大断面隧道窑（共11篇）
大断面隧道窑 篇1
我国自20世纪70年代就开始探索使用小断面隧道窑烧结砖, 窑断面宽度一般为1.75 m～3.3 m, 通过几十年的摸索, 在这方面积累了非常丰富的经验, 因此小断面隧道窑的产量较高。
大中断面的隧道窑 (4.6 m以上) 在我国出现也就才20多年的历史, 真正大范围推广也就才十几年的时间。尤其宽6.9 m、9.2 m、10.4 m隧道窑, 推广时间更短。目前国内以6.9 m隧道窑使用量最大, 达200余条;9.2 m隧道窑国内只有几十条, 算不上大范围推广;10.4 m隧道窑只有一条, 还没有推广。“断面越大提产越困难”, 好像已成为砖瓦行业的共识。甚至在一次砖瓦会议上, 有位专家发言时直截了当地把大断面隧道窑判了“死刑”, 认为至少暂时不能上, 何时能上?还无法预期。其理由是:通过调查, 几乎所有使用大断面隧道窑的砖厂都严重亏损;而使用小断面隧道窑的砖厂都赢利。利用是否赢利来衡量隧道窑的选型, 固然有其道理, 但总体看来, 未免有失偏颇。使用大断面隧道窑的砖厂确实有严重亏损的, 但这有其深层次的原因, 凡是这样的砖厂绝大多数是国有企业, 机制不活、管理落后, 当地新型墙材价格偏低等是亏损的主要原因;投资大、单位折旧成本偏高是其次要原因。但在河南、安徽等新型墙材价格较高的省份, 笔者走访过十几家使用大断面隧道窑的砖厂, 实现赢利的至少占50%, 有的投资回报率高达20%以上。
不论多大断面的隧道窑, 在保证产品质量的前提下, 实现高产高效是扭亏为盈的关键。笔者曾把新型墙材厂能否赢利总结为三句话:市场是前提, 质量是保证, 达产是关键。在市场价格合理、质量稳定的前提下, 要想实现赢利, 必须尽快达到或超过设计产量。绝大多数砖厂制约产量的关键环节是窑炉, 而决定窑炉产量的关键因素是“车行速度” (轮窑称火行速度) 。出车速度快, 产量自然就高;反之, 产量就低。
下面根据笔者收集的有关窑炉以6.9 m宽平吊顶隧道窑的某些参数 (山东泰安某设计单位设计) 和3.06 m宽微拱隧道窑相比较 (均为一次码烧) 。
以上数据对比说明 (以下用大断面隧道窑代表6.9 m宽窑, 用小断面隧道窑代表3.06 m宽窑) : (1) 大断面隧道窑高宽比小 (0.2058) , 小断面隧道窑高宽比大 (0.5216) ; (2) 大断面隧道窑比小断面隧道窑长23.2 m; (3) 大断面隧道窑单位断面积大 (1.42 m2/m) , 小断面隧道窑单位断面积小 (1.16 m2/m) ; (4) 大断面隧道窑单位断面积最大通风量小 (12 739.3 m3/h·m2) , 小断面隧道窑单位断面积最大通风量大 (14 655.5 m3/h·m2) ; (5) 大断面隧道窑单位断面积设计年产量高 (612.37万块/m2) , 小断面隧道窑单位断面积设计年产量低 (481.93万块/m2) 。
流体力学告诉我们:通风通道其断面越接近于圆形时, 其通风阻力越小。大断面隧道窑因断面呈扁平状, 所以同样长度和同样码坯方式时, 其通风阻力要比小断面隧道窑 (断面呈半圆拱形) 大得多, 因此, 同样的操作方式, 小断面隧道窑车行速度肯定要快得多。
窑越长, 其通风阻力就越大, 车行速度就越慢, 提高产量难度就越大;反之, 窑越短, 其通风阻力就越小, 车行速度就越快, 提高产量就越容易。大断面隧道窑比小断面隧道窑长17.9% (23.2 m) , 所以其车行速度慢, 产量难以提高。
窑炉宽度方向单位断面积大, 说明其单位宽度码坯量大, 单位宽度产量就高。大断面隧道窑单位断面积比小断面大22.4%, 其产量就高。这是大断面隧道窑的优势, 也是其设计产量高的真正原因。
窑炉单位断面最大通风量也是衡量车行速度的一个重要指标, 通风量大, 砖坯燃烧强烈, 车行速度就快, 反之就慢。大断面隧道窑设计最大通风量只有小断面隧道窑的87%, 总风量少13%, 因此在相同条件下其车行速度要慢得多。
窑炉单位断面设计产量高, 达产难度就大, 超产就更困难, 反之达产就顺利, 超产也容易。大断面隧道窑单位断面设计产量比小断面高27%, 所以其达产难度大, 超产就更不容易;小断面隧道窑很容易就可达产, 超产也是很平常的事。
综合以上说明, 五项指标中, 大断面隧道窑只有一项 (宽度方向单位断面积) 占优势, 其余四项都处于劣势。说明大断面隧道窑达产和超产的难度要比小断面隧道窑大的多。
而现场生产实践也很好的证明了这一点。以生产KP1型多孔砖为例, 对比其车行速度 (现场各调查10家) :6.9 m隧道窑最快可以达到75 min/车, 3.06 m隧道窑最快可以达到45 min/车, 其车行速度分别为3.48 m/h、4 m/h, 后者比前者快14.9%。
那么如何提高大断面隧道窑的产量呢?在排除管理方面的原因外, 设计和操作是制约产量的关键因素。
1 要想提高大断面隧道窑的产量, 首先应该抓好设计关
1.1 窑内高不应低于1.4 m (自窑车台面计) , 即设计码90砖14层以上
最初我国的一次码烧隧道窑设计高度都小于1.2m (90砖12层) , 但随着国内硬塑制砖设备性能的不断完善, 一次码高14层已不成问题。2005年我们在大断面隧道窑试验码高14层成功后, 近年先后推广了30多条该型窑炉, 运行都非常好。单条窑炉设计年产量也从原来的5 000万块提高到6 000万块。但考虑到底层砖的质量和坯垛的稳定性, 最高不应超过16层。
1.2 窑炉长度适中
窑炉设计长度不宜超过130 m, 一般页岩砖窑炉100 m～110 m即可, 煤矸石砖窑炉110 m～120 m即可。窑炉长度是影响车行速度的关键因素。我们知道, 轮窑一部火一般12～15个窑室, 总长度60 m～70 m, 我国70年代建成的大批小断面隧道窑长度也在70 m～90 m之间, 其产品质量也是达标的。在这方面我们设计单位好像都走入了误区, 都认为断面大, 窑就应该长。其实, 窑炉断面和长度没有什么必然的联系, 窑的长度应该取决于砖坯原料的性能。诚然, 长一点的窑炉对提高产品质量有好处, 但产品质量并不是随着窑炉的长度不断提高的。所以, 窑炉的长度不宜过长, 保证产品质量就可以了。太长的窑炉只能制约产量。山西某矸石砖厂6.9 m隧道窑长达180 m, 生产4年多都无法达产, 最快出车速度为每天13车, 这个教训是值得我们借鉴的。
1.3 窑炉的顶、侧间隙不宜盲目扩大
为了窑炉的运行安全, 一般顶间隙都大于90 mm, 侧间隙都大于100 mm。小断面隧道窑曲封砖和窑内墙是平齐的, 而大断面隧道窑曲封砖比窑内墙凸出40 mm, 相当于人为地增加漏风断面0.095 m2 (按码高14层计算) , 按平均流速6 m/s计算, 每小时漏风量达2 056 m3。小断面隧道窑两侧没有多余的间隙, 所以其车行速度就要快一点。大断面隧道窑曲封砖凸出40 mm是为了保护窑内墙, 但这么多年实践过程中, 也没有多少家小断面隧道窑内墙因为没有曲封砖凸出来保护而被频繁碰坏的。因此, 大断面隧道窑的侧间隙没有必要盲目扩大 (顶间隙因为考虑到主梁跨度大, 要产生一定挠度, 所以其间隙不宜随意缩小) 。
1.4 窑炉的通风设施设计时应尽量使其运行阻力最小化
a.主管和支管管径宜粗不宜细。管径粗一点其运行阻力小, 尤其支管, 一些含硫原料容易使其内表面结垢, 影响通风量, 稍粗一点能使这种不利影响减少到最小化。
b.排烟风机与窑体之间宜近不宜远。
c.各种管路弯头越少越好。
d.严禁“卡脖子”现象。管路直角拐弯和突然变细都会严重影响通风量, 必须坚决杜绝。
e.排烟闸阀最少7对, 一般应以9对为宜。排烟闸阀少, 窑炉调节困难, 给生产操作带来诸多不便。而且, 如果支管的断面积之和略大于或等于主管断面积, 用闸后其有效通风面积会比主管小得多, 使通风阻力增大, 风机运行电流上升, 增加电耗。原则上排烟支管断面积之和最少是主管断面积的1.5倍 (参见本刊2008年第8期《浅谈隧道窑的用闸》) 。
f.风机选型时风量富裕系数应该尽量大一点。
1.5 配套干燥窑尽量长一点, 确保干燥效果
干燥窑的长度不宜低于80 m。窑越长, 砖坯的干燥效果就越好。干燥效果好, 为焙烧窑快出车打好了基础。
2 其次应该抓好操作关
2.1 码坯宜稀不宜密
操作轮窑的老前辈们总结出了提高轮窑产量的有效措施:稀码快烧。这一理论也同样适用于大断面隧道窑。但因轮窑和隧道窑存在着本质上的差别 (坯与窑的相对静止和相对运动) , 所以其码坯密度的计算方法也存在着差别。轮窑一般稀码标准为220标块/m3～250标块/m3, 折KP1砖129标块/m3～147块/m3。对轮窑而言, 250标块/m3已经属于稀码了, 但对大断面隧道窑而言这一密度就属于“密码”, 因其顶、侧、坯剁间隙面积已经占横断面积的比例达到10%左右, 而轮窑没有这些间隙。所以, 隧道窑断面越大, 其稀码的标准就应该越接近这一经验数值 (220～250) 的下限。6.9 m隧道窑稀码的密度为130块/m3～140块/m3 (KP1) 。
有的砖厂为了提高产量采取密码的办法, 实际上这是非常错误的。码坯密度大, 通风阻力大, 预热带升温缓慢, 高温带难以控制, 进入冷却带温度又降不下来, 想快出车又造成高温带后移, 而且坯垛中间很容易过火, 产品质量无法保证。俗话说:三三得九不如二五一十。每车码3 000, 每班能出3车, 就不如每车码2 000, 每班出5车。
砖坯码完后要求坯垛前后对齐、间隙一致, 整车坯隙能够通亮。这样通风就顺畅, 车行速度就快, 产量就容易提高。但人工码坯做到这一点很难, 码坯工最少通过3年～5年的锻炼才能达到这种熟练程度, 最好采用机械码坯。
