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饱和性黄土隧道施工工法

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饱和性黄土隧道施工工法
一、 前 言
在土体中修建隧道一般会发生塌方 、 漏水等事故, 施工难度远远大于岩石隧道。中国西北地区分布着大范围的黄土层, 与岩体相比, 土体不但强度低、 变形大、 自撑能力小、 工程性质差, 而且受水的的影响特别强烈, 干的老黄土十分坚硬, 一旦被水浸泡, 达到饱和状态, 其强度大大降低, 饱和性黄土属于隧道中最软弱、 稳定性最差的不良地层, 施工难度很大。我们以新树湾隧道为列总结出本工法, 分析饱和性黄土地质队洞室开挖控制的影响因素, 确定科学合理的施工方法和先进技术的应用, 掌握隧道土体变形破坏的基本规律, 寻求出了适合富水黄土质隧道的合理开挖方式、 开挖循序和支护形式, 保证了隧道施工安全, 同时为富水土质隧道的修建积累了经验, 为同类地下工程施工提供技术参考, 取得了显著成效, 研究开发的《富含水黄土质隧道综合施工技术》分别获得了中铁十四局集团科技进步特等奖、 中国建筑总公司二等奖, 该隧道《加强防水板施工工艺控制, 预防新树湾隧道渗漏病害》QC小组分别获得了铁道部、 山东省”优秀质量管理小组”称号, 该隧道被业主兰州铁路局评为”优质示范工程”, 施工现场被评为”安全文明标准化工地”, 隧道被中铁十四局集团评为了优质工程, 正申报铁道部优质工程。
二、 工法特点
1、 安全性能可靠: 该工法能有效控制饱和性黄土地层洞室开挖的安全。
2、 技术先进, 可行, 工序紧凑, 施工组织简便。
3、 施工快速: 掘进速度可达140多米/月, 为同类地质条件隧道施工的先进水平。
4、 经济性良好, 经过配套技术措施的合理采用和先进控制技术的保障可实现良好的经济性, 保证工程项目效益。
5、 适用性强: 可灵活应用于不同地质情况的纯土质类隧道。
三、 适用范围
本工法适用于含水量较大的黄土地质洞室开挖, 可为其它类型软土地下工程提供借鉴。
四、 工艺原理
典型的富含水( 饱和土) 纯土质隧道, 土体的稳定性极差, 开挖后自稳能力极差, 对开挖控制极为不利, 同时黄土地层内土体具强崩解和弱膨胀性, 开挖一经暴露表层土体即变松软, 卸荷后有回弹松胀现象, 加之水的不良作用, 松动圈组建变大, 极易造成大的塌方事故。黄土具自重湿陷性, 遇水后会发生严重下陷, 致使突然下沉, 使开挖后的围岩迅速伤失自稳能力, 如支护措施不能满足其变化情况, 极易造成塌方。该工法工艺原理是: 采用数字仿真技术模拟整个隧道的施工过程, 预测各个施工阶段的隧道变形、 支护结构内力等, 为及时采用相应的工程措施提供技术保证。掘进方案以正三台阶为基本开挖方法, 经过预留核心土、 仰拱紧跟、 施工用水控制及三维数字模拟计算、 适当加大预留量等技术措施, 并实施开挖控制测量技术研究以指导施工, 摸索黄土的变形特征, 并根据其蠕变特性合理地把握初期支护、 二次衬砌等施工时机。同时在富含水( 饱和土) 黄土质隧道施工中成功应用大量先进技术, 如管棚技术和双浆液小导管超前支护技术、 土层锚杆施工技术、 悬吊法无钉孔铺设防水板技术、 仰拱防干扰平台技术、 潮( 干) 喷施工工艺、 整体钢模台车衬砌工艺、 新奥法施工监控量测心新技术、 三维仿真技术等, 从而确保工程的安全性、 经济性。
五、 施工工艺
对于纯土质隧道一般采用无爆破冷作业法施工, 针对不同地质条件和结构规模采用不同的开挖掘进法, 黄土隧道宜采用短台阶法或分布开挖法( 预留核心土法) , 如单侧壁或双侧壁导坑先墙后拱法、 正台阶先拱后墙法等, 前者适用于大跨度、 地质非常软弱或浅埋段, 后者适用于跨度较小或地质条件较好段。
