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1、浅埋段盖挖法施工技术1 前言现阶段,我国隧道工程的浅埋段开挖方式主要分为明挖、盖挖和暗挖三大类。但具体采用何种开挖方式需从施工技术可行性、质量安全、工程造价及环境保护等角度分析比较。一般而言, 明挖适用于覆盖层较薄的情况，开挖基坑在施工过程中的稳定性以及基坑的排水是明挖考虑的主要问题。当区域地质构造复杂，构造裂隙发育, 地下水丰富时, 深基坑开挖很容易引起山体滑坡。盖挖法主要适用于松散的地质条件及隧道处于地下水位线以上的情况。暗挖是目前隧道施工的一种主要方法，覆盖层较厚时主要采用此法。本工法主要根据云桂铁路石林隧道的施工经验编写，介绍盖挖法。石林隧道DK652+110DK652+205段为浅埋
2、段，采用盖挖法施工，不仅在工程质量、施工安全上得到了保障，而且通过该浅埋段的施工进度比计划进度快。1.1工艺概况浅埋盖挖法是地铁施工中比较常用的施工方法，近年来在铁路和公路隧道施工中也被灵活运用，为隧道施工安全、施工进度提供了有效的技术手段。1.2工艺原理盖挖法是明挖地表一定深度以后，先施工暗洞顶部防护结构，暗洞在顶部防护结构作为安全防护结构下施工。浅埋段采用拱部明挖法施工，基坑采用台阶法放坡开挖，坡面采用喷锚支护，基坑内采用明沟排水。明挖设护拱后洞身暗挖施工，洞身暗挖部分采用台阶法开挖。拱部明挖过程中尽量减少挖方，边坡采用锚喷防护。同时，建立围岩支护结构监控量测系统，随时掌握施工过程中的动态
3、变化，沉降变化稳定后及时施做二次衬砌，合理安排作业工序，调整施工工艺和优化设计参数，确保施工安全。2 工艺特点1）盖挖法相比于明挖，因其开挖面和开挖深度小，既可避免大面积明挖对生态环境的破坏，又可确保边仰坡稳定。2）盖挖法相对于暗挖，降低了施工难度，保障了工程质量和施工安全。3）浅埋段隧道盖挖法施工具有操作简单，缩短工期、减少投资的优点。3 适用范围本工艺工法适用于-围岩隧道浅埋段施工，对于地铁工程浅埋段、水工工程等隧道浅埋段也有参考价值。4 主要引用标准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（TB104
4、17）、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）5 施工方法隧道浅埋段盖挖法施工，首先对地表排水进行完善或改造；其次由地面向下开挖至一定深度后，对边坡进行防护；然后施做护拱；最后在封闭的顶盖下施做其余下部工程，将顶部回填封闭，恢复植被。6 工艺流程及操作要点6.1施工工艺流程根据浅埋段地形地质条件，盖挖段施工工艺一般为：地表排水系统完善或改造边、仰坡开挖、防护护拱施工洞内施工土石回填恢复植被。施工步序图见图1；施工工艺流程见图2。图1 隧道浅埋段盖挖法施工步序图6.2操作要点6.2.1 施工准备1） 风、水管、电
5、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。6.2.2 施工步骤1) 排水系统完善或改造施工前, 结合永久性排水设施, 对原冲沟或排水系统进行完善或改造。水沟一般采用梯形排水沟, 并采用7.5号砂浆抹面, 将原自然水系通过水沟改移, 保持顺接, 保证正常排水，不冲刷坡面。监控量测桩埋设，边坡量测启动洞口地表量测启动图2 隧道浅埋段盖挖法施工工艺图 2)拱顶明挖隧道拱顶以上至地表，全部采用明挖法施工。当隧道明挖至拱顶以后，考虑到下道工
6、序施工需要，隧道范围内土(石)体暂不开挖，可利用该土(石)体作为护拱混凝土施工的内模(土模)。开挖时边挖边护，边坡坡率根据地质情况确定，土质比较差的地段采用1:1.25或1:1的坡率，地质条件较好的地段采用1:0.5或1:0.3。开挖深度根据现场实际地质情况确定，开挖及处理措施分以下三种情况：（1）隧道明挖至拱顶以后，沿隧道外轮廓线开挖，当开挖至基岩后，停止开挖，施作C20混凝土找平层。（2）隧道明挖至拱顶以后，沿隧道外轮廓线开挖，当开挖到隧道两侧最大跨仍为黏土时，停止开挖，施作加固桩和C20钢筋混凝土托梁。（3）隧道明挖至拱顶以后，沿隧道外轮廓线开挖，当开挖遇到石芽出露(及土加石)时，停止开
