CN114483055A - 特大跨度超浅埋高铁隧道穿越水塘洞段施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了特大跨度超浅埋高铁隧道穿越水塘洞段施工方法,属于地下工程技术领域,包括以下步骤,S1、确定隧道围岩分级,通过计算判定隧道是否属于超浅埋隧道;S2、设置一排中管棚,整根跨越洞顶水面宽度,以确保管棚上方围岩整体稳定,不受爆破振动影响,保证隧道开挖爆破期间水塘段洞顶围岩的整体稳定;S3、采用超前小导管进行超前支护,以确保每循环中管棚下方的局部围岩稳定;S4、确定爆破方案,采用减振爆破技术,对周边孔进行加密,在两孔间增加一个不装药的空孔;S5、进行单循环进尺爆破试验,最终确定单循环进尺。本发明采用中管棚结合超前小导管,同时辅以减振爆破的施工方法,有效保证洞顶安全稳定。
Description
技术领域
本发明属于地下工程技术领域,涉及特大跨度超浅埋高铁隧道穿越水塘洞段施工方法。
背景技术
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种特大跨度超浅埋高铁隧道穿越水塘洞段施工方法。本发明解决了以上背景技术中存在的问题,采用中管棚结合超前小导管,同时辅以减振爆破的施工方法,有效保证洞顶安全稳定。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:通过研究优化开挖程序、爆破技术,合理确定特大跨度超浅埋高铁隧道穿越水塘洞段施工方法,包括以下步骤,
S1、确定隧道围岩分级,通过计算判定隧道是否属于超浅埋隧道;
S2、设置一排中管棚,整根跨越洞顶水面宽度,以确保管棚上方围岩整体稳定,不受爆破振动影响,保证隧道开挖爆破期间水塘段洞顶围岩的整体稳定;
S3、采用超前小导管进行超前支护,以确保每循环中管棚下方的局部围岩稳定;
S4、确定爆破方案,采用减振爆破技术,对周边孔进行加密,在两孔间增加一个不装药的空孔;
S5、进行单循环进尺爆破试验,最终确定单循环进尺。
进一步的,在步骤S2中,当h<2.5h a时,属浅埋隧道;h<h a时,属超浅埋隧道;
其中,h为洞顶离地面的高度(m);
h a为深埋隧道垂直荷载计算高度(m);
按公式h a=0.45×2 s-1 ω计算,式中:s为围岩级别;ω为宽度影响系数,ω=1+i(B-5);B为隧道开挖宽度(m);i为B每增减1 m时的围岩压力增减率:当B<5m时,取i=0.2;当B>5m时,取i=0.1。
进一步的,步骤S3中,在隧道顶部140°范围内施工超前中管棚,管棚采用Φ89mm无缝钢管,壁厚5mm,单根长度15.0m,环向间距40cm。
进一步的,在步骤S3中,中管棚有径向外偏角,角度为10°~15°,中管棚与小导管联合作用,避免开挖过程中管棚下方岩体的脱落,确保每循环中管棚下方的局部围岩稳定。
进一步的,小导管钻孔采用手风钻,钻孔直径Φ50mm,小导管安装采用手风钻冲击器辅助推进,小导管内采用注浆机注入1:1水泥浆,注浆压力0.5~1.0MPa。
进一步的,管棚钻孔采用液压行走潜孔钻机钻孔,管棚钢管安装采用反铲吊起,铲斗配合顶入孔内,管棚采用注浆机灌注水泥浆,浆液水灰比1:1,注浆压力0.5~1.0MPa。
进一步的,在步骤S4中,周边孔孔距45cm,按光面爆破设计装药,不装药的空孔居中设置在两个周边孔之间。
进一步的,爆破钻孔由钻爆工人站在钻爆台车上,采用手风钻钻孔,钻孔直径Φ42mm,炸药采用Φ32mm乳化炸药,总平均炸药单耗0.41kg/m3,周边光爆装药孔孔距45cm,线装药密度150g/m,孔内装药采用MS1~MS11段非电毫秒雷管,孔外网路联接采用MS1段非电毫秒雷管,电雷管起爆。
进一步的,在步骤S5后设置加强支护,隧道穿越水塘洞段采用钢架加强支护,间距0.6m/榀,安装采用挖掘机辅助施工;挂网采用Φ8mm钢筋,网格间距20cm×20cm;喷C25混凝土厚度30cm,采用湿喷台车喷射。
与现有技术相比,本发明具有的优点和积极效果如下。
