水平岩层隧道施工工艺工法.docx
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水平岩层隧道施工工艺工法
水平岩层隧道施工工艺工法
1前言
1.1工艺工法概况
水平岩层隧道特点为隧道洞身围岩呈水平状分布，岩层倾角≤10°，水平层理发育，施工中拱部围岩易剥落、掉块呈门架型，隧道完成开挖及初支后，其拱顶部位初期支护出现纵向裂缝、剥落等现象，同时相应里程段落内的隧道变形沉降速率明显加快，部分地段初期支护出现纵向开裂、剥落后急剧演变为拱顶掉块、大面积失稳、坍塌现象。
根据水平岩层隧道围岩不同物理、力学性能分别采取台阶法施工或全断面法施工，全断面法适用于岩层整体性较好的巨厚层Ⅰ～Ⅱ级围岩（占隧道总比例较低），台阶法适用于薄层～中厚层Ⅲ～Ⅳ级围岩（占隧道比例较高），薄层～中厚层水平围岩施工具有较高的代表性。
以双线铁路隧道为例，隧道设计开挖高度13.04m，开挖宽度11.43m，开挖面积120m2，上下台阶及仰拱平行进行钻眼爆破，下台阶分左右两幅错开施做。
上下台阶及仰拱三个工作面可形成平行作业模式，整体向前推进。
出碴则按照先上台阶，再下台阶，最后仰拱的顺序依次从掌子面向后方进行，始终保持掌子面优先的原则。
各工作面出完渣后，及时进行初期支护，使其紧随开挖掌子面，各工序之间紧密衔接，使得隧道施工可达到安全、快速整体向前推进的良好局面。
1.2工艺原理
将隧道设计断面分成两部开挖（不包括仰拱），其中上台阶超前一定距离后，上下台阶同时并进，仰拱、二次衬砌紧跟下台阶。
2工艺工法特点
水平岩层围岩采取台阶法施工，采用多功能平台进行开挖、支护作业，设备配置简单，上下台阶同时钻孔和起爆，达到隧道同时开挖掘进的目的，同时可保证开挖后及时完成初期支护，在快速施工的同时能够有效保证施工安全。
在同等的地质条件下，效率比全断面开挖略低，将设计断面分两部份开挖后，可减少掌子面一次起爆装药量从而将爆破作用对隧道拱部围岩的破坏作用大大降低，同时有利于及时施做初期支护封闭围岩。
3适用范围
本工艺工法适用Ⅲ、Ⅳ级围岩地段修建的铁路、公路隧道施工（Ⅴ级围岩在采取超前支护、临时仰拱等有效支撑手段且监控量测数据未发生的异常的情况下，可慎重使用台阶法施工）。
4主要引用标准
4.1《客运专线铁路隧道工程施工技术指南》（TZ214）、《客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准》（铁建设[2005]160号）、《铁路隧道施工规范》（TB10204）、《新建铁路铁路工程测量规范》（TB10101）、《客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定》（铁建设[2007]189号）。
4.2设计图纸、合同文件。
5施工方法
隧道在Ⅲ、Ⅳ级围岩地段采用台阶法施工，开挖采用光面爆破技术，多功能平台配合人工YT-28风动凿岩机钻眼，初期支护采用格栅钢架+锚杆+钢筋网+喷射砼联合支护体系。
隧道开挖分为上台阶、下台阶、仰拱三个部分分部开挖：
上台阶长度35～50m，每循环进尺2.4～3m（Ⅲ级围岩循环进尺3m，Ⅳ级围岩循环进尺2.4m，与格栅钢架间距相对应）；下台阶长度25m，每循环进尺不超过3榀钢架间距，下台阶左右两侧错开间距大于3榀钢架间距；仰拱每次开挖及支护长度6m，每组仰拱填充砼浇筑长度12m。