对于饱和性的黄土质地层, 地下水含量丰富, 属典型的特殊地质和最软弱围岩地质铁路隧道, 施工方案及技术工艺选择要经严谨的科学论证。当地下水丰富, 地质状况较差时, 施工宜采用短台阶法施工。进口端一般存在浅埋、 滑坡堆积、 偏压等不良地质情况, 应首先进行卸载、 锚喷仰坡防护、 管棚或三台阶施工方法。每个台阶的长度6-8m, 上台阶采用人工预留核心土环形开挖, 中、 下台阶采用机械开挖, 马口采用风镐人工开挖。超前支护采用管棚、 双液小导管、 超前锚杆等不同形式。初期支护采用系统锚杆、 钢架、 挂钢筋网喷射砼等形式。单线铁路隧道开挖跨度较小( 一般≮8.5m) , 更适合于正三台阶先拱后墙法开挖掘进和初期支护, 出碴运输可选用无轨方式, 当属于长大隧道或特长大隧道时可选用有轨运输方式, 但都应做好防排水, 应用”仰拱施工防干扰平台”技术解决仰拱开挖与运输的矛盾, 防水板施工可用防水效果良好的悬吊法无钉孔铺设技术, 二次衬砌应采取全断面整体钢模台车方案, 自动计量拌合站拌和, 砼罐车运输, 泵送灌注方法进行施工。整个洞子形成 超前支护及开挖支护、 出渣运输、 仰拱铺底、 防水板铺设、 二次衬砌和水沟电缆槽施工的六道作业线平行作业的局面, 如图1:
(一) 开挖掘进
1、 地表处理
黄土溶洞与陷穴、 直切沟等地质病害在黄土区较为常见, 极大程度影响隧道安全掘进, 可能造成基础下沉、 塌方冒顶、 承受偏压等危险。隧道在较长范围内沿冲沟或源边平行走向。或与其它地下空腔结构临近, 容易造成覆盖层较薄或偏压, 从而发生较大塌方活滑坡事故。施工前应首先做好地表的勘察和异常情况的处理, 以减少地表水对隧道周围土体的侵蚀, 降低对隧道施工安全的影响。
（1） 完善地表水系统, 把地表水疏引至不影响隧道施工的安全处。
（2） 浅埋段地表采取防渗透封闭措施, 集中地表水, 同一排放。
（3） 对隧道上部的冲沟底进行封堵硬化, 防止流水下渗, 对于陷穴、 溶洞要进行密实回填和封口处理 , 对隧道上方的居民蓄水窖、 水井等进行改建或防渗处理。
（4） 对隧道施工影响范围内的安全隐患建筑物进行拆除或重点监控保护。
（5） 加强地表沉降、 开裂、 附近水井水位变化等异常情况的观测、 经常检查, 及时采取处理措施。
2、 洞口仰坡支护与进洞
( 1) 根据设计的仰坡边线位置, 有上及下逐层开挖隧道洞门的仰坡至拱顶位置, 坡度不小于1: 1.5, 刷坡后打设φ42钢管或Φ22钢筋锚杆, 挂设钢筋网或机制铅丝网, 喷射C25砼防护, 并挖砌好枝状排水沟, 疏导水流。若洞口位滑坡堆积体地质或泉眼密布, 软~流塑状极软弱坡体, 应采用深孔注浆或设抗滑桩等加固措施, 以确保进洞安全。
( 2) 进洞施工实施套拱方案。拱部先进洞, 进洞前先进行拱部注浆双排或多排φ100mm小管棚超前支护, 布设形式与密度设置根据洞口仰坡土质软弱情况确定, 管棚长视进口坡体土质稳定情况采用4~8m, 该隧道采用6m。在管棚支护下进行上弧导开挖, 环形开挖, 预留核心土以稳定掌子面, 每次进尺30cm, 快速支立钢架, 采用p43旧钢轨弯制, 3榀/1m,与管棚钢管焊联, 当有局部或少量掉土、 流泥时, 可插入模板挡护。支护进尺一定距离( 一般不超过80cm) 后, 立即安装模板灌注砼形成套拱, 套拱伸出仰坡30~50cm。支立钢架后及时在其节点处施做4根φ22锁脚锚杆, 长5m, 径向或偏角30~45度, 其尾端与型钢焊联, 同时在边墙打入的径向锚杆也与钢架焊联。每测开挖完成后迅速挂设钢筋网片喷射砼, 开挖进尺控制在80cm以内。暗洞开挖4m后( 应控制在6m内) 即进行洞身衬砌, 及早形成洞口安全段。
3、 洞身开挖及支护
由于隧道围岩地质均为饱和土, 并地下水丰富, 底层内土体具有强崩解性和弱膨胀性。土体结构紧密, 干时坚硬, 开挖一经暴露表层土即变松软, 卸荷后有回弹松胀现象, 加之水的不良作用, 松动圈逐渐变大, 极易造成大的塌方事故。同时黄土具有自重湿陷性, 遇水后会发生严重下陷, 致使突然下沉, 使开挖后的围岩迅速丧失自稳能力, 如支撑措施不能满足气变化情况, 极易造成塌方。因此对开挖支护要求较高, 是安全施工成败与否的关键。
( 1) 、 洞身开挖( 施工顺序见图3)

