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超大断面变线间距隧道施工技术探讨

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遁勘测与设计 、—I厶 超大断面变线间距隧道施工技术探讨 唐卫平 陈远洲 汤志军 (1铁四院(湖北)工程监理咨询有限公司武汉430063) (2中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉430063) (3中铁十五局集团公司华南指挥部深iJ lI 518000) 【摘要】随着我国高速铁路的高速发展,超大断面隧道成为一种常见的设计。以深港隧道(深圳段)超 大断面变线间距隧道施工为背景,结合作者的实践经验,重点总结、论述了超大断面三台阶加临时仰拱封 闭法开挖支护、台车洞内组装和受力计算、大断面钢筋笼制作与安装及变形计算和控制临时支撑措施、支 架法浇注二衬支架设计与计算等核心工序的安全质量控制方法,为类似工程提供借鉴。 【关键词】超大断面 变线间距隧道施工技术 分。基本划分可参考表1中日本隧道断面划分及 刖 舌 隧道断面一般按隧道开挖的毛洞断面积来划 国际隧协规定隧道断面划分,通常情况下,我国采 用日本隧道断面所示标准划分 。 表1 日本隧道断面划分标准 国际隧协规定隧道断面划分标准 序号 日本隧道断面划分标准 划分 标准断面 大断面 超大断面 净空断面面积(m2) 70,~80 100~140 >140 说明 双车道 有人行道双车道 与路面宽相同的三车道 划分 1 2 3 4 5 开挖断面面积(nl ) >3 3~10 10~50 50~1O0 >100 超小断面 小断面 中等断面 大断面 超大断面 备注:隧道开挖面积约=1.4倍隧道净空断面积。 到与单洞单线盾构隧道对接,在皇岗公园工作 1工程概况 广深港客运专线深港隧道(深圳段)北接福田 车站南端井,下穿正在运营的地铁一号线和地下商 业街后沿益田路向南,经深圳保税区至深圳河与深 遇合俺 井以南由单洞双线盾构隧道过渡为单洞单线盾构 隧道(国内段1856m),其中变线问距段采用矿山法 施工。 变线间距矿山法隧道起点里程DK113+643,终 点里程DK114+017,全长374m,开挖跨度由 1 7.622—25.323,具有开挖断面大、变截面多等特点, 最大断面366.8,为超大断面隧道,共划分五个断 面。具体里程、围岩类别和断面见图1。 穿地铁一号垒 双线盾构隧i _囡铁道勘j 超大断面变线间距隧道施工技术探讨唐卫平陈远洲汤志军 Ⅳ 工凸 【11 I ∞ , Ⅲ 4 一 上口i,  黜 r、 蠼 0 一 -l1 0 寸 ∞ + { 昌 0 0 口: 十 r1 ~ 3" 寸 j (D叶 一 皇岗公 目工作井 要 \ 簧 0P 一 一 Y 螂 臼 苫 。 L 凸 舌 长 () 图1 变线间距矿山法隧道里程、围岩及断面形式示意图 质条件和机械配套,本段隧道施工采用三台阶法加 2三台阶法开挖支护 各国高速铁路隧道施工实践证明,台阶法已成 为大断面隧道施工的主流施工方法。日本在修建第 二东名一名神高速公路隧道(隧道开挖断面积为150. 200m=)中,80%的隧道采用了各种台阶法。台北一 高雄高速铁路隧道(隧道净空有效面积为90m ,开挖 断面积为130—150m ̄),大部分也是采用台阶法修建 的。德国科隆一法兰克福调整铁路上的隧道工程,虽 临时仰拱封闭。临时仰拱封闭台阶法是以控制地 表和洞内下沉(位移)为目的,在整个断面闭合的过 程中对分部开挖断面用临时仰拱闭合的方法。工 法示意见图2。 然地质条件比较差,但多数隧道仍采用台阶法施工 。 2.1三台阶分部开挖概念 所谓台阶法,就是为了控制围岩变形而采用的 纵向分部开挖法。它将结构断面分成两部或多步 开挖,具有上下两个工作面或多台阶时有多个工作 面开挖。