仰拱距掌子面距离不大于70m，衬砌距掌子面距离不大于90m。
6工艺流程及操作要点
6.1施工工艺流程
施工工艺流程见图1，工艺流程图见图2
图1水平岩层施工工艺流程图
图2水平岩层施工工序布置图
6.2操作要点
6.2.1施工准备
1风、水管、电线敷设、施工便道、施工场地布置，机械设备、人员配置、材料准备、修建防排水设施、修建环保、水保设施。
2根据设计资料详细分析了解工程地质、当地水文地质情况，制定合理的施工方案和施工措施，制定施工监控量测方案及沉降观测计划。
6.2.2施工步骤
Ⅲ、Ⅳ级围岩隧道采用台阶法施工工艺，上下台阶采用人工钻眼，光面爆破技术，装载机配合大型自卸车装渣运输，施做初期支护具体施工步骤如下：
1上台阶开挖，开挖作业高度6.5m，装载机装渣，人工配合多功能平台钻眼，开挖进尺根据地质预报和掌子面的实际地质情况进行现场钻爆设计动态调整，充分考虑拱部围岩的完整性、层理分布、节理发育和岩性的软硬程度来灵活调整，尽可能减少对拱部围岩的扰动：
拱部为厚层～巨厚层的砂岩时，则开挖进尺控制在2.5～3.0m；拱部为薄层～中厚层的泥岩及泥质砂岩时，则开挖进尺严格控制在2.5m以内；拱部为破碎的泥质砂岩及软弱泥岩层时，则将开挖进尺严格控制在1.2m。
钻爆设计采用多眼密孔爆破技术，严格遵循“短进尺、弱爆破”原则：
周边眼眼间距严格控制在40cm以内，且周边眼宜采用ф25的小药卷间隔装药，水平砂泥岩层爆破抵抗线长度控制60～80cm左右，炸药的单耗严格控制在0.6Kg/m3内。
开挖后及时初喷混凝土，铺设钢筋网，安装格栅钢架，并打设φ42锁脚锚管进行固定（长度3.5m），打设L系统锚杆，喷砼封闭；钢架底部不密实或悬空时，在钢架底部安装砼垫块。
2下台阶采用两侧错开开挖施工，错开距离3榀钢架间距以上，开挖每循环进尺3m。
初期支护
⑴厚层状水平围岩初期支护参数
其支护参数：
拱墙喷射C25混凝土12cm厚；拱墙均设置φ8钢筋网片，钢筋网格间距25cm×25cm；拱部设置Φ25反循环中空注浆锚杆，边墙Φ22普通砂浆锚杆，L-2.5m，间距1.2×1.2m（环×纵），梅花型布置；二次衬砌厚度为35cm厚C25混凝土。
详见支护结构。
图3万家岭隧道厚层砂岩段支护结构图
图4砂岩开挖后光爆效果
厚层砂岩开挖完后，立刻安排喷射混凝土，后打设安装拱墙锚杆，采取先喷后锚工艺完成初期支护。
在采取上述支护参数后，厚层砂岩基本能够自稳，对于局部因开挖爆破造成厚层砂岩节理裂隙增大，出现初期支护裂缝现象。
采取打设L-3.0m的Φ22砂浆锚杆予以加固，同时采用Φ22的螺纹钢按照50cm的间距纵横向布置，形成钢筋网片，并将其与加长锚杆端部焊接牢固，形成加强支护网。
解决了厚层砂岩初期支护出现裂缝的问题。
⑵薄层状水平围岩初期支护工艺
图5拱部薄层围岩分布图
对于拱部为薄层水平岩层围岩采取的初期支护参数为：
在上台阶拱部180°范围设置格栅钢架，间距1榀/1.2m，每榀钢架设为3节，拱部喷射混凝土厚度为23cm，边墙喷射混凝土厚度12cm；拱墙均设置φ8钢筋网片，网片规格25cm×25cm；拱部设置Φ25反循环中空注浆锚杆，边墙Φ22普通砂浆锚杆，L-2.5m，间距1.2×1.2m（环×纵），梅花型布置；二次衬砌厚度为35cm厚C25混凝土。