7、挖，施作C20钢筋混凝土托梁。3) 边坡防护基坑内边坡采用12cm厚C25锚网喷混凝土防护。锚杆采用22砂浆锚杆，长度L=4.0m，间距为11m，梅花型布置；钢筋网采用8钢筋，网格尺寸20cm20cm；边坡设置50PVC泄水孔，间距为环向2m纵向2m，梅花型布置，喷射后保证孔内无堵塞；喷射混凝土由下向上进行，分两次喷射完成。4) 护拱施工（1）长管棚施作当拱部开挖至两端明暗分界断面时，开挖后先施作暗洞段导向墙及管棚。管棚采用108大管棚，每环39根，每根长35米；管棚施作采用Z-GP150型多功能钻机钻孔，安装。（2）护拱基础当开挖至基岩后，停止开挖，开始施作C20混凝土找平层，找平层厚20c
8、m，宽80cm。找平层施作时要考虑预留钢拱架的连接板。找平层混凝土浇筑前，先加工预埋钢板，预埋钢板尺寸为40cm40cm，钢板厚16mm，找平层混凝土顶、底面预埋钢板之间采用22U型钢筋与预埋钢板焊接。后续护拱、边墙钢拱架施工时，钢拱架连接板与找平层顶、底面预埋钢板焊接牢固。当隧道开挖至隧道外轮廓最大跨仍为黏土或遇到石芽出露(土加石)时，停止开挖，施作C20钢筋混凝土托梁(黏土时先施作加固桩)。托梁厚60cm，宽200cm。（3）护拱混凝土施工预留核心土当隧道明挖至拱顶以后，考虑到后续护拱混凝土施工需要，隧道范围内土(石)体暂不开挖进行预留，作为护拱混凝土内模的支撑体。钢拱架安装待混凝土找平层
9、、托梁施作完成后，根据隧道设计断面尺寸，安装拱部(墙部)I20b型钢钢架，钢架间距0.6m/榀。22纵向连接筋，环向间距1.0m。钢拱架安装时钢拱架拱脚与找平层、托梁顶面预埋连接板焊接牢固，并设置42锁脚锚管，锁脚锚管沿找平层、托梁混凝土面成45方向打设，打入混凝土面以下3.0m，端部1.0m埋入护拱混凝土内，锁脚锚管每根长4.0m，每榀每侧2根。暗洞安装I20b型钢钢架时，凿出护壁中预埋的彩条布以及托梁中的预埋钢板，接头采用螺栓连接。护拱外模安装护拱外模采用5cm厚木板加固而成。拱部(墙部)钢架环向每间隔1.0m焊接一根22L型钢筋，作为外模内支撑，钢筋尺寸根据现场护拱厚度从1.0m渐变到2
10、.0m。木模外侧纵向每间隔2.0m环向设置一根22钢筋，钢筋底部与混凝土找平层、托梁混凝土打眼锚固，同时通过木模打孔，利用连接筋将环向钢筋与钢架焊接，确保外模加固可靠，防止混凝土浇筑过程中因混凝土捣固而跑模。护拱混凝土浇筑待护拱内、外模检查加固稳固可靠时，拱部(墙部)挂设8钢筋网，浇筑C20护拱混凝土，护拱混凝土拱部厚100cm，底部厚200cm。混凝土采用拌合站集中拌合，混凝土搅拌运输车运至施工现场，泵送入模。5) 暗挖施工。施工时严格按照“预加固、短进尺、弱爆破、强支护、紧衬砌、早成环” 的原则组织施工。在充分考虑现场施工操作、交叉作业及施工人员能力的发挥和机械资源的合理利用的情况下，洞内
11、洞身开挖采用两台阶预留核心土法施工(预留核心土可对前方掌子面岩体起到挡护作用，同时为上台阶支护作业提供作业平台，节省架立支护台架的时间，提高施工速度)。在施工中，下台阶长度35m，左右侧开挖错开1.2m(两榀拱架间距)。开挖方式采用人工配合挖掘机开挖为主，弱爆破为辅进行开挖；挖掘机配合装载机装碴，自卸汽车出碴。初期支护采用风钻打眼，人工配合开挖平台安装钢拱架、锚杆及挂设钢筋网，湿喷机喷射混凝土进行施工。下台阶开挖支护利用挖掘机和装载机进行作业。开挖时尽量减少对围岩的扰动。严格遵循“短进尺、强支护”的原则，控制每循环进尺在0.6m以内。开挖后立即喷射4 cm混凝土封闭，然后架立钢架(纵向连接筋与
