[精]公路隧道三台阶cd法开挖施工工法

'公路隧道三台阶CD法开挖施工工法工法编号：RJGF（闽）-81-2010完成单位：福建省闽西交通工程有限公司福建成森建设集团有限公司主要完成人：罗惠清钟天彬谢义宝吴荣军余运喜1前言在软弱围岩隧道施工中，特别是浅埋偏压段，软弱岩体破碎，裂隙发育，整体强度低，自稳能力差，隧道开挖后自稳时间短，甚至没有自稳时间，隧道开挖后，受隧道拱顶不均衡应力及局部侧压力的影响，围岩整体结构易失稳，易出现坍塌冒顶现象，给施工安全带来极大隐患。我公司通过宁武高速及双永高速两个实际工程的建设，在隧道施工中，根据现场的地质条件及自身的施工能力，对传统的CD法开挖做出调整，由原来的4块改成6块开挖，拱部和边墙采用液压式自行整体衬砌台车衬砌，成功进行了施工，总结了成功经验，形成了公路隧道三台阶CD法开挖施工工法，并取得了良好的经济效益和社会效益。2010年04月15日由省高指、宁武公司在宁武高速公路（南平段）A10合同段笔架山隧道召开了（全市高速公路）CD法施工现场观摩会，会上省高指对该施工方法给予了高度评价。2特点2.0.1将大断面的隧道开挖分解成小断面，达到减小开挖跨度和降低开挖高度的效果，进行分部开挖，分块分环，化大为小，步步封闭，加快了从开挖到支护完成的施工周期，减少了对周边软弱围岩的扰动，不易形成大面积的坍塌，特点是安全性高，结构受力较好，能提高初支强度、刚度，有效抑制大跨度、软岩隧道开挖的变形。同时左右侧导坑可平行作业，开挖面相对稳定，作业较为安全。2.0.2与传统的CD法施工相比，施工安全性更高，工序转换更为频繁，要理清各个工序先后顺序及相连关系，在施工中尽量减少各工序之间的相互影响，并根据施工中实际情况灵活调整，确保施工的质量及安全。3适用范围本工法适用于围岩极差、跨度大、浅埋、地表沉降需要控制，特别是土质和类土质、含水量大、承载力极低围岩及易产生大变形的公路隧道，也可适用于其它类似工程隧道。4工艺原理13 4.0.1先开挖隧道的一侧，并施作中隔壁，然后再开挖另一侧的施工方法，即将洞室全断面分为六大块，先行导坑上、中、下台阶，后行导坑上、中、下台阶，隧道中部设置中隔壁。先行导坑上台阶初期支护封闭后，开挖先行导坑中台阶并初期支护封闭，然后下台阶落底并初支封闭成环，左右导坑纵向拉开距离不小于2D（D为开挖跨度）时，后行导坑可跟进平行施工，再拆除中隔壁临时支护，分部施工防排水系统和仰拱、边墙、拱部二次模筑砼衬砌。施工中采用多部开挖，减小分部开挖跨度和开挖高度，小分割，短进尺，弱爆破，快支护，勤量测，早封闭的原则，同时分块分环，化大为小，步步封闭，环环相扣，施工安全有保障，如图4.0.1所示。4.0.2通过监控量测数据，采用新奥法原理和控制爆破技术，及时采用超前支护及喷锚进行初期支护，针对围岩软弱特点，经监控量测数据反馈，合理确定工序间的关系。4.0.3利用监控量测沉降、位移回归分析及初支锚杆拔力、钢支撑内力、喷射砼及二衬砼应力的量测结果指导施工。图4.0.1三台阶CD法施工示意图13 5施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程施工工艺流程，如图5.1所示。图5.1施工工艺流程图5.2操作要点5.2.1施工准备1根据设计图纸及洞口地质情况，制定并实施进洞前辅助加固措施。2配备专业施工队伍和施工人员，投入所需的相关设备，组合所需的各种材料。5.2.2施作洞口超前管棚1开挖1部前，按照设计文件在拱部154度范围内布设φ108×6mm，L=42m，环向间距a=0.5m超前钢管施作超前支护。13 2进洞第一排管棚施工前，施作C25砼明暗洞衬砌套拱（厚0.6m），套拱内埋设3榀钢拱架，钢拱架与管棚导向钢管焊成一个整体。3施作钻孔：采用CSJ-30管棚钻机沿开挖轮廓线向外倾斜α角（外插角控制在1°～3°）钻孔，管间用丝扣接头联接，钢管顶进到位后，将其与钢支撑焊接成一体，采用CS麻丝胶泥封堵孔口段止浆。