2.2 热值适中, 不宜过高
热值太高, 产品容易过火, 窑内高温带向前后延长, 高温点温度超高, 威胁窑顶安全;冷却带降温困难, 若强制降温, 则制品产生冷却裂纹, 影响质量。所以高热值不能提高产量。轮窑操作理论中提出的“低热值稀码快烧”工艺可供我们借鉴, 但热值从高到低要逐步降低, 不要企图一蹴而就, 如果热值忽高忽低, 结果可能适得其反。一般新建大断面隧道窑砖坯热值400 kcal/kg就可以了, 窑炉保温效果好的360 kcal/kg～380 kcal/kg也可以。
2.3 侧间隙和坯垛间隙应尽量小
为了让空气充分助燃, 我们希望所有的空气都从坯垛中间通过。轮窑没有相对运动, 可以把侧间隙和顶间隙缩小到“零”, 而隧道窑因窑车和窑体的相对运动, 为了窑体的安全, 就必须保留顶、侧间隙。为了减少中间过火和砖坯收缩造成的拉裂, 大断面隧道窑还必须在坯垛横断面中间留设2～3道纵向间隙。这些间隙使一部分空气“悄悄溜走”, 做了无用功。尤其侧间隙危害更重, 因为隧道窑的排烟支管大多设计在窑墙的两侧, 这就为漏风提供了便捷的通道, 所以两侧漏风最严重。
窑炉通风率V (坯垛横断面通风总面积与窑通道断面积百分比) 是衡量车行速度的一个重要指标。通风率越大, 说明砖坯间隙越大, 码坯密度越小, 通风阻力就越小, 车行速度就越快。根据我们多年的生产经验, V每提高1%, 车行速度可以提高2%～3%。以6.9 m隧道窑为例, 码坯量为6 300块 (KP1型) 时, 以39块打底, 分三垛, 垛间隙为95 mm, 侧间隙为100 mm, 顶间隙为90 mm, 这时窑炉通风率V1=25.92%;而在同样码坯条件下, 将侧间隙缩小为50 mm, 坯垛间隙缩小为30 mm, 这时窑炉通风率V2=29.05%, V2比V1提高3.13%, 车行速度应最少提高6%;若保持侧间隙100 mm、垛间隙95 mm和顶间隙90 mm不变, 而将码坯量由6 300块减至5 796块 (以36打底) , 则窑炉通风率V3=30.73%, V3比V1提高4.81%, 车行速度最少提高9.6%, 总产量也会有所提高 (5 796/6 300/90.4%=101.77%) , 产品质量会明显改善, 可有效减少中间过火、裂纹等缺陷。若在此条件下, 再将侧间隙缩小为50 mm, 坯垛间隙缩小为30 mm, 这时窑炉通风率V4=34.56%, V4比V1提高8.64%, 车行速度最少提高17.3%。设码坯量6 300块时, 出车速度为85 min/车, 则日产量为106 722块;车行速度提高17.3%时, 出车速度为70.3 min/车, 日产量为118 731块, 产量提高11.25%。原设计年产6 000万块的窑炉, 其设计年产量最少应能达到6 750万块/年。
2.4 生产空心砖时孔洞率应尽量大
砖坯孔洞率越大, 壁越薄, 砖坯越容易着火, 燃烧速度也越快, 车行速度也就能提高。以6.9 m隧道窑为例, 生产KP1型多孔砖时 (孔洞率25%～30%) , 其出车速度最快75 min/车, 而生产大孔型空心砖时 (孔洞率45%～55%) , 出车速度可以提高至50 min/车。
2.5 操作好干燥窑, 确保干燥效果
干燥是焙烧的基础, 要想烧好砖首先将砖坯干燥好, 要想快出砖, 更是要抓好干燥关。轮窑要求砖坯入窑前残余含水率低于6%, 很多人把这个标准应用在隧道窑上, 实际上这是不科学的。因为轮窑可以提前装窑, 依靠窑体的余热和纸挡的漏风对预热带之前的砖坯进行二次干燥, 尽管这个时间不是很长, 但对砖坯排除残余水分仍然起到很关键的作用。隧道窑的长度是固定不变的, 进入隧道窑的砖坯就要纳入预热带, 没有多余的时间对砖坯进行二次干燥;另外轮窑的火行速度一般都小于2.5 m/h, 而隧道窑的车行速度一般都大于3 m/h;所以不能用同一个标准来要求残余含水率。根据我们多年的经验, 进入焙烧窑前砖坯的残余含水率最大不能超过2%, 越小越好, 否则很难实现快进车的目的。
2.6 合理用闸
参见本刊2008年第8期《浅谈隧道窑的用闸》, 此处不再赘述。
总之, 要想提高大断面隧道窑的产量, 窑炉必须设计合理, 操作技术必须过关。只有实现这两条, 窑炉才有可能达产, 如果再有科学的管理, 大断面隧道窑超设计产量运行是可以实现的。
大断面隧道窑 篇2
大断面黄土隧道围岩变形监控量测技术
结合郑西铁路客运专线高桥大断面黄土隧道的监控量测工作,详细介绍了无尺量测技术的观测系统、观测方法、观测要点和观测精度,以及量测数据的计算、应用和回归分析方法,为类似软弱隧道的监控量测工作提供参考和借鉴.
作 者：初厚永 Chu Houyong 作者单位：中铁二十三局郑西铁路客运专线工程指挥部,陕西,华阴,714200刊 名：现代交通技术英文刊名：MODERN TRANSPORTATION TECHNOLOGY年，卷(期)：6(1)分类号：U456.31关键词：黄土隧道 围岩变形 监控量测技术
大断面隧道窑 篇3
【关键词】红土；大断面；隧道；三台阶；预留核心土
1工程概述
1.1工程概况
洞冲里隧道是湖南桃花江核电进场道路大断面红土浅埋隧道，位于湖南省桃江县，起讫里程为K0+650～K1+465，隧道全长815m，隧道进口有近150米V级围岩，该段隧道埋深为16m～19m，围岩开挖宽度为15.5m，开挖高度为13.28m。在该段施工时，采用三台阶预留核心土开挖法施工。
1.2工程地质及水文条件
该隧道通过地层为第四系上更新统风积黏质红土及黏质红土，下部为第四系中更新统风积黏质红土夹黏质红土，底部为中更新统冲积砂及圆砾等，工程区域无断裂构造。地表范围内发育第四系上更新统风积黏质红土，厚9～16m，自重湿陷系数0.001～0.075，按Ⅱ级自重湿陷性场地考虑。工程范围内第四系上更新统及中更新统风积黏质红土均夹有古土壤层，厚1～3m，为弱膨胀土。区内地表水及地下水发育。
2 围岩变形破坏情况
在浅埋段，由于围岩的流变性质，隧道开挖后由于初始应力的释放引起围岩变形，表现为拱顶将沉降和周边收敛。隧道拱顶下沉量过大将导致地表出现大沉降量、开裂以及洞内初支开裂的现象；而隧道的周边收敛过大可能导致钢架的变形失稳、初支倾入二衬限界的现象。
2.1 拱顶沉降
通过长时间监控量测数据显示，在隧道工法进行转换后的一段时间内，由于没有采取有效的施工措施，隧道拱顶沉降很大，也很快，下面以一段断面为例介绍该段的拱顶下沉情况。该断面衬砌类型为Ⅱ超浅（近）类，围岩属弱风化砂岩，隧道埋深12m。
拱顶测点下沉变化曲线成“抛物线”型，整体符合正常规律，但其变化数据都很大：拱顶沉降测点有3个，左侧拱顶测点、右侧拱顶测点、中部拱顶测点，在测点埋设后第一天的下沉量最大即达22.00mm，随后随着时间成曲線上升趋势波动，其中0-12天下沉曲线呈直线增长且增长幅度很大，12-18天曲线变化幅度变小，18天之后收敛趋于稳定，最大累计沉降值为左侧-213mm、中侧-223.69mm、右侧-208.97mm；平均累计沉降值都超过15mm/d。
2.2 周边收敛
断面中台阶周边收敛变化曲线总体呈“抛物线” 形：在测点埋设后的第1天，收敛值已达3.78mm；随后则进入波动增长阶段；到测点埋设0-12天收敛曲线幅度变化较大收敛值累计达49.83mm。下台阶收敛速率明显小于中台阶，收敛值变化曲线呈“厂”形：总体收敛值不大，在测点埋设后当天收敛值达到2.82 ；随后5天呈递增上升但变化幅度不大，累计值在16.99mm，在第6-15天后收敛曲线变化平稳，随着时间递增收敛值基本稳定。
2.3 地表裂缝及沉降
在施工过程中，由于隧道埋深只有16米，且该段洞内红土含水量达到23.5%。在施工该段时严格按照规范施工，隧道地表最终仍出现开裂及下沉量较大现象。在隧道轴线两侧距轴线15米附近出现了3条纵向裂缝，部分断面拱顶沉降量达到40.79mm，地表开裂。
在隧道中轴线每边10～15米的范围内一般有3条平行中轴线的裂缝，其宽度为部分为4cm，最宽的达到10cm。中线处地表，沉降量及裂缝宽度均为该段最大值，沉降量为333.7mm，裂缝宽度为10mm。
2.4 洞内初支开裂
在施工过程中，隧道内初支在仰拱前端前后2～3m处出现环向裂缝。
3 大变形段的施工措施
根据现场施工的实际情况，主要从工艺和工序上对三台阶七步开挖法拱顶下沉量进行控制。
3.1 控制安全距离
安全距离指仰拱或者拱墙二衬与掌子面的距离。先施做第八板拱墙二衬（跳过第六、第七板），使拱墙二衬距掌子面的距离为43.8m，之前是69.4m。接着把仰拱初支及仰拱二衬施工处距掌子面的距离为12.6m，停工前仰拱处距掌子面的距离为35.4m。
本隧道将仰拱初支距掌子面的距离控制在30m以内，拱墙二衬距掌子面的距离控制在60m以内。
3.2 浅埋段地表处理
由于地表的裂缝较大（最大处有43mm），为避免雨天雨水渗入地下，在隧道中线附近用土做成人字坡、铺设彩条布，以利于雨水排出。
3.3 增加监控量测频次
在隧道产生较大裂缝后，监控量测组从发现该问题开始，监控量测人员由5人增加至10人，每天洞内量测由一天两次增加至一天4次（或6次），地表每天量测由一天两次增加至一天4次。及时准确地监控隧道的变形情况，为后续工作的施工提供依据。
4 效果
在隧道施工不断摸索中，隧道施工陆续的采取了以上措施后，隧道围岩变形得到了很好的控制。现以另一断面为例，介绍该断面围岩变形的特点。该断面衬砌类型为Ⅱ超浅（近）类，围岩属弱风化砂岩。
4.1 周边收敛
