基础上,不断对隧道施工进行比选优化, 实现了严寒地区浅埋大 跨度粘土公路隧道的快速施工. 关键词:粘土隧道;施工;技术 中图分类号:U445文献标识码:C文章编号:1008—3383(2009)11—0059—07 1工程简介 1.1工程概况 天恒山隧道位于哈尔滨市道外区民主乡地界,是哈尔滨 绕城公路东北段项目的重难点工程.隧道为双洞分离式设 计,单向双车道,单洞上行线长1660In,下行线长1690m. 隧道设计人行横通道4处,车行横通道1处,上行线和下行 线各设置一处紧急停车带.隧道设计行车速度80km/h,路 面采用单面横坡,坡度2%,上行线和下行线纵坡为双向人 字坡,坡度均为1.775%和一0.900%. 1.2地形地貌 隧道所处地貌为岗阜状平原区,地面侵蚀较强,起 伏较大,呈坡缓,顶平漫岗式,局部"V"型冲沟发育,切割深 度10—25m.前缘与松花江高漫滩后缘以陡坎相接,高差 近40m.隧道处植被主要为人工林及耕地. 1.3隧道工程地质 根据天恒山隧道设计钻孔揭露及室内土工试验结果,隧 道处岩土主要为亚粘性土,局部见砂层,含水量在20%一 24%之间;地基承载力综合表显示,3—1,5—1,5—2,7 — 1和8—2地层为软可塑状态的软弱夹层,地基承载力为 110—270kPa,对隧道施工极为不利. 1.4气候,水文地质特性 节较短,年平均气温为5.7?,极端最高气温39.1?,极端 最低气温一41.4;最大冻深2.05111,地面稳定冻结Et期为 11月下旬,稳定解冻日期为翌年4月中旬. 隧道所处范围地下水主要为局部上层滞水,赋存于软可塑 及软塑亚粘土层中,钻孔后出现渗水现象,经测量计算24h渗 水量为12.2L/In2,受大气降水补给,受季节影响,水量变化大. 2隧道主体设计 2.1围岩分类 隧道围岩比较单一,主要为粘性土,局部见砂层.隧道 处构造不发育,隧道围岩受地质构造影响程度为轻微影响. 根据《公路隧道设计规范》(JTGI)70—2004)中规定,天恒山 隧道围岩分级以V,?级为主,其中V级围岩占57%,VI级 围岩占43%. 2.2衬砌支护参数 暗洞衬砌结构按新奥法原理设计,采用复合式支护结构 形式.初期支护以型钢拱架,系统锚杆,钢筋网及喷射混凝 土组成联合支护体系,二次衬砌采用模筑混凝土结构,初期 支护与二次衬砌结构之间设防排水层,二次衬砌表面设保温 防火层. (1)初期支护. 初期支护参数的选取主要依据工程类比确定,各种围岩 隧区位于北寒带气候区,冬季长达五个月之久,春秋季及断面条件下的支护参数见 表I. 表1隧道衬砌结构支护参数表 收稿日期:2009—10—20 作者简介:廖延军(1965一),男,中铁十三局集团有限公司第四工程公司,高级工程 师. ? 59? 总第189期黑龙江交通科技第ll期 (2)二次衬砌. 二次衬砌采用[30泵送自防水混凝土结构,抗渗标号为S10. 3隧道施工技术 3.1开挖技术 天恒山隧道为粘土隧道,开挖采用人工配合挖掘机开 挖.施工中采用了两台阶分部开挖法,三台阶七步开挖法, CRD法和微台阶法等工法施工,基本涵盖了目前我国公路 隧道施工中先进的施工技术与施工工艺. (1)两台阶分部开挖法. 上台阶环形开挖(每循环进尺为一榀拱架间距),预留 核心土(核心土长2—3m),在开挖支护完成后采用马口跳 挖的方式开挖支护下台阶(马121宽度1,2m),初期支护完 成封闭. 图2两台阶分部开挖法留马口拉中槽 (2)三台阶七步开挖法. 在隧道开挖过程中,在三个台阶上分七个工作面,以前 ? 6O? 施工缺点:上台阶长度在20m以内,初期支护封闭时间 长,同时拉中槽留马口变形大,施工安全保障差. 图1两台阶分部开挖法施工工序示意图 图3两台阶分部开挖法下台阶及仰拱施工 后七个不同位置相互错开开挖,然后分部及时支护,形成支 护整体. 图4三台阶七步开挖法施工工序示意图 及 第l1期廖延军:天恒山隧道综合施工技术总第189期 仰拱初支封闭到掌子面间距离严格控制在2ID之内,仰拱砼 到掌子面间的距离严格控制在26m之内,同一断面上台阶开挖 到仰拱初支封闭,施作时间严格控制在15d之内,同一断面上 台阶开挖到仰拱混凝土浇筑,施作时间严格控制在18d之内. 