注浆采用水泥浆，水灰比为：W/C=0.5，注浆的初始压力0.5-1.0MPa，终结压力控制在2.0MPa。注浆料的配合比及压力要通过试验参数调整确定。5.2.3施作洞身超前小导管1在洞口未设管棚地段，开挖1部前，按照设计文件在拱部150范围内布设φ50mm，L=5m，a=0.3m超前小导管施作超前支护。小导管的搭接长度为2.33m、型钢间距为0.5m。2钻孔、插入小导管：采用φ60mm钻机钻孔，孔径为：沿开挖轮廓线向外倾斜α角（外插角控制在15°）。孔位检查合格后，插入小导管，小导管的后端焊接在钢拱架上然后进行注浆，注浆采用单浆水灰比为：W/C=0.5，注浆的压力控制在0.5-1.0MPa，注浆料的配合比及压力要通过试验参数调整确定。5.2.4开挖与支护1开挖顺序：1部先行开挖，随即依次开挖2部、3部。1部作业空间较小，采用0.2m3挖掘机（具有挖、推双重功能）开挖，2、3步采用0.65m3挖掘机开挖，15t自卸汽车运输。台阶间距控制在3-5m之间。开挖循环进尺为1.5倍钢拱架间距，即为0.75m（钢拱架间距为0.5m）。2初期支护为：C20喷射混凝土厚24cm，钢拱架间距为0.5m，单层HPB235钢筋网以及法向Φ25中空注浆锚杆，每两榀钢拱架之间设φ25纵向连接钢筋，环向间距为1m。3临时支护为：C20喷射混凝土厚24cm，钢拱架间距为0.5m，单层HPB235钢筋网以及Φ22超前药卷锚杆，每两榀钢拱架之间设φ25纵向连接钢筋，环向间距为1m。4喷射混凝士采用湿喷工艺，可大幅度减低粉尘浓度和回弹率，增大一次喷层厚度，提高生产效率，保证工程质量。1）喷射作业按三台阶分部开挖顺序分段、分片实施，由下而上沿两侧拱脚往拱部中心对称喷射，确保喷射表面平整，无“排骨”现象。喷射作业以先初喷，初支后复喷方式分层进行。2）注意事项：a.混凝土材料和易性好，坍落度控制在8-15cm；b.风压控制在0.1MPa左右，风量10m3／min；13 5施作工序1）先行导坑上台阶（1部）量测划出开挖轮廓线，拱部沿轮廓线施作超前小导管及侧壁临时超前锚杆支护；采用人工配合0.2m3挖掘机开挖，必要时辅予弱爆破，单循环进尺0.75m；周边及掌子面初喷混凝土厚4cm，在周边钻锚杆孔，安装系统径向中空锚杆并注浆，挂设钢筋网并与径向锚杆焊接牢固，架立钢拱架（包括侧壁临时钢拱架），钢拱架0.5m/榀，并设置锁脚锚杆，周边复喷混凝土至设计厚度，同时浇筑先行导坑上台阶C20临时仰拱砼。及时封闭成环。2）待1部进尺3-5m时，进行2部开挖。2部采用人工配合0.65m3挖掘机开挖，必要时辅予弱爆破，装载机装，15t自卸汽车出渣，单循环进尺1～1.5m；周边及掌子面初喷混凝土厚4cm，在周边钻锚杆孔，安装系统径向中空锚杆并注浆，挂设钢筋网并与径向锚杆焊接牢固，钢支撑落底（包括侧壁临时钢拱架）封闭成环，钢拱架0.5m/榀，必要时设置锁脚锚杆，周边复喷混凝土至设计厚度，确保先行导坑相邻台阶纵向错开距离不大于5m。同理可进行先行导坑下台阶的开挖。3）先行导坑上台阶（1部）掘进长度大于2D（D为隧道开挖跨度）时，进行后行导坑开挖。后行导坑开挖方法和顺序同先行导坑。4）施工中先行导坑掌子面与后行导坑掌子面在纵向错开距离不小于2D（D为隧道开挖跨度）。5）先行导坑、后行导坑初支全部封闭成环，待初期支护收敛后，拆除中隔壁钢架支撑，浇筑仰拱、二衬砼及填充层。6）根据监控量测数据分析，当围岩基本稳定时（监控量测数据满足下列要求时可认为已基本稳定：a已产生的各项位移已达预计总位移量的80%，b周边位移速率小于0.1～0.2mm/d，c或拱顶下沉速度小于0.07～0.15mm/d），逐段拆除中隔壁临时支护，浇筑仰拱二衬砼及填充层。5.2.5超前地质预报与施工监测项目1超前地质预报在隧道施工中，将超前地质预报作为工序纳入施工管理，对地质超前预报进行分级管理。