公路隧道开挖方法及施工要点认识

采用新奥法施工时,根据隧道工程地质条件、隧道结构条件、工程施工条件、隧道埋深及工期要求等条件的不同,隧道可以采用不同的方式开挖。

(一)全断面法

全断面法全称为“全断面一次开挖法”,即将隧道按设计断面轮廓一次开挖成型的方法,其基本工序为全断面开挖、锚喷支护及模筑混凝土衬砌。全断面法主要适用于Ⅰ～Ⅲ级围岩两车道及以下跨度的隧道开挖。Ⅳ级围岩的两车道隧道和Ⅲ级围岩三车道及以上的大跨度隧道在有机械设备保证和良好的施工管理时,也可采用全断面法开挖。该方法的优点是可以减少开挖对围岩的扰动次数,工序简单,便于组织大型机械化施工,施工速度快,防水处理简单;其缺点是对地质条件要求严格,围岩必须有足够的自稳能力。另外,机械设备配套费用相应较大,如图4.2-1所示。

全断面法施工应符合下列规定:

(1)围岩自稳性好,无地下水出露或出露量不大。

(2)采用大型机械配套作业。

(3)超前开挖导洞时,应控制开挖距离。

图4.2-1　全断面一次开挖法

1—全断面开挖;2—初期支护;3—全断面二次衬砌

(二)台阶法

台阶法(图4.2-2)是将断面分成上断面和下断面两部分,通常先开挖上断面,待开挖至一定长度后同时开挖下断面,上、下断面同时并进的施工方法。根据台阶的长短,台阶法又包括长台阶法、短台阶法和超短台阶法三种。

图4.2-2　台阶法

1—上台阶开挖;2—上台阶初期支护;3—下台阶开挖;4—下台阶初期支护;5—全断面二次衬砌

台阶法用于Ⅲ～Ⅳ级围岩两车道及以下跨度的隧道。Ⅴ级围岩的两车道隧道及以下跨度的隧道在采用了有效的预加固措施后,也可以采用台阶法开挖。

台阶法施工应符合下列规定:

(1)台阶长度不宜超过隧道开挖宽度的1.5倍,台阶不宜多分层。

(2)上台阶钢架施工时,应采取有效措施控制其下沉和变形。

(3)下台阶应在上台阶喷射混凝土强度达到设计强度的70%后开挖。

(三)环形导坑留核心土法

环形导坑留核心土法开挖顺序如图4.2-3所示。将开挖面分成上部环形导坑、上部核心土、下部台阶三个部分。先开挖上部弧形导坑,开挖后及时施作拱部初期支护,然后开挖上部核心土,之后依次进行下台阶中部开挖、下台阶侧壁开挖,施作下部初期支护,待整个断面初期支护稳定后施作仰拱及全断面二次衬砌台阶。其特点是上部核心土可以支挡开挖工作面,增强了开挖工作面的稳定性,核心土及下部开挖是在拱部初期支护下进行,施工安全性较好,适用于Ⅳ～Ⅴ级围岩或一般土质隧道。

图4.2-3　环形导坑留核心土法

1—上部环形导坑开挖;2—拱部初期支护;3—核心土开挖;4—下台阶中部开挖;5—下台阶侧壁开挖;6—下台阶初期支护;7—仰拱浇筑;8—全断面二次衬砌

环形导坑开挖留核心土法施工应符合下列规定:

(1)环形开挖进尺宜为0.5～1.0m;核心土面积应不小于整个断面面积的50%。

(2)开挖后应及时施工喷锚支护、安设钢架支撑,相邻钢架必须用钢筋连接,并应按设计要求施工锁脚锚杆。

(3)当围岩地质条件差、自稳时间短时,开挖前应按设计要求进行超前支护。

(4)核心土与下台阶开挖应在上台阶支护完成、喷射混凝土强度达到设计强度的70%后进行。

(四)双侧壁导坑法

双侧壁导坑法又称为眼镜工法,如图4.2-4所示。双侧壁导坑法是采用先开挖隧道两侧导坑,及时施作导坑四周初期支护,必要时施作边墙衬砌,然后再根据地质条件、断面大小对剩余部分采用二台阶或三台阶开挖的方法。其实质是将大跨度的隧道变为3个小跨度的隧道进行开挖。该方法虽然开挖断面分块多、扰动大、初次支护全断面闭合时间长。施工进度较慢、成本高,但施工安全。该方法适用于Ⅴ级围岩、浅埋、大跨、地表下沉量要求严格控制的情况。

(www.xing528.com)

图4.2-4　双侧壁导坑法

1—左侧上台阶开挖;2—左侧上台阶初期支护;3—左侧下台阶开挖;4—左侧下台阶初期支护;5—右侧上台阶开挖;6—右侧上台阶初期支护;7—右侧下台阶开挖;8—右侧下台阶初期支护;9—核心土上台阶开挖;10—拱部初期支护;11—核心土中台阶开挖;12—核心土下台阶开挖;13—仰拱衬砌浇筑;14—全断面二次衬砌