该断面中台阶周边收敛变化曲线总体呈“抛物线”形（图4-1）：在测点埋设后收敛值已达1.82mm，随后则进入递减增长—趋稳阶段，收敛速率慢慢变小（图4-2），到测点埋设，8天后，收敛值已达12.47mm；已趋于稳定。下台阶收敛值变化曲线呈似 “厂”形：在测点埋设后的前3天收敛值较大，收敛值已达7.53mm，随后收敛测慢慢减小，在测点埋设5天后，收敛值达8.21mm，已趋于稳定。
4.2拱顶下沉
左侧拱顶测点下沉变化曲线呈“抛物线” 形：在测点埋设后下沉既达4.33mm，随后则进入递减增长—趋稳阶段，且有微量波动，到测点埋设后13天，下沉稳定于78.50mm，中部拱顶测点下沉曲线同样呈 “抛物线”形：在测点埋设后下沉既达5.22mm，随后则进入递减增长—趋稳阶段，且有微量波动，到测点埋设第14天后，下沉量基本稳定于78.67mm。右侧拱顶测点的下沉曲线呈“抛物线”形：在测点埋设后的前1天，下沉较大，下沉量达16.06mm，随后则慢慢变小，在测点埋设后第2天和第7天下沉有较小的波动，到测点埋设后第14天后，下沉量基本稳定于82.27mm。
5 结语
该隧道安全顺利通过了浅埋段的施工，我们充分掌握了大断面浅埋隧道施工措施，并从施工艺和工序上对三台阶七步开挖法进行了分析和总结，在控制安全歩距的前提下，隧道施工要着重加强现场质量管控，总结要点如下：
（1）人工辅助修边，严格控制超欠挖；
（2）规范施做大拱脚；
（3）控制型钢钢架的制安质量，保证钢架的整体性，结合围岩的自稳，形成受力整体；
（4）加强监控量测，实时监控围岩变形情况，及时反馈成果，调整现场开挖；
（5）控制施工用水，严禁在作业现场有渗漏现场的发生；
大断面隧道窑 篇4
随着社会不断进步,墙体材料行业产业也在不断升级,淘汰落后产能。烧结砖瓦行业的传统窑型——轮窑正快速被隧道窑取代。砖瓦工业机械化、自动化水平的提高,使得隧道窑的采用越来越普遍。人工成本日益增大,工人对劳动环境改善的要求,也使得隧道窑的采用成为必然。国家发展和改革委员会令第40号《产业结构调整指导目录》中明确指出要淘汰轮窑。
砖瓦行业的产品附加值低,只有规模才能产生效益。生产线规模大,配套窑炉产能必须大,单台窑车的码坯数量也必须大。由于热气流在隧道窑的工作通道中总是向上流动,若依靠在窑车高度方向上增加码坯高度来提高码坯数量,势必造成窑车断面上下温差加大,上下制品的质量不一致。要增加隧道窑产能就必须在窑体宽度方向上扩展空间,由此有了大断面隧道窑,其断面从过去的2.4 m、2.8 m、3.3 m扩大到目前普遍采用的4.6 m、6.9 m、9.2 m甚至超过10 m的断面,窑顶形式从半圆拱、圆弧拱、微弧拱过渡到平吊顶结构。
由于隧道窑断面的扩大,隧道窑的顶结构就显得尤为重要。一方面,隧道窑顶结构必须满足结构的需要,保证承重、密封和安全,满足窑炉附属设备安装和工人操作的需要;另一方面,窑顶结构还必须耐火、承受高温、抗热冲击和耐腐蚀。
下面针对目前采用的几种大断面隧道窑平吊顶材料和吊顶方式做一介绍和比较,方便设计人员和建设单位根据具体情况做出选择。
2 吊顶材料为不定型耐火浇注料——轻质(或重质)耐火混凝土板
2.1 窑顶为整体现浇耐火混凝土板
窑顶结构从下至上依次为“现浇耐火混凝土板+耐火吊柱砖+耐热钢构+主梁(钢梁或钢筋混凝土梁)”。
该吊顶结构的代表窑型为从台湾引进的中断面隧道窑。
该窑顶的优点是:(1)由于整体现浇,密封性能好;(2)耐火吊柱砖在现浇时置入,各个吊柱砖受力均匀。
该窑顶的缺点是:(1)施工难度大,施工过程需要大量模板,内顶标高及平整度控制严格;(2)维修难度大,特别是在生产过程中不便于修补;(3)由于整体现浇,其适应断面较小。
2.2 窑顶为整体预制单元,拼装窑顶,瓦楞铁承重结构
窑顶单元预制成型,结构从下至上依次为“轻质耐火混凝土板+耐火砖葫芦+耐热钢构+保温棉+瓦楞铁承重结构”。隧道窑窑顶为多个预制单元拼装而成。该吊顶结构的代表窑型为从法国西方公司引进的断面宽度为9.20 m隧道窑。整体预制单元结构见图1。
该窑顶的优点是:(1)窑顶安装速度快,外观漂亮;(2)密封性能好;(3)轻质耐火混凝土质轻,既耐火又隔热保温。
该窑顶的缺点是:(1)窑顶单元要提前预制,需要较大的预制和翻转平台,预制及安装难度大;(2)由于窑顶单元面积较大且窑顶被瓦楞铁承重结构覆盖,内顶局部破损不易发现、不易修补和维修;(3)轻质耐火混凝土配方要求严格。
2.3 窑顶为置入吊钩组件小块预制单元,拼装窑顶
结构从下至上依次为“轻质耐火混凝土预制板(置入耐火砖葫芦+耐热钢构)+保温棉+普通钢构+主梁(钢梁或钢筋混凝土梁)”。由于上述2.2所述结构使用性能优良,考虑到整体预制单元制造及安装的困难,将整体预制单元进一步分解为小块单元,每块轻质耐火混凝土板置入4~8葫芦,将轻质耐火混凝土板通过普通钢构与主梁承重结构连接,在轻质耐火混凝土板上做保温层并与主梁保持隔离一定空间。小块预制单元拼装窑顶结构见图2。
该窑顶的优点是:(1)使用性能优良;(2)小块预制单元易制造、易安装、易检查、易维修;(3)瓦楞铁承重结构改为主、次梁结构,造价低且安全。
该窑顶的缺点是:(1)由于窑顶由较多的小块预制单元拼装而成,窑顶密封性能较差;(2)腐蚀气体上窜,吊钩易受腐蚀,甚至受气氛影响吊钩晶体结构改变导致易损;(3)轻质耐火混凝土配方要求严格。
2.4 窑顶为小块预制单元,吊钩组件分体,拼装窑顶
结构从下至上依次为“耐火砖葫芦(置入耐热钢构)+轻质耐火混凝土预制板+保温棉+普通钢构+主梁(钢梁或钢筋混凝土梁)”。该吊顶方式改耐火砖葫芦(置入耐热钢构)与轻质耐火混凝土预制板一体为分体结构,主要克服上述结构中轻质耐火混凝土预制板与吊钩使用寿命不一致的问题,便于更换吊钩组件。轻质耐火混凝土预制板单独浇注成型,在指定位置预留耐火砖葫芦安装空间。
该窑顶的优点是:(1)使用性能良好;(2)便于轻质耐火混凝土预制板在工厂制造和长途运输;(3)易维修,特别针对易受腐蚀吊钩,方便更换吊钩组件,节约维修费用。
该窑顶的缺点是:(1)由于吊板上预留耐火砖葫芦安装空间,导致窑顶安装间隙增多,窑顶密封性能最差;(2)吊钩易受腐蚀。
2.5 窑顶为小块预制单元、置入耐火吊柱、组合吊钩分体拼装窑顶
结构从下至上依次为“轻质耐火混凝土预制板(置入耐火吊柱)+组合吊钩+主、次梁结构”。该吊顶方式克服了窑顶安装间隙多的毛病,保留了方便更换吊钩的优点。组合吊钩与吊板结构见图3。
该窑顶的优点是:(1)使用性能优良;(2)组合吊钩造价低;(3)易维修,方便更换组合吊钩组件。
该窑顶的缺点是:(1)组合吊钩结构复杂;(2)窑顶密封差,组合吊钩易受侵蚀。
从材料上分,不定型耐火浇注料吊顶材料可分为轻质和重质两种,轻质耐火浇注料,密度ρ≤1.5 g/cm3;重质耐火浇注料,如磷酸盐类密度,密度ρ≥2.1 g/cm3。相对轻质耐火浇注料而言,重质耐火浇注料的优点是:(1)配方传统且容易掌握;(2)造价低。缺点是:(1)重质耐火浇注料保温性能较差;(2)预热带吊板易受腐蚀;(3)预制板结构重、吊钩受力较大、窑顶承重结构较大。
3 吊顶材料为耐火吊板或耐火纤维模块
3.1 耐火吊板+吊柱
窑顶结构从下至上依次为“耐火吊柱+耐火吊板+保温棉+耐热钢构+主梁”。
该吊顶结构的代表窑型为从欧洲引进的大断面燃气隧道窑。耐火吊板窑顶结构见图4。
该窑顶的优点是(1)适应温度高;(2)适应性广,易于维修;(3)外观漂亮。
该窑顶的缺点是:(1)安装难度大、精度高;(2)吊顶材料对温度敏感,急冷急热性能差;(3)安装间隙多、密封性差;(4)造价高。
3.2 耐火吊板+锚式吊柱
该窑顶结构从下至上依次为“锚式吊柱+耐火吊板+耐热钢构+主、次梁”。锚式吊柱窑顶结构见图5。
该窑顶的优点是:(1)结构简单;(2)不受施工条件限制;(3)造价适中。
该窑顶的缺点是:(1)锚式吊柱易损,受力不均,锚爪部易折,即结构不尽合理;(2)对温度波动敏感,原料热值波动影响大;(3)密封性差。
3.3 耐火吊板(薄板)+吊柱
窑顶结构从下至上依次为“耐火吊柱+耐火吊板(薄板)+保温棉+耐热钢构+主梁”。该结构吊顶方式与上述两种类似,区别在于吊顶板的厚度,其厚度只有20 mm~30 mm,因此该窑顶结构比较轻巧。
该吊顶结构的代表窑型为从冶金行业借鉴的大断面燃气隧道窑。
该窑顶的优点是:(1)结构轻巧,易安装;(2)吊顶材料耐急冷急热性能好。
该窑顶的缺点是:(1)吊顶耐火部分不承重;(2)窑顶安装时易损坏吊顶板。
3.4 耐火纤维模块
窑顶结构从下至上依次为“硅酸铝纤维模块(内置耐热吊挂件)+主、次梁”。该结构由硅酸铝纤维模块替代了上述窑顶结构中的耐火板和保温层。耐火纤维具有质轻、耐高温和保温功能,可以广泛应用于各行业高温窑炉,耐火纤维模块在隧道窑上的应用使隧道窑断面可以向更宽的方向发展成为可能。耐火纤维模块窑顶结构见图6。
该窑顶的优点是:(1)耐火纤维模块质轻、窑顶轻,适应大断面隧道窑,窑顶承重结构简单、易安装;(2)适应温度高;(3)密封性能良好;(4)耐急冷急热性能好。
该窑顶的缺点是:(1)耐火纤维吸湿后失去弹性,不适宜应用于隧道窑的预热带;(2)造价高。
4 结束语
以上介绍两大类大断面隧道窑的吊顶方式及性能分析,在实际操作过程中应考虑原料种类和成分、燃料成分、生产规模及品种、烧结温度、窑型的大小及投资规模等因素,合理选择大断面隧道窑的吊顶方式和材料。
摘要：介绍了吊顶材料为轻质(或重质)耐火混凝土板和耐火吊板或耐火纤维模块两大类断面隧道窑的吊顶方式及性能分析,在实际操作过程中应考虑原料种类和成分、燃料成分、生产规模及品种、烧结温度、窑型的大小及投资规模等因素,合理选择大断面隧道窑的吊顶方式和材料。
大断面隧道窑 篇5
中隔壁法开挖修建黄土大断面双线铁路隧道施工工艺
简要介绍了工程概况及中隔壁施工法的工艺原理,重点探讨了采用中隔壁法开挖修建黄土大断面双线铁路隧道的工艺流程及注意事项.