超前地质预报的内容包括不良地质及灾害地质预报、水文地质预报和围岩级别及其稳定性预报。地质预报应分级进行，采用物探和钻探，长距离、中长距离和短距离相结合，多种手段综合分析，相互印证。2预报内容13 1）推断掌子面前方约40m范围内可能出现的地层、构造、岩性情况；2）推断掌子面实见的各种不良地质体向掌子面前方延伸的情况；3）对掌子面涌水量的观测，结合岩性、构造特征，推断工作面前方一定范围内可能的地下水涌出情况；4）在上述推断的基础上，预测工作面前方一定范围内的隧道围岩级别，提出准确的超前支护建议，并对施工支护提出初步建议。3监控量测监控量测项目主要根据隧道工程的地质条件、围岩级别、跨度、埋深、开挖方法和支护类型等综合条件确定。具体项目、测点布置、量测频率和周边允许相列位移值，如表5.2.5-1、表5.2.5-2和表5.7.5-3所示。表5.2.5-1监测项目序号监测项目测试工具及仪表备注1地质和支护状况地质罗盘及规尺必测2地表下沉水平仪及水平尺必测3拱顶下沉精密水准仪必测4周边移位收敛机必测5锚杆抗拔力应力计选测6钢拱架支撑内力支柱压力选测表5.2.5-2测点布置图围岩级别测点间距（m）水平收敛拱顶下沉表面移位Ⅴ5632表5.2.5-3量测频率位移速度距工作面距离量测频率>100～1B1～2次/d5～101～2B1次/d5～12～5B1次/2d<1>5B1次/周根据位移变化速率判别，当净空变化速率连续三天>1mm/d时，需加强支护系统；当拱顶下沉速度<0.07-0.15mm/d，或周边位移速率<0.1-0.2mm，则认为围岩基本稳定。5.2.6注意事项1应坚持“管超前、短进尺、弱爆破、强支护、勤量测、早封闭”的原则。2应采取分部开挖、小分块、早成环、环套环形成全断面初期支护封闭结构的施工方法。3先行导坑上、中、下台阶与后行导坑上、中、下台阶可以平行交叉作业13 ，确保纵向错开距离满足设计及规范要求。5.3劳动力组织劳动力组织人员配备，如表5.3所示。表5.3劳动力组织情况表序号开挖及初支各班组人数1测量（含监测）82开挖班（含超前及锚杆钻孔）243支护班（初喷、安装小导管、锚杆、修边、挂网、架立钢拱架、复喷）284出渣125电工26排水、通风道路维护47合计786材料与设备表6材料与设备配备序号机械设备名称型号数量1装载机LG85622挖掘机斗山MX31113挖掘机小松PC5614自卸汽车15t25空压机艾维特.SG26气腿式凿岩机YT2887混凝土搅拌机Js75028混凝土运输车Vr35029湿式喷射机GSP-D2210注浆机G2JB211抽水机412电焊机630A型、400A型213切断机GJ32214发电机350KW115变压器500KVA216轴流式风机55KW37质量控制7.1质量控制标准施工时，三台阶CD法开挖质量控制及验收标准严格按以下规范及要求执行：1）中华人民共和国行业标准《公路工程质量检验评定标准》（JTGF80/1-2004）2）中华人民共和国行业标准《公路隧道施工技术规范》（JTG042-94）7.2质量保证措施13 7.2.1采用三台阶CD法开挖，开挖步骤多，工序比较复杂，必须合理安排工序，才能保证施工规范、有序进行，确保工程质量。7.2.2三台阶CD法施工，上、中、下台阶长度控制在3～5m较适宜，根据监测位移变化速率判别，当净空变化速率>0.5mm/d时，台阶长度控制在3m内；当拱顶下沉速度<0.5mm/d，或周边位移速率<0.4mm时，台阶长度控制在5m内。7.2.3先行导坑掌子面与后行导坑掌子面纵向错开距离应大于2D（D为隧道开挖跨度），尽量减少后行导坑的掘进对先行导坑初支的扰动。7.2.4上部初支喷射砼强度达到70%后才开进行中、下台阶的开挖，中、下台阶的左右侧马口钢支撑落底应错开，同时下台阶初支仰拱应跳槽施工。