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隧道及地下工程“眼鏡法”施工工法 （TLEJGF-91-12） 前言 隧道和地下工程常用的鉆爆施工方法,有全斷面一次開挖法、全斷面分部開挖法和先拱后墻法三大類?！把坨R法”是分部開挖法的一種,這種施工方法是:先在隧洞兩側(cè)各開挖一個(gè)導(dǎo)坑,并施作初期支護(hù)形成封閉環(huán),然后進(jìn)行拱部環(huán)形開挖與支護(hù),接著開挖中間核心土,最后進(jìn)行全斷面一次模筑混凝土襯砌。由于該法采用分部開挖,分部封閉,自下而上地完成開挖、支護(hù)和襯砌,減少了對(duì)圍巖的擾動(dòng),使圍巖的變形得到有效控制。 我局與鐵道部第三勘測(cè)設(shè)計(jì)院合作,在大秦鐵路西坪隧道第四系中更新統(tǒng)沉積的老黃土并夾有碎石土和卵石土層E類圍巖中,完成了“眼鏡法,,設(shè)計(jì)與施工技術(shù)的研究試驗(yàn),取得了成功經(jīng)驗(yàn)。1987年“眼鏡法,,通過(guò)了技術(shù)鑒定,并于同年獲鐵道部工程指揮部科技成果特等獎(jiǎng),1988年獲鐵道部科技進(jìn)步三等獎(jiǎng),1990年被建設(shè)部評(píng)為全國(guó)施工新技術(shù)優(yōu)秀項(xiàng)目。該施工法在大秦鐵路二期工程景忠山隧道得到推廣應(yīng)用。目前,“眼鏡法"在北京西單地鐵車站淺埋暗挖法施工中,又得到進(jìn)一步發(fā)展,逐步形成本工法。 一、工法特點(diǎn) “眼鏡法,,工法與傳統(tǒng)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相比,區(qū)別在于:“眼鏡法,,引進(jìn)了新奧法的基本原 理,采用格柵拱網(wǎng)噴混凝土柔性支護(hù)作為主要支護(hù)手段,以維護(hù)和利用圍巖的自承能力,使圍巖成為支護(hù)體系的組成部分,并通過(guò)圍巖和支護(hù)的量測(cè)監(jiān)控來(lái)指導(dǎo)施工;而傳統(tǒng)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法則是以散粒體的松散壓力概念為基礎(chǔ),采用強(qiáng)大支撐,不考慮圍巖的自承能力,也沒有采用系統(tǒng)量測(cè)監(jiān)控等信息化施工管理手段。 工程實(shí)踐表明,本工法具有以下主要特點(diǎn): 1.能有效地控制圍巖變形和地表下沉量。由于采取分部開挖、分部支護(hù)封閉,支護(hù)體系能及時(shí)、充分地發(fā)揮作用,減少對(duì)圍巖的擾動(dòng),使圍巖的變形和地表下沉量得到控制。 2.作業(yè)安全可靠。本工法充分利用中間核心土的支撐作用,以格柵網(wǎng)噴混凝土為支護(hù)手段,自下而上逐步完成開挖、支護(hù)和襯砌作業(yè),使拱部開挖后的支護(hù)結(jié)構(gòu)坐落在堅(jiān)固結(jié)實(shí)的基礎(chǔ)上,沒有下沉塌落之虞,從而提高了施工的安全度。 3.格柵支撐與掛網(wǎng)、噴混凝土相結(jié)合的柔性支護(hù),能很好地適應(yīng)圍巖的變化,而且支護(hù)剛度能隨噴混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)而增大,使支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖形成一個(gè)整體,充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力。 