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黄土隧洞施工技术简析

【摘要】南沟门北线供水工程小断面黄土隧洞施工技术应用,保证了施工安全,加快了施工进度。为同类型小断面黄土隧洞施工提供了经验。

【关键词】黄土隧洞;饱和土;锚喷法;超前小导管注浆支护

1工程概况

南沟门北线供水工程穿越延安市洛川、富县两县,供水工程以输水隧洞为主,由2条有压洞和3条无压洞组成,全长24.33km,共含有9条施工支洞和2条施工岔洞。其中,2#施工支洞洞长254.21m,洞内黄土段长145.3m;3#施工支洞洞长241.47m,洞内黄土长62.5m;7#施工支洞洞长429.1m,洞内黄土段长293.4m。2#支洞、3#支洞和7#支洞均为圆拱直墙型断面,开挖尺寸B×H=6.4m×5.9m。

2工程地质及及施工原则的确定

输水隧洞跨越葫芦河和洛河之间的黄土梁,经过的地貌单元有洛河河漫滩、一级阶地、二级阶地、三级阶地、四级阶地,黄土沟壑等地貌单元。由于输水隧洞洞顶设计高程基本都处于地下水位以下,且2#施工支洞、3#施工支洞和7#施工支洞穿越岩土分界线,故施工支洞黄土洞段以Q2黄土状壤土为主,兼有强风化石和饱和土,施工支洞不良黄土洞段还具有软弱破碎、承载力低、稳定性差、易坍塌等特点。为确保工期,决定遵循“短开挖,强支护,勤量测,紧封闭”的施工原则,针对不同地质条件采取不同施工方法。

3洞口段施工

洞口段明拱骨架由3榀I14钢拱架加工、制作而成,间距为1m;钢拱架采用Φ18钢筋连接,连接钢筋环向间距为1m;钢拱架间铺设双层Φ8钢筋网片,网片筋间排距@=15mc*15cm。钢拱架拱脚下部安装在C25砼垫块上。混凝土垫块长×宽×厚=50cm×45cm×15cm,垫块中间有一层Φ16、@=10cm×10cm的钢筋网片,表面预埋一块10mm厚的钢板,钢拱架拱脚可焊接在钢板上。超前小导管沿钢拱架单排环向布置,间距为0.4m,采用¢50钢管,壁厚2mm,长L=5m。钢管前端封闭并制成尖状,以便顺利插入土体,沿钢管长环向每间隔10cm~20cm钻有孔径为1cm的溢浆孔。小导管紧贴洞脸,前端埋入土体(长约3m),后端与钢拱架焊接连成一体。超前小导管采用煤电钻沿洞外轮廓线钻孔,孔深3m,然后用钻机将钢管沿孔眼顶入前方土体中。钢拱架、钢筋网片、超前小导管、外侧模板和挡头模板安装、加固好后,人工分层喷射C20混凝土至设计厚度15cm后形成明拱。超前小导管注浆采用水灰比为1:1的纯水泥浆液,注浆压力控制在0.3MPa~0.4MPa。浆液由制浆机集中拌至,由人工配合灌浆泵依次按照先下孔位后上孔位、先单号孔后双号孔的顺序依次灌浆。当单孔注浆量显著降低、注入率小于2.5l/min时,保持注浆压力延续5min以上,可结束该孔注浆。待洞口浆液凝固后,再进洞施工。