7.2.5每一分部的开挖高度控制在3.2m左右，现场可根据设备、地质等情况适当调整，地质很差时左右侧上部开挖施应考虑预留核心土切环开挖。7.2.6由于工序多，施工用水和隧道渗水容易在边墙处汇集，浸泡拱脚基础，使其变软，从而造成初期支护和围岩的整体下沉，因此施工中的施工用水和隧道渗水必须设法有效排放。7.2.7临时中隔壁的作用在于分隔隧道、形成中心支柱，从而“减小”开挖断面，减小隧道断面效应，同时传递荷载，因此在施工中爆破必须注意药量控制，不能对中隔墙造成很大破坏，注意加强中隔墙的支护质量，确保其支撑强度，同时注重临时仰拱的施工，可以大大提高支护强度，从而保证使用本工艺施工成功。7.2.8超欠挖控制。对测量控制点应保护，特别是洞内布点，应经常复合。采用弱爆破，断面开挖测量时应检验上一循环爆破效果，有欠挖的及时挖除，超挖严重的分析原因，改进爆破方法。超前钢管钻孔要严格控制外插角，钢管连接、长度以及注浆压力达到设计和规范要求。7.2.9钢支撑定位准确，连接牢固，无翘曲、垂直，拱脚垫槽钢。7.2.10锚杆垂直岩面施作，其间距、孔深、长度、直径和抗拔力应符合设计要求。7.2.11钢筋网紧贴围岩，钢筋直径和网格间距符合设计要求。7.2.12喷射混凝土应密实饱满，不得留有孔洞，厚度和轻度合格。8安全措施各工序操作必须严格遵守安全操作规程，另采取以下安全措施：8.0.1隧道掌子面50m以内设置专用逃生管。8.0.2在监控量测和超前地质预报信息的指导下，进行隧道的开挖。13 8.0.3尽量少用炸药，采用弱爆破，土质围岩段采用人工配合机械开挖。8.0.4坚持“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的方针。8.0.5加强通风、照明、防尘、降温等工作，保护施工人员的身心健康。8.0.6备齐应急物质，建立抢险专业队伍。9环保措施9.0.1施工场地在施工场地平面布置过程中，将环保工作纳入统一规划，少占耕地。施工便道尽量避开村庄，驻地及生产设施的建设充分考虑与自然景观的和谐统一。施工生产用水排放沟统一布置，设置多级沉淀池，妥善处理，不排入农田、耕地、河道等处，避免排水回溢、冲刷、污染自然水源。工地厕所设置三级化粪池净化，施工完毕后覆盖埋置；生活垃圾及时清理，弃至指定地点，并作好绿化。9.0.2弃土场环保1）弃土必须分层压实，严禁倾倒，完工后进行平整，加以防护及绿化。2）通往弃土场施工便道，设置纵向排水沟，保证排水通畅，不污染农田。3）根据设计与当地环保部门签定协议按要求，对弃土采取稳妥的防护措施，做好弃土堆坡面防护，为复耕或绿化提供优良条件。4）弃土场均设置拦碴墙，施工完后及时复耕或绿化。9.0.3施工扬尘为防弃土装运工程渣土的车辆遗洒碴土，所有运输车辆全部采用有盖自卸汽车。所有出施工场地的车辆必须经过清洗，并设专人监管采取有效措施，保证不污染道路和环境。配备专用洒水车对段内施工便道定时洒水，将灰尘降到最低程度；并经常进行清扫，避免造成道路污染。10效益分析10.0.1社会效益三台阶CD法开挖隧道，减小了对围岩的扰动，工序施工周期短，同时平行作业使工序紧凑，施工环境安全可靠，在确保安全的前提下工效相对较高，。10.0.2经济效益13 与传统的CD法相比，三台阶CD法开挖断面更小，小步快进，安全可靠，节省了大型机械使用，减少能源的浪费，经济效益相对显著。11应用实例本工法成功应用于宁武高速A10标及双永高速A6标等工程，工程质量满足规范和合同要求，现以宁武高速A10标和双永高速A6标为实例。11.0.1宁武高速A10标工程实例1工程概况宁武高速（南平段）A10标笔架山隧道由福建省闽西交通工程有限公司承建，于2009年10月开工，现仍在建，采用本工法施工。笔架山隧道位于南平市政和县，起讫桩号ZK150+309～ZK152+955（左洞）、YK150+305～YK152+935（右洞），全长2638m，进出口采用削竹式洞门；隧道限界10.75×5m,采用三心圆拱衬砌。