4.應(yīng)用量測(cè)監(jiān)控等信息化管理方法作為指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工、確定工藝參數(shù)的依據(jù),通過(guò)信息反饋,使整個(gè)施工過(guò)程處于受控狀態(tài)。 5.施工作業(yè)簡(jiǎn)便,不需要專用機(jī)械設(shè)備,適合我國(guó)國(guó)情,容易推廣使用。 6.超前開挖的雙側(cè)導(dǎo)坑,還可起到預(yù)報(bào)地質(zhì)的作用。 二、適用范圍 本工法適用于I、Ⅱ類圍巖無(wú)水(或少水)的各種軟弱土質(zhì)、砂質(zhì)、膨脹性土等隧道和地下洞室的施工,對(duì)于淺埋、大跨度的松軟圍巖以及地表下沉量要求嚴(yán)格的隧道和地下工程尤為適用。 三、施工工藝 (一)工藝原理 “眼鏡法"是以新奧法的基本原理為依據(jù),在開挖導(dǎo)坑時(shí)盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng);導(dǎo)坑的斷面形狀近似橢圓,周邊輪廓圓順,以避免應(yīng)力集中;初期支護(hù)采用格柵支撐與掛網(wǎng)鋪噴混凝土相結(jié)合的柔性支護(hù)體系,并及時(shí)施作,使斷面及早閉合,以充分利用圍巖自身的承載能力,控制圍巖的變形;建立一整套圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)控量測(cè)系統(tǒng),進(jìn)行信息化施工管理,隨時(shí)掌握施工過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化,合理安排、調(diào)整施工工藝和設(shè)計(jì)參數(shù),確保施工安全。 (二〉施工程序(見圖1) 1.先開挖兩個(gè)側(cè)壁導(dǎo)坑,每個(gè)導(dǎo)坑分上、下兩層,并施噴一次早強(qiáng)混凝土(厚度5-7cm); 2.安設(shè)導(dǎo)坑格柵支撐,上部打入局部鋪桿,掛網(wǎng)施噴二次混凝土(厚度13-15cm),使導(dǎo)坑支護(hù)封閉; 3.人工開挖環(huán)形拱部,并施噴一次旱強(qiáng)混凝土(厚度5-7cm); 4.安設(shè)拱部格柵支撐(下部與側(cè)壁導(dǎo)坑格柵連接),掛網(wǎng)噴二次混凝土(厚度18-20cm〉; 5.用反鏟開挖核心土部分; 6.用風(fēng)鎬拆除導(dǎo)坑內(nèi)側(cè)的臨時(shí)支護(hù); 7.開挖隧道底部,灌筑仰拱; 8.立襯砌模板,灌筑二次襯砌〈墻拱一次完成〉。 〈三)施工方法與作業(yè)要點(diǎn) 本工法的關(guān)鍵施工技術(shù)有以下三個(gè)方面:一是保持合理的分部開挖斷面和平順的開挖輪廓線,減少對(duì)圍巖的擾動(dòng);二是及時(shí)施作符合質(zhì)量要求的初期支護(hù),并使開挖斷面盡早閉合,控制圍巖變形,三是加強(qiáng)對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)控量測(cè),進(jìn)行信息化施工管理(見圖2)。 1.側(cè)壁導(dǎo)坑開挖 側(cè)壁導(dǎo)坑的開挖尺寸,寬度取4-4.2m,高度取6.5m左右(鐵路雙線隧道邊墻底至起拱線高度)為宜,分上下兩層開挖,這樣既不需要工作平臺(tái),人工架設(shè)格柵支撐也比較方便。上、下層錯(cuò)開長(zhǎng)度4-6m,兩側(cè)導(dǎo)坑前后錯(cuò)開8-10m,每次掘進(jìn)0.4-1.0m為宜。 