①按照遵循”管超前、 少扰动、 严注浆、 短进尺、 严治水、 强支护、 紧封闭、 勤量测”的原则进行施工, 根据新奥法原理制定技术方案和组织施工。
②为确保隧道开挖轮廓符合设计, 应做好预留量的考虑, 对于黄土围岩地质, 其收敛变形量大, 因此应根据开挖后收敛变形的监测结论进行预留, 拱部沉降不稳定可考虑多预留, 一般25cm, 边墙每侧15cm。整体模板台车较设计加大轮廓5cm, 以防止跑模侵限。
③小进尺的原则要牢固坚持, 不能图一时之快, 以防酿成大的事故, 要稳扎稳打, 工序衔接紧凑, 有条不紊, 一步一步的施工。台阶长度控制在6~8m, 减少每次的开挖面积, 防止土体塌落, 每次开挖进尺要按钢架的分布距离进行控制, 一般不要超过80cm, 即及时进行支护作业。同时下台阶要紧接上台阶施工, 尽量缩短其间隔时间。上台阶开挖前先施作超前导管( I类围岩) 或超前锚杆( II类围岩) , 对围岩进行预加固, 为开挖提供牢固的棚状支护结构, 然后进行分台阶开挖。上台阶开挖宜采用环形开挖留核心土人工风镐开挖, 充分发挥掌子面的约束作用, 增强开挖后的土体自稳能力。上台阶开挖完毕后, 首先迅速初喷封闭岩面, 即刻快速进行型钢支撑的施作及与管棚的焊接和锚杆施工。
④中、 下台阶的中部拉槽开挖采用机械, 严禁两边侧超挖, 同时为确保边墙支护稳定, 中槽应放坡开挖, 上台阶初期支护基底保护襟边不小于80cm, 当土体稳定性恶化, 应适当放大, 进尺控制在3~5m。边墙两侧台阶采用人工风镐双侧交错开挖, 不得使上部结构同时悬空, 每次开挖进尺为一榀型钢间距, 即不得大于1m, 然后立即将拱部型钢结肠, 局部打锚杆、 挂钢筋网, 及时进行喷射砼支护。
⑤马口开挖要保证上面初期吃好向前不小于5m, 其布置和长度应结合地质情况、 收敛变形值分析等因素进行设计, 并严禁掌握。马口开挖采用跳槽法进行, 左右错开, 至少保证3榀钢架错开距离不小于2m, 严禁对开马口, 以避免掉拱事故。开挖利用风镐人工进行, 严禁超挖。若偏帮严重, 可由上及下小步距分部开挖, 随挖随护, 及时打设锚杆和喷壁面砼, 封闭保护。每次马口开挖宽度一般1~3榀钢架范围内( 小于2.5m) 。回头马口必须待相邻边墙初期支护稳定后进行。
⑥施工时要特别注意拱脚与墙脚处断面, 如超挖过大或片帮过多, 应采用浆砌片石回填, 严禁片石干码。如发现该处承载力不够, 应立即加设锚杆或其它措施进行加固。下台阶边墙初期支护接续到底后, 在墙脚处提前施作部分仰拱, 俗称”墙趾”, 以限制其横向位移和下沉, 及早部分封闭, 并为仰拱防干扰提供支撑, 先行施作的部分仰拱可采用钢支撑, 以节省工序时间和免除干扰。
⑦锚杆一般采用干打锚杆、 砂浆锚杆、 自进式锚杆、 长锚杆等形式, 根据具体情况选择使用, 长度根据监控量测的围岩松动圈确定。打设系统锚杆前应首先喷射5cm厚砼进行壁面封闭保护。土体围岩一般情况建议干法施工, 可利用风锤干打Φ22钢筋, 根据围岩监控量测情况, 锚杆长度要保证深入松动圈0.5m。新树湾隧道开挖后围岩松动面位于围岩开挖面深3m左右, 因此, 锚杆长度采用3.5m, 系统 锚杆打入土体后具”串葫芦”效应, 增强土体整体性, 提高围岩自撑力。实践证明该法较为实用, 抗拔力在土体围岩地质较好的情况下满足安全要求, 施工快速, 无污染。若土体软化严重, 应当采用注浆或砂浆锚杆。锁脚锚杆也可如此采用, 但应注意与钢架焊接要牢固, 保证数量, 倾角控制要准确。经工程实践, 土体锚杆施工宜选用干法作业工艺, 对于饱和土应采用自进式锚杆和注浆锚杆。
⑧加强超前地质预报工作, 如钻长超前地质探孔, 及时进行围岩内部应力、 位移等监测, 提前分析总结指导施工意见, 使技术措施紧跟或超前地质变化, 确保施工安全。
⑨土质隧道开挖后收敛变形量大, 要采取可靠措施予以防范, 一时要加大开挖轮廓的预留量; 二是做好收敛变形的施工监测, 及时为施工提供可靠数据; 三是做好初期支护, 确保初期支护设计结构和参数及强度; 四是科学合理把握各工序施工时机, 如开挖顺序、 支护时机、 二衬施作时机等。这些措施主要依赖新奥法施工的认真监控量来实现, 切实为隧道施工提供科学、 准确、 可靠的指导意见。
⑩准确掌握土质围岩松动破坏区( 即松动圈) 的范围、 规模, 可采用杆式多点位移计进行量测, 并进行围岩内部应力的量测, 用科学数据判断不同围岩段松动圈的大小和不同深度的破坏程度, 以此确定支护方案和支护参数。针对这种情况, 系统锚杆要加长, 应进入松动面不小于0.5m, 超前锚杆加长的同时要加大倾斜角度, 保证加固范围, 固结围岩, 避免小塌方引致的道塌方事故和片帮。顶部系统锚杆建议采用自进式锚杆, 以减少对土质围岩的扰动。
⑾施工中发现不安全因素时, 应暂停开挖, 加强临时支护, 以便采取适应性的工序安排。
⑵初期支护
① I类围岩初期支护形式为喷、 锚、 网施工支护和超前支护, 全断面含仰拱喷层厚20CM, 拱墙挂网并设超前小导管双液预注浆(1-4m,a拱部0.4m,边墙0.5m,φ42mm钢管), 拱墙采用自进式D30系统锚杆1-3m, 全断面采用3榀|2m型钢架。
②II类围岩初期支护形式见表1:
II类围岩初期支护形式 表1
φ22砂浆锚杆( 系统锚杆)
钢筋网
钢架
超前锚杆φ22
位置
长度(m)
间距(cm)
位置
间距
位置
间距(cm)
位置
长度( cm)
环向间距(cm)
拱墙
3
100×100
拱墙
20×20
拱墙仰拱
1
拱墙
4
30

