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1、河底隧道施工工艺工法QB/ZTYJGYGF-SD-0502-2011第五工程有限公司 李海平1 前言1.1 概况水下隧道的发展可以追溯到公元前2180前2160年的古巴比伦，那时候古巴比伦就已经修建了一条穿越幼发拉底河的人行隧道。近代水底隧道始建于英国，1807年英国在伦敦动工修建连接泰晤士河两岸的人行隧道。我国是世界上隧道修建数量最多的国家，隧道修建总长度也是世界之最。进入二十一世纪以来，在中国水下隧道的建设领域呈现出了迅猛发展的态势。随着黄河、长江流域及沿海地区地下空间的开发，海底隧道的相继修建，如南水北调穿黄工程、武汉长江隧道、浏阳河隧道、厦门海底隧道等，这些重大工程的先后开工，表明我国
2、隧道施工开始进入穿越大江大河和海洋的时代。在工程领域，地下工程安全风险高于其他工程是一个公认的事实，而在地下工程中，水下隧道施工的安全风险又被认为是极高的。一旦出现大面积涌水或冒顶，其后果将是灾难性的。水下隧道的修建方法呈现多样性发展，以国内目前正在施工的隧道为例，广深港狮子洋隧道采用盾构法施工，一般地铁过江隧道采用盾构法施工，厦门翔安海底隧道、青岛胶州湾海底隧道均采用钻爆法施工，广州生物岛的两个市政隧道采用沉管法施工，一些城市在穿越一些小型河流或湖泊时则采用围堰明挖法施工。本工法主要根据武广铁路客运专线浏阳河隧道的施工经验编写，介绍“掌子面预加固+铣钻法+全包型防水”等方法综合应用的一种工法
3、。1.2 工艺原理隧道施工关键技术是防突泥突水，选择合理的开挖和支护形式。面对高风险隧道，未来隧道及地下工程施工技术发展的一个方向是：不断完善隧道综合支护技术，深入研究掌子面超前预加固，并利用水平旋喷技术对拱部进行预加固；施工开挖采用铣挖、盾构等机械法施工。 本工法适应的工艺核心技术及管理方面的工作原理如下：1.2.1管棚加打小导管预支护防坍塌。1.2.2玻璃纤维锚杆加固掌子面，防止掌子面失稳。1.2.3以铣挖为主，弱爆破辅助施工，减少对围岩扰动，尽量保护围岩完整性。1.2.4根据不同的围岩选择铣挖与弱爆破法组合，确定合理进尺。1.2.5根据监控量测数据，确定合理的工序间距。1.2.6合理选配
4、精良的机械设备配套，专业的操作人员。2 工艺工法特点2.1主要适用于岩石强度较低且节理裂隙发育的地层，特别适用于大断面软弱围岩隧道及隧道变形控制要求严等特殊要求的地段。2.2掌子面超前预加固，可以实现大断面机械化施工。2.3可提高开挖进尺，加快施工进度，同时，将对围岩的扰动降至最低，提高了隧道的开挖质量； 2.4在开挖方法上选用铣挖设备配套机械开挖与弱爆破法相结合，与其它非爆破法开挖机械相比，如盾构、掘进机，成本较低，经济性较好。2.5采用全新的自粘式防水材料对隧道进行全封闭防水处理。2.6先进性体现在能做到安全可控，开辟了新的施工方法。3 适用范围本工法适用的工程对象为大断面、浅埋、软弱围岩
5、的过水底隧道及地表有敏感建筑物的地下隧道施工。4 主要引用标准4.1高速铁路隧道工程施工技术指南（铁建设【2010】241号）、铁路隧道工程施工技术指南（TZ204）、铁路隧道工程施工质量验收标准（TB10417）、铁路工程测量规范（TB10101）、公路隧道施工技术规范（JTG F60）、公路工程质量检验评定标准（JTG F80/1）。4.2其他河底隧道施工方面的参考资料。5 施工方法河底隧道施工，应积极引进和推广新技术、新材料、新装备、新工艺，按无轨装碴运输的模式组织施工，严格遵循“先预报、管超前、预加固、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的施工原则，组织大型机械配套施工，以防坍塌、防涌水突