2.側(cè)壁導(dǎo)坑的初期支護(hù)(見圖3)側(cè)壁導(dǎo)坑開挖后,應(yīng)立即噴一層5-7cm厚的早強(qiáng)混凝土,隨后人工安設(shè)格柵支撐,在導(dǎo)坑上部外側(cè)打入局部鋪桿,內(nèi)側(cè)布置系統(tǒng)錨桿,并掛網(wǎng)再噴一層早強(qiáng)混凝土,最后噴射普通混凝土,將格柵支撐全部噴滿。 格柵支撐斷面選用梯形,主筋為4根φ22的螺紋鋼筋(主筋中至中距離18cm),連接主筋的鋼 筋為φ12圓筋,箍筋為φ6圓筋。導(dǎo)坑的每榀格柵由4段(內(nèi)外側(cè)各2段)組成,采用法蘭盤連接。格 柵支撐縱向間距視情況選用0.4-1.0m,各榀之間用φ22螺紋鋼筋連接。錨桿選用φ22螺紋鋼筋,長(zhǎng)度為1.4-1.6m,縱向間距0.5-0.7m,橫向間距1m。鋼筋網(wǎng)一般采用φ6鋼筋,網(wǎng)格尺寸為20cm20cm 3.拱部環(huán)形開挖與初期支護(hù) 一般采用人工開挖方法,從拱部中間向兩邊擴(kuò)挖。對(duì)于特別松散、自穩(wěn)時(shí)間很短的圍巖,應(yīng)事先采取打入超前小鋼管,必要時(shí)進(jìn)行預(yù)注漿等輔助施工措施,以穩(wěn)定開挖工作面。開挖中要挖一段噴一段,第一遍施噴一層5-7cm的早強(qiáng)混凝土,及時(shí)封閉開挖面。每次開挖進(jìn)尺為0.4-1.0m,不宜過(guò)長(zhǎng),臺(tái)階長(zhǎng)度也不宜過(guò)長(zhǎng),雙線鐵路隧道一般為1倍洞跨,以便翻碴. 拱部的初基支護(hù)體系基本同側(cè)壁導(dǎo)坑,格柵支撐由三段組成,采用4根φ25螺紋主筋組成梯形斷面,各段之間均用法蘭盤連接.與側(cè)壁導(dǎo)坑的初期支護(hù)所不同的,一是拱部一般不設(shè)錨桿,二是噴混凝土層的厚度加大到25cm(見"眼鏡法"支護(hù)參數(shù)比較表). 四、機(jī)具設(shè)備(單口作業(yè)) 1.施工通風(fēng)及照明 通風(fēng)機(jī):1-3臺(tái) 變壓器:1臺(tái) 2.開挖 壓風(fēng)機(jī):2臺(tái) 風(fēng)鎬:4臺(tái) 挖掘機(jī):1臺(tái) 裝載機(jī)(950B):1臺(tái) 自卸運(yùn)輸汽車:3-5輛 兩輪手推車:5-10輛 3.初期支護(hù) 鋼筋切斷機(jī):1臺(tái) 鋼筋折彎?rùn)C(jī):1臺(tái) 電焊機(jī):1臺(tái) 鉆床:1臺(tái) 噴射混凝土機(jī):2臺(tái) 強(qiáng)制式攪拌機(jī)(400L):1臺(tái) 風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī):2臺(tái) 鋪桿注漿器:2臺(tái)4.襯砌 混凝土攪拌機(jī)(400L):2臺(tái) 小型運(yùn)輸車：2-4臺(tái) 插入式震搗器:4-6臺(tái) 5.量測(cè)及測(cè)量?jī)x器 球鉸式收斂?jī)x:1臺(tái) 靜動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀：1臺(tái) 頻率儀:1臺(tái) 經(jīng)緯儀:1臺(tái) 水平儀:1臺(tái) 6.高壓風(fēng)管、水管、通風(fēng)管、照明燈具的規(guī)格和數(shù)量,應(yīng)根據(jù)隧道長(zhǎng)度、設(shè)計(jì)風(fēng)水壓力、光照度等參數(shù)來(lái)確定。 五、勞力組織(單口作業(yè)) 1.