③富含水纯土质软弱围岩隧道的支护方法, 按照新奥法原理设计, 锚、 网、 喷支护, 钢架全断面封闭, 自进式注浆锚杆和双液小导管超前支护及流塑段管棚和预注浆加固, 打设环向系统锚杆, 挂钢筋网, 喷射砼初期支护。应采取一切可利用手段保证掘进安全。
④初期支护紧跟开挖施工, 快速工序施作, 使围岩与锚喷支护及早共同作用, 不产生松弛。
⑤支护与开挖同步施工, , 分台阶支立和下落初期支护。钢架节点分3层设置, 横向连接点分别位于拱脚、 边墙中部及底脚, 与仰拱钢架联接要及时、 牢固。每台阶钢架落基点基底要密实, 承载力不够及时锚杆加固, 若悬空脱离, 要塞填木板挤实挤紧。
下台阶施工时, 上台阶初期支护保护襟边部小于80CM, 拉中槽时预留, 机械施工严禁超挖。
⑥钢筋网挂设应在钢架临空侧, 以保证与壁面足够空隙。其搭接长度不应小于10CM, 与锚杆或钢架点焊要牢固。
⑦做好喷前壁面检查, 清除欠挖部位及松动部位, 特别是边帮胀松部位。
⑧喷设砼选用潮喷工艺, 要严格按照其技术法则进行, 保证拌合料质量, 确保强度。喷射机压力以不大于0.2Mpa为宜, 应分层喷设, 以保证足够密实度, 每层厚度控制在8CM以内, 分层间隔时间不宜过短, 与水泥品种、 速凝剂掺量、 施工温度、 水灰比大小等有关, 一般掺速凝剂情况下15min左右。喷射砼厚度应严格控制, 保证设计, 既不超厚以免造成二衬厚度不足, 也应避免厚度不足, 以防造成初期支护支撑力量消弱。
⑨超前支护严格设计参数和工艺技术法则, 注意杆件数量, 仰角准确, 搭接长度, 注浆质量等问题。以保证超前支护实施效果。
⑩充分认识初期支护质量保证对安全的重要性, 要严密检验制度, 确保支护设计参数和施作质量, 要经常检查, 及时修补空鼓、 剥落部分, 应急技术措施要及时跟上, 彻底消除安全隐患。
( 3) 避车洞开挖
避车洞开挖施工一般在其位置两侧二次衬砌完成后进行, 小避车洞人工风镐进行, 大避车洞或会车洞应遵循正洞开挖与支护方案进行。入洞时, 边缘应先弯制支立2~3榀钢架, 间距宜小, 不大于30CM, 与正洞环向钢架焊接联牢固后再向内开挖, 可分两台阶或全断面一次挖够进行, 进尺仍坚持”短”的原则, 锚杆支护同于正洞。应注意的是正洞掘进步预留避车洞位置, 正常施作 , 待开挖避车洞时才割断和凿除边墙初期支护。
( 4) 仰拱施工
仰拱施工是软弱围岩地质隧道施工的一项重要工序, 其开挖顺序、 施工时机、 支护形式等都要适应工程实际, 以确保隧道施工安全。
①仰拱开挖认真贯彻新奥法施工”紧封闭”的原则, 应紧跟掌子面进行, 仰拱紧跟既可保证受力闭合成环, 又可减少水平收敛及沉降幅度, 当拱部及两侧边墙初期支护下落至底脚并达到设计强度即实施开挖, 要快速施工, 一气呵成, 保证及早封闭。
②为避免底部挤压隆起, 仰拱紧跟、 及时填充的同时, 开挖后要及时实施临时仰拱, 可采用便于拆卸的钢木支撑结构, 以减少水平收敛挤压当挤底较为软弱, 可采用向下注浆、 打设锚杆等措施。另外, 预留核心土环形开挖方法也可有效的避免底部隆起。
③在开挖与灌注前, 为防止边墙内移, 宜加设临时型钢横梁支撑。对于单线铁路隧道, 根绝跨度情况可一次挖成循环段, 每循环段应控制在6m以内。若地质流塑软化严重, 应进行向下注浆和锚杆加固或喷砼进行基底加固, 分段开挖, 进尺宜短, 2~3榀钢架范围短循环段施工。
④仰拱中间大部分土体采用机械开挖, 严禁超挖, 墙脚处人工风镐进行。开挖完毕护立即进行砼灌注, 仰拱砼应掺适量早强剂, 以便及早形成受力环。
⑤由于单线隧道断面狭窄, 为解决仰拱紧跟或超前施工与开挖出碴运输相互干扰的问题, 引进了我局开发的”仰拱防防干扰平台”技术, 进行合理改进, 减少了工序干扰, 大大缩短了工序时间, 应用效果良好。
⑥仰拱内型钢架或格栅钢架要及早与边墙钢架焊联或法兰连接, 可采用挖槽逐根连接, 避免大面积扰动地基, 待一个循环段钢架连接完毕后, 再进行开挖, 从而确保良好受力状态。
( 5) 临时防排水
土质隧道一般为非钻爆作业, 开挖掘进主要采取机械或人工直接开挖, 洞内开挖作业受水的侵害主要为围岩渗透水、 注浆作业用水、 喷射砼用水、 衬砌时清洗管道和模板的用水等, 对于土质隧道而言, 水的危害作用非常显著, 因此做好防排水是保证围岩整体稳定、 施工作业安全的关键。
①洞外排水。隧道进洞前应平整洞顶地表, 排除积水, 所有坑洼、 陷穴、 探坑、 钻孔等, 应用不透水土回填夯实。整理隧道周围的流水沟渠, 必要时以圬工铺砌, 防止下渗并使水流畅通。洞口边、 仰坡坡顶外天沟应确保截水引流。反坡施工洞口处设置横向截水沟, 以防止水倒灌入隧道, 同时在洞口外设置一个积水坑, 将截水沟的水引入积水坑, 及时将水用水泵抽至污水处理厂, 经处理合格后排放。
