洞身开挖施工方案.doc

'新建太兴铁路太原至静游段TXXS-2标隧道开挖专项施工方案中铁十四局集团有限公司太兴铁路TXXS-2标项目经理部二〇一〇年五月一日 隧道洞身开挖施工方案1工程概况新建太兴铁路太原至静游段由既有太岚线汾河至镇城底段增建二线改造和新建镇城底至静游双线铁路组成。起点为太原北编组站的汾河站，终点静游站。由中铁十四局集团公司承建的TXXS-2标段，起止里程为DK56+500～DK91+450，正线全长34.95km，共有隧道14座。2技术标准铁路等级：Ⅰ级正线数目：双线限制坡度：上行6‰，下行13‰。最小曲线半经：一般地段1200米、困难地段800米。牵引种类：电力牵引类型：SS4B到发线有效长：1050m闭塞类型：自动。3工期目标太兴铁路建设总工期为36个月。计划开工日期2010年3月20日、铺架开始日期2012年5月20日、铺架结束日期2012年12月20日，计划竣工日期2013年3月20日。4洞身开挖施工方法及施工工艺根据围岩特点和现场实际情况，采用新奥法进行施工，施工过程中严格遵循“少扰动、早支护，勤量测、紧封闭”的原则。4.1施工测量(1)测量方法 开工前，首先对设计单位交付的地面控制桩及永久性水准点，进行复测，桩位复核无误后，根据设计院提交的测量成果，采用相应的控制测量方法，再对各隧道工区进行联测，并在每个工区进口布设不少于3个固定的中线控制点和2个以上水准控制点，对隧道中线和标高进行控制，对主要桩位要增设2～3个保护桩，并定期检查，保证其精确性。为了确保隧道精确贯通，对隧道控制测量采用以下新技术：采用GPS控制网取代传统的三角网作为洞内外的平面控制；沿着导线点采用光电测距三角高程方法控制隧道高程；采用概率论、数理统计处理观测数据的平差方法。(2)洞内导线测量洞内测量是洞外控制点向洞内导线点的引测，主要内容为施工中线测量，水准测量及施工断面测量。先将洞外控制点引进入洞，每100m进行施工中线测量、水准测量及断面施工测量并布设控制桩。在向前延伸施工中，经常对中线点和水准点进行复测，以防移动。控制桩设在隧道轴线底板和拱顶上，水准点在隧道两侧并呈“之”字布设。控制桩和水准点布设时要标志明显，并加强保护，防止破坏影响施工进度。(3)隧道横断面测量每茬炮结束后，均采用激光断面测量仪进行断面测量，并及时整理数据，作出爆破效果评价，指导后续施工。(4)控制网布设及其优化通过认真研究控制网方案，将导线尽量沿隧道中线布设成等边直伸型的闭合导线锁，（以隧道轴线为X轴），每个导线环的边数为6条。并将进洞边设成两个三角形，以增加进洞边的几何强度。由于所布控制网不能完全满足施工需要，因此需要建立加密的第二级控制网，二级控制网的加密采用插点、插网方法。精度可比一级控制网低，但精度完全满足规范要求。(5)外业施测水平角的观测采用方向观测法12测回。观测过程中的各项限差要求严格按国家大地网一等导线的要求实施，导线折角的观测，均以半数测回分别观测导线前进方向的左角和右角。用奇数测回的度盘位置测左角；用偶数测回的度盘位置测右角。观测结束后，左、右角分别取中数，并按下式检查左、右角之和与圆周角闭合差。Δ=（左角）中+（右角）中-360° 所有测站中Δmax＜±0.5″测回间仪器多次整平置中，为减少对中误差的影响，采用双照准读数，两次照准读数限差为±0.5″。为了消除照准目标的相位差，照明时半数测回在觇标左侧照明，半数测回在觇标右侧照明。测量过程中，尽量减小施工干扰，如禁止喷射混凝土，长时间保持通风等。以确保观测条件良好。(6)内业计算外业观测数据的整理、平差计算均采用两组对算、复核的方法在计算机中进行。