视围岩条件及机械配套情况派生出各种 台阶法,可根据工程实际、围岩条件及机械条件,选 自脏 工序* 穗日 图2三台阶工法示意图 2.2.2施工工序 开挖①部台阶一施作I部洞身结构的初期支 护和临时仰拱一开挖②部台阶一施工II部初期支 护和临时仰拱一开挖③部台阶一封闭m部初期支 护一灌注Ⅳ部仰拱砼一灌注V部二衬砼。 2.3施工控制要点 (1)隧道施工应坚持“弱爆破、短进尺、强支护、 择合适的方式。 台阶法其优点是灵活多变、适应性强,开挖具有 足够的作业空间和较快的施工进度,台阶有利于开挖 面的稳定性,是上部开挖稳定后,下部作业较为安全。 缺点是上、下部作业互相干扰,应注意下部作业时对 上部稳定性的影响,增加对围岩的扰动次数等 。 2.2技术特点及工序 2.2.1技术特点 早封闭、勤量测”的原则。 目Yt:7FU用一上 ~循 Z.3m,爆破时 根据变线间距隧道断面大的特点,结合围岩地 铁道勘测与设计 1012(5)■囝■ 道勘测与设计 应严格控制炮眼深度和装药量; (4)①、②部台阶脚部必须设置锁脚锚杆(管), 以确保下台阶的安全; 该段二次衬砌,在W1一W4断面段,采用洞内改装 台车、整体台车一次衬砌;考虑到W5断面跨度 大(含端头墙),台车洞内改装困难和工期等要 求,采用满堂支架法分三次浇筑(第一次浇筑至 (5)③部台阶开挖后,应及时封闭初期支护,仰 拱应紧跟; 边墙,高度5.35m;第二次浇筑至拱脚,高度 4.8m;其余第三次浇筑完成,高度5.4m,端头墙 与衬砌一同浇筑)与台车衬砌进行平行作业。台 (6)施工中,应严格按要求进行监控量测,及时 反馈信息,分析洞身结构的稳定,为支护参数的调 整、灌注二次衬砌提供依据。 车就位和满堂支架架设前均先完成仰拱施工,为 施工提供场地。 3超大断面二衬施工 根据隧道断面面积大、截面变化多的特点, 砼采用集中拌合,砼泵输送砼,两侧同时灌注, 有关施工参数和砼侧压力计算见下表2口 。 表2施工参数及砼侧压计算表 砼容重 Yc 入模温度 T 20 夕}加齐0影响修 正系数B。 1.2 坍落度影响修 正系数B 1.15 浇筑速度V F=0.22y。t0plp2 41.637 l h=F/Y 1.735 24 1mm 油缸变形。衬砌时,为了调整衬砌标高,会造成台 车前后端的高差、模板端面与门架端面不平行,将 5o 4o 30 使模板与门架之间形成很大的水平分力,造成模板 与门架之间的支撑丝杆千斤错位,导致千斤、油缸 损坏。因此在台车设计时,充分考虑前后高差造成 加 rlO 水平分力的约束结构或调整系统。在定位立模时 r — … 一浇 度 安装了卡轨器,旋紧基础丝杆千斤、门架顶地千斤 和模板顶地千斤,对下模拱脚位置进行了加固,使 门架受力尽可能小,防止跑模和门架变形。 3.1台车衬砌 3.1.1台车检算 台车面板结采用A3钢,每块模板宽1500mm, 厚10舢m,纵向加强角钢间隔250mm,各施工参数 该台车设计长度9m,液压油缸脱立模,施工中 靠丝杆千斤支撑,电动减速机自动行走,砼输送泵 车灌注。在满足通过净空要求的情况下,门架内侧 斜支撑下部安装位置,尽可能靠近立柱下部,使之 取值见表3¨ 。台车结构按W4段面尺寸进行检算, 分模板(含面板、面板角钢和模板总成)和门架部分, 详见表4衬砌台车受力分析表 。 受力最好。门架横梁应足够高。模板端面与门架 问的调整最小距离不小于250mm,否则将造成前后 衬砌段搭接困难。 囚1兹l 1 表3台车施工参数表 t b 250 E 1.96×10 】 比例系数 比例系数 a l300 O.5 坡地段,应注意两侧走行轨的 否则将造成丝杆千斤和顶升 (mm) (ram) ( _厂/cm ) l0 p 0.0284 铺设高差不 _重■铁道勘. RAILWAY SURVEY AND DESIGN 201 2(5) 超大断面变线间距隧道施工技术探讨唐卫平陈远洲汤志军 令令 蚴 表4衬砌台车受力分析表 项目 计算单元 q 。i 结构及荷载简图 计算公式 计算结果 面 板  【250 “  . j1 _厂一一——]_|… ,,. , ,, ; } J}  , , q :/ , : 】 0m一一 J 。 