②临时排水与仰拱施工和铺底填充相互照应, 仰拱施工完毕后要及时进行填充, 两侧及早形成排水沟, 上坡施工时可自行将水排出洞外, 下坡时应采取反坡排水沟措施。
③未施作仰拱和填充段, 可采用移动式防渗漏水槽或水管引流至排水沟内, 也可于工作面挖作防渗漏集水井, 统一将施工用水和围岩渗漏水泵抽至排水沟内。此段原土地基暴露, 当地基软弱可铺设临时防水板或喷一层砼进行封闭, 避免渗透水下渗, 浸泡地基, 同时避免机械车辆来回碾压扰动原地基, 机械车辆经过时或铺木板、 竹排, 也可搭设便桥。
④如作业面涌水, 采取埋设导水管进行疏导, 滴水或渗透水小水流采用塞麻筋或竹片引流。渗透水严重地段, 可于初期支护背后埋设透水盲管进行引流。大的涌水应采取预加固技术, 进行有效的封堵和疏导。排水应一次排至临时排水系统内, 避免水浸泡土体。
⑤尽量最大可能避免施工用水对土体的侵害, 清洗砼输送管道和模板的废水直接引排至排水系统, 或用防渗水车运至洞外。所有输水管道必须封闭, 防渗、 防漏。
（6） 装碴与运输
实行无轨运输方式装碴, 采用短臂挖掘机或40B侧翻装载机, 大型自卸车弃碴。
①根据隧道长短、 断面大小、 施工方法、 机具设备等确定好装碴与运输方案, 与开挖掘进作业效率匹配, 提高效率, 优化工序衔接, 缩短工作时间, 减少干扰, 为保证安全创造良好环境。
( 进口、 支口、 出口工作时间)
②隧道内会车洞每200米设置一处, 根据机械设备型号, 会车洞尺寸2.0*12*6米, 大大提高了机械效率, 基本消除了待工现象。
③洞内要照明充分, 运输道路及时紧跟仰拱硬化, 勤清理杂物与废水, 保证道路畅通。机械车辆启动要鸣笛, 运输车辆严禁超载洞内慢速行驶, 保证机械设备运转良好。
④及时通风, 免除灰尘、 废弃污染。
⑤严格遵守机械车辆安全操作规程, 教育司机文明操作驾驶, 机械回转提前疏散施工人员, 做好管、 线路和其它机具材料的防护和躲避, 免除机械伤害。
( 7) 土质隧道采用新奥法施工时, 会遇到初期支护收敛变形大, 围岩难于稳定的问题, 在设置二次衬砌后还会出现衬砌开裂现象, 根据饱和性黄土围岩特性, 确定二次衬砌与开挖掌子面之间的合理距离关系到出去支护和二次衬砌的稳定。为此应制定一套能够适合该隧道地质条件的开挖控制措施, 指导隧道施工。在隧道施工中, 应经过土工试验、 隧道变形的现场监控量测、 三维有限元仿真计算等信息化手段, 对隧道的变形规律进行系统研究, 获得一些有益的成果, 有效地指导隧道施工, 保证隧道施工安全和工程质量。
①三维有限元仿真与 变形预测
施工前可采用三维数值模拟技术, 进行回归分析, 利用现代计算机技术, 建立开挖与变形动态模型, 预测各个施工阶段的隧道变形、 支护结构内力等, 推算最优施工参数, 为及时采用相应的工程措施提供技术保证。同时还可有选择的利用量测数据采用一种基于支持向量机的隧道变形预测智能新方法对隧道开挖变形预测进行研究, 以指导隧道安全施工和完善技术措施为工程 提供参考依据。
软弱围岩建议加强初期支护安全储备, 采用型钢钢架, 发挥其攻读大、 强度生效迅速的提点优势, 尽量免除格栅钢架, 及早变更。
( 二) 结构防排水系统施工技术
结构防排水系统施工主要包括软式透水盲管的布设、 防水板施工、 衬砌施工缝止水、 排水沟等。
1、 软式透水盲管的布设
根据漏水情况, 分散单个漏水点采用φ50mm软式透水管盲沟, 大股水采用钢管引排, 大面积渗透采用大幅复合防水板引排。边墙软式透水盲管的布设按设计要求予以布设。软式透水盲管外层上不用复合防水板盖住, 两侧用φ8的U形筋固定或绳结在初期支护的面上, 沿初期支护每侧6m一道φ50管环向下铺设到边墙底部, 接通沿墙脚处纵向设置的φ100mm软式透水盲管盲沟。盲管布设要整齐、 紧凑、 牢固, 避免人为外斜和下弯、 扭结、 挤死等现象。软管之间联系采用塑料两通或三通。
2、 防水板施工
为确保防水板施工质量, 保证防水效果, 应选用无钉铺设防水板施工技术。隧道防水要求不渗不漏, 可采用悬吊法工艺无钉孔铺设防水板施工。主要工作流程为: 铺设台车就位—初期支护面检查与修饰—挂设挂钉—防水板悬挂—防水板趴焊—充气检验与衬前检查--修补缺陷—合格后进入下步工序。