平差采用ESCAD测量平差软件计算，在第一次使用该软件时，对平差结果的正确性、可靠性都应作进一步的论证。为此，将导线网相关平差程序输入袖珍计算机调试运行、复核，两套平差结果一致，说明控制网的平差成果是可靠的。(7)工作要求①作业前必须对精密测角仪器进行检验，并每年送仪器到专业鉴定部门进行鉴定。②严格按国家一等导线测量的仪器级别，技术精度指标进行施测。③严格执行换手复测制度。④导线尽量沿隧道中线布设成直伸形。直伸导线的图形精度最高，纵横向误差保持最小，还可以有效减少隧道壁旁折光的影响。⑤导线桩埋设为混凝土包铁心桩，为确保其稳定，导线点埋入隧道底基岩内。⑥洞内一等导线的测角中误差必须严格控制在±0.7″以内，这是因为直伸导线的测角误差直接影响隧道的横向贯通误差。⑦精密测角过程中必须自始至终保持仪器精平，为防止作业时不能发现的仪器碰动，脚架下沉，在地面打入三个铁桩，将脚架置于铁桩上面。⑧在保证洞内通风、照明、通讯问题解决的情况下，导线边长应尽量拉长，以减小方位角传递误差。4.2隧道开挖隧道开挖按照新奥法原理施工，根据不同的围岩选择不同的开挖方法，对于软弱围岩及断层破碎带地段，严格按照“ 早预报、先治水、管超前、短进尺、弱爆破、强支护、快封闭、勤量测，步步为营，稳步前进”的原则，施工则由人工配合机械开挖或弱爆破进行开挖，稳扎稳打。钻爆设备均采用气腿式凿岩机配合自制的半自动施工台架开挖,实现快速施工。(1)台阶法将设计断面分两次或三次开挖，其中上台阶超前一定距离后，上下台阶同时并进。施工工艺流程见图4.2-1，台阶法开挖见图4.2-2。良好初期支护监控量测断面检查、爆破效果分析下一循环施工上、下台阶测量放线上台阶钻眼装药爆破通风按规定处理并反馈意见规定处理并反馈信息规定处理并反馈信息初喷后出渣装渣运输施工准备超前地质预报爆破设计下台阶钻眼差图4.2-1台阶法施工工艺流程图 图4.2-2台阶法开挖示意图施工要点：①根据围岩条件，合理确定台阶长度，当围岩自稳能力较好，台阶长度控制在10～15m以内，围岩稳定性较差时，台阶长度控制在3～10m。以确保开挖、支护质量及施工安全。②台阶高度应根据地质情况、隧道断面大小和施工机械设备情况确定，其中上台阶高度确定为2.2m。③上台阶施工钢架时，应采用扩大拱脚或施做锁脚锚杆等措施，控制围岩和初期支护变形。④下台阶应在上台阶喷射混凝土达到设计强度70%以上时开挖。当岩体不稳定时，应采取缩短进尺，必要时上下台阶可分左、右两部错开开挖，并及时施做初期支护和仰拱。⑤施工中应解决好上下台阶的施工干扰问题，下部施工应减少对上部围岩、支护的扰动。⑥当围岩不稳定时，进尺宜为1～1.5m，落脚后立即施作初期支护。(2)弧形导坑预留核心土法Ⅴ级围岩偏压地段采用弧形导坑预留核心土开挖。弧形导坑预留核心土开挖见图4.2-3。 施工步骤：②上部弧形导坑开挖；④上部核心土开挖；⑤左侧导坑开挖；⑦右侧导坑开挖；⑨下部核心土开挖；⑩仰拱开挖。施工要点：①施工中坚持“软爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤测量”的基本原则。②开挖方式应以人工配合机械开挖，必要时辅以弱爆破，爆破时严格控制炮眼深度及装药量。③导坑开挖孔径及台阶高度可根据施工机具、人员等安排进行适当调整。④导坑开挖每部开挖进尺宜为0.5～1.0m。⑤开挖后及时喷锚支护，安装钢架支撑或格栅支撑，每榀钢架之间应采用钢筋连接，并应加索腿锚管，全断面初期支护完成距拱部开挖面不宜超过30m。⑥预留核心土面积的大小应满足开挖面稳定要求。上部核心土的长度宜为2.0-3.0m，面积不小于上半断面的50%，核心土刷坡坡率意为1：0.5～1：0.75。