開挖 風(fēng)鎬手(兼風(fēng)槍鉆錨桿眼)3-4人,裝碴4-6人,出碴2-4人,質(zhì)檢及記錄各1人,合計(jì)11-16人。 2.初期支護(hù) 格柵支撐制作；4人(安裝與拆除由開挖工班負(fù)責(zé)〉。 錨噴:錨桿安裝2人,混凝土噴射手1-2人,混凝土供料3-4人,攪拌機(jī)司機(jī)1人,質(zhì)檢、記錄各1人,合計(jì)9-11人。 掛網(wǎng)(需要時(shí)):4人。 以上合計(jì)17-19人。 3.襯砌 立模6-8人,混凝土供料4-6人,成品混凝土運(yùn)輸4-6人,混凝土灌注6-10人,合計(jì)20-30人。另配備攪拌機(jī)司機(jī)2人,質(zhì)檢、記錄各1人。 4.測(cè)量及量測(cè) 測(cè)量放樣3-4人,量測(cè)5人〈其中專職安全員1人)。 5.其他人員 壓風(fēng)機(jī)司機(jī)1人,電工2人,管道工2人,試驗(yàn)員2人,調(diào)度及管理人員4-6人。 六、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及控制 (一)支護(hù)質(zhì)量檢驗(yàn) 初期支護(hù)質(zhì)量的好壞是本工法成敗的關(guān)鍵之一,尤其在圍巖條件特別差時(shí),早期噴射混凝土的質(zhì)量至關(guān)重要。 噴射混凝土的設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)應(yīng)不低于C18級(jí),其設(shè)計(jì)強(qiáng)度和彈性模量應(yīng)符合《鋪桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》(GBJ86一85)的規(guī)定。采用ZP型早強(qiáng)噴射混凝土?xí)r,其初期強(qiáng)度應(yīng)符合《鐵路隧道新奧法指南》表3.4.3規(guī)定的要求。施工時(shí)要按《鐵路隧道錨桿噴射混凝土支護(hù)設(shè)計(jì)施工技術(shù)規(guī)則》規(guī)定進(jìn)行試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。噴射混凝土的厚度,采用預(yù)埋鋼筋頭、設(shè)置量測(cè)標(biāo)志進(jìn)行檢查,并實(shí)行驗(yàn)收制度,不合格時(shí)立即補(bǔ)噴。 格柵支撐是柔性結(jié)構(gòu),除了嚴(yán)格按設(shè)汁下料、組焊和安裝外,還必須用混凝土將其噴滿噴實(shí),這種全混凝土的格柵支撐剛度比無(wú)混凝土的格柵支撐大100%-160%?，F(xiàn)場(chǎng)可用肉眼觀察和錘擊法進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)有空鼓不實(shí)之處,應(yīng)鑿開補(bǔ)噴。 (二)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè) 量測(cè)的主要目的,在于掌握圍巖和支護(hù)的動(dòng)態(tài),判斷支護(hù)的可靠性,以保證施工安全和圍巖的穩(wěn)定。 監(jiān)控量測(cè)有必測(cè)項(xiàng)目和選測(cè)項(xiàng)目。必測(cè)項(xiàng)目有: 1.地質(zhì)和支護(hù)狀況觀察; 2.周邊位移量測(cè); 3.拱頂下沉量測(cè); 4.地表下沉量測(cè)。 選測(cè)項(xiàng)目有: 1.格柵支撐主筋內(nèi)力、應(yīng)變量測(cè); 2.