12、钢架焊接牢固)、挂钢筋网，最后分层分片喷射混凝土至设计厚度。拱架左右侧拱脚分别打设长4.5m的42锁脚锚管，锚管与钢架焊接牢固并注浆加固。每部开挖后均应及时支护，隧底初期支护后应及时施做仰拱，尽早封闭成环。 6) 回填土石护拱混凝土达到设计强度后,护拱外2m范围采用M10浆砌片石回填，其余部位采用原挖土对称、分层回填。每层回填厚度不超过50cm，防止隧道初支拱架因猛烈受力而发生变形。顶面设厚为50 cm 的粘土隔水层。待暗洞顺利通过后，地表地面以下1.5m范围全部采用原开挖保存的耕植土回填，恢复植被。6.2.3 监控量测由于浅埋隧道具有开挖后应力释放速度快，变形较大的特点，监控量测的内容主要分
13、为以下三个方面，量测项目见表1表3。表1 按位移速度量测频率位移速度（mm/d）量测频率52次/d151次/d0.511次/23d0.20.51次/3d0.21次/7d表2 按距开挖面距离量测频率量测断面距开挖面距离（m）量测频率（01）b2次/d（12）b1次/d（25）b1次/23d5b1次/7d注：1.b为隧道开挖宽度； 2.当监测项目的累计变化值接近或超过报警值时，应加大监测频率。表3 监控量测项目表序号量测项目量测方法和仪器测点布置测量频率测量精度1洞内外观 测现场观测，地质素描及初期支护状态观测每榀拱架施工前洞顶现场勘测，施工中开挖后进行2水平收敛量 测收敛仪、反射膜片配合全站仪每
14、1030米一个断面，上下2条基线4个点5mm（01B）2次/d；15（12B）1次/d；0.51 （12B）1次/23d；0.20.5 （25B）1次/3d；0.2 （5B）1次/7d。0.1mm3拱顶下沉水准测量的方法，水准仪、钢尺等每1030米一个断面，1个点1mm4锚杆拉拔试 验拉拔仪每代表性地段12个断面1%，且不小于3根。0.01KN5地表下沉水准测量的方法，水准仪、铟钢尺等洞口段、浅埋段（h02B）开挖面距离量测断面前后2B时，12次/d；开挖面距离量测断面前后5B时，1次/23d；开挖面距离量测断面前后5B时，1次/37d； 0.5mm注：B隧道开挖宽度，变形速速, h0隧道埋深
15、1）洞内和洞外观察：每次开挖后应对掌子面进行观察，主要了解围岩变化情况，及时绘制开挖工作面地质图，并且对已施工段观察喷射混凝土是否有开裂现象。洞外观察的重点在洞口段和洞身埋置深度较浅地段，且主要包括地表开裂、地表沉陷、边坡及仰坡稳定状态、地表水渗透情况等。2）周边收敛、拱顶沉降按照隧道施工规范要求，在开挖同断面设置拱顶下沉观测点各一个，观测拱顶下沉量，在拱腰及墙身同一断面共设点6个，具体埋设见图3, 观测净空收敛变化，采用全站仪和水准仪分别进行高程和位移量测。初读数应尽快完成，最迟不得超过24h。图3 洞内量测观测点布置图3）地表下沉和位移由于浅埋隧道距地表较近，地质条件复杂，岩性极差。施工时
16、，多用台阶法开挖，因此，纵向断面布置测点的超前距离为隧道距地表的深度h与上台阶高度之和。在横断面上至少布置11个测点，具体埋设见图4，测点的距离为25m，在隧道中线附近应布置密一点。图4 地表量测观测点布置图每次量测后及时对量测数据处理，分析及情况反馈，并绘制量测数据时态曲线，对初期的时态曲线进行同归分析，预测可能出现的最大值和变化速度，当数据异常时，根据具体情况及时采取加厚喷层、加密锚杆、增加钢架等加固措施。7 劳动力组织隧道施工劳动力组织包含开挖工班、支护工班、出渣工班、衬砌工班、砼生产工班、后勤保障和管服人员等。洞内作业实行24小时连续作业，人员配备见表4。表4 盖挖法作业劳动力配置序号
17、工作项目作业内容人数1开挖明挖钻孔或风镐手4挖掘机司机2暗洞钻孔或风镐手14自卸车司机42初期支护型钢加工4钢筋网片加工2钢架安装4喷射手4喷射机上料6搅拌机司机2混凝土搅拌运输罐车司机43衬砌拌和站4衬砌钢筋12防水排水安装4装载机司机2输送泵司机4台车调试、模板安装8混凝土搅拌运输罐车司机44测量技术员2测 工45其它现场管理人员3施工配合人员（电工、修理工、空压机司机）68 主要机具设备施工机具设备的合理配置，不但可以加快施工进度，同时还可以节约施工成本。根据机械工作能力和实际工作量，单个工作面主要机械配备见表5。表5 单个开挖面机械设备配备表序号作业机具设备名称规格型号单位数量备 注1