隧址区洞口为坡残积粘土和强风化凝灰熔岩,断裂及裂隙发育，围岩级别以IV～V级为主。洞身围岩为弱风化—微风化凝灰熔岩，属较硬岩—坚硬岩为主，级别以II、III级围岩为主。该隧道V级围岩796m（折合单洞），在隧道软弱围岩段施工中，特别是浅埋偏压段，软弱岩体破碎，裂隙发育，整体强度低，自稳能力差，隧道开挖后自稳时间短，甚至没有自稳时间，隧道开挖后，受隧道拱顶不均衡应力及局部侧压力的影响，围岩整体结构易失稳，易出现坍塌冒顶现象，给施工安全带来极大隐患。2施工情况采用本工法开挖，掘进顺利，软弱地段围岩开挖过程中未出现坍塌，断面超欠挖控制有力。尽量组织导坑平行施工作业，在同等软弱围岩情况下，施工进展相对较快。3工程评价采用本工法施工，在极软弱围岩条件下，有效确保围岩的稳定及隧道施工安全。导坑之间平行穿插作业，提高施工进度，具有较好的进度效益和经济效益。11.0.2双永高速A6标工程实例1工程概况双永高速A6标苏坂隧道由福建省闽西交通工程有限公司承建，于2009年10月开工，现仍在建，采用本工法施工。苏板隧道位于龙岩新罗区苏坂乡，ZK139+309～ZK140+109，长800m；右线起讫桩号为YK139+280～YK140+123，长843m。隧道限界10.75×5m,采用三心圆拱衬砌。隧址区洞口为坡残积粘土和强风化岩,断裂及裂隙发育，围岩级别以III～V13 级为主。该隧道V级围岩1282（折合单洞），为双车道隧道软弱围岩，部分为极软弱、破碎围岩。2施工情况采用本工法开挖，有效控制了极软弱地段围岩开挖过程中的稳定，同时，有效组织导坑平行施工作业，施工进展满足合同计划要求。3工程评价采用本工法，隧道极软弱围岩段施工安全，进度快。具有较好的进度效益和经济效益。13 13 9LOTO;RNj3=6@?FG;vzL8kKU88]=0`f>E@}Jx=bxf][:YuJtFvhldo9QPeQzm3:eDmaFUHmySvmu~MA>U~Nkh^vaAzSQdP~>Vu}I~q}{QnXKXz7k80_L=Qq_}eHc[0Q@MDhWL1RX34P^~u::_g1`z[5u4dcdK8^HIhUqX=E;fT:aKTTqKtFZyFn0ufj@JZ_5_J_8a:vPRsXRyu:kjN4{OtZwc5C9A{4[_75UACrks7xQwbGWIeZyq6sctwC5D84e[7g:=Yn0V7o78mKuhMa88B7f^KSvUWoc}u=DEp:Ennp`sg8{RM5OHJeLJqke27=1QsI[:7omd5Ni1`>IX]=0sdocUO4g6R^[36FwsBGjzOjl2}m_0p>vkuJd6EEo4M90VKjjdp_fSmyCVx7JgyB^;H@[xGbJV2PS?2@p2zV>`Q`XN3OgPR6MX3ny38rCwBZA2{FV3hsUCz3bnRR1<5[{ta4;P{UuRMz^DFF]Y7L4;IdPZ18f7O9Qoi}_HSNx1`GJaT}qmNMO10dJ4_5k8j}Ii;BIcvju4iDU2lYk@MZXnD=|hz|B9JE>2cUKIZfG{WX4MV7xBrXTLMKp{rT=2W;X91LhDfOh:he7]wppD{CbbLR<5A]jVltQ4YRKa0c};RbYFt0eJYxXHLJkPvX=_FmIXcW`fcw^Qg;zO0wytWxfW49c:}@8skB>N8`{]CIpIJK9KL9c2i4z:f[^2mFcK]sM9`xszb_l[0:X]QhYYufr7sxyemRo6iGG`NmdGDjQO4BP@YT;2DtKU1Yp|8pVW9GnbsrCD5iUF9RyKqrMD`AGaQHlChDc`lsyq:yP`V7XbZhZ=O4|o3m9`4b5ShPmY>:SC6ZAEAi2ta@kTp0^VE