圍巖內(nèi)應(yīng)力量測(cè); 3.圍巖與初期支護(hù)間的接觸應(yīng)力量測(cè)。 必測(cè)項(xiàng)目的量測(cè)斷面間隔一般為20-30m,在圍巖特別差的地段,可縮短至10-15m。 量測(cè)的頻率、使用的工具和量測(cè)方法參照《鐵路隧道新奧法指南》選用。 將實(shí)測(cè)的位移值所建立的位移一時(shí)間曲線和監(jiān)控基準(zhǔn)值相比較,即可判別圍巖和支護(hù)的穩(wěn)定情況。以大秦線西坪隧道Ⅱ類圍巖段(老黃土、碎石士及卵石土)為例,當(dāng)其拱頂下沉量<5mm/d時(shí),認(rèn)為是正常的;拱頂下沉量為510mm/d且位移變化速度無(wú)明顯下降時(shí),應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)視,并適當(dāng)加強(qiáng)支護(hù);拱頂下沉量>10mm/d且位移變化速度急劇增長(zhǎng)時(shí),則為危險(xiǎn)狀態(tài),應(yīng)立即停止開挖,進(jìn)行處理(改變施工方法或設(shè)計(jì)參數(shù))。 七、施工安全措施 本工法除應(yīng)遵照《鐵路隧道施工安全規(guī)則》及相應(yīng)的規(guī)范外,為確保安全,還應(yīng)采取以下措施。 1.進(jìn)行全員安全意識(shí)教育; 2.針對(duì)“眼鏡法,,施工特點(diǎn),參照有關(guān)安全規(guī)則制訂安全規(guī)章制度; 3.提高量測(cè)人員的安全技術(shù)素質(zhì),完善其崗位職責(zé); 4.開挖的各分部在完成規(guī)定的進(jìn)尺后,必須立即架設(shè)格柵支撐,并噴5-7cm厚的早強(qiáng)混凝土,以減小圍巖的松弛變形; 5.下部開挖必須在鄰近作業(yè)面的初期支護(hù)具有一定強(qiáng)度后實(shí)施; 6.開挖臺(tái)階不宜太長(zhǎng),應(yīng)以能盡早使初期支護(hù)閉合而不造成兩部施工干擾為原則,來(lái)確定臺(tái)階長(zhǎng)度; 7.局部松散破碎地段,應(yīng)根據(jù)量測(cè)信息,適時(shí)用早強(qiáng)混凝土封閉掌子面,或采用超前支護(hù)。 8.加強(qiáng)對(duì)圍巖和支護(hù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),進(jìn)行信息化管理。根據(jù)量測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合觀察報(bào)告,正確分析圍巖和支護(hù)的穩(wěn)定性,并采用正確的對(duì)策,科學(xué)地組織施工,確保安全; 9.利用超前導(dǎo)坑,加強(qiáng)地質(zhì)分析及預(yù)報(bào)工作。 八、綜合效益分析 1.本工法為較軟弱土層和特殊地層的隧道及地下工程施工提供了新的途徑。 2.技術(shù)可靠,施工安全度大。一是充分發(fā)揮核心土的支撐作用;二是多部開挖減少了對(duì)圍巖的擾動(dòng),提高了其自穩(wěn)性能;三是柔性支護(hù)能適應(yīng)圍巖變形,部分地發(fā)揮地層自承拱作用;四是直觀,量測(cè)位移能敏感地反映圍巖及初期支護(hù)的穩(wěn)定性。以大秦線西坪隧道為例,應(yīng)用此法施工安全穩(wěn)妥,在歷時(shí)兩年的洞內(nèi)施工簾,沒有發(fā)生傷亡事故。 3.通過(guò)調(diào)整施工程序、節(jié)奏和初期支護(hù)剛度的途徑,可以有效地控制圍巖的松弛變形和地表沉陷,從而對(duì)于地F淺埋工程施工,保證地面建筑和公共設(shè)施的安全,均具有重大的意義。 