（1） 焊接质量是防水板防水效果好坏的关键指标, 应采用双焊带焊接, 充气检查压力不得小于0.1mpa, 环向焊缝下坡搭接上坡, 尽量避免水平方向焊缝, 采用时下部搭上部, 并在防水板背面焊缝处加焊一道10cm宽防水板以增强防水效果。焊接部位要清理干净, 无灰尘、 油污等杂物, 焊接时必须要展平, 避免出现焊接褶皱, 当初期支护面部平影响焊接质量时, 可于其背后临时垫三合板, 以保证焊接质量。
（2） 投设U型钉可采用风锤, 为避免其扎破防水板, 可增设防水板角料衬垫。吊带绑扎应紧密, 吊带绑扎处应尽可能使土工布还钉密贴, 以保证与吊带共同均匀受力。
（3） 初期支护表面整修, 在铺挂防水板前, 首先对初期支护严格检查, 凿凸补凹, 对外露钢筋及锚杆部分要烧焊摸浆找平, 即达到防水板与初期支护面密贴的效果, 又防止扎破防水板。
（4） 由于围岩含水量大, 初期支护渗漏水严重, 应注意防水板后渗透水的排出, 以防出现水囊造成衬砌厚度不够, 或将防水板焊缝挤开, 造成衬砌渗水。容易出现的水囊部位为拱部及轨面一下两侧衬砌施工缝处, 要及时排除积水, 防止吊带承载力不够造成防水板塌落, 同时在这些部位提前加密吊带, 增强受力俺去储备。
（5） 防水板铺设后, 衬砌应紧跟, 不要超过3天, 防止防水板暴露时间过长造成吊带强度降低和增加防水板防护工作量, 也不利于对初期支护的观测。
（6） 灌注前二次衬砌砼一定要对防水板质量进行检查, 合格后方可进行砼的灌注。要减少泵送砼对防水板的冲击, 以避免造成吊带扯断和松弛量不够。灌注中严禁振动棒碰撞防水板。二次衬砌若设有钢筋, 焊接时要在焊接点和防水板间加设挡板, 避免烧坏防水板。二衬施工缝应与防水板焊缝错开至少1m, 避免两处重叠增加防水难度。
（7） 避车洞轮廓线与防水板接触处防水难度大, 焊缝多, 施工时应加强焊缝质量的检查, 可在避车洞轮廓线与防水板接触处加设两道透水软管以利及时排水。
（8） 初期支护及其背后的内部位移及压力测试导线的接出, 应经过排水软管由水沟底接出, 禁止在防水板上打孔洞。
3、 施工缝止水条及水沟施工
衬砌施工缝止水条采用矩形膨胀型橡胶止水条, 施工时采用嵌入式。水沟施工前仰拱填充完毕形成水沟底部流水槽, 其上采用先浇注砼边墙方案, 盖板采用预制安装。严寒地区有保温设计的按保温水沟施工, 一般在进洞300米范围。
( 三) 二次衬砌施工
整体钢模台车是隧道衬砌实现机械化施工的重要设备, 它与砼灌注设备配套使用, 可大大提高作业效率, 减轻工人劳动强度和提高衬砌质量。二次衬砌施工应选用整体钢模台车全断面衬砌工艺, 大型拌合站生产拌合物, 砼输送车运输, 泵送入仓, 边墙可采用插入式振动器捣固, 顶部采用附着式振动器振捣。
1、 钢模台车有台架、 模板及液压系统三大部分组成, 经过液压装置立、 拆模板。台车由自动行走系统牵引, 一次可完成全断面衬砌10m,平行式作业, 在一段衬砌完成并达到要求强度后才能脱模, 整车移至下一衬砌段。
2、 根据富含水换土质围岩特性和监控量测结果把握合理的二次衬砌施工时机。对此类地质条件, 二衬应紧跟, 距掌子面距离应控制在50~60m, 尽量缩短初期支护的暴露时间, 必要时可进行跳衬。一般富含水纯土质地质条件下的初期支护7~15天即趋于稳定, 二衬应在初期支护完成后15~20天内完成, 最晚不超过25天。值得注意的是此类蜿蜒收敛稳定一段时间后仍可能发生一定的收敛变形, 由于开挖后, 土体内地下水丰富, 松动去渗透系数哦增大, 地下水重新渗集, 应力二次重分布, 当初期支护支撑能力不能承受, 甚至会发生大的突变破坏, 因此在初期支护第一次趋于稳定后尽快进行二衬。
( 四) 施工供风、 供电、 供水
隧道施工供风、 供电、 供水的组织应科学合理、 既满足施工需要, 又必须节约成本, 制定方案前应根据隧道工程情况进行细致的计算。
①施工用风: 洞内施工用高压风, 由建立在洞外的空压机风站供应。新树湾隧道空压机风站有2台20m3风机组成, 经过φ108mm无缝钢管送至洞内。
②施工用水: 洞内施工用高压水, 可由修建在洞口上方的高位水池的水用φ125mm管来供应。高压水池距离洞顶的高度不小于50mm, 水池的容量不小于30m3,而且要进行防渗保温处理。洞外供水路管的埋深不小于最大冻深。
③施工用电: 施工现场的用电由安装在洞口的变压器供应。洞内的动力电采用380v三相电, 照明用220v交流电, 在衬砌台车、 开挖掌子面等人工作业区采用36v安全电压进行照明, 确保施工用电的安全。为防止停电影响工程施工, 应备用发电设备, 确保施工的正常进行。
六、 机具设备
序号
设备
规格
单位
数量
用途
备注
1
短臂挖机
Pc-56
台
1
中槽等部位挖土