7b 2 ) r 仃 =127.5<[ ] (I)…=0.003< 】 q^_=(0.4 08*25)kgf/cm2 出n幽一 Ll'Itt r『『II’l, = a= 模 面 q 板 1I,,l£『It『ll『I’『1',1t『lt『1  {1 500 掣 { -0 539.6<『仃】 角 I I f} EL鼻 f 一3 1 ∞ W=fBH 一bh。)/6H 耄  }钢 …一~…一一一i5nn一~~…一 詈 l  J t L一一一 BH 一bh y =0.452<【∞] g m 一384E1 12 板 模 板 ㈣“ q。(O 408*25)kgf/em2 tu■JitLLU0i 』LU J tU = 8 : M w :Iz/ey: ,=41.8<[ 】 ● 一一一 一 1R蛆~ 一一—J“  l 500(m 总 成 }1l J_ -卜 ~ } BH -bh。 一一 一 一=l2 … d2=192.5<【 ] 』 J2一 ( +bd。)12(aH+bd) q=O.4081 ̄,1 ̄ /c吨 =(BH 一bh )/6H o'=196<【d] I慢II I 1 l A截面景薄 ,只棱核A截面抗弯能力 j(360t M=414F .《 f G 05(M/W) ; 3.1.2洞内拼装 联系以及安全警戒。 ③配件包装物、其他易燃物品要及时清出洞 外,以防失火,拼装台车处需配备灭火器不少于2 只。 (1)洞内拼装工艺: 施工仰拱、铺设轨道一安装行走轮架总成一安 装底纵梁一安装门架一安装锁梁、剪刀撑一安装顶 升油缸等各部件一吊装吊梁、吊梁立柱、台梁一安 装顶模板一安装侧模板一安装通梁和支撑系统一 安装液压及电器系统一安装附件,如:栏杆、踏梯和 工作平台、堵头板压条等一检查所有紧固螺栓一空 载试车一验收 (2)隧道内拼装注意: ④台车台架组装成型后,应尽量把结构紧固, 以防倾斜散架或者部件脱落,造成安全事故。部件 安装过程中,用于临时支顶的临时支撑应牢靠、受 力合理。 ⑤f临时用电必须由现场电工操作,严禁私自拉 接;台车配电线路应尽量穿管,线路布置方位应尽 量在钢构件的背面,以保护管线,电线应远离油路, 防止发热起火。电气元件和导线应采用正规国标 产品,且容量应有一定的富余系数。 ⑥吊装作业时配件要牢固绑扎 i者悬挂在吊 装机具上,以防止突然脱落伤人;吊 ≤时由专人指 RAILWAY SURVEY AND DESIGN :012(5)圈①作业人员进入隧道施:【现场必须佩戴安全 帽,高空作业时佩戴安全带,遵守隧道施工的各项 规定,服从隧道施工管理人员的统一安排和管理。 ②进行安装作业时,应尽量选择在非出碴和爆 破时段进行,并且安排专人和隧道值班员进行沟通 铁道勘测与设计 置道勘一架,上铺木板,木板用 图4钢筋笼最大竖向1立移计算图 从计算中可知,水平最大位移在两侧拱墙处 48mm(受初期支护约束),竖向最大位移在拱顶处 102mm,超过保护层厚度,台车无法就位,必须在钢 筋笼安装过程中增加临时支撑措施。 (1)临时支撑措施 警蚕 垂医①增加纵向支撑 在钢筋安装台架上设置两排纵向临时支撑(可 作为纵向主筋),并与已浇注砼纵向钢筋焊接,通过 临时支撑固定外层环向主筋。 ②增设劲性骨架 每隔3~4m设置一处劲性骨架,骨架宽lm, 四角利用环向筋作为骨架主筋,四面均设置“之”字 筋,与主筋焊接牢固。劲性骨架见图5。 图5劲性骨架图 (2)安装工艺 钢筋安装台架就位一设置两排纵向临时支 图 钢筋笼最大水平位移计算图 撑一安装外侧环向筋一安装外侧劲性骨架“之”字 筋一安装外侧纵向钢筋一安装内侧劲性骨架处环向 _囡铁道勘 J与设计RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2012(5) 超大断面变线间距隧道施工技术探讨唐卫平 陈远洲 汤志军 筋一安装内侧劲性骨架“之”字筋一安装内侧纵向钢 筋一安装内侧环向筋一安装拱顶排烟道的预埋接驳 手架,如图6。布置密度1.2(横)X 0.75m(纵)X 0.75m(竖),钢架与顶托间,采用塞木楔等措施,保 器一检验合格一拆除临时支撑一移动安装台架。 