18、施工通风轴流式通风机SDF（c）-NO110台1通风2施工照明低压变压器24v,10kw台4掌子面及二衬施工平台3施工用电发电机250kW台1备用变压器500kW台1施工及生活用电4开 挖双液注浆机LTC-60/S台1超前注浆挖掘机CAT320B台2开挖自卸车20t辆4出碴空压机4L-20/8台3高压供风空压机L2-10/8台1高压供风气腿式凿岩机YT-28台12风镐G10台25初期支护工字钢弯曲机GW1-200台1型钢加工钢筋弯曲机GW台1钢筋加工钢筋切断调直机GQ台1钢筋加工等离子切割机GW台1钢板切割交流电焊机BX1-500台6钢架、网片加工及安装台式钻床24025台1钢板加工压浆机台1
19、锚杆注浆管棚钻机Z-GP150台1管棚钻孔及安装混凝土湿喷机TK-500台3喷浆6衬 砌搅拌站JS500 25m3/h台2混凝土罐车东风台2输送泵三台1插入式捣固棒47量测及测量仪器全站仪莱卡402台1方向控制水准仪莱卡N2台1标高控制塔尺5m个2标高控制精密水准仪莱卡N2台1沉降观测因瓦尺个1收敛仪JSS30A个2量测锚杆拉拔仪BL150B个1锚杆拉拔9 质量控制9.1易出现的质量问题由于采用盖挖法施工的隧道浅埋、地质条件较差，容易在施工过程中发生以下问题：1）在明挖过程中，由于边坡地质条件差，施工时间不当或防护不及时等，都易造成边坡失稳。2）明暗交界处，由于超前支护施工质量不到位，可能造成
20、暗洞施工坍塌。3）由于护拱基础承载力不足，或承载力不均匀，造成护拱沉降、开裂。4）排水或洞顶回填质量控制不到位，造成衬砌渗漏水。9.2保证措施1）明挖部分宜选择在枯水季施工，并且在开挖之前做好排水系统，防止地表水冲刷边坡。2）边坡的坡率必须严格按照设计施工，同时边坡开挖应及时防护。3）加强监控量测，及时反馈信息，以量测数据为依据，提高应变能力。4）超前支护必须严格按照设计施工到位，特别是超前支护的角度、注浆。防止因超前支护质量不到位，而影响暗洞施工。5）由于地质条件较差，护拱基础的承载力必须检测。如果承载力不足，必须加固，提高地基承载力。如果承载力不均匀，可施工托梁等，使护拱基础连成一体，避免
21、不均匀沉降，防止护拱变形、开裂。6）拱顶回填之前，必须先检查一下排水系统，特别是基坑内的排水系统，重点检查盲沟、暗沟是否因施工堵塞。不能让地下水在基坑内积存，对地下水丰富的地段，必须注浆封堵，防止因基坑内积水影响护拱基础的承载力，造成护拱变形、开裂。7）拱顶回填必须对称回填，松铺厚度不得大于50cm，用小型机具碾压到设计要求的密实度。顶部按照设计施工防水层。8）进入工地的主要材料严格按规定和设计要求把关，所有厂制材料须有出厂合格证和必要的检验、试验单。对进场料、设备按技术质量标准、样品进行严格检验，并事先确定重点检验料。9）加强技术交底制度和质量内控制度，确保每一道工序质量合格。10 安全措施
22、10.1主要安全风险分析根据石林隧道的地质条件，项目部进行了风险评估，施工期间的主要安全风险如下：1）根据施工设计图内容，浅埋段地质条件较差，发生掉块、塌方的可能性较大。2）由于地表覆盖层基本为第四系人工活动层耕植土、第四系残坡积红粘土及下伏中泥盆统曲靖组灰质白云岩组成，明挖施工期间边坡易失稳、滑坡。3）石林隧道浅埋段DK651+110+127洞身基岩为以红粘土为主的软质岩，埋深浅，存在塑性变形的可能性较大。10.2保证措施1）防止塌方措施（1）加强超前地质预报工作。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。（2）加强施工监控
23、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分别采用水泥浆、水泥水玻璃双液浆，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）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，减小对破碎围岩的扰动。（5）保证施工质量。钢架制作、支护和衬砌混凝土质量必须符合