根据岩层分布和变形特征，针对性的在上台阶部位设置格栅钢架支护措施，其工艺要点则要确保上台阶的格栅钢架与围岩连接牢固，形成一个整体。
为防止其在下台阶开挖过程时，出现下沉等现象，在拱架安装时，专门设置了锁脚锚管，确保其将拱架与上台阶围岩连接牢固。
格栅钢架分为3节，在每个节点板和脚板处各设置2根L-4.0m的锁脚锚管，每榀格栅钢架共设置8根锁脚锚管，使钢架与围岩联为一个整体，形成一个支护体系。
锁脚锚管设置在节点板和脚板30cm高度处左右两侧，锚管打设方向为斜向下角度，与水平面的夹角控制在30°左右，锚管端头采用φ22U筋与格栅钢架焊接牢固。
⑶软弱层理围岩的初期支护工艺
采用I16型钢钢架代替格栅钢架，架设间距为1榀/1.2m，喷射C25混凝土上台阶拱墙部20cm厚，下台阶边墙9cm厚；拱墙均设置φ8钢筋网片，网片规格25cm×25cm；拱部180°范围设置L-2.5m的锚杆，间距1.2×1.2m（环×纵），梅花型布置，边墙不设置锚杆；二次衬砌为35cm厚C25混凝土。
图6软弱层理水平围岩型钢钢架安装
⑷水平岩层互层地段初期支护工艺
图7水平状互层围岩横断面揭示图
由于围岩呈现为砂泥岩互层状，且地下水较发育，岩层结合力差，容易出现大面积的掉块现象。
支护参数如下：
拱墙均设置格栅钢架，架设间距1榀/1.2m；喷射C25混凝土拱墙23cm厚，仰拱10cm；拱墙均设置φ8钢筋网片，网片规格20cm×20cm；拱部采用Φ25中空注浆锚杆，边墙采用Φ22砂浆锚杆，L-3.0m，间距1.2×1.0m（环×纵），梅花型布置；二次衬砌厚度为40cm厚C25混凝土。
为了控制爆破后拱部周边围岩自然掉块、坍塌，配合格栅钢架架设的间距，在拱部破碎层范围处打设超前小导管，超前小导管采用Φ42钢管，壁厚3.5mm，导管长度保持在3.5m以上，外露0.5m，导管环向间距40cm。
导管打设的外插角保持在6°～10°范围内。
为了增强超前小导管的抗弯强度可在导管内填充M20水泥砂浆。
下台阶初期支护拱架连接，采取左右错开分幅施工，单边一次开挖距离不得大于3榀拱架的间距。
开挖后，及时架设边墙拱架，与上台阶边墙拱架采用螺栓连接牢固，打设锚杆、安装钢筋网，喷射混凝土完成其初期支护。
4开挖仰拱，每循环开挖长度6m，施做初期支护，浇筑仰拱砼，每组仰拱砼
浇筑长度12m。
仰拱施工期间采用自制栈桥保持车辆通行。
5整体液压模板台车就位（台车长度12m），灌注拱墙衬砌砼。
6.2.3监控量测
表1监控量测项目表
围岩级别
断面间距（m）
每断面测点数量
水平收敛量测
拱顶下沉量测
Ⅳ
20～30
1条基线
1点
Ⅲ
30～50
1条基线
1点
7劳动力组织
见表2单工作面（双线隧道）劳动力组织表。
表2单工作面（双线隧道）劳动组织表
序号
工作项目
作业内容
人数
1
开挖
开挖工
35
风镐手
2
装载机司机
3
挖掘机司机
3
自卸车司机
14
2
初期支护
格栅加工
6
钢筋网片加工
2
钢架安装
10
喷射混凝土
20
混凝土搅拌运输罐车司机
8
3
砼生产
混凝土搅拌机司机
3
装载机司机
2
机械修理工
2
4
衬砌
砼工
24
5
测量及其他
技术员
2
测工
6
6
其他
队长
1
技术负责人
1
质检工程师
1
专职安全员
2
试验员
2
电工
3
修理工
2
空压机司机
3
调度
3
辅助人员
5
8主要机具设备