作 者：王连生 WANG Lian-sheng 作者单位：中铁三局运输工程分公司,山西晋中,030600 刊 名：科技情报开发与经济 英文刊名：SCI-TECH INFORMATION DEVELOPMENT & ECONOMY 年，卷(期)：2009 19(16) 分类号：U455 关键词：中隔壁法 铁路隧道施工 黄土地质大断面隧道窑 篇6
摘要：人工冻结法施工技术在一些困难地层、复杂地下结构施工中得到了广泛的应用，与其他工法相比，具有很多独特优点和可靠性。以广州地铁六号线大坦沙站方向与车站对接段隧道加固为工程背景，针对超大断面和复杂的条件，提出采用人工冻结法施工。首先基于热力学原理，推导了岩土冻结过程的水热力耦合控制微分方程组，并采用有限元软件对水平冻结过程进行了数值模拟，优化了设计参数。结果表明：积极冻结45天时有效冻结壁平均温度、有效冻结壁厚度、开挖产生最大变形均满足设计要求，最大变形位于冻土底板中间位置；表明采用的人工冻土双屈服面本构模型及水热力耦合控制方程是可行的。同时根据本工程特点，提出了施工技术难点与控制要点，保证了工程顺利实施，研究结果具有一定的实用价值。
关键词：人工冻结；水热力耦合；富水地层；地铁隧道
中图分类号：TU445
文献标志码：A
文章编号：1672-1098（2016）04-0027-06
近年来，随着我国经济的迅猛发展，城市规模不断扩大，人工冻结法施工技术在一些困难地层、复杂地下结构施工中得到了广泛的应用，与其他工法相比，具有很多独特优点和可靠性。
1940年，前苏联学者B.H.Bey hopr首先研究了土中的冰对冻土力学性质的影响；H.A.UBITOBHч揭示了冻土中存在未冻水的事实，并说明了未冻水含量直接与负温条件有关。H.A.TюTюHOB（1947）在他的博士论文中肯定了不只是正冻土中有水分迁移。H.A.ЦbITOBич和C.c.BядOB于1955年解释了冻土流变为随时间变化的一个物理过程。HarLan R.L（1973），Taylor C.S.等提出了饱和正冻土水热耦合模型；Hopke s.w.（1980）第一个考虑外载作用的冻胀模型；2001年李洪升等提出了土体在冻结过程中水热力三场耦合一般数学模型；文献[6]等通过冻结模型试验获得了冻结温度场、水分场和冻结应力场的特征。
广州地铁六号线大坦沙站至如意坊站区间暗挖段隧道冻结加固工程位于大坦沙站侧，为与车站对接段隧道，为双线矩形断面。对接段隧道长度约为13米、高7.45米、宽12米；埋深距地面仅4.43米。原设计采用明挖法施工，因施工段中部地面上有广茂铁路客运线穿过，同时，隧道与车站对接段有近10米的长度在5号线地铁车站的正下方，地下污水、雨水等管线交叉穿梭。受此影响，现阶段不方便组织明挖法施工。现采用水平冻结孔冻结加固土体，矿山暗挖法施工。为此，本论文对水平冻结法施工广州地铁超大断面隧道进行了技术研究。
1.人冻结水热力多场耦合力学模型
1.1基本假定
假设土体为均质连续、各向同性的粘弹塑性材料。研究的土体位于地下水位以下，认为土体是饱和的多孔介质材料，并忽略气相迁移；水分迁移主要是由温度梯度引起的，无溶质迁移；在饱和土中除冻结管提供的热源外，没有其它热源或热汇。假设水和土的热动态平衡是瞬时发生的，即土粒骨架和周围流动的水具有相同的温度。
1.3人工冻土屈服面本构模型
西源模型能反映材料的粘弹塑性质，本文以西源模型为基础，对其中的粘塑性项进行改进，以适用于冻土的复杂变形性质。根据人工冻土室内试验分析提出了一个新的适合冻土的粘弹塑性本构模型，如图1所示。
2.水平冻结方案
2.1工程地质及水文地质概况
根据勘察资料，本区段场地较平坦，起伏不大，砂层分布广泛，厚度较大，地下水丰富，暗挖隧道埋深较浅，隧道结构范围内主要为<2-2>淤泥质粉细砂层，结构下部为<4-1>粉质粘土层，结构上部为人工填土。地下水水位埋藏较浅，稳定水位埋深为0.00～4.80m。冻结加固范围内土层主要为<2-2>淤泥质粉细砂。
2.2水平冻结设计方案
考虑本工程的特殊性和安全要求，冻结帷幕设计厚度为2.0m，平均温度不高于-10°C，采用水平冻结，侧墙和顶部单排冻结孔，底板双排冻结孔，暗挖段端头用双排垂直孔封堵，冻结管规格为ω108×8的20#低碳钢无缝钢管。冻结孔成孔间距控制在1.3m以内（底部双排孔控制间距不大于1.6m），总冻结孔个数为120个，测温孔10个，卸压孔8个。设计最低盐水-温度为-28～-30～C，冻结7天盐水温度达一20%以下，单孔盐水流量5～7m3/h。根据本工程超大断面的特性，采取分区开挖，中间部位水平冻结孔先开机冻结，垂直冻结孔及两侧冻结孔延后10-15天开机冻结。冻结施工过程中为减小对上部既有结构的影响，冻结施工前应通过上部卸压（注浆）孔XTl～XTl3对5号线车站下方、暗挖通道上方土体进行卸压，压力不易卸除时可通过泥浆循环将泥土带出，以减少冻结期间冻胀对上部站台结构的破坏作用。开挖期间根据地面沉降情况对上部卸压（注浆）孔XTl～XTl3进行适当注浆，开挖结束后根据地层沉降情况对上部卸压（注浆）孔XTl～XTl3和通道内预埋注浆管进行注浆。冻结孔和测温孔平面布置和立面布置如图2所示。
3.冻结过程水热力耦合分析
3.1计算参数
由于工程影响范围不大，假设工程所在位置计算范围内各地层均水平分布。冻结加固范围内土层主要为<2-2>淤泥质粉细砂，根据冻土实验报告，取土层对应的物理参数。计算时，冻结前初始地温和空气温度取25°C，空气对流系数为5.0W/m2·℃，结冰温度取-0.6℃，-10%时冻土强度指标取抗压6.4MPa，抗折3.0MPa，抗剪5.5MPa，冻土的弹性模量和泊松比分别取210MPa和0.23。模型材料的计算参数如表1所示，盐水温度降温计划如表2所示。
3.2计算结果及分析
（1）冻结温度场计算结果
通过有限元计算，说明冻结交圈时间为15～20天左右；积极冻结45天后，首先开挖的左上部台阶位置冻土，顶部有效冻结壁厚度可达2.7m，侧墙达到2.3m，有效冻土平均温度达到-11.1℃；“田”字形冻土体中间土体不会冻结，开挖边界温度约为-7.5℃，冻结温度场云图如图3所示。
根据温度场计算，设计积极冻结时间为45天；考虑维护结构散热影响，设计有效冻结壁平均温度-10℃，有效冻结壁厚度为2.0m。可考虑分区开始冻结，中间位置冻结孔比周边孔先开机冻结，左上部分区冻结45天后可开始开挖左上部通道，此时右下部通道最薄处冻土墙为右下侧，冻土厚度为1.9m，开挖到此处时可以达到设计参数。
（2）冻土结构计算结果冻结壁力学分析水平通道外围冻结壁有效厚度为2.0m，冻结壁平均温度为不高于-10℃。冻土壁承载力验算采用许用应力法，根据《旁通道冻结法技术规程》中的Ⅲ类冻结壁强度检验，同时考虑本工程安全I生质，安全系数取：抗压3.0，抗折3.0，抗剪3.0。冻结壁顶面所受土压力根据开挖向下变形特性按主动土压力计算，侧面承受水土压力取静止侧压力系数0.7计算，土的平均重度取18.5kN/m3，计算结果如图4所示。
从计算结果可以看出，计算的应力值小于强度值，冻结壁的总体承载能力可以满足施工要求。开挖产生最大变形位于冻土底板中间位置，最大达65mm，开挖时需要采取措施以减小冻土变形。
根据底部开挖附加变形过大的问题，设计采取分区分断面开挖，中间布置两排冻结孔，形成两排冻土立柱，开挖断面大致分为三个区。施工过程中先开挖中间区域部分，保留两侧冻土立柱，中间部分初衬和二衬做完后，再开挖两侧部分，两侧部分应先施工底部初衬和二衬，再施工上部初衬和二衬，施工过程中应制定详细的工艺流程、开挖步骤，做到随挖随撑，加强监测控制好冻土底板变形。
4.主要施工技术难点及控制要点
根据广州地区地层冻结法设计和施工经验以及该工程所处位置的自身特点，存在以下主要技术难点
（1）结构所处的土层为砂性土，含水量高，渗透性强，为透水土层，本段砂层分布广泛，且厚度大，连通好，和地表水水力联系密切，富水性强。在钻孔和开挖时，易发生涌水坍孔等事故。
（2）冻结施工地点离两侧珠江水系较近，有500多米。易受江面潮水起落影响，引起地下水的流动，造成一定的冷量损失。
（3）冻结地层离地面较近，顶板冻结边线离地面只有约2.4米，广州的气温较高，气温对地面的温度影响对冻结帷幕不利，以及积极冻结期主要位于雨季，可能对冻结效果影响比较大。冻结期浇筑混凝土，可能对混凝土本身的强度造成一定影响。
（4）地面有正在运营的地铁5号线，冻结区域离站厅较近，冻胀力释放控制不当容易引起车站站棚变形。同时冻结体顶板处有排水管路，冻结过程中很容易对管路造成冻胀挤压破坏，施工过程中需采取有效措施减小冻胀对附近构筑物的影响。
针对以上技术难点，施工过程中应做好以下技术要点的控制
（1）冻结施工前，应对该地层进行适当的改良性注浆，以减小流动性雨水、地下水等对冻结壁的影响，同时减小施工过程中的冻胀以及后期的融沉。
（2）钻孔时，采取二次开孔，首先将车站结构和连续墙开孔开通，在孔口安装专门的密封装置，再进行钻孔施工。采取跟管法钻进，冻结管兼做套管，一次性成孔，减少水土流失，控制对地层的扰动。控制冻结孔施工质量，在冻结孔长度、偏斜和密封性能上保证100%合格。
（3）冻结制冷量保留较大富余，设备考虑一定量的备用，以保证冻结施工的连续性，确保加固质量和施工安全。