⑦上部弧形，左右侧墙部，中心核心土开挖各错开3.0～5.0m。(3)三台阶七步法Ⅴ级围岩由于围岩较差，为确保施工安全，该段采用三台阶七步法和弧形导坑预留核心土开挖法施工。三台阶七步法施工工艺见图4.2-4，开挖方法见图4.2-5。 测量放样上部弧形导坑开挖初期支护左右错开开挖中台阶分段开挖隧底初期支护断面检查超前支护初期支护左右错开开挖下台阶施作仰拱填充初期支护施作仰拱开挖上、中、下台阶核心土围岩稳定性评判修正支护参数图4.2-4三台阶七步法施工工艺流程图图4.2-5三台七步法开挖示意图 施工步骤：①上部弧形导坑开挖；②左侧导坑开挖；③右侧导坑开挖；④左侧导坑开挖；⑤右侧导坑开挖；⑥预留核心土开挖；⑦仰拱开挖。施工方法：①上部弧形导坑开挖：在拱部超前支护后进行，环向开挖上部弧形导坑，预留核心土，核心土长度宜为3～5m，宽度宜为隧道开挖宽度的1/3～1/2。开挖循环进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5m,开挖后立即初喷3～5cm混凝土上台阶开挖矢跨比应大于0.3，开挖后及时进行架设钢拱架、锚杆、网系统支护，在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30º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。②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3～3.5m，左、右侧台阶错开2～3m，开挖后立即初喷3～5cm混凝土，及时进行施工接长钢架、锚杆、网、喷射混凝土系统支护在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30º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。③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3～3.5m，左、右侧台阶错开2～3m，开挖后立即初喷3～5cm混凝土，及时进行施工接长钢架、锚杆、网、喷射混凝土系统支护在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30º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。④上、下、中台阶预留核心土：各台阶分别开挖预留的核心土，开挖进尺与各台阶循环进尺相一致。⑤隧底开挖：每循环开挖长度宜为2～3m，开挖后及时施做仰拱初期支护，完成两个隧底开挖，支护循环后，及时施做仰拱和仰拱填充，仰拱分段长度宜为4～6m。施工要点：①开挖方式应以人工配合机械开挖，必要时辅以弱爆破，爆破时严格控制炮眼深度及装药量。②导坑开挖孔径及台阶高度可根据施工机具、人员等安排进行适当调整。③工序变化处之钢架打设锁脚钢管，以确保钢架基础稳定。 ④钢架之间纵向连接钢筋及时施做并连接牢固。⑤仰拱紧跟下台阶，及时闭合构成稳固的支护体系。⑥开挖过程中初期结构及核心土的稳定性，必要时利用核心土体加设全断面环形临时支撑。⑦施工过程通过监控量测，掌握围岩和支护的变形情况，及时调整支护参数和预留变形量，保证施工安全。⑧完善洞内临时防排水系统，防止地下水浸泡拱墙脚基础。4.3洞身钻爆施工本隧道设计围岩主要为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级，围岩结构为砂质黄土、石灰岩、泥灰岩，且有一次隐伏断层穿过洞身。