3.2支架法施工 DK113+994.814-DK114+017段长20.986m,净空 证密贴。钢管选用外径o48mm,壁厚3.5mm的焊接 钢管。掌子面封闭墙模板采用胶合板和I22a工字 钢,材料力学性能见表5。 立杆直接立在仰拱填充顶面,不设垫板,顶部、 前端和横向杆两端设置活动顶托,除剪刀撑外所有 杆(含封闭墙斜撑)接长时必须采用对接扣件连接, 相邻两对接接头不得在同步内,且对接接头错开的 宽度为23.561m,高度为16.760m,为W5断面,掌子面 有0.2m厚初支和lm厚封闭墙。考虑到断面宽和工 期因素,该段二衬采用支架法分三次浇注(含封闭墙)。 3.2.1支架结构 二衬模板采用0-3 X 1.5m和0.6×1.5m标准 距离不小于500mm。剪刀撑采用搭接,搭接长度不 得小于500mm,并采用2个旋转扣件分别在离杆端 不小于100mm处进行固定。 组合钢模,每块模板背后布置两排16≠≠工字钢架,钢 架用连接板和螺栓连接,每环钢架背后布置一排脚 A局部放大示意图 脚手架布置立面图 (BKI 13+994 814 DK 1l4+017) 图6脚手架布置立面图 表5材料力学性能表 项目 木胶合板 16#工字钢 规格 18mm 16≠≠ 抗拉f(N/mm2) 抗弯 (N/mm2) 抗弯 (N/am2)r 弹性模量E(N/mm2) 25 215 1.5 125 1.9 215 8.0×10。 2.O6×10 22≠}工字钢 22# 215 125 215 2.06×10 方木 1OO X 100 X 4000 mm 方木TC13A ,85 .1.5 13 1.0×10 有缝钢管 048 X 3.5 205 120 205 2.06 X 10 3.2.2荷载计算(表6) 表6永久荷载和可变荷载取值表D 模板及其支架自重G 新浇筑混凝土自重Q 0.75 KN/m2 14.4 KN/m2 钢筋自重G, 1.1 KN/m: 新浇筑的混凝土作用于模板的侧压力G4 41.637 KN/m 施工人员及设备荷载标准值Q 混凝土振捣时产生的荷载 倾倒混凝土水平 标准Q 荷载Q 水平模板 2KN/m 计算模板和支撑 模板的次楞 2.5KN/m 计算直接支撑 小梁的主楞 1.5KN/m 计算支柱及其余构件 1.0KN/m0 垂直模板 4KN/m 垂直模板 2KN/m 铁道勘测与设计IRA LWAY SURVEY AND DESIGN 201 2(5)囡 萱道勘测与 果汇总见下表。 表 2计算成果汇总表 计算单元 计算指标 结构及荷载简图 模扳 Mm 计算式 =K ̄//2 计算结果及判定 8.抗弯强度计算 l 【444<25MPa, 模扳背棱 囫 aj=Mm / Q K婀l t=Q /IB 满足要求 0.54<1.9MPa, 满足要求 模板 抗剪强度计算 q 』l l}Il I I l ll l l 1  1I l f_{J 挠度计算 L.————— ———_一 v=5q8P/384EI 1.14<1.4mm, 满足要求 抗弯强度计算 次楞 抗剪强度计算 ● I 模扳 眭 l c ● Mm =K ̄//2 o=Mm / 5.003<15MPa, 满足要求 棱下 术c —吉— ● v K闷t Z' ̄Vm s B 0.781<1.5MPa, 满足要求 0.} 。nc 1. 1 1.rrT¨r¨T丁{r r r_r}一T 1 1 T I丁¨ 挠度计算 抗弯强度计算 l— 一一 —— —- co=KwqP/100E1 Mm K橱P cF^ /W 51<3.2MPa, 满足要求 模板背梭下型钢 206<215MPa。 满足要求 1639<125MPa, .主楞 抗剪强度计算 FI F 乙.一} -l v K川l Fl F- FI F} F1 t=v IB 满足要求 挠度计算 i 、 i 1 L— ——— ———.一 j i CO=KwF EI 12.2<14.8MPa. 满足要求 对拉 强度计算 赫 ^ l l I nC 『 =N=nbF =A O.95(ToG,k+7QQ, ) N=9.324KN 螺栓 旦~ 一 … Ⅳ ;47.9>N I I ≥Ⅳ 3.2.5支架加固措施 根O16钢筋抗浮。