（4）在地面站厅和冻结线位置施工一定量的水平卸压孔，安装压力表，进行动态监测，并结合沉降及变形监测情况及时进行卸压，控制冻胀力对周边环境的影响。
（5）开挖过程中采用分区、分台阶法、小断面、短步距的开挖方式，并及时进行临时支护，为减小开挖面冻结壁散热以及低温冻土对新浇筑混凝土的影响，初衬采用铺设木背板加型钢后喷射混凝土支护。随着开挖暴露面不断增大，必要时采取铺设保温层等保温措施。
（6）加强冻结过程中对盐水箱液面的测量，一旦发现盐水泄漏，及时汇报，并及时对现场所有盐水管路进行检查，首先判断是因冻结管断裂或焊接质量有问题出现的盐水泄漏（此盐水漏人冻结土体内），还是从冻结胶管或是盐水干管及阀门中泄漏的（此盐水未漏人冻结土体内）。若盐水漏人冻结土体外，直接根据情况及时修复，再恢复冻结；若盐水漏入冻结土体内，则要用排除法进一步确定是哪些组出现了问题，最后确定到具体的冻结管，采用下套管的方法，再恢复冻结。
在施工过程中，加强对地面、地层压力、土体温度、地层沉降进行监测，为指导施工。为减少融沉对结构的影响，在结构上预埋注浆管，施工结束后，进行跟踪注浆施工，控制融沉量，直至稳定。
本工程冷冻机于2012年3月23日开始正式运转，5月13日所有冻结孔开始冻结，6月16中间区域正式开挖，9月19日完成整个暗挖段二衬结构，施工取得了圆满成功。并且在此施工过程中所有监测数据正常，均在允许范围内，对周围构筑物及环境未造成任何重大影响。5结论
本文以广州地铁六号线大坦沙站方向与车站对接段加固隧道为工程背景，针对超大断面和复杂的工程地质条件，开展冻结法施工技术研究，获得以下几点结论：
（1）基于热力学原理，推导岩土冻结过程的水热力耦合控制微分方程组，获得适用于人工冻土的双屈服面本构模型，通过工程实例验证了模型的正确性。
（2）采用有限元软件对水平冻结过程冻结壁水热力耦合进行数值模拟，得出开挖产生最大变形位于冻土底板中间位置，根据数值模拟计算结果，进一步优化了冻结设计参数。
大断面隧道窑 篇7
关键词：高速铁路,黄土隧道,上半断面,贯通
1 工程基本情况
隧道设计为双线, 线间距5 m, 设计时速350 km/h, 采用暗挖CRD法施工, 开挖断面面积为164 m2, 衬砌完成后最小使用面积为100 m2, 全隧地处湿陷性黄土地段, 围岩自稳性差, 遇水在自重作用下下陷, 全隧最大埋深为50 m, 最浅埋深为2 m。进口段30 m、出口段30 m设置ϕ89大管棚。进出口均采用1∶1.25斜切式洞门。
2 施工总体方案
1) 隧道由进口单口掘进, 接近出口段时由出口段施工上半断面进行贯通, 贯通段设置为30 m。进口掘进至贯通段后, 停止施工进口并对掌子面进行锚网喷封闭。然后从出口进行贯通前准备, 首先开挖出口1号和3号洞室, 支护采用锚网喷和型钢钢架支撑紧跟, 将1号和3号洞室形成小封闭环, 下半断面用锚网喷封闭加强原始状态进行加强, 上半断面实现贯通后, 下半断面再由进口施工至出口从而实现全隧贯通。
采用上半断面贯通主要有以下几个因素:a.小洞室断面小贯通时安全性高。b.上部洞室封闭成环, 使大管棚有效稳定, 稳固支撑上部土体, 稳定上方土体下塌的趋势。c.出口原状地貌作为核心土尽量不要扰动, 以起到阻止仰坡土体向前滑动的作用。d.贯通点选择在大管棚下方, 同时在施工到贯通点前施工一环小管棚, 利用大管棚和小管棚的支撑作用, 保证上方土体的稳定性, 确保贯通顺利实施。e.贯通时将沉降和收敛预留量比正常情况下加大20 cm, 确保衬砌厚度。f.成立应急小组, 确保现场问题可以及时得到解决。
2) 具体措施:从出口去掉拱部以上核心土开挖1号和3号洞室, 1号和3号洞室掘进10 m, 用6 m长纤维锚杆和喷射混凝土封闭掌子面, 将横撑按照设计弧线形施工并满喷混凝土形成临时仰拱, 同时中隔壁满喷混凝土, 这样出口上部形成两个封闭的小洞室, 既保证了大管棚的稳定, 同时出口下部核心土仍然可以起到阻挡边坡滑动的作用, 3号洞室中部采用方木在核心土处对初期支撑型钢钢架进行支撑, 2号和4号洞室暂不施工不扰动下部核心土。进口从进入贯通段前40 m处开始仰拱每环施作长度为5.2 m, 二衬施作长度为10.4 m。施工进入贯通段时各洞室步距必须满足以下要求:3号洞室距1号洞室不得大于3.0 m, 2号洞室距1号洞室不得大于6 m, 4号洞室距3号洞室不得大于6 m, 仰拱距1号洞室不得大于13.2 m, 二衬距掌子面不得大于23.6 m。进口方向在仰拱及二衬跟进满足要求时, 1号洞室施工进入贯通段15 m时其他各洞室封闭掌子面停止施工开始单独掘进1号洞室贯通点, 随后贯通3号洞室, 其余各洞室依次掘进和贯通。
3 施工具体步骤
3.1 准备阶段
此阶段主要工作是为贯通收集围岩量测资料及调整步距。对地表进行仔细勘察, 对陷穴、坟墓进行处理, 在地表设置观测桩, 负责沉降、偏移的量测。
1) 从现在开始对洞内和地表进行相关监控量测, 监控量测必须进行以下必测项目:洞内外观测、水平相对净空变化值的观测、拱顶下沉量测、地表下沉量测、地表偏移量测。具体按图1进行布点。
洞内收敛及沉降按照每5 m布设一断面, 每个断面布12个观测点, 具体位置见图2, 拱顶沉降在1号洞室及3号洞室各布置一处, 隧底中线布一处, 在左、右拱墙及临时中隔壁各设三处收敛观测点, 观测频率为2次/d。
地表观测点沿隧道中线纵向每10 m一断面, 每个断面9处观测点 (垂直于线路方向每5 m一处) , 观测频率1次/d。所测数据及时进行整理并上报。
从进口方向施工距离贯通段40 m时开始加大预留沉降量20 cm, 仰拱改为5.2 m一环。
2) 调整步距:施工中应坚持“短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则, 各步距必须满足以下要求:
进口方向从进入贯通段前40 m处开始仰拱按照5.2 m一环施工, 开挖按照每次0.6 m, 仰拱按照1.2 m一开挖、一支护的原则施工。1号洞室施工进入贯通段处时3号洞室距1号洞室不得大于3.0 m, 2号洞室距1号洞室不得大于6 m, 4号洞室距3号洞室不得大于6 m, 4号洞室到仰拱距离为4.7 m, 仰拱距1号洞室距离13.2 m, 二衬距掌子面不得大于23.6 m。钢架间距按设计0.6 m施工。
出口方向1号～3号洞室距离为2.4 m, 从掌子面到明暗交界10 m, 1号洞掌子面施工至贯通面。
3.2 贯通阶段施工步骤
1) 进口从进入贯通段前40 m处开始横撑纵向喷射1.5 m宽, 20 cm厚的网喷混凝土, 横向每隔10.4 m满喷2榀横撑, 临时中隔壁钢架间喷混凝土厚度不得小于18 cm。永久支护各增加两根4 m锁脚锚杆, 每3.0 m施作一环超前小导管, 单根长度5 m, 环向间距0.3 m, 进入大管棚段可在大管棚间隔中间施工。进入贯通段时型钢钢架间距改为0.6 m, 各洞室必须同步掘进保证步距。1号洞室掘进至贯通段时将步距调整到要求步距关系, 仰拱距1号洞室不大于13.2 m, 拱墙衬砌距1号洞室不大于23.6 m, 开始按照步距关系各洞室采用人工开挖同步掘进, 保持步距。必须按已下发的技术交底进行焊接, 临时钢架与永久钢架连接处按照要求采用栓焊连接, 同榀钢架全断面的垂直度及与中线的垂直度满足验标要求。临时钢架不得采用变形严重的倒用钢架, 临时中隔壁的线形必须顺直且钢架腹板间的混凝土厚度不得小于18 cm。永久钢架下垫槽钢的长度必须满足设计要求并用木楔楔实。
2) 从进入贯通段开始横撑全部满喷混凝土, 1号洞室施工进入贯通段15 m时各洞室停止开挖并封闭掌子面。将仰拱和拱墙跟进贯通段里程, 从贯通段里程前10 m处开始施工拱墙防水材料和钢筋不再使用钢筋台车, 采用在衬砌台车端部焊接3个3 m长的平台作为施工拱墙钢筋和防水材料的平台。
3) 出口方向挖除拱部以上核心土, 开挖1号和3号洞室, 1号和3号洞室间距3榀, 1号封闭掌子面后3号掌子面与1号施工至相同里程, 横撑按照设计做成弧线形, 对中隔壁和横撑满喷混凝土, 3号洞室钢架采用方木斜撑支撑于核心土。用6 m长纤维锚杆并喷射混凝土封闭掌子面。
4) 进入贯通段15 m处预留小导管工作室, 施工一环9 m长小管棚, 所有小导管进行注浆。开始进口1号洞室单独掘进, 采用人工开挖, 直至1号洞室贯通。过程中严把永久及临时中隔壁焊接及喷混凝土厚度关, 横撑跟进并满喷。
5) 1号洞室贯通后, 贯通后核心土不得一次取掉, 取一段核心土安一榀横撑、喷一榀横撑直至横撑全部安完。1号洞室永久及临时支护全部施工完毕后, 3号洞室开始掘进, 与出口上部贯通。
6) 1号和3号洞室贯通后, 2号洞室、4号洞室开始掘进, 每完成6 m后及时施作5.2 m的仰拱, 每两环仰拱完成后施作一环衬砌。仰拱最多开挖不得超过3榀, 实行挖3榀、立3榀、喷3榀 (每榀0.6 m) 的原则, 必须使用喷射混凝土, 各洞室按要求步距同时掘进, 全断面贯通仰拱施工完成后再施工洞口衬砌。
参考文献
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[5]隋修志.隧道工程[M].北京:中国铁道出版社, 2010:1.