根据地质特性，施工中采取“短进尺、弱爆破的开挖原则。爆破施工工艺见图4.3-1。台车就位装药计算爆破材料准备网路检查光面爆破设计超前地质预报测量放线钻孔钻孔质量验收装药与堵塞连接起爆网络起爆通风危石处理光爆效果与质量检查图4.3-1光面爆破施工工艺框图 多功能台架示意图见图4.3-2。图4.3-2多功能台架示意图(1)爆破参数炮眼直径d：选用42mm的钻孔直径。炮眼深度L：根据围岩的实际情况确定炮眼深度Ⅲ为2.5m，Ⅳ为2m。周边眼间距E：Ⅳ级围岩取E=35cm。Ⅲ级围岩取40cm。抵抗线W：根据以往的施工经验取W=E/0.8：Ⅳ级围岩取w=44cm，Ⅲ级围岩取50cm。堵塞长度：堵塞长度不小于20cm。掏槽眼形式：掏槽眼采用楔形掏槽，开口角度控制在60～70°，掏槽眼间距2-2.6m，距底板线0.6～1m布置。(2)爆破施工的原则①隧道周边眼为减少对围岩的扰动及降低爆破震动的强度，采用预裂爆破辅以光面爆破。②掏槽及底板眼按抛掷爆破设计。③其它炮眼采用深孔微震动控制爆破，在保证爆破效果的前提下，尽量减少炮眼的炸药消耗量 ④工程实践表明，采用微差爆破技术与齐发爆破相比，平均降震率减少40%以上，微差段数越多，其降震效果越好。(3)炮眼布置图Ⅲ级围岩炮眼布置图见图4.3-3。4.3-3Ⅲ级围岩炮眼布置图 Ⅲ级围岩爆破参数见图4.3-4。表4.3-4Ⅲ级围岩爆破参数表炮眼名称非电毫秒雷管眼深(m)每孔药卷数装药量备注段个上台阶辅助掏槽眼160.8432.7开挖断面积:49.86m2炸药总耗量:150.45kg单位炸药消量1.21kg/m3每循环进尺:2.5m掏槽眼382.781214.4掘进眼562.587.2掘进眼7102.5812掘进眼9222.5723.1掘进眼11252.5726.25辅助眼13322.5628.8底眼13122.7712.6周边眼15392.5423.4下台阶掘进眼182.556开挖断面积:31.78m2炸药总耗量:56.4kg单位炸药消量0.71kg/m3每循环进尺:2.5m掘进眼382.556掘进眼582.556掘进眼782.556掘进眼962.554.5掘进眼11102.557.5辅助眼1342.542.4底眼13122.5610.8周边眼15162.537.2 Ⅳ级围岩爆破参数见表4.3-5。图4.3-5Ⅳ级围岩炮眼布置图图4.3-6仰拱围岩炮眼布置图 表4.3-7Ⅳ级围岩爆破参数表炮眼名称非电毫秒雷管眼深(m)每孔药卷数装药量备注段个上台阶辅助掏槽眼120.5430.9开挖断面积:30.58m2炸药总耗量:56.25kg单位炸药消量1.23kg/m3每循环进尺:2.0m掏槽眼341.7463.6掘进眼541.542.4掘进眼761.543.6掘进眼931.541.8掘进眼11161.549.6辅助眼13221.5413.2底眼13131.559.75周边眼15381.5211.4下台阶掘进眼1161.537.2开挖断面积:55.1m2炸药总耗量:77.4kg单位炸药消量0.93kg/m3每循环进尺:1.5m掘进眼3161.537.2掘进眼5161.537.2掘进眼7161.537.2掘进眼9121.535.4掘进眼11181.538.1辅助眼13181.538.1底眼13281.5416.8周边眼15341.5210.2表4.3-8仰拱爆破参数表炮眼名称非电毫秒雷管眼深(m)每孔药卷数装药量备注段个仰拱掘进眼1969.9开挖断面积:16.78m2炸药总耗量:32.1kg单位炸药消量:1.28kg/m3每循环进尺:2.0m掘进眼3768.1辅助眼5363.6周边眼725418.6(4)装药及连线按照设计孔的装药量及电雷管（毫秒雷管），每段装在钻孔内采用正起爆。