采用台阶法施工可在围岩较差的情况下充分发挥上下台阶平行作业的特点，施工进度快，工期有保证。
根据机械工作能力和实际工作量，单个工作面主要机械设备配备如表3。
表3单工作面主要机械设备配备如表
序号
工序名称
机械名称
机械类型
单位
数量
备注
1
开挖
电动空压机
20m3
台
5
20m3
2
风动凿岩机
YT-28
台
25
3
装碴运输
挖掘机
CAT320C
台
2
4
装载机
WA380
台
2
5
自卸汽车
15T
台
4
6
喷射混凝土
湿喷机
TK961
台
6
2台备用
7
混凝土
拌合机
JS1000A
台
1
8
砼运输罐车
6m3
台
4
9
输送泵
HBT60C-1816
台
2
60m3/h
10
模板台车
台
1
11
供电
变压器
S9-630/35KVA
台
3
12
S9-630/10KVA
台
5
13
通风设施
轴流通风机
NAF12.5-220
台
1
14
测量及量测
全站仪
1″
台
1
水准仪
苏光
台
1
9质量控制
9.1易出现的质量问题
9.1.1光爆效果不理想，周边轮廓不圆顺，形成大的超欠挖。
9.1.2开挖进尺过大，周边超挖值大。
9.1.3上台阶长度过长，不能及时施做仰拱和二次衬砌，初期支护松弛变形。
9.1.4喷射砼厚度不足、钢架未与隧道走向垂直，初期发生变形。
9.2保证措施
9.2.1周边眼采用Φ25小药卷竹片连接间隔装药，控制周边眼线性装药量不超过0.2kg/m。
9.2.2安排开挖技师进行周边眼钻眼，并在已完成的炮眼中插入直木棍，作为其它周边眼的参照，控制钻眼方向与隧道轴线一致。
9.2.3严格控制开挖进尺，对隧道钻爆设计实行动态化管理，及时调整炮眼深度、装药量、炮眼间距等钻爆参数，达到光面爆破的目的。
9.2.4及时开挖下台阶，上台阶长度超过50m时，暂停上台阶开挖，直至下台阶及时跟进。
做好监控量测工作，及时进行数据分析，发现监控量测数据异常或已完成初期支护地段喷射砼表面开裂时，及时停止开挖，打设补强锚杆并复喷砼封闭，加快仰拱与二次衬砌施工。
9.2.5控制钢架安装质量，钢架间距误差要求在±10cm内，锚杆间距误差在±15cm内，锚杆锚入围岩长度不小于设计长度的95%，钢筋网片搭接长度误差在±5cm内，将钢架安装垂直度控制在±2°以内；沿隧道环向预埋短钢筋，控制喷射砼厚度不小于设计值。
10安全措施
10.1主要安全风险分析
水平岩层隧道开挖要注重围岩塌方、掉块等安全风险的评估，提出相应的风险处理措施，编制施工应急预案。
10.2保证措施
10.2.1进洞人员必须戴安全帽，特殊工种应持证上岗。
10.2.2坚持安全交底制度和安全学习制度，提高全员安全意识。
10.2.3施工中应严格控制施工步距，保持掌子面到仰拱距离不超过70m，衬砌距离掌子面不超过90m。
10.2.4坚持进行监控量测，及时对量测数据进行整理、分析，实行监控量测日报制度，每天将监控量测报表发送至现场施工主要管理人员，便于现场及时采取相应加强措施。
10.2.5施工中发现不安全因素时，应暂停开挖，加强支护措施。
10.2.6加强洞内电力、通风、排水管线路的管理，防止漏电、漏风伤人。
10.2.7编制隧道防坍塌应急预案，并组织管理人员与作业班组进行应急演练。
11环保措施
11.1开始施工前，必须进行环境因素识别，确定重要环境因素，制定相应的管理方案；