大断面隧道爆破设计与改进 篇8
花石隧道采用的是新奥法原理, 上下台阶法开挖, 开挖爆破中炮眼的布置间距较小, 炮眼平行, 通过控制每个炮眼的装药量, 选用私密度和低爆速的炸药, 采用不耦合装药, 得以控制爆破作用的范围和方向, 借此减少超挖、欠挖和支护的工作量, 增加岩壁的稳定性, 减少爆破的震动作用, 进而达到控制岩体的开挖轮廓。爆破结束后可以更加有效地与混凝土和锚杆支护相配合。
1 工程概况
新建兰渝铁路六标段花石入口隧道所处位置, 地形西高东低, 起伏较大。地面高程约在615 m~1 284 m, 相对高差约669 m, 隧道最大埋深约630 m。隧道进口位于四川省广元市朝天区花石乡小湾子头村, 施工里程为DK478+765~DK481+750, 长度为2 985 m, 纵坡依次为6‰, 13‰, 12.8‰的单面下坡。
隧道采用新奥法开挖, 上下台阶法作业, 上台阶开挖断面74 m2, 下台阶开挖49 m2, 以炭质千枚岩和板岩为主。岩体较破碎, 节理、裂隙较发育。现以风化破碎的千枚岩段 (f=4~6) 为例进行分析。
2 爆破设计
1) 根据月计划计算炮眼深度进行炮眼深度的设计。
其中, l为炮眼深度;L为每月工作进度, m;N为每月工作日, d;n为每天完成循环数;η1为正规循环率 (每月实际完成的循环个数与计划循环个数的百分比, 应不小于90%) ;η2为炮眼利用率。
2) 炮眼直径。
依据我们选用乳化炸药的密度和爆速, 以及围岩的单轴抗压强度, 并结合以往的施工经验选择2.0的不耦合系数, 选用的乳化炸药的直径为200 mm, 钻杆的直径为200 mm, 钎头的直径为400 mm, 炮眼直径为400 mm。
3) 炮眼数目 (N) 。
其中, N为炮眼数目;q为单位炸药消耗量, kg/m3;s为巷道掘进面积, m2;m为每个药卷长度;η为炮眼利用率, 0.85~0.9;α为平均装药系数, 0.5~0.7, 掏槽眼取0.7~0.8;p为每个药卷的重量, kg。
经过计算上台阶炮眼计算数目为136个。
炮眼数目初定后, 经试排, 确定数目, 经过n个循环实践调整、优化, 最终确定炮眼数目。
4) 工作面炮眼的布置。
主要有以下几类:掏槽眼:在工作面上最先爆破, 形成第二个自由面的一组炮眼。周边眼:在井巷工作面为控制掘进断面周边轮廓而钻凿的一组炮眼。辅助眼:在掏槽眼和周边眼之间钻凿的炮眼, 使大量岩石崩落的一组炮眼。
a.选择掏槽方式。
根据现场的实际情况, 围岩性质, 决定采用楔形掏槽, 与工作面夹角55°~75°, 每侧眼间距取300 mm~500 mm, 眼底比其他炮眼深200 mm, 眼底距200 mm, 采用楔形掏槽, 掏槽面积大;爆破效果好;雷管段数少;利于全断面一次爆破。由于在断面大时不约束炮眼的施作, 尤其适合大断面的隧道的开挖。
b.确定周边眼距, 辅助眼和底眼眼距, 以及最小抵抗线。
查找《爆破工程实用大全》, 结合花石隧道的围岩性质, 初步确定周边的眼距为600 mm, 底眼的眼距为800 mm。辅助眼的眼距为700 mm, 最外层炮眼距离设计线为150 mm。
c.分配各种炮眼装药量 (见表1) , 再验算单位炸药消耗量。
d.装药结构和起爆顺序。
采用不耦合装药, 且采用空气柱间隔装药的方式。起爆顺序是:掏槽眼, 辅助眼, 帮眼, 顶眼, 底眼。
3 实际爆破过程中出现的问题
进行了爆破作业的初步设计后, 我们通过现场的实际操作进行检验, 按照动态管理的思想, 从组织、管理、经济、技术的角度去实施纠偏。
在隧道开挖进行了一段时间后我们发现了以下问题:
1) 隧道开挖的超欠挖现象突出, 开挖面不整齐。
2) 炮眼的利用率低, 最低的时候仅为55%, 开挖状态不均衡, 有时候的炮眼利用率能达到90%。
3) 爆破的岩块不均匀。
4) 炮工打眼时炮眼定位不准确, 不进行系统的定位, 打眼作业非常随意。
5) 掌子面开挖凹凸严重, 十分的不平整。
4 解决措施
4.1 原因分析
依据动态管理的理论, 依照隧道已开挖段的围岩、机械、人员、组织等方面进行了分析。
1) 开挖炮眼利用率有时不足85%, 主要由以下几个方面造成:
隧道内的围岩性质有变化, 在花石隧道中, 每开挖几十米总会遇到岩性软弱的岩层, 这个时候, 炮眼利用率较低的情况特别的明显。
在开挖时, 炮工班为了图省事, 在现场技术人员不在的情况下, 竟然使用炮泥, 直接的开口放炮。
辅助眼的分布不均匀, 不按照炮眼分布图进行炮眼布置, 导致爆破后岩块体积较大。
2) 开挖超欠挖现象突出, 掌子面凹凸严重, 隧道轮廓线上留下半个眼痕的炮眼数不足50%。主要由以下几个方面造成:
炮工在开钻周边眼时, 不按照技术交底的炮眼角度进行打钻, 周边眼眼距和钻眼角度, 有时甚至超过隧道轮廓线。炮眼的眼底, 不落在同一个底面上, 以控制炮眼的深度为主要控制, 不注意炮眼眼底的控制。
4.2 纠偏措施
1) 组织措施。
在现有的炮工队伍里将炮工组长的任务明确为:保证炮工班的施工作业质量, 尤其是保证炮工炮眼的布置, 打眼的质量, 辅助眼的均匀分布和周边眼的角度控制。
2) 管理措施。
和开挖班签订质量及进度保证合同。对炮工班进行最低工作量限制, 督促提高自身作业质量的意识。加强现场工作的指导, 技术员及时的了解掌子面的开挖状况, 结合现场及时的做出调整。
3) 经济措施。
结合签订的质量和进度合同, 当开挖班的月进度以及质量达到合同要求, 要进行合理的奖励, 如达不到要求, 在领取保底工资的同时, 根据实际情况领取全额奖金的一部分。
4) 技术措施。
每个星期对现有的循环数进行班组分析, 找出技术上的难点易错点和通病, 及时的通报解决;保证班前技术交底落到实处, 检查交底的落实情况。当碰到软弱围岩时, 不采用一次爆破的手段, 采用跳段爆破的手段。由于各段的爆破时间延长, 岩石得以充分的粉碎。第一, 可以减少抛掷的距离以及岩石的抛掷量。第二, 增加了岩石的破碎程度。跳段爆破后, 爆破缀体集中性好, 利于装岩运输。
5 结语
经过一系列的纠偏措施, 花石隧道进口, 在纠偏结束后即达到采用气腿式风钻, 在仅有14人作业的情况下, 月度连续作业开挖130 m的业绩, 领先于同类施工机械的其他隧道开挖量。隧道的爆破开挖设计应该包括前期的参数设计和后期的参数改进, 特别是设计后期的采取动态管理的方法提出的纠偏措施, 是保证隧道开挖设计科学、有效、经济的必要手段。花石隧道的开挖设计可以作为其他隧道开挖设计的一个现实范例。
摘要：鉴于隧道爆破开挖对施工进度、成本控制和安全管理的重要意义, 结合新建兰渝铁路花石隧道的工程案例, 就大断面铁路隧道爆破开挖的设计过程进行了研究, 总结了工程中出现的问题, 并给出了解决措施, 保证了隧道开挖设计的科学性、有效性、经济性。
关键词：隧道,爆破设计,炮眼,措施
参考文献
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[2]丛云野.大断面隧道光面爆破技术的改进与应用[J].科技致富向导, 2013 (6) :223-226.