2
侧翻装载机
ZL50c
台
1
装碴

3
自卸车
东风10t
辆
6
运碴及料具倒运

4
拌合站
强制4500L
台
座
砼拌合

5
拌和机
JS350
台
2
砼拌合
备用
6
砼输送泵
HB-60
台
2
泵送砼

7
变压器
500KVA
台
1
调节电压

8
发电机
200KW
台
1
提供电源
备用
9
钢筋加工设备

套
4
钢筋制作

10
型钢冷弯机
自制
台
2
弯制钢拱架

11
电焊机
135-300
台
4
金属焊接

12
空压机
20m3
组
1
提供高压风

13
通风机
88-1
台
2
洞内通风

14
干喷机
转体式
台
3
潮喷砼

15
污水泵
LS618-18
台
6
排出施工废水及渗水

16
整体钢模台新车
全液压
台
2
二次衬砌

17
防水板台车
自制
台
1
挂设防水板及附设盲管

18
自行怕焊机
可控温
台
6
防水板焊接
2台备用
19
栈桥
自制
台
2
仰拱防干扰平台

20
砼输送罐车
HDJ5250
台
3
运送砼

21
风镐

台
12
洞内人工开挖

22
风动凿岩机
YZ-28
把
8
围岩凿孔

23
单液注浆泵
HFV-2D
台
2
砂浆锚杆施工

24
管棚钻机
金星9000
台
1
管棚施工

25
双液调速注浆泵
2TGZ120/150
台
1
小导管施工

合计
台套

七、 劳动力组织
序号
专业分工
人数
主要职责
管理机构
1
指挥组
3
全面管理、 决策、 组织、 协调、 指挥
2
技术攻关
4
开展技术攻关活动, 对课题进行式样量测研究和总结, 制定技术方案, 提出重大技术措施变更
3
技术指导与质量控制
8
编制技术交底, 组织技术培训, 指导现场施工, 进行质量监控和纠正, 积累技术资料, 做好施工记录
4
安全保证
2
实施全员安全管理, 建立岗位责任制, 制定规章制度并组织落实, 组织安全教育, 进行安全控制
5
党务及后勤保障
8
思想教育, 劳资管理, 开展劳动竞赛活动, 综合治理, 生活保障供应等
6
施工保障
3
物质供应, 机具设备维护
7
施工计划于核算

制定工期计划, 进行成本核算
施工队伍( 。。。人)
8
现场保证( 勤杂班)
12
施工用水、 用电、 高压供风、 洞内通风、 道路与现场清理, 洞内清洁, 保卫值班等
9
开完与支护
75
开完作业、 支护作业、 构件制作等
10
出碴运输
10
装碴、 运输、 弃碴平整
11
仰拱铺底班
12
仰拱铺底和洞内水沟施工
12
防水板挂设班
8
防水板挂设
13
二次衬砌班
15
二次衬砌灌注, 台车移位与养护
14
砼供应班
40
砼拌制、 运输供应, 拌合站维修
15
修理班
8
机具设备和各种器具的维护、 修理
16
其它
10