6、泥为防范重点。施工中，可采用全封闭预加固、铣挖法、全封闭防排水等多种先进技术相组合的技术体系，实现围岩软弱、穿越河底、地表敏感建筑物等地段的安全快速施工。施工中，首先应根据围岩情况优选施工方法，并合理确定的隧道开挖步长。大断面的河底隧道开挖断面，推荐采用三台阶或三台阶临时仰拱法，当围岩地质条件差、掌子面出现较大渗水时，可及时调整台阶高度和长度。下面就“三台阶七步法”，进行隧道穿越河底段相关施工介绍。图1 河底段“三台阶七步法”施工步序图施工顺序：5.1 第一步：超前地质预报。采用长、中、短距离的综合超前地质预报的方法，对隧道前方进行详细的地质探测。5.2 第二步：施作超前支护及掌子面预加固。
7、5.2.1 施作108mm超前长管棚:管棚钢管长度18m，12m/环，两环之间搭接长度6m。环向间距40cm，环向共45根。5.2.2 施作42mm超前小导管:超前小导管配合钢架使用，其纵向搭接长度1.0m，环向间距40cm，环向共45根。5.2.3 施作25mm玻璃纤维注浆锚杆:18m长25中空玻璃纤维注浆锚杆 , 1.5m1.5m梅花型布置，纵向间距12m一环，搭接6m。5.3第三步：采用三台阶七步法进行开挖 。5.3.1 部上台阶开挖:每循环进尺0.81m。可采用悬臂掘进机环形预切槽与弱爆破法相结合的方式进行开挖，或采用弱爆破法进行开挖，挖掘机出碴。5.3.2 中台阶中部部拉槽开挖，待上
8、台阶支护完成35m时进行。5.3.3 中台阶左侧部开挖，待部开挖完成6m时进行。5.3.4 中台阶右侧部开挖，待部左侧部分的支护完成6m时进行。5.3.5 下台阶、部开挖，下台阶支护成型后进行，步序同中台阶施工。5.3.6 仰拱施工必须紧跟，与下台阶开挖距离保持在10m左右。5.4第四步：按照“先仰拱、后拱墙”的顺序组织衬砌施工，仰拱采用简易栈桥进行整体浇注，拱墙砼利用10.2m长的液压模板台车施工。砼由拌合站集中拌制，输送车运输，泵送入模。因考虑到河底段隧道施工安全可控，做以下强制性规定：（1）上台阶掌子面与仰拱工作面距离，控制在30m以内；（2）仰拱及填充施工紧跟仰拱开挖，组织安排5m/1
9、组；（3）下穿河底段、下穿地表敏感建筑物群时，应在地表做好线路走向标识，并埋设多点位移计、土压力盒，实时监测地表沉降情况。6 工艺流程及操作要点6.1 施工工艺流程综合超前地质预报上台阶超前支护及掌子面预加固 上台阶开挖、支护（含钢架）中台阶超前支护及掌子面预加固中台阶开挖、支护下台阶开挖、支护分段开挖仰拱、施作初期支护施作仰拱及仰拱填充资料分析，修正施工支护参数判定围岩稳定性，修正支护参数监控量测图2 河底段施工工艺流程图6.2 操作要点6.2.1施工中的通风与排水1 施工通风，可采用长管路压入式通风，充分利用通风竖井、施工竖井、斜井等辅助通道，做好通风排烟工作。2 施工排水根据各工作面设计
10、的线路反、顺坡情况分别采取机械管道式分段接力排水或自然排水的方式，并在辅助坑道（竖井、斜井等）、隧道标高最低点设置临时集水泵房。 6.2.2综合超前地质预报1 提前探知前方地质情况是否与设计相符，可采取长、中、短距离多种地质预报方法相结合、相互验证的方法进行。长距离（TSP203150m）中距离（地质钻孔50m）短距离（地质素描法、红外线超前探水法、地质雷达530m ）。2 隧道预测预报程序。在地质素描的基础上，首先应用探测距离较远的TSP预测预报系统、50m深孔地质钻探进行前方围岩、地下水变化情况的长距离测试；第二，应用红外线探测仪对前方30m范围内进行短距离的地下水定性探测；第三，在不良地