1、本发明对于超浅埋穿越水塘洞段,采用中管棚保证洞顶整体围岩稳定,超前小导管确保管棚下方局部围岩稳定,周边密空孔隔孔装药爆破技术减少爆破振动。采用中管棚结合超前小导管,同时辅以减振爆破的施工方法,成功地穿越了施工风险极大的水塘洞段,是可以有效保证洞顶安全稳定的。
2、本发明采用减振爆破技术,对周边孔进行加密,在两孔间增加一个不装药的空孔,这样起爆后,在同样的爆炸气体压力作用下,必然沿两侧最薄弱的空孔连线方向首先断裂,降低每开挖循环的爆破振动,这就有效减小了爆破对洞周围岩的扰动,更有利于围岩稳定。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1是本发明隧道与水塘相对位置的布置图;
图2是本发明中管棚与小导管联合作用结构图;
图3是本发明密空孔爆破作用原理图。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。
如图1-图3所示,特大跨度超浅埋高铁隧道穿越水塘洞段施工方法,包括以下步骤:
S1、确定隧道围岩分级,通过计算判定隧道是否属于超浅埋隧道;
S2、设置一排中管棚,整根跨越洞顶水面宽度,以确保管棚上方围岩整体稳定,不受爆破振动影响,保证隧道开挖爆破期间水塘段洞顶围岩的整体稳定;
S3、采用超前小导管进行超前支护,以确保每循环中管棚下方的局部围岩稳定;
S4、确定爆破方案,采用减振爆破技术,对周边孔进行加密,在两孔间增加一个不装药的空孔;
S5、进行单循环进尺爆破试验,最终确定单循环进尺。
在步骤执行过程中,遇到的技术问题以及解决方案如下。
洞顶围岩整体稳定问题:
洞顶围岩为级围岩,节理裂隙发育,以强风化为主,上覆围岩厚度3.960m~5.611m,仅为隧洞跨度的0.265~0.376倍。根据文献,当h<2.5h a时,属浅埋隧道;h<h a时,属超浅埋隧道。其中,h为洞顶离地面的高度(m),本项目可取h=5.611m;h a为深埋隧道垂直荷载计算高度,按公式h a=0.45×2 s-1 ω计算,式中:s为围岩级别,取s=5;ω为宽度影响系数,ω=1+i(B-5);B为隧道开挖宽度(m);i为B每增减1 m时的围岩压力增减率:当B<5m时,取i=0.2;当B>5m时,取i=0.1。经计算h a=14.93m。
因此,h=5.611m<h a,可判定灵山隧道穿越水塘段属超浅埋隧道,极易塌方冒顶。为了保证隧道开挖爆破期间水塘段洞顶围岩的整体稳定,考虑使用中管棚,冲沟A水面宽度只有6.2m,可以考虑采用一排中管棚,整根跨越洞顶水面宽度,以确保管棚上方围岩整体稳定,不受爆破振动影响。
中管棚下方围岩稳定问题:
中管棚施工由于钻机本身及前一循环初期支护层厚度等原因,必须有一定的径向外偏角度,设计上一般10°~15°。按照中管棚外偏角10°计算,每米管棚外偏17.36cm,管棚5m长度位置下方岩体厚度0.87m;10m长度位置下方岩体厚度1.74m;15m长度位置下方岩体厚度2.60m。管棚下方岩体的稳定是确保管棚及其上方岩体稳定的重要基础,也是确保隧道顶部岩体稳定的关键。为了避免开挖过程中管棚下方岩体的脱落,可以每循环采用超前小导管进行超前支护,这样可以确保每循环中管棚下方的局部围岩稳定。中管棚与小导管联合作用情况,见图2。
中管棚搭接对围岩稳定的影响问题:
设计上该洞段(DK96+610~DK96+590) 设置中管棚,沿隧道轴线方向有效长度20m,按照外偏角10°,要求采用Φ89mm热轧无缝钢管,单节管长10m,搭接长度不小于3.0m,按此计算共需要3个循环中管棚,中间设有两个接头,不利于围岩的整体稳定。经考察,分析后得出:水面总宽度6.2m,可以采用单根管长15m的一整根钢管作为管棚,一次性跨越水塘段,管棚两端的上覆岩层厚度均大于8.6m,这样既可以大量减少管棚,又可以更有效地保证洞顶围岩的稳定。
爆破振动对围岩的稳定影响问题:
降低每开挖循环的爆破振动,可以有效减少爆破对围岩的扰动,更有利于围岩的稳定,可以采用减振爆破技术,对周边孔进行加密。原设计周边孔孔距45cm,为了减少爆破振动,在两孔间增加一个不装药的空孔,这样起爆后,在同样的爆炸气体压力作用下,必然沿两侧最薄弱的空孔连线方向首先断裂,这就有效减小了爆破对洞周围岩的扰动,更有利于围岩稳定。作用原理如图3所示。
图3中,A、B均为隧道周边光爆孔,孔距45cm,按光面爆破设计装药;E、F、G为光爆孔间的空孔,孔内不装炸药;CD线为与周边孔临近的外圈崩落孔孔位线;W为光爆孔的最小抵抗线(也称“光爆层厚度”),取W=50cm。光爆孔A、B内炸药起爆后,在爆炸冲击波的作用下,首先沿距离最短、最薄弱的A→E、A→F、B→F、B→G方向产生径向初始裂隙,然后在爆炸高温高压气体的气楔作用下,径向初始裂隙迅速扩大、延伸,并首先在EG间裂通,形成光爆面;同时在爆炸气体的高压作用下,径向初始裂隙沿AC、BD方向迅速延伸,使光爆层碎裂成块,并在高压气体的作用下从母体围岩中剥离、抛出。起爆后首先裂通形成的EG光爆面,有效减轻了光爆层剥离对洞周围岩的扰动。
单循环进尺对围岩稳定的影响:
对于水塘洞段的开挖,安全和进度是一种矛盾。如何在确保安全稳定的前提下不减少单循环进尺,同样是本文研究的课题。对于级围岩正常段开挖,上台阶单循环进尺是1.8~2.0m。根据以往经验,在采取中管棚结合超前小导管,辅以减振爆破的条件下,应该可以保持单循环进尺1.8m。建议在开始的前两个循环进行爆破试验,起爆时,设专人在洞顶水塘附近观察地表振动、稳定情况,以确定是否增减单循环进尺。
水塘水位对围岩的影响问题:
穿越水塘时段正处于枯水季节,水位相对较低,并且仅在隧道正上方侵入到右侧边线内2.5m,水深1.0m,水压相对较小,如果不发生塌方冒顶问题,水塘水位对围岩的影响不大,因此,重要的是要保证开挖过程中围岩的稳定。
抽排水问题:
适量进行抽排,将水抽排到隧道右侧开挖边线外即可,即地下水位下降1.0m即可。
实施例:灵山隧道位于山东省招远市境内,全长1981 m,纵坡为人字坡,上行坡度为3‰,下行坡度为4.5‰。穿越水塘段位于DK96+610.05~96+522.60洞段,全长87.45m。隧道由出口向进口方向掘进,水塘主体位于开挖掘进方向右侧,水域面积6800m2左右,水面高程126.26m,水深2.5~3.5m。水塘主体水面边缘距隧道右侧墙水平距离17.5~20.5m,但有两个冲沟分别延伸到隧道顶部及附近,其中冲沟A位于DK96+603.0,水面侵入到隧道顶部右侧边墙内2.5m,水深1.0m,水面在隧道顶部与隧道垂直相交段水面宽度6.2m,桩号DK96+607.00~DK96+600.80;冲沟B位于DK96+537.0,水面未侵入到隧道开挖边线内,距右侧边线2.5m。
本申请研究对象为冲沟A,具体研究洞段为顶部有水的DK96+607.00~DK96+600.80洞段,水面侵入到隧道顶部开挖范围内2.5m,洞顶水深1.0m。该洞段顶部覆盖岩层厚度3.960m~5.611m,属级围岩,呈强风化状,开挖断面为设仰拱的马蹄形,宽14.93 m、高12.78m。经分析,其它洞段可按照常规级围岩开挖方法进行施工。隧道与水塘相对位置,见图1。
隧道开挖至DK96+609.90,停止开挖,正式进入下穿水塘洞段施工,根据现场地表勘察情况,穿越水塘段隧道顶部覆盖层以级围岩为主。制定方案时,出口作业面已开挖至DK96+625.90,距冲沟A 仅16m左右,掌子面和顶拱均干燥无水,开挖工作正常。通过以上难点问题分析,将穿越水塘段调整为DK96+610~DK96+595洞段,总长15m,具体开挖方案如下:
(1)对水塘内水进行抽排,尽量将水塘内水位下降1.0m,使水位下降到隧道开挖方向右侧开挖边线以外。
水塘降水工作于2021年12月20日开始,至12月30日隧道掌子面开挖至DK96+594.7,成功穿越水塘段,期间水塘水位高程由126.26下降至125.49,共下降77cm。
(2)隧道开挖至DK96+610~DK96+609洞段,停止隧道开挖。在隧道顶部140°范围内施工超前中管棚,管棚采用Φ89mm无缝钢管,壁厚5mm,单根长度15.0m,环向间距40cm。管棚施工应将外偏角度控制在10°左右,避免外偏角过大打穿至水塘内。