17
合计
220

八、 质量控制
1、 建立健全质量保证体系, 推行iso9000标准, 进行工程全面质量管理。完善内部承包责任制, 制定质量奖惩办法, 将工程质量与个人利益挂钩。
2、 制定创优规划, 确保工程质量达到建设单位工程质量标准要求。并根据创优规划、 认真组织落实各项措施。
3、 在全体工作人员中, 不断组织质量教育, 建立工程质量终身责任制。对灌浆工艺, 工序实行技术员跟班作业, 指导、 监督质量的实施。
4、 严格执行”三检制”, 严格把好材料进场关、 检验关、 使用关, 不合格材料不准验收。
5、 应用先进技术, 注重”四新”技术的应用。
6、 实施严格、 全面的施工监测, 科技创新, 用数据说话, 动态施工控制, 动态管理。
九、 安全措施
1、 建立健全安全管理机构和安全工作规章制度。成立强有力的领导班子, 建立健全安全保证体系, 领导挂帅, 全员参加, 安全长负责, 组织实施对该项目的安全管理, 保证工程安全贯彻贯穿施工全过程。
2、 加强安全生产教育, 提高全员安全意识, 明确技术标准、 控制措施等事项。
3、 根据工程特点, 建立安全岗位责任制, 逐级签订安全生产承包责任状, 明确分工, 责任到人。
4、 每道工序开工前, 做出详细的施工方案和实施措施, 报有关部门审批。在进行技术交底的同时要进行详细的安全施工、 环境保护交底。
5、 抓好现场管理, 搞好文明施工, 经常保持现场管线整齐, 加强用电管理。灯明、 路平、 无积水。易燃物品仓库要设专人防守, 危险区要设有栏杆和标志, 备齐消防器材, 并能防盗。生活区、 拌合站、 加工厂, 要符合防洪要求。
6、 坚持经常和定期安全检查制度, 及时发现事故隐患, 赌赛事故漏洞, 并结合事故的规律和季节特点, 重点防范, 实行奖惩制度。
7、 应用先进技术, 开展科技攻关与技术创新, 确保软弱。复杂地质条件隧道优质、 高效、 安全施工。
8、 做好方案论证, 认真对围岩性质进行分析, 明确工程地质特点, 找准影响因素, 制定具备针对性的技术措施, 并强调抓好落实和方案的科学优化。
9、 强化监测, 把现场监控量测工作及数据和得出的结论与工程实际密切联系起来, 使之切实起到指导施工的目的, 同时依次为先决条件, 做好技术优化。
10、 施工前精心策划, 充分领会新奥法原理, 利用先进技术对围岩开挖变形情况作出指导意义的预测, 做好技术措施预警方案, 准备好相应的极具和材料。

水发育与否是关系到黄土质隧道能否安全施工的关键因素。与岩体相比, 体强度低, 变形大, 自撑能力小, 受水的影响强烈。典型的富含水( 饱和土) 纯土质隧道, 土体的稳定性极差, 开挖后自稳能力极弱, 对开挖控制极为不利, 属于铁路隧道中最软弱、 稳定性最差的不良地层, 施工难度很大。
2、 地层内土体具强崩解性和弱膨胀性。土体结构紧密, 干时坚硬, 开挖一经暴露表层土体即变松软, 卸荷后有回弹松胀现象, 加之水的不良作用, 松动圈逐渐变大, 极易造成大的塌方事故。
3、 黄土具自重湿陷性, 遇水后会发生严重下陷, 致使突然下沉, 使开挖后的围岩迅速丧失自稳能力, 如支护措施不能满足其变化情况, 极易造成塌方。
4、 黄土溶洞与陷穴、 直切冲沟等地质病害在黄土地区较为常见, 极大程度影响隧道安全掘进, 可能造成基础下沉、 塌方冒顶、 承受偏压等危险。
”富含水黄土质隧道综合施工技术”科研项目的主要研究内容是:
1、 经过工程事例分析饱和性黄土地质对洞室开挖控制的影响因素, 确定科学合理的施工方法和先进技术的应用, 为同类地下工程施工提供技术参考。
2、 对围岩物理力学性质进行测试, 掌握实际土体的真实状态。
3、 根据力学性质试验结果建立实际土体的力学模型。
4、 采用数值仿真技术模拟整个隧道的施工过程, 预测各个施工阶段的隧道变形、 支护结构内力等, 为及时采取相应的工程措施提供技术保证。
5、 在隧道施工的同时, 进行大量的监控量测, 包括内控收敛变形、 隧道拱顶下沉、 围岩内部位移、 初期支护和二次衬砌压力、 支护内力等, 以掌握围岩位移和支护变形的动态, 指导合理安排工序, 及时修改支护参数, 为严重危及施工安全时分析原因、 采取相应措施和施工决策提供依据, 确保工程的安全性、 经济性, 同时了