用炮泥塞好炮孔，为了使预裂均匀，可提前用竹片加工好炸药串，使炸药沿炮孔方向均匀分布。 (5)起爆顺序掏槽眼——掘进眼——二台眼——内圈眼——底板眼——周边眼，在施工过程中，根据地质情况和爆破效果及时调整炮眼深度等各种参数，使光爆达到最佳效果。(6)爆破网络爆破振动与同段起爆的炸药量密切相关，采用非电微差起爆技术不但控制单段雷管的起爆药量，又能有效控制每段雷管间的起爆时间，使爆破震动波减少叠加。消除爆破震动的有害效应。在施工中采用孔内微差的网络起爆。周边孔采用导爆索入孔导爆。(7)爆破器材的选择选用φ32mm防水的乳化炸药。周边眼采用φ22的小药卷，并采用导爆索绑小药卷的空气间隔不连续装药结构。隧道爆破采用塑料导爆管和毫秒雷管起爆系统。起爆采用煤矿安全电雷管。(8)装药结构装药结构见图4.3-9。图4.3-9装药结构示意图(9)光面爆破技术措施提高测量放样精度，确保周边眼的定位误差在3cm以内；周边眼钻孔精度的控制，周边眼钻孔误差在2cm以内；钻孔外插角控制在2°以内，控制每循环爆破进尺，确保眼底和孔口之间最大偏距不超过10cm；根据本工程地质资料，进行论证和爆破试验，选择与本工程地质特性、围岩岩性相匹配的炸药品种，提高爆破效果；通过爆破试验，选择合理的爆破参数：根据围岩岩性，选择确定光面爆破周边眼间距、抵抗线、不偶合装药结构、起爆顺序、堵塞长度等爆破参数，确定各主爆孔特别是掏槽眼的爆破参数，确保光面爆破达到炮眼残留率硬岩达到80%以上，中硬岩达到60%以上。 (10)爆破施工控制要点根据围岩级别，采用光面爆破，严格控制周边眼装药量，最大限度地减小爆破对周边围岩的扰动和破坏。采用弱振控制爆破技术时，严格控制段装药量和段间延期时差，达到控制爆破振速的目的，最大限度地减小对周边围岩的扰动和破坏。每个开挖循环都要进行施工测量，控制开挖断面，在掌子面上用红油漆画出隧道开挖轮廓线及标定周边炮眼位置，误差不超过1cm。钻眼必须按设计方案进行。钻眼时掘进眼保持与隧道轴线平行，除底眼外，其它炮眼口比孔底低5cm，以便钻孔时的岩粉自然流出，周边眼外插角控制在3°以内，保持最大超挖量小于7cm。掏槽眼严禁互相打穿相交，底眼比其它炮眼深20cm。装药前炮眼用高压风吹干净，检查炮眼数量。装药时，由爆破员分好毫秒雷管段别，按爆破设计顺序装药，装药作业分组分片进行，定人定位，确保装药作业有序进行，防止雷管段别混乱，影响爆破效果。每眼装药后用炮泥堵塞20cm。起爆采用电雷管--塑料导爆管起爆网络，雷管联接好后爆破员进行检查，检查雷管的连接质量及是否有漏联雷管，检查无误后发出起爆信号。图4.3-10光面爆破施工工艺框图 4.4出碴及运输策马村隧道采用无轨运输，轮胎式装载机装碴，自卸汽车运输。台阶法开挖时，上半断面的石碴用反铲挖掘机扒至下台阶后，由装载机装碴，自卸汽车运输，车辆数量根据弃碴运距确定，并考虑不少于30%的富裕量。隧道开挖石碴直接运往指定的填筑路段或弃碴场弃置，并按要求对弃碴场设置挡护，避免污染环境。洞内运输道路在仰拱先行的前提下，充分利用大避车洞位置作为避车道，并安排专人进行路面维修养护，确保运输道路畅通，提高运输效率。5洞身开挖施工技术措施5.1控制超欠挖的技术措施光面爆破受多种因素影响，包括围岩强度、整体性、节理、层理等地质因素，现场围岩地质结构千变万化，要想取得理想的光爆效果，爆破参数必须进行现场设计动态调整。同一级围岩经试爆取得的技术参数，作为初步依据，每一循环爆破作业都要由有经验的爆破工程师根据上一循环爆破效果，以及本循环围岩特征进行适当调整，选择一组最佳技术参数，以取得本循环理想的光爆效果，上一循环是下一循环的预设计和试爆破。