施工缺点:由于多次开挖对土体扰动次数增加,拱顶沉 降量较大,初支封闭时间长,当前方出现险情时,不利于及时 封闭成环. (3)CRD法. 图5三台阶七步开挖法挖掘机开挖 围8台阶法向CRD法转换 在?部开挖支护5,7111后进行?部的开挖支护,?部 与?部的距离控制在1倍洞径之内,掌子面与仰拱及回填的 距离控制在2倍洞径以内. 施工缺点:工序较多,且全部为人工或小型机械作业,大 型机械无法展开,施工进度较慢.增加临时仰拱及中隔墙, 成本增加较大(与台阶法相比,每延米增加造价约3万元). 适用范围:标准断面有软弱夹层段和隧道加宽段采用 CRD法施工. 图6三台阶七步开挖法施工全景 图7CRD法施工工序示意图 (4)微台阶法. 掌子面距仰拱初支距离控制在12m以内,掌子面与仰 拱钢筋混凝土及仰拱回填的距离控制在15m以内.采用微 台阶法施工,同一断面上台阶开挖到仰拱初支封闭,施作时 间可以控制在8d之内,到仰拱混凝土浇筑,施作时间可以 图l0微台阶法施工纵断面图 图9CRD法幅时支撑拆除 控制在9d之内.衬砌与掌子面的距离控制在60m以内. 缺点施工:由于下台阶与仰拱初支距离控制在6—7m, 影响挖掘机对上台阶和仰拱的开挖,同时开挖时仰拱钢筋混 凝土施工无法平行作业. (5)开挖控制要点. 围11微台阶法施工横断面图 ? 61? 总第189期黑龙江交通科技第11期 图12微台阶法挖掘机开挖 ?由于土体粘结力差,开挖后容易发生垮塌,因此在开 挖时指挥手控制挖掘机开挖深度,保证掌子面平齐,防止出 现悬空,为便于作业,开挖长度可增加20em. ?开挖时采用人工风镐配合挖掘机开挖,在开挖时沿轮 廓线预留50cm土体,人工采用风镐沿轮廓线进行开挖,避 图l4预留土体人工风镐开挖 3.2支护技术 施工中针对粘土隧道地基承载力低,含水量大,易坍塌 等特点,对支护参数和工艺进行优化调整. (1)扩大拱脚. 向围岩方向加大拱脚接触面积,采用初支同等级混凝土 图16扩大拱脚 (3)连接筋""形联结. 初支拱架纵向连接钢筋采用"J"形,直钩部分长 度10cm,与拱架翼缘内外交错满焊,增加了拱架与连接钢 筋焊接面积,确保初支拱架整体受力. (4)取消系统锚杆,增加锁脚锚管. 粘土锚杆施工成孔困难,加之注浆效果差,严重影响了 工程进度,通过现场试验,取消自进式中空注浆锚杆,采用锁 脚锚管代替系统锚杆. ? 62? 图13微台阶法施工全景 免由于挖掘机开挖时对土体的振动太大,造成土体塌方,形 成超挖. ?拱脚处至少留深20em土用人工开挖,严禁拱脚超 挖,防止因拱脚原状土被破坏或承载力不足而造成支护下 沉 图15拱脚预留原状土人工开挖 回填. (2)拱脚支垫. 拱脚加设垫板,防止因拱脚原状土被破坏或承载力不足 而造成支护下沉. 图17拱脚支垫 (5)锁脚锚管""形焊接. 锁脚锚管与型钢拱架采用"(._-_)"形螺纹钢双排焊接, 这样增加焊接面积,确实起到锁脚作用,防止钢拱架下沉和 收敛变形过大. (6)拱架预留法兰接头. 中心水沟位于仰拱初支以下1.02m,为保证施工安全, 中心水沟施工在初期支护封闭后仰拱施工前施作,为便于机 械施工,临时切断(事先预留好法兰接头)初期支护钢拱架, 待中心水沟工序完成后及时恢复初期支护的封闭. 第l1期廖延军:天恒山隧道综合施工技术总第189期 图18纵向连接钢筋采用的焊接方式 3.3保温层施工技术 寒冷地区的隧道常在春融期出现渗漏,渗漏会引发各种 冻害,影响行车,威胁结构稳定和安全.出现该问题的原因 是由于冻融循环导致隧道防排水工程受到破坏,解决该问题 的办法是对隧道施作保温工程. 天恒山隧道施工图设计时,保温层设置在初期支护和二 图19锁脚锚管与钢架的焊接方式 次衬砌之间,后根据专家意见将保温层调整至二次衬砌表 面,使二次衬砌受力更加明确.保温方案专家论证后选用预 制F13—1型PU硬质聚氨酯泡沫板,通过u型轻钢龙骨固 定在二次衬砌表面,然后铺设硅酸钙防火板并喷涂可见光发 射率大于50%的防火涂料方案. 施工控制要点: 图20保温层施工工艺流程图 ? 63? 