管棚施工:管棚钻孔直径Φ110mm、孔深15.0m。采用浙江志高掘进ZGYX430型液压行走潜孔钻机钻孔,管棚钢管安装采用日本小松PC210反铲吊起,铲斗配合顶入孔内。管棚采用TYB-3/100型注浆机灌注水泥浆,浆液水灰比1:1,注浆压力0.5~1.0MPa。
小导管施工:小导管钻孔采用YT28型手风钻,钻孔直径Φ50mm。小导管安装采用手风钻冲击器辅助推进。小导管内采用TYB-3/100型注浆机注入1:1水泥浆,注浆压力0.5~1.0MPa。
爆破试验选择在DK96+609.90~ DK96+606.30洞段。在顶部中管棚和超前小导管保护下,进行了两茬炮的爆破试验,单循环进尺1.8m,在原级围岩爆破设计基础上,将周边孔距由45cm减小到22.5cm,采用隔孔装药技术,以减轻爆破振动。从爆破效果看,地表有明显震感,但无明显沉降变形;洞内开挖爆破成形良好,超挖量较小,通过爆破试验,最终确定穿越水塘洞段开挖单循环进尺采用1.8m。
(5)进行单循环进尺爆破试验,最终确定单循环进尺是否可以保持在1.8m。
爆破钻孔由钻爆工人站在钻爆台车上,采用YT28手风钻钻孔,钻孔直径Φ42mm。炸药采用Φ32mm乳化炸药,总平均炸药单耗0.41kg/m3,周边光爆装药孔孔距45cm,线装药密度150g/m。孔内装药采用MS1~MS11段非电毫秒雷管,孔外网路联接采用MS1段非电毫秒雷管,电雷管起爆。
(6)隧道穿越水塘洞段采用I22型钢架加强支护,间距0.6m/榀,安装采用PC210挖掘机辅助施工;挂网采用Φ8mm钢筋,网格间距20cm×20cm;喷C25混凝土厚度30cm,采用安徽佳乐HSC-3015C型湿喷台车喷射。
潍烟高铁灵山隧道穿越水塘段,于2021年12月18日开始中管棚施工,12月22日管棚施工结束;12月23日自掌子面DK96+609.90开始爆破掘进施工,12月30日隧道掌子面开挖至DK96+594.70,宣告成功地穿越水塘段,共历时8天,进尺15.2m,平均日进尺1.9m。整个开挖穿越水塘期间,隧道右侧洞顶地表均存在地表塘水。
经济效益分析:
原设计图中管棚位于DK96+610~DK96+590洞段,共20m,按设计单根长度10m、搭接长度≮3.0m计算,每循环有效长度不足7.0m,共需要3个循环中管棚。经实地考察水塘水位、地表地形地貌、岩层地表出露情况,同时分析了管棚受力情况,将中管棚优化为DK96+610~DK96+595洞段,实际单根管棚总长度15m。每环中管棚45根。经过优化,减少管棚总长度675m。经济效益分析对比情况,见表1。
表1 中管棚优化经济效益比较
从表1中不难看出,本次穿越水塘洞段,比原设计方案减少中管棚675m,节约成本136957.5元,优化前后工程量和成本均降低了50%,有效加快了工程进度。
工程进度比较
(1)中管棚施工。按原设计方案,需要3个循环中管棚施工,管棚单根长度10m,每循环45根,每个循环实际管棚施工需要3.5天,3个循环共需10.5天。优化后方案只需1环中管棚,单根长度15m,每循环45根,共历时5.0天。
(2)掘进施工。按照原设计方案,穿越水塘段共20m,设计要求开挖单循环进尺0.6m,按2天3个循环计算,日进尺0.9m,共需22.2天。优化后穿越水塘段长度15m,实际开挖历时8天,平均单循环进尺1.9m;按优化前穿越水塘段长度20m算,开挖实际历时10天,实际平均单循环进尺2.0m。原设计方案与优化后方案穿越水塘段需要时间情况对比,见表2。
表2 穿越水塘段时间比较
序号 | 项目名称 | 单位 | 原设计方案 | 优化后方案 |
1 | 管棚施工时间 | 天 | 10.5 | 5.0 |
2 | 开挖掘进时间 | 天 | 22.2 | 10.0 |
合计 | 天 | 32.7 | 15.0 |
注:为了便于比较,表中优化前后穿越水塘段开挖掘进长度均按20m计算。