浅析大断面公路隧道的施工控制 篇9
关键词：大断面公路,隧道,施工控制
本文通过阐述公路隧道规范的有关规定, 从主要的几个方面总结公路隧道防施工控制要点, 从而确保隧道工程质量, 从根本上消除隧道病害和延长隧道寿命。
1 我国公路隧道发展
我国是个多山国家, 75%左右国土都是山地或重丘, 且江河纵横, 海域宽阔。近十年来, 公路网交通逐渐向崇山峻岭穿越, 向离岸深水延伸, 山岭公路隧道以年均350公里的速度增长, 28座水下公路隧道也已建成通车;同时, 在城市建设中, 以节约土地和保护环境为宗旨, 城市道路隧道方兴未艾, 地下互通立交也应运而生。无论从基础理论方面、还是从研究手段方面、勘测设计技术方面、建设规模方面、结构型式方面等。总体来讲, 公路隧道的建设已进入快速发展时期, 其建设成就表现为基础理论日趋成熟, 研究手段日益全面, 勘测设计技术日益先进, 建设规模日益宏大, 结构型式日趋丰富, 施工技术迈进机械化, 材料日益先进, 装备渐趋完备等。同时, 由于相关研究的不断深入与工程实践的迫切需要, 并伴随着一批新结构型式的开发与实践, 也丰富了隧道的结构型式, 增强了隧道工程的生命力。
2 大段面公路特点、重点、难点
公路隧道断面具有面积大、跨度大以及扁平率低等特点, 然而对出现的某些特大断面公路隧道的断面形式、支护参数和施工方法等关键因素要通过监控量测与反馈分析, 评估大断面公路隧道支护结构的受力性态, 完善和优化设计, 合理控制工程造价, 并解决特大隧道断面形状的选择、不同围岩类别条件下合理隧道支护形式及支护参数的确定等关键问题。为今后类似的大跨度隧道及其他地下工程的设计、施工和造价控制提供定量依据。然而隧道浅埋段覆盖层薄、围岩稳定性差, 开挖时易出现坍塌等工程事故, 是大断面隧道施工技术的重点和难点。
3 大断面公路隧道施工技术与影响程度
3.1 施工技术方面:
我国交通建设事业的迅猛发展, 大断面隧道和地下工程逐渐增多, 大断面隧道施工技术也有了较大发展, 以及施工技术研究的深入和机械设备的不断更新, 尤其是各种理论体系的日趋完善和先进的施工方法在世界范围内的广泛应用, 使大断面隧道施工方法较80年代以前有了很大的改进。传统的挖掘方法已经基本淘汰, 取而代之的更快速、更安全、更有效。
3.2 现实中大断面公路隧道的现象经常见到。
例如这样的事例:新七道梁隧道是甘肃省在建的开挖断面最大的公路隧道, 地质条件复杂。了解它们对围岩变形的影响程度有: (1) 岩体质量与隧道开挖后围岩的变形成反比; (2) 断层破碎带区段围岩变形量大、持续时间长; (3) 隧道开挖与不连续面成逆倾向、大倾角时, 围岩变形小; (4) 地下水引起围岩稳定性下降, 变形增大; (5) 隧道埋深也是影响围岩变形的因素。
4 存在问题及解决方法
公路隧道施工很复杂, 时常遇到各种困难情况, 如大断层、流沙、膨胀地层、溶洞、大量涌水等, 尚需采取相应方法。
盾构法:采用盾构作为施工机具的隧道施工方法。盾构是一种圆形钢结构开挖机械, 其前端为切口环, 中间为支撑环, 后端为盾尾。盾构法适用于松软地层, 施工安全, 对地层扰动少, 控制围岩周边准确, 极少超挖。日本丹那铁路隧道曾采用盾构法施工。
掘进机法:掘进机是一种用强力切割地层的圆形钢结构机械, 有多种类型。普通型的掘进机的前端是一个金属圆盘, 以强大的旋转和推进力驱动旋转, 圆盘上装有数十把特制刀具, 切割地层, 圆盘周边装有若干铲斗将切割的碎石倾入皮带运输机, 自后部运出。机身中部有数对可伸缩的支撑机构, 当刀具切割地层时, 它先外伸撑紧在周围岩壁上, 以平衡强大的扭矩和推力。掘进机法的优点是对围岩扰动少, 控制断面准确, 无超挖, 速度快, 操作人员少。
隧道补衬法:隧道开挖后, 为使围岩稳定, 确保运营安全, 需按一定轮廓尺寸建造一层具有足够强度的支护结构, 这种隧道支护结构称为隧道衬砌。常用的衬砌种类有就地灌注混凝土类、预制块拼装、喷锚或单喷混凝土、复合式衬砌。
5 质量控制措施
在大断面公路隧道的质量控制中需要采取的控制措施很多, 具体就以下方面进行分析: (1) 隧道支护质量控制:隧道开挖后要及时支护, 限制围岩的变形, 似减小荷载并发挥其自承能力。目前公路隧道施工多采用锚喷支护, 在围岩较差的地段可采用钢支撑, 包括钢格栅及型钢支撑。对于钢支撑的施工质量要检测其加工质量和安装质量。对于锚喷支护, 应检测锚杆的加工质量、安装质量及喷射混凝土的原材料质量和喷射施工质量。喷射混凝土的质量检验包括水泥、砂等原材料的检验及喷射混凝土强度、厚度的检验, 喷射混凝土与围岩粘结强度检验及施工粉尘、回弹率的检验。喷射混凝土强度检验试块的制取可用喷大板法, 即将混凝土喷人模具, 或用凿除方法, 直接在支护上凿取混凝土块。 (2) 隧道防排水系统质量控制:公路隧道的防排水要求高, 目前的公路隧道防排水系统多为采用夹在两层衬砌之间的高分子防水卷材防水层, 和沿隧道壁环向、纵向、横向设置的排水盲管, 将渗水引排至纵向排水管集中排除。防排水系统的质量检测评定尚无统一的行业标准规定。防水层的质量检验也应分材料检验, 与施工安装检验两部分进行。排水系统的质量检验首先保证排水管的材料质量与规格满足设计要求。对于隧道的集中排水管, 可按照管涵的施工质量标准对其管节预制、基础、管节安装进行检验。 (3) 隧道衬砌质量控制:隧道的初次衬砌即为锚喷支护层。施工中由于围岩松动或其他原因会导致二次衬砌产生裂缝。对于裂缝的检查可采用塞尺或刻度放大镜观测其深度及宽度, 并根据情况采取处理措施。另外, 在施工中, 还可能出现衬砌背后填塞不密实, 或衬砌内部存在空洞、蜂窝等情况。对于此类情况, 可采用超声波或雷达探测技术进行检测。根据检测的目的选择合适的频率, 然后沿隧道断面布置测线。由于施工的原因, 拱顶部位的空洞、衬砌厚度不足等问题较多, 应加强检测。雷达探测还可以检测衬砌厚度、裂缝、钢拱架埋设等情况, 但往往受仪器技术水平所限, 精度稍差, 需要实际钻孔验证。 (4) 对于冻害综合防治质量控制:a.加强拱顶围岩注浆;b.选用低温柔性好的防水板;c.喷射混凝土表面降糙;d.采用LV法铺设防水层;e.施工缝设置可排水止水带;f.采用直接通至中央排水管的环向排水管并进行局部保温;g.在衬砌下隅角背后设置保温层;h.在衬砌壁后预埋电热带穿线管等, 取得了良好的综合防冻效果。
结语
要成功地完成公路工程项目质量控制尤其是难度较大的隧道工程控制, 就必须在项目工的全过程抓好施工项目的工程质量、安全生产、施工进度的控制。这三个方面是一个统一的整体, 相互联系、相互影响缺一不可。然而, 通过对以上问题的分析, 在实际工作中我们严格施工, 合理的进行控制是关键。
参考文献
[1]郭锋锋, 王卫邦, 郑海龙.公路隧道建设发展与施工质量分析[J].中国高新技术企业.2010 (22) .