总第189期黑龙江交通科技第l1期 (1)所有使用的膨胀螺栓,u型卡,保温板,U型轻钢龙 骨,防火板和防火涂料等进行取样检验,各项性能满足设计 要求的才能使用. (2)保温层施工前对二次衬砌表面平整度和渗漏水情 况进行检查,保证衬砌表面平顺,干燥,存在问题提前处理. (3)膨胀螺栓与二次衬砌表面垂直且紧固于衬砌内,膨 胀螺栓埋深不低于50mm. (4)保温板之间必须连接紧密,相邻两环保温板之间按错 图21保温板龙骨固定 4隧道通风 隧道施工通风技术水平直接影响隧道施工进度.天恒 山隧道埋深最小处4m,最大埋深38.5m,属于全隧浅埋类 型,基于天恒山隧道全隧浅埋土质隧道的特点,采用"压入 式通风机和竖向通风孔"联合通风方式,即保证了洞内烟尘 的排放,又节省电费和机械使用费. 图23洞口压入式轴流通风机 图24地表通风孔 操作要点: (1)通风孔采用我单位获得专利的隧道通风孔冲击钻 机施工,孑L径以5O一60cm为宜. (2)为保证通风效果,通风孑L沿隧道走向在隧道拱顶打设. (3)通风孔施工必须与隧道走向垂直,间距控制在30— 40m ? 64? 缝设置,使用聚氨酯泡沫填缝剂将保温板之间的接缝密封,同时 注意做好照明,消防等附属设施以及预留洞室处孔洞预留. (5)U型轻钢龙骨通过U型卡固定保温板时必须保证 自攻钉的数量,每U型卡上自攻钉不得少于4颗. (6)安装防火板时自攻钉应自板边缘一中间一另 一 侧边缘逐排固定. (7)用专用防火腻子及网带将防火板之间缝隙密封,要 求封闭完全,平整,然后将缝隙处打磨平整. 图22防火板安装完成 (4)地表通风孔做好标示保护工作,防止堵塞. (5)初期支护时做好通风孔的预留,在衬砌施工时必须 做好封堵,防止衬砌渗水. (6)洞外通风机使用频率及时间根据洞内烟尘大小灵 活控制. 5空气压缩机动力供风 严寒地区隧道施工中,寒区一般冬季长达五个月之久. 因此,寒区隧道的冬季施工是严寒地区隧道施工技术关键. 隧道喷射混凝土和锚杆施工需要空压机提供动力,隧道施工 常规作法是在洞口建立统一空压机供风站进行施工供风,对 建于严寒地区的隧道而言,因冬季寒冷而漫长,水冷空压机 需要建立厂棚且采取采暖保温措施,运营投入较大且工作效 率季节影响大.采用风冷的螺杆式空气压缩机,安装在移动 平台上,随掌子面的施工向前移动.该有效利用了隧道 冬季洞内温度高,好保温的特点.且螺杆式空压机具有工作 可靠性高,运行平稳,噪声低,对周围环境污染小,无基础,操 作简单,维修方便等特点,因此适用于寒冷地区隧道的施工. 图25风冷螺杆式空气压缩机 6监控量测 依据《公路隧道施工技术规范》(JTJ042—94)的要求, 天恒山隧道的结构特点,施工工艺以及地质情况,天恒山隧 道施工阶段监测的内容和方法包括地表下沉,围岩体内位 移,周边位移,拱顶下沉,围岩压力,喷射混凝土应力,型钢钢 架应力,纵向连接筋应力,初期支护和二次衬砌之间的接触 压力,二次衬砌混凝土内,外侧混凝土应力及二次衬砌的净 空收敛等方面的量测.旨在采取国内较成熟的快速,准确, 可靠测试手段,对隧道施工中的关键部位进行跟踪监测. 第1】期廖延军:天恒山隧道综合施工技术总第189期 / …一.少一趣 ,,,,, , 7 6 图26初期支护阶段测试元件布置 7结束语 2009年l2月13日,"天恒山隧道综合快速施工技术研 究"科技成果,通过了黑龙江省科技厅组织的专家鉴定,并 上报黑龙江省科技成果奖. 天恒山隧道成套施工技术和施工工艺填补了国内同类 工程施工的空白,提高了我国隧道工程的施工水平,为今后 严寒地区隧道的设计,施工积累了宝贵的经验,具有重要的 借鉴作用和推广价值. 图27二次衬砌阶段测试元件布置 参考文献: [1]黑龙江省公路勘察设计院,国道主干线哈尔滨绕城公路东北 段(秦家至东风)两阶段施工图设计(天恒山隧道),2005. [2]中铁十三局集团公司,天:恒山隧道施_工力案与管理有关规定,2007. [3]天恒山隧道项目部,天恒山隧道施工方案优化,2007. [4]同济大学路基与土工技术研究所,天恒山隧道施工方案模型 试验研究(初步报告),20o7. 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