从表2不难看出,穿越水塘段长度如果按20m计算,优化后方案比原设计方案提前工期17.7天,实际用时仅为原设计方案的45.9%。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明,但所述内容仅为本发明的较佳实施例,不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等,均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.特大跨度超浅埋高铁隧道穿越水塘洞段施工方法,其特征在于:包括以下步骤,
S1、确定隧道围岩分级,通过计算判定隧道是否属于超浅埋隧道;
S2、设置一排中管棚,整根跨越洞顶水面宽度,以确保管棚上方围岩整体稳定,不受爆破振动影响,保证隧道开挖爆破期间水塘段洞顶围岩的整体稳定;
S3、采用超前小导管进行超前支护,以确保每循环中管棚下方的局部围岩稳定;
S4、确定爆破方案,采用减振爆破技术,对周边孔进行加密,在两孔间增加一个不装药的空孔;
S5、进行单循环进尺爆破试验,最终确定单循环进尺。
2.根据权利要求1所述的特大跨度超浅埋高铁隧道穿越水塘洞段施工方法,其特征在于:在步骤S2中,当h<2.5h a时,属浅埋隧道;h<h a时,属超浅埋隧道;
其中,h为洞顶离地面的高度,单位m;
h a为深埋隧道垂直荷载计算高度,单位m;
按公式h a=0.45×2 s-1 ω计算,式中:s为围岩级别;ω为宽度影响系数,ω=1+i(B-5);B为隧道开挖宽度(m);i为B每增减1 m时的围岩压力增减率:当B<5m时,取i=0.2;当B>5m时,取i=0.1。
3.根据权利要求1所述的特大跨度超浅埋高铁隧道穿越水塘洞段施工方法,其特征在于:步骤S3中,在隧道顶部140°范围内施工超前中管棚,管棚采用Φ89mm无缝钢管,壁厚5mm,单根长度15.0m,环向间距40cm。
4.根据权利要求1所述的特大跨度超浅埋高铁隧道穿越水塘洞段施工方法,其特征在于:在步骤S3中,中管棚有径向外偏角,角度为10°~15°,中管棚与小导管联合作用,避免开挖过程中管棚下方岩体的脱落,确保每循环中管棚下方的局部围岩稳定。
6.根据权利要求4所述的特大跨度超浅埋高铁隧道穿越水塘洞段施工方法,其特征在于:小导管钻孔采用手风钻,钻孔直径Φ50mm,小导管安装采用手风钻冲击器辅助推进,小导管内采用注浆机注入1:1水泥浆,注浆压力0.5~1.0MPa。
7.根据权利要求1所述的特大跨度超浅埋高铁隧道穿越水塘洞段施工方法,其特征在于:管棚钻孔采用液压行走潜孔钻机钻孔,管棚钢管安装采用反铲吊起,铲斗配合顶入孔内,管棚采用注浆机灌注水泥浆,浆液水灰比1:1,注浆压力0.5~1.0MPa。
8.根据权利要求1-7任一项所述的特大跨度超浅埋高铁隧道穿越水塘洞段施工方法,其特征在于:在步骤S4中,周边孔孔距45cm,按光面爆破设计装药,不装药的空孔居中设置在两个周边孔之间。
9.根据权利要求1-7任一项所述的特大跨度超浅埋高铁隧道穿越水塘洞段施工方法,其特征在于:爆破钻孔由钻爆工人站在钻爆台车上,采用手风钻钻孔,钻孔直径Φ42mm,炸药采用Φ32mm乳化炸药,总平均炸药单耗0.41kg/m3,周边光爆装药孔孔距45cm,线装药密度150g/m,孔内装药采用MS1~MS11段非电毫秒雷管,孔外网路联接采用MS1段非电毫秒雷管,电雷管起爆。
10.根据权利要求1-7任一项所述的特大跨度超浅埋高铁隧道穿越水塘洞段施工方法,其特征在于:在步骤S5后设置加强支护,隧道穿越水塘洞段采用钢架加强支护,间距0.6m/榀,安装采用挖掘机辅助施工;挂网采用Φ8mm钢筋,网格间距20cm×20cm;喷C25混凝土厚度30cm,采用湿喷台车喷射。
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2022
- 2022-03-31 CN CN202210327857.9A patent/CN114483055A/zh active Pending
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