大断面公路隧道开挖方法数值分析 篇10
隧道的开挖过程是极其复杂的系统工程, 开挖方法的选择应根据隧道的埋置深度、所处地质情况及支护条件等因素综合考虑。本文依托大连某桥隧建设工程, 分别采用导洞法、单侧壁导坑法和双侧壁导坑法, 详细的分析隧道开挖支护后围岩的位移场和应力场, 以期确定该类地质条件下合理的开挖方法, 预测隧道施工中的险情。
1 工程概况
本工程以大连某桥隧建设工程为背景, 该公路隧道为分离式汽车专用一级公路隧道, 设计行车速度60 km/h。隧道建筑限界宽13.75 m, 高5 m。拟建东西线隧道间距19.30 m~151 m。隧道最大埋深为164.00 m。隧道洞身拟采用复合式衬砌混凝土结构。根据地质测绘、钻探、槽探资料, 该隧址区第四系由全新统素填土及晚更新统坡积的含碎石粉质粘土组成, 基岩为震旦系细河群桥头组 (Zxhq) 石英岩夹板岩, 部分地段为板岩夹石英岩。地层基岩产状:走向190°~283°, 倾向100°~193°, 倾角25°~58°。
2 隧道开挖的数值仿真模拟
2.1 计算模型及参数设置
由于该工程规模较大, 本文仅选取东线隧道典型断面EK1+660进行模拟, 该断面所处的围岩级别为Ⅳ级, 其物理力学参数根据工程地质勘察报告和参照文献[7], 其具体取值见表1。根据圣维南原理, 本工程确定计算边界在3倍开挖宽度范围内, 模型长120 m, 宽80 m, 高120 m。计算模型的前后左右施加法向约束, 底部施加竖向约束, 上表面为自由面。
围岩材料模型采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型。初期支护采用30 cm厚的C30喷射混凝土加双层钢筋网 (6.5, 20 cm×20 cm) , 采用实体单元进行模拟;锚杆力学及几何参数为:E=210 GPa, μ=0.3, 外径为25 mm, 长度为4.5 m, 抗拉强度为0.31 MPa, 采用Cable单元进行模拟。二次衬砌作为安全储备, 不予考虑。三种开挖方案工序见图1。
2.2 数值模拟结果分析
2.2.1 位移场分析
水平收敛和拱顶下沉是隧道围岩应力变化最直观的表现形式。隧道开挖后, 出现临空面, 岩体有了变形的空间。由于地应力的局部释放, 岩体因卸荷作用而发生位移变化。表2为隧道采用三种开挖方法时的周边位移计算值。隧道开挖支护后, 围岩水平位移整体变化不大, 右边墙水平位移略大于左边墙位移, 两侧边墙向内发生挤压。
考虑到施工过程相互影响的作用, 当左导洞开挖完毕后, 已经发生一定的位移变化, 在右导洞开挖的过程中, 因为施工对左导洞继续产生影响, 会使左导洞产生的应变持续增加。双侧壁导坑法由于每次开挖范围相对较小, 对周边位移影响较小, 因此位移变化量最小。
mm
2.2.2 应力场分析
从三种工法的最大主应力云图可以看出, 采用双侧壁导坑法时所受围岩压力不是很大, 边墙受力较均匀。导洞法和单侧壁导坑法在隧道开挖支护后最大主应力分布趋势略有不同, 但总体的分布趋势为拱顶出现拉应力, 仰拱中间也出现一定的拉应力区, 两侧边墙部分从拱腰至拱脚出现压应力, 拱脚处有不同程度的应力集中现象出现。
由以上分析可知, 拱顶、底板和拱脚易出现应力集中现象, 是隧道施工中的薄弱部分, 应及时采取措施, 防止围岩失稳。
3 结语
通过研究大断面公路隧道的三种开挖方法在施工中的影响, 得出如下结论:
1) 综合三种开挖方法, 隧道周边位移场均表现为:拱顶下沉, 仰拱隆起, 边墙向洞内挤入。拱顶、拱脚、仰拱是应力集中的主要部位, 有必要采取局部措施, 同时加强对隧道关键部位和薄弱部位的监测。
2) 分析比较三种开挖方法围岩的位移和应力变化可知, 双侧壁导坑法开挖每次开挖的范围最小, 受力更加均匀, 因此有助于维持围岩的稳定性。结合本工程的地质条件和施工特点, 作者认为双侧壁导坑法在控制围岩变形, 减小支护结构受力等方面有良好的经济适用性, 因此是该工程的首选。
摘要：依托大连某桥隧建设工程, 分别采用导洞法、单侧壁导坑法和双侧壁导坑法模拟大断面公路隧道的开挖过程, 详细分析了隧道开挖支护后围岩的位移场与应力场的变化, 通过对比研究, 得出双侧壁导坑法开挖过程位移变化最小, 受力均匀, 更有利于维持围岩稳定性的结论。
关键词：大断面,开挖方法,数值模拟,双侧壁导坑法
参考文献
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大断面黄土隧道施工技术探讨 篇11
关键词：隧道,施工技术,预留核心土法,工程地质,地表裂缝
《中长期铁路发展规划》的实施和国务院批准的9条客运专线的立项,标志着我国高速铁路建设高潮的到来。郑西铁路客运专线是路网规划“四纵四横”中徐州至兰州快速通道中的一段。郑西客专黄土隧道是目前我国在黄土隧道地区修建的断面最大的隧道,开挖断面在170 m2以上,同时隧道内采用无碴轨道,对基础要求高,对结构的控制要求严,因此给施工带来一系列问题需要在工作中加以研究探讨。
1 工程概况
贺家庄隧道全长1 815 m,起讫里程DK241+620～DK243+435,线路纵坡5.5‰,隧道按行车速度200 km/h以上客运专线双线隧道设计,洞内采用旭普林无碴轨道结构,进出口均采用1∶2.5椭圆台面帽檐斜切式洞门。隧道设计Ⅴ级围岩96 m,Ⅳ级围岩1 671 m,进出口明洞48 m。
1.1 地形、地貌
隧道所处区域为黄土台塬地貌,地面高程400 m～600 m,相对高差约60 m。进出口黄土“V”字型冲沟切割强烈,相对高差较大,岸坡陡峻。洞顶地形平坦,垦为旱地或果林,植被差。
1.2 水文地质特征
地表水不发育,为沟内季节性流水。地下水为黄土内空隙潜水,由于黄土塬地势较高,黄土垂直节理发育,冲沟切割较深,地下水排泄畅通,隧道所遇空隙潜水水量有限。
1.3 工程地质
1)地层岩性。该段分布地层有第四系全新统坍滑堆积(Q
2 施工方法
施工中严格按照“先探测、管超前、非爆破、严控水、强支护、勤量测、早衬砌”的原则组织施工。
Ⅳ级围岩段采用弧形导坑预留核心土七步流水法施工,设计支护参数为:Ⅰ20a型钢钢架,间距0.8 m～0.9 m。
先开挖上部导坑成环形,并进行初期支护,再分步开挖剩余部分的施工方法。施工工序见图1。
施工中采用弧形导坑预留核心土七步流水作业法开挖,即先采用大管棚或超前小导管护顶,将隧道断面分为上、中、下三个台阶分步开挖,仰拱紧跟下台阶并及时闭合成环。采用该法施工时,在上、中、下各台阶形成一定的步距,而且同一台阶左右工作面形成、相互错开后,即可在各工作面按每循环进尺进行平行流水作业。施工时每循环进尺1榀～2榀钢架间距,各台阶步距控制在3 m左右,同一台阶左右工作面错开2榀钢架。
短台阶施工的主要工序如下。
2.1 上导施工
拱顶在大管棚的保护下,人工风镐配合机械由上而下弧形开挖①部并预留核心土,开挖后立即初喷4 cm厚混凝土,封闭作业面,然后架立钢架,安装钢筋网片及连接钢筋,钻设径向系统锚杆和锁脚锚管并将钢架和锁脚锚管焊接牢固后复喷混凝土至设计厚度,形成较稳定的承载拱。为控制沉降,拱脚除锁脚锚管加强外,必要时扩大拱脚施工,提高承载力。
2.2 中、下导施工
在上导承载拱作用下,进行中、下导施工。中、下导按以下方式开挖:首先开挖②部,然后再开挖③部,使同一台阶左右工作面错开一定的距离(一般控制在2榀钢架间距),严禁同一台阶侧墙对挖,使拱架悬空,最后再开挖④部核心土。下导的开挖与中导的施工相同。
2.3 仰拱施工
仰拱开挖长度每3 m～6 m施作一次,距下台阶最大距离控制在20 m,有条件时需紧跟。为减少仰拱填充混凝土施工缝,其初支分次闭合,仰拱衬砌和填充混凝土分次整体浇筑,长度控制在一幅栈桥长度范围之内即可。
为了解决出碴、进料运输与仰拱施工之间的干扰问题,保证仰拱施工质量,加快施工进度,施工过程中在已开挖仰拱上铺设栈桥,出碴运输车辆在栈桥上行驶,栈桥下进行仰拱以及仰拱填充施工。
3 施工中出现的问题
2006年7月2日当隧道掘进至DK243+333.7里程时(设计Ⅳ级围岩地段,距离洞口71 m),发现土层含水量增加,地质条件变差,与设计Ⅳ级不符,土层结构较为松散,随即发现地表出现裂纹,同时监测到已施工段拱顶下沉加剧,之后至7月13日的开挖施工中,发现地表裂缝随掌子面向前发展,因此于7月14日停止掘进。
4 原因分析
1)该段分布不良地质体,地层岩性差,而支护参数未考虑加强;2)由于洞顶高速公路排污管道污水下渗,导致土层自稳能力下降;3)根据地表裂缝显示洞身存在偏压现象;4)施工中仰拱未能及时闭合。
5 采取的主要措施
1)根据监控量测反馈,在发现拱顶下沉量较大后,随即采取了抬高钢架的措施,确保了二次衬砌厚度;2)增加锁脚锚管,增加初期支护的强度;3)扩大拱脚增加拱脚受力面积,提高钢架支承能力;4)自2006年7月13日发现地表裂缝随掌子面向前发展,根据裂缝走向判定隧道存在偏压现象,并且山体有滑动迹象,因此于7月14日停止了掘进,等待设计处理方案。之后按照设计方案采取了如下措施:a.洞顶局部清方减载,线路左侧进行反压回填,回填高度至隧道拱顶处(见图2);b.地表高速公路生活区排污管道进行了改移;c.洞口边仰坡尽快按设计边坡刷方;d.洞内掌子面暂时停止掘进,弧形开挖暴露面采用锚网喷封闭,参数:喷混凝土厚15 cm,Φ8钢筋网,间距20 cm×20 cm,Φ22砂浆锚杆,每根长5.0 m,间距2.0 m,梅花形布置;e.DK243+328～DK243+324采用编织袋装土码砌至拱脚位置。DK243+328～DK243+310段设C20钢筋混凝土临时仰拱进行封闭,临时仰拱厚度30 cm,内设Ⅰ18型钢,间距0.8 m,及双层Φ8钢筋网,间距20 cm×20 cm。根据量测值必要时加设钢筋混凝土横撑;f.尽快施作洞口段二次衬砌及明洞;g.DK243+310～DK243+150段采用CRD法工法。
6 结语
通过采取了以上处理措施,洞内及地表变形已趋于稳定,确保了隧道的安全,达到了预期的效果。同时,需要解决采用弧形导坑预留核心土七步流水法施工中如何能更好地解决隧道沉降变形的问题。
1)根据贺家庄隧道变形量测资料显示,隧道下沉的主要形式为初期支护的整体下沉。变形发展一般分为3个阶段:第一阶段:上导开挖后1 d～3 d,变形下沉小,拱部仅轻微下沉拱脚轻微内移,变形量一般为1 cm～3 cm。第二阶段:迅速发展阶段,该阶段从下半断面落底挖边墙马口开始,洞室变形发展迅速,变形量达到3 cm～10 cm。第三阶段:变形趋于稳定阶段,该阶段从仰拱初期支护闭合成环,仰拱混凝土施工完成后开始,至二次拱墙模筑衬砌施工完成止。隧道开挖后总的变形量值和迅速变形阶段结束的时间,完全受控于仰拱封闭的时间,仰拱早封闭则总变形量小,仰拱晚封闭则总变形量大,仰拱封闭的时间是变形的一个关键控制点。2)加强监控量测,切实做好监控量测工作,及时反馈信息、指导施工,以便及时调整预留变形量及初期支护参数,确保初期支护不侵入二次衬砌界限。3)施工中应常注意黄土含水量、地质状态等的变化,及时提出设计变更,确保施工安全。
参考文献
[1]王耀民.隧道超欠挖的控制[J].山西建筑,2005,31(5):130-131.
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