4.工程質(zhì)量好。采用短進(jìn)尺的多部開挖方法,使毛洞開挖成型好,并減少了超欠挖;以格柵為主的初期支護(hù)體系性能穩(wěn)定可靠;內(nèi)層襯砌質(zhì)量與傳統(tǒng)的施工方法相比,整體性強(qiáng),質(zhì)量好。 5.經(jīng)濟(jì)效益明顯。以大秦鐵路西坪隧道為例,與同樣地質(zhì)條件下的管棚法相比,本工法每雙米延米可節(jié)約水泥10t,鋼材331-432.7kg,綜合造價(jià)降低2026元。 九、工程實(shí)例 大秦鐵路西坪隧道為電氣化雙線鐵路隧道,全長(zhǎng)298m,洞身穿過(guò)嚴(yán)重風(fēng)化的Ⅲ類白云巖、頁(yè)巖互層,Ⅱ類膨脹性老黃土、碎(卵〉石和砂土,洞頂覆蓋層厚度為3-36m,為典型的復(fù)雜地層中的淺埋大跨型隧道。此隧道于1984年9月動(dòng)工,1987年10月竣工。 1984年12月,當(dāng)西坪隧道采用半斷面法從出口方向開挖98m時(shí),發(fā)生大坍方,初期支護(hù)被沖垮30m,地表沉陷為約12m直徑的大漏斗,坑周土呈環(huán)狀開裂,波及范圍達(dá)30m。坍方體由新(老)黃土、碎(卵)石土組成,呈松散堆積狀。我局與鐵道部第三勘測(cè)設(shè)計(jì)院聯(lián)合,共同研究開發(fā)“眼鏡法"處理隧道擁方獲得成功,取得直接經(jīng)濟(jì)效益113;.4萬(wàn)元。這項(xiàng)技術(shù)為確保施工安全和新奧法的應(yīng)用與推廣提供了范例。 繼西坪隧道施工之后,“眼鏡法"在我局施工的大秦鐵路大團(tuán)尖、景忠山隧道推廣應(yīng)用也取得了良好的效果。 1989年,“眼鏡法,,在北京西單地鐵車站淺埋暗挖法施工中又加以應(yīng)用并發(fā)展為“雙眼鏡法"。北京西單地鐵車站是我國(guó)第一座淺埋型大跨度雙層地鐵車站,也是世界上迄今所見文獻(xiàn)資料記載結(jié)構(gòu)高度和跨度最大的地鐵車站。車站標(biāo)準(zhǔn)斷面為三拱兩柱雙層拱形結(jié)構(gòu),開挖寬度26.14m、高度13.6m。該站位于繁華的西單路口和東側(cè)的西長(zhǎng)安街地下,地上車水馬龍,人流如織,地下管網(wǎng)密布,地質(zhì)松散,自穩(wěn)能力差,覆土層厚度僅為6-7m,技術(shù)新,設(shè)計(jì)和施工難度都很大,同時(shí)工期短,標(biāo)準(zhǔn)高,攻關(guān)項(xiàng)目多,牽涉面廣。對(duì)這樣一座高難工程,北京市有關(guān)方面采取了十分慎重的態(tài)度,以向社會(huì)公開招標(biāo)的形式,擇優(yōu)選擇設(shè)汁、施工隊(duì)伍,而且對(duì)這一工程提出了特殊要求,主要是:設(shè)計(jì)、施工必須做到絕對(duì)安全,穩(wěn)妥可靠,萬(wàn)無(wú)一失;采用的技術(shù)要先進(jìn)可行,方案要經(jīng)濟(jì),工期要合理,沉降量最大不得超過(guò)30mm;方案要充分體現(xiàn)暗挖,用地拆遷少,地下管網(wǎng)改遷少,對(duì)環(huán)境、市容、交通干擾少的優(yōu)點(diǎn)。我局與鐵三院結(jié)成設(shè)計(jì)、施工聯(lián)合體,參加了這一工程的投標(biāo)爭(zhēng)并中競(jìng)標(biāo)。我們于1989年7月動(dòng)工,自采用 “雙眼鏡法”施工后,施工進(jìn)展順利,經(jīng)量測(cè)檢驗(yàn)沉降量均小于規(guī)定值。