植筋钢材破坏时的受拉承载力 设计值 扎=NR s/TY"…, , 见表13 。 ①抗浮采取的措施。 在支架两侧最边缘处,每跨每边各植入两 。各计算参数取值 表13计算参数取值表  Ify ̄(Mpa) 335 Mpa) 455 r ,N=1. ≥J.4 N KN) 91.5 N KN) 56.1 1.63 仰拱砼C30,查表有效锚固深度180mm,取整 月,以.t田L创 加竖向剪刀撑和不加竖向剪刀撑计算支架的竖向 位移,加剪刀撑后,竖向位移较不加剪刀撑减少2/3。 剪刀撑每断面设置,以增加支架的整体刚度。 ②设置 根据对} 一次砼浇注时,分别采取 ③增设H型槽钢 _盈■铁道勘 LWAY SURVEY AND DESIGN 201 2(5) 超大断面变线间距隧道施工技术探讨唐卫平 陈远洲 汤志军 根据计算,在第一次砼浇注时,16号工字钢弯 矩最大处在边墙底部。为增加支架的稳定性,在仰 拱与工字钢接头部位设置H25型槽钢作为纵梁,并 将抗浮钢筋焊接在纵梁上,形成整体受力。 ④局部增加水平杆 注意与洞内隧道施工人员的沟通和协调;因该隧道 处于下坡地段,应注意两侧走行轨的铺设高差不得 大于1%,衬砌时,充分考虑前后高差,使门架受力 尽可能小,防止跑模和门架变形。 (4)二衬钢筋安装时,要严格按要求施作纵向 支撑和劲性骨架等临时支撑措施;纵、环向钢筋连 接应牢固,尽量采用焊接。点焊时,在防水板侧应 采取隔离措施,防止焊花烧坏防水板;钢筋安装完 在第一次浇注砼时,经过计算,顶部水平杆受 压力达ll9KN(单根),将产生压杆失稳。为保证支 架稳定,在浇注第一次砼时,顶部的水平杆按双根 并列布置,并应注意与立杆的连接。 成后才能拆除纵向支撑,移动安装台架。钢筋一次 安装不宜过长,不得超过18m(2个台车长度),且在 第一段衬砌台车未就位前,第二段不得移动钢筋安 装台架。 4结束语 (1)隧道开挖前应先进行地质超前预报。依据 预报距离分长期和短期地质超前预报。长期超前 (5)支架法衬砌段施工时,应注意第一次浇注 砼时砼的上浮。抗浮钢筋的锚固深度应严格应计 地质预报(距掌子面前方100~150m)分TSP仪器 探测法、断层参数预测法和地面地质体投射法;短 期超前地质预报(距掌子面1 5~30m)分地质雷达 算长度,施工完成后,应进行抗拔试验。抗拔钢筋 应牢固焊接在H型槽钢上,确保焊接质量;两侧砼 的高差应严格控制,严格控制在lm以内,否则,会 产生较大的水平位移,从而支架失稳;第三次浇注 砼时,做好砼的振捣工作,两侧无人员作业平台,应 注意操作人员的安全;支架搭设时,在仰拱填充顶 面范围的脚手架四角设水平剪刀撑,在水平剪刀撑 四周设由下至上的竖向连续式剪刀撑,并在纵横向 相邻的两竖向连续式剪刀撑之间增加之字斜撑。因 钢架为圆弧形,杆件与钢架间距离不一致,故沿钢 架环向设置斜杆,工字钢架应采用连接板和螺栓连 接,确保连接可靠。钢架与顶托间,采用塞木楔等 措施,保证密贴。 探测法、红外探水技术和地质素描预测法等 。本 段隧道长期超前地质预报采用TSP仪器探测法、短 期采用地质雷达探测法,结合超前钻探对地质进行 了准确的预报。 (2)隧道开挖断面大,开挖时必须采用光面爆 破或弱爆破,尽量减少对围岩的扰动;初期支护应 紧随开挖面及时施作,尽快封闭;仰拱应紧跟开挖 面,距开挖面距离宜控制在20m以内,且应分段采 用栈桥一次浇灌,严禁半幅施工,严禁砼未达到设 计强度前通行重载车辆。 (3)洞内施工场地狭小,无法使用大型起重机 械,洞内台车拼装时,制定书面技术交底,严格按拼 装工艺组织施工,并做好作业人员岗前培训工作, 本段隧道通过十八个月的紧张施工,目前已按 节点工期全部完成,具备了盾构始发条件,为下一 阶段的顺利施工创造了条件。 铁道勘测与设计RAILWAY SURVEY AND DESIGN 1012(5)一 

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