在光面爆破前，应根据钻爆设计图准确标出炮眼位置。钻孔时应按设计要求严格控制炮眼的间距、深度和角度。掏槽眼的眼口间距和眼底间距不得大于5cm。周边眼眼口位置误差不得大于5cm，外插角应符合钻爆设计要求，眼底不应超出开挖断面轮廓线15cm。保证钻孔质量措施：光爆钻孔时，应统一指挥协调行动，认真实行定人、定位、定机、定质、定量的“五定”岗位责任制；分区按顺序钻孔，避免相互干扰、碰撞、拥挤；固定钻孔班，以便熟练技术，掌握规律，提高钻孔的速度；按爆破设计装药量装药联线，塑料导爆管起爆网络采用复式联接网路。炮孔孔口采用炮泥堵塞，炮泥由炮泥机加工成型。5.2保护隧道基底的措施(1)隧道基底开挖高程应符合设计要求，每一开挖循环应用水准仪检测基底4～6点。并用激光自动断面仪测量周边轮廓断面，绘断面图与设计断面核对。(2)基底承载力应符合设计要求，石质基底采用现场目测鉴别方法。(3)基底应完整无损伤，边墙底与基底顺接应圆顺。 (4)基底底面应无虚碴、积水及杂物。(5)仰拱混凝土施工完毕后，采用地质雷达对其进行检测，发现空洞及时采取基底注浆措施进行回填。5.3控制变形及防塌陷的技术措施(1)控制原则采用“加固围岩、改善变形、先柔后刚、先放后抗、变形留够、底部加强”的主动式控制原则。一是从提高围岩力学性能着手，主动加固围岩，使之承受一部分荷载；二是加长加密锚杆，使支护的荷载传入基岩深部；三是初期支护允许柔性变形消耗围岩中储存的能量；四是预留足够的变形量防止初支侵入二衬；五是遇大变形时要增加钢筋对二衬进行加强；六是加强隧道底部结构。(2)具体措施严格按设计要求的方法及支护参数进行施工；根据变形情况加大预留变形量；采用型钢钢架，形成可缩式钢架支护；洞身锚杆加长，并加密，锚杆垫板加大；加强掌子面正面的注浆处理以防外鼓；部分地段采用加长注浆管进行注浆加固；加强二衬配筋。5.4隧道塌方预防措施(1)做好超前地质预报工作。对开挖面前方地层进行探测预报，判明地层和含水情况，为超前支护和止水提供依据，及时修改或加强超前支护和支护参数。尤其是施工开挖接近设计探明的富水带时，要认真及时地分析和观察开挖工作面岩性变化，遇有探孔突水、渗水增大和整体性变差等现象，及时调整施工方法。(2)加强施工监控量测，实行信息化施工。对地表沉降、拱顶下沉、围岩收敛进行量测，及时对数据进行整理分析，及时反馈于设计和施工，及时优化设计参数和施工方法。当量测数据表明围岩收敛变形接近控制标准的警戒值时，尽快采取加强措施进行加固，抑制变形，防止因变形突变引起坍塌。(3)据不同地质情况和开挖方式，采用超前小导管预注浆加固地层的超前支护措施，注浆选材视不同岩层和地下水情况采用水泥浆，通过注浆加固周边围岩，提高其自承能力，减少围岩松弛变形。(4) 对不同围岩，分别采取台阶法、三台阶七步开挖法、弧形导坑预留核心土法等开挖方法。开挖时，支护要及时闭合成环，拱架安装时在拱脚均施作锁脚锚杆，加强支护，防止拱脚下沉和内移，引起过大变形，导致拱部岩层坍塌。(5)严格控制开挖工序，尤其是一次开挖进尺，杜绝各种违章施工。控制爆破装药量，减小对软弱破碎围岩的扰动。(6)保证施工质量。超前预注浆固结止水、钢架制作、支护和衬砌混凝土质量必须符合设计及规范要求。(7)施工期间，洞口应常备一定数量的抢险材料，如方木、型钢钢架等，以备急用。(8)有下述现象发生时，应先撤出工作面施工人员和机械设备，指定专人观察和进行加固处理后，确认险情排除后方可恢复工作面施工:①围岩量测所反映的围岩变形速度急剧加快。②围岩面不断掉块剥落。③支护喷混凝土表面龟裂、裂缝或脱皮掉块，钢架严重变形。④掌子面节理裂隙中渗水量或涌水量明显加大。'