双侧壁导坑法施工应符合下列规定:

(1)侧壁导坑开挖后,应及时进行施工初期支护并尽早完成封闭成环。

(2)侧壁导坑形状应接近椭圆形断面,导坑跨度宜为整个隧道跨度的三分之一。

(3)左右导坑施工时,前后拉开距离不宜小于15m。

(4)导坑与中间土体同时施工时,导坑应超前30～50m。

(五)中隔壁法(CD法)

如图4.2-5所示,中隔壁法(CD法)将隧道断面沿左右方向一分为二,施工时应沿着一侧自上而下分二或三部进行开挖,每开挖一部均应及时施作喷锚支护、安设钢架及施作中隔壁。底部应设置临时仰拱,中隔壁墙依次分部连接而成。应先开挖一侧,超前一定距离后再开挖中隔墙的另一侧。中隔壁法(CD法)适用于Ⅴ级围岩、浅埋、大跨、地表沉降需要严格控制的情况。

图4.2-5　中隔壁法(CD法)

1—左侧上部开挖;2—左侧上部初期支护;3—左侧中部开挖;4—左侧中部初期支护;5—左侧下部开挖;6—左侧下部初期支护;7—右侧上部开挖;8—右侧上部初期支护;9—右侧中部开挖;10—右侧中部初期支护;11—右侧下部开挖;12—右侧下部初期支护;13—仰拱衬砌浇筑;14—全断面二次衬砌

(六)交叉中隔壁法(CRD法)

如图4.2-6所示,与CD法类似,CRD法的特点是各分部增设临时仰拱,每部封闭成环,且封闭时间短,以抑制围岩变形,达到围岩沉降可控、初期支护安全稳定的目的。该法除喷锚支护及增设足够强度和刚度的型钢或钢格栅支撑外,还应采用多种辅助措施进行超前加固。施工大量实例资料的统计结果表明,CRD 工法比CD 工法减少地表下沉近50%,而CD法又优于眼镜工法,但CRD工法施工工序复杂、隔墙拆除困难、成本较高、进度较慢,一般适用于Ⅴ级围岩、浅埋、大跨、地表沉降需要严格控制的情况。

中隔壁法或交叉中隔壁法施工应符合下列规定:

(1)初期支护完成后方可进行下一分部开挖。地质较差时,每个台阶底部均应按设计要求设临时钢拱架或临时仰拱。

(2)各部开挖时,周边轮廓应尽量圆顺。

(3)应在先开挖侧喷射混凝土强度达到设计要求后再进行另一侧开挖。

(4)左、右两侧导坑开挖工作面的纵向间距不宜小于15m。

(5)当开挖形成全断面时,应及时完成全断面初期支护闭合。

(6)中隔壁及临时支撑应在浇筑二次衬砌时逐段拆除

图4.2-6　交叉中隔壁法(CRD法)

(a)交叉中隔壁法(CRD法)开挖三维示意图;(b)交叉中隔壁法(CRD法)开挖纵横断面示意图1—左侧上部开挖;2—左侧上部初期支护;3—左侧中部开挖;4—左侧中部初期支护;5—左侧下部开挖;6—左侧下部初期支护;7—右侧上部开挖;8—右侧上部初期支护;9—右侧中部开挖;10—右侧中部初期支护;11—右侧下部开挖;12—右侧下部初期支护;13—仰拱衬砌浇筑;14—全断面二次衬砌

(七)开挖施工要点

(1)隧道洞身开挖方式和开挖方法应根据地质条件、覆盖层厚度、衬砌断面、隧道长度及工期要求等,经过技术、经济比较后确定。洞身开挖进度应与支护、衬砌等后续工序协调。

(2)隧道施工应进行超前地质预报,并作为一道工序纳入施工组织设计和施工管理中。超前地质预报应由专业人员实施。

(3)隧道施工应根据监控量测数据及最终位移的预测,判定隧道围岩及初期支护的稳定状态,并动态调整开挖时围岩预留的变形量。

(4)不良地质地段隧道开挖应根据实际情况采取加固、短进尺、弱爆破、强支护、勤测量的施工原则。浅埋软弱破碎围岩的条件下,隧道开挖宜采取分部开挖方法。

(5)洞身开挖应减少对围岩的扰动,并应严格控制超欠量。

(6)隧道施工采用钻爆法开挖时,应采用光面爆破。爆破前,应根据地质条件、断面尺寸、开挖方法、循环进尺、钻眼机具和爆破材料等进行钻爆设计。施工中,应根据爆破效果调整爆破参数。

(7)当隧道采用钻爆法开挖,附近有建(构)筑物和其他保护对象时,应进行爆破振动速度监测,进行沉降观测,并采取措施控制爆破对临近建筑物的扰动程度。

(8)瓦斯隧道开挖时,应连续通风。起爆电源必须使用防爆型起爆器,且必须使用煤矿许用电雷管和炸药。