11.2临时工程及场地布置应采取措施保护自然环境；
11.3隧道弃碴场坡面按设计进行复垦或绿化，碴顶整平满足设计要求，坡脚进行防护，防止水土流失；
11.4施工场地布置时，在水源保护地区内不得取土、弃土、破坏植被等，不得设置搅拌站、洗车台、充电房等，并不得堆放任何含有害物质的材料或废弃物；
11.5施工废水、生活污水和生活垃圾不得随意排弃，并在生活区、生产区及洞门口设置污水处理池，生活污水或生产及洞内废水经过污水处理池处理后排放到指定地点。
12应用实例
12.1工程简介
由中铁一局集团第五工程有限公司独自承建的太中银铁路万家岭隧道全长11448m，设计为双线隧道,其中11080m为Ⅲ～Ⅳ级围岩，围岩主要为水平成层状砂岩夹泥岩，节理发育～较发育。
隧道设计开挖高度13.04m，开挖宽度11.43m，开挖面积120m2。
采用台阶法施工,Ⅲ级围岩地段支护参数：
拱部（上台阶）设格栅钢架间距2m/榀，喷射C25混凝土上台阶拱墙部20cm厚，下台阶边墙9cm厚；拱墙均设置φ8钢筋网片，网片规格25cm×25cm，设置L=2.5m的锚杆，间距1.2×1.2m（环×纵），梅花型布置，二次衬砌为35cm厚；Ⅳ级围岩支护参数：
拱墙均设置格栅钢架，间距1榀/1.2m，喷射C25混凝土拱墙23cm厚，拱墙设置φ8钢筋网片，网片规格20cm×20cm，锚杆长度L=3.0m，间距1.2×1.0m（环×纵），梅花型布置，二次衬砌厚度为40cm厚C25混凝土。
图8Ⅲ级围岩衬砌断面图
12.2施工情况
万家岭隧道共有设计9690m为Ⅲ级围岩，2310m为Ⅳ级围岩，采用长台阶法施工。
2020年4月至2020年12月，连续8个月平均单口月开挖进度为132m，单口最高月进度为164.2m施工记录。
各工作面每月具体开挖进度统计情况见下表：
表4万家岭隧道各工区开挖进度对比表
2020年4月～2020年11月单位：
m
工区
月份
2号工区中卫方向
3号工区太原方向
备注
2020年4月
142.4
127.6
2020年5月
129
140.3
2020年6月
144.8
122.3
2020年7月
147
119.6
2020年8月
138.1
127.3
2020年9月
145
113.2
2020年10月
164.2
114.5
2020年11月
119.4
114.6
平均进度
141.24
122.4
采用台阶法施工，上下台阶独立作业，施工干扰小，每循环上部开挖2.4m，下部3.0m。
每循环开挖3.5小时，出碴2.5小时，安装格栅钢架、锚杆、钢筋网4小时，喷射砼4小时，每天可完成1.7个循环。
下部开挖时应注意左右两侧错开三榀钢架间距。
12.3工程结果评价
12.3.1万家岭隧道全长11448m，开创多个工作面，实现“长隧短打、缩短工期、减少投资”的建设目标；创造了双线大跨度水平砂泥岩互层隧道施工记录。
连续8个月单口月开挖进度达到了132m，单口最高开挖进度达到了164.2m/月的施工记录。
12.3.2采取了多种形式的支护结构类型，科学经济，确保了隧道施工安全，提高了隧道运营安全度。
12.4建设效果及施工图片
图9中厚层砂泥岩光面爆破效果图10上台阶多功能台架就位
图11台阶法施工上下台阶及栈桥布置
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