24、设计及规范要求。（6）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。2）防止边坡失稳措施（1）明挖部分必须选择在枯水季施工；（2）在开挖之前，必须做好地表排水系统，防止地表水冲刷；（3）边坡成型一段，防护一段；（4）明挖施工过程中做好地表量测工作，有异常，及时反馈，及时采取措施。3）控制变形措施（1）施工原则：采用“注浆加固、改善构造、以柔克刚、边支边放、底部加强”的主动式控制原则施工。（2）技术措施：坚持短进尺、弱爆破、强支护、快封闭、勤量测的原则。控制施工用水并加强施工量测工作，必要时采用注浆超前加固围岩、长锚杆、喷钢纤维混凝土等措施。（3）支护体系：严格按设计支护
25、参数进行施工；根据监控量测结果反馈的信息预留变形量，及时调整支护参数和施工方案；采用逐层加喷的湿喷作业；加强掌子面正面的注浆处理以防外鼓。11 环保措施1）对施工现场生产、生活用水的排放进行控制。施工前按实施性施工组织设计建好生产区和生活区排水沟。排水沟的宽度、深度、坡度满足排放要求，避免沟内积水。2）分块设置过滤池和沉淀池，所有生活用水和生产用水均经过过滤、沉淀后方可排出。不定期对水沟、水池进行清理和冲洗，确保水沟、水池内无长期积水和垃圾。3）加强机械管理，改进施工工艺，执行建筑施工场界噪声限值（GB12523-90）标准，减少施工过程中的噪音。夜间22时早晨6时内严禁使用噪声超标机械，特殊
26、情况下需超标施工的，首先向当地环保部门办理批准手续。4）认真细致地做好地下管线调查，施工过程中加强对有关管线的保护。对无须拆迁的管线制订专项管线保护措施，加强地面变形监控，杜绝重大管线事故。5）在施工区域、生活区域落实做好危险品现场控制、防台防汛现场控制、消防应急现场控制。6）加强职工的环保意识教育，树立全员环保意识。12 应用实例12.1 工程简介石林隧道位于云南省弥勒县石林县境内，隧道全长18208m，起止里程DK651+225DK669+433，为全国目前最长的单洞双线铁路隧道，世界上最长采用钻爆法施工的岩溶隧道，该隧道由中铁一局独家承建。隧道DK652+110DK652+205段为浅埋
27、段，长度95m，最小埋深4.8m，最大埋深9.4m，隧道最大开挖宽度14.58m，覆跨比0.470.64。根据该段钻孔资料显示，隧道该段位于构造溶蚀槽谷沟口地带，隧道通过区域地基岩土由第四系人工活动层耕植土（Q4pd）、第四系残坡积（Q4el+dl）红粘土及下伏中泥盆统曲靖组（D2q）灰质白云岩组成。地基基岩石芽岩溶形态发育，以溶隙为主，岩体破碎。钻孔深度内揭露地下水不发育，为一干燥场地。12.2 施工情况石林隧道DK652+110DK652+205段为浅埋段采用盖挖法施工，基坑土质边坡开挖坡率为1:1.25或1:1，石质地段采用1:0.5或1:0.3。边坡防护采用锚喷防护。护拱基础土质地段采
28、用桩基加固，其余地段采用钢筋混凝土托梁连接，确保了基地承载力。暗洞采用台阶法开挖。施工过程中应用超前地质预报技术、监控量测、信息化施工等技术，确保了施工安全，取得了良好的社会和经济效益。12.3 建设效果及施工图片图5 浅埋段明挖 图6 边坡防护图7管棚施工图 图8 护拱施工 图9 通风竖井图 10 分层回填13工程结果评价石林隧道DK652+110DK652+205浅埋段成功采用盖挖法实施，为我单位积累了丰富的施工经验，同时也取得了良好的社会和经济效益，具体如下：1）经济效益：较暗挖法施工节约投资120万元；2）施工技术：通过方案优化，降低了施工难度，加快了施工进度，提前工期3个月。3）安全质量：经检算比对，将暗挖改为拱部盖挖后，有效降低了安全风险，满足安全、质量要求；4）临时增设通风竖井，改善通风环境，节约通风费用；5）为企业赢得了良好的声誉。