11、质带，每循环钻孔时均实施5m的超前浅孔探测，通过增加孔数，放大外插角，以弥补深孔探测的盲区，提高超前预测预报的准确度。当经采取以上预测预报措施确定出前方存在断层构造带时，对不良地质区域，通过增加地质雷达探测探测，从而探测出断层、风化槽、节理裂隙的发育规模、几何型态和介质填充构造特点。3 深钻孔中距离超前地质预报。探孔数量不少于4个，探孔分别位于拱顶、两拱腰。超前深探孔一般要求：水平探孔直径不小于110mm，钻深应达到50m左右；孔位倾斜率绝对误差不应大于2.8，或孔深的5%。 4 综合超前地质预测预报必须作为一道工序，贯彻于隧道施工掘进全过程。6.2.3 掌子面预加固 1 施工准备 （1）每循
12、环超前预加固之前需对掌子面进行初喷810cm。初喷仅是在掌子面超前预加固时施作，每一开挖循环后不需初喷。（2）布置降排水系统：对拱部及掌子面渗水较大的地段，除通过超前预加固注浆堵水外，还需做好侧沟疏排水系统。2 超前支护：对于浅埋隧道，隧道极易发生拱顶坍塌。河底段及浅埋敏感建筑群区采用管棚超前支护，管棚参数为：18m长10840cm，外插角度为9，搭接长度为6m，具体参数也可根据围岩条件进行调整。 3 掌子面预加固（1）掌子面超前预加固应与拱部超前支护形成一个整体，形成系统支护，以确保拱部及掌子面安全。掌子面玻璃纤维锚杆，断面布置形式可参考图3。图3 掌子面临时锚杆正面布置图 （2）玻璃纤维锚
13、杆技术性能玻璃纤维增强塑料锚杆是近年发展起来的最新一代锚杆，俗称玻璃钢锚杆、玻璃纤维锚杆等。玻纤锚杆类型有两种：一种是玻璃纤维中空注浆锚杆，注浆时采用套管柱塞方式，注浆管内可套入止浆塞进行定向定域注浆；另一种为砂浆锚固型玻璃纤维锚杆（非中空、实心），注浆方式采用长压注浆管孔底后退式注浆。非中空玻纤锚杆，具有施工速度快、易于操作等特点。针对河底隧道掌子面超前预加固，建议采用非中空玻纤锚杆注浆方式。（3）钻孔、清孔钻机，可选择C6钻机或改进型的潜孔钻机。钻机顺序由高孔位向低孔位进行，并间隔错开。用测斜仪适时检查孔的倾角是否正确，以便及时进行纠正。在钻孔过程中，若出现卡钻、坍孔或钻孔涌水量过大现象，
14、应及时退钻，然后采用往孔内压注浆液的方法，待浆液凝固后，再行开钻。深度达到要求后，应边退钻边清孔。钻孔也可为超前地质预报提供一定的依据，因此每一个孔在开钻时，都必须有详细记录，包括开钻时间、结束时间及遇到的问题等。（4）安装锚杆（顶管）在钻孔成型后，为防止坍孔，锚杆安装工作宜及早进行；为保证安装顺利，钻孔应稍大，并可分2段安装或顶进。孔口段安设108mm的孔口管作为孔口注浆套管，伸出2030cm，采用110的钻头钻孔，孔口段长11.5m。锚杆安装到位后，锚杆与套管间隙用速凝水泥或其它堵塞严密，以防注浆冒出。（5）注浆及封口注浆顺序：先注外圈，后注内圈，同一圈由下而上间隔施作，先施工奇数编号注浆
15、，然后施工偶数编号注浆孔同时作为检查孔。采取反复注入稀浆与浓浆交替、压力控制与注入量控制相结合的措施，注浆压力从低到高逐渐增加。初始注浆压力采用1.2倍静水压力，注浆时间根据注浆量的注入速率进行调整。每循环注浆完毕开挖施工后，预留2m左右作为下阶段注浆止浆段。孔口封堵方式有：采用C35防水混凝土封堵或采用注浆塞封堵。 注浆结束标准A、单孔注浆结束标准：单管达到设计注浆量或注浆压力逐步升高至设计终压(0.8MPa)，并继续注浆10min以上；注浆结束时的进浆量小于20L/min。B、全段结束标准：所有注浆孔均已符合单孔结束条件，无漏注现象；注浆后涌水量小于2m3/m.d；浆液有效注入范围大于设计值。 注浆效果评定A、对注浆过程中的各种记录资料综合分析，注浆压力和注浆量变化是否合理，是否达到设计要求；B、每循环注浆完成后，钻设钻孔检查注浆效果，每循环设23孔，检查孔钻取岩芯，观察浆液充填情况，并测量检查孔内涌水量，检查孔平均出水量0.11L/min，任一孔出水量2.5L/min；否则应调整施工设计参数，并进行补注浆。6 开挖、切割锚杆在采用挖掘机清理掌子面或采用铣挖法开挖时，易将