4洞身内段施工

4.1黄土状壤土、土夹石和强风化围岩洞段施工

黄土洞段土质较为松软,为避免造成大面积超挖,采取人工配合机械开挖的施工方法。具体作法是先由PC60-8小型掘挖机全断面一次由上到下,由中心向两侧开挖。开挖时先预留10cm~20cm保护层,再由人工用铁锹、洋镐进行二次开挖、修整至洞壁设计断面。底板处拱脚土体开挖时,用人工开挖,防止拱脚原状土被破坏造成钢拱架下沉。对于黄土洞内遇有强风化岩层和较坚硬土夹石段,采用PC60-8挖掘机配带SB40破碎锤进行开挖,保证了土质洞体的稳定性和安全施工。洞内出渣采用3m3装载机直接出渣或由PC60-8小型挖掘机挖、装至5T三轮工程车运输至洞外弃渣场。洞内开挖、出渣结束后,进行洞内锚喷支护施工。钢拱架采用I14工字钢,间距为0.8m,钢拱架拱脚下部焊接在砼垫块预埋的钢板上。每榀钢拱架由4根锁角锚杆固定。锁角锚杆同系统锚杆,末端制成L型弯钩(长20cm),与钢拱架焊接牢固,起到锁角作用,防止钢拱架下沉。洞内系统锚杆为Φ18钢筋,长度L=2.5m,间排距为1m×1m,造孔采用ZM12型煤电钻。孔造结束后,立即进行注浆。注浆结束后封孔、安装锚杆专用钢垫板和紧固螺帽,使得锚杆紧贴洞面。洞内钢筋挂网为Φ8钢筋网片,间排距@=15*15cm;喷射混凝土设计标号为C20,采用HSP-5喷射机人工分层喷射密实。喷射混凝土时,先喷射钢拱架与土洞间的间隙,后喷射钢拱架间的混凝土。黄土状壤土、强风化围岩和土夹石洞段的施工,按照上述施工工艺,洞挖日最大施工强度为5米/天,日最小施工施工强度为2.5米/天,日平均施工强度为3.2m米/天,单向月开挖进尺可达90米。

4.2饱和黄土洞段施工

饱和黄土洞段施工主要集中在7#施工支洞洞内。7#施工支洞开挖至施工桩号0+323.8处时,开挖掌子面全段面均有渗水现象,坍塌较为严重。针对此种情况,经过严密论证,充分与设计、地质、监理和业主多方面协商,及时改变了原施工方法和支护参数。具体作法施工方法如下:4.2.1缩小开挖断面原黄土洞设计开挖尺寸为宽×高=6.3m×5.85m,在不影响机械施工的条件下,将开挖断面缩小至宽×高=4.6m×4.85m。缩小后的洞挖,由PC60-8小型掘挖机按照由上到下,由中心向两侧的顺序全断面一次开挖完成。为确保施工安全,开挖进尺按照1m~2m控制。4.2.2超前小导管注浆支护由于洞内黄土含水率高,开挖后易形成分层塌方,故需要加强超前初期支护。由于钢管直径较钢筋大,且与土体接触面积大,接触密贴,没有空隙,有利于力的传递,故任采用超前小导管注浆支护施工方案。超前小导管采用¢50钢管,壁厚2mm,长L=3m,沿钢拱架单排环向布置,间排距为0.3m×1.5m。孔位钻好后,导管用风钻直接从钢拱架上部、中部顶入土体,外露20cm,支撑于开挖面后方的钢拱架上,并与钢拱架焊接牢固,组成预支护体系。小导管前端埋入土体,钢管外倾角为15°。超前小导管注浆采用水灰比为0.6:1的纯水泥浆液,浆液中适当加入减水剂,以缩短凝结时间。注浆压力控制在0.2MPa~0.3MPa,灌浆按照先下孔位后上孔位、先单号孔后双号孔的顺序依次灌浆。当成孔困难时,可采取造好一孔即注一孔的施工方法。单孔灌浆量显著降低、注入率小于2.5l/min时,保持注浆压力延续5min以上,可结束该孔注浆。4.2.3加强支护参数为确保初期支护有较高的强度,调整了支护参数。调整后的钢拱架为I20工字钢,间距为0.5m;钢拱架间连接钢筋为Φ25,环向间距为1m;喷射混凝土标号为C25,喷护厚度为20cm。4.2.4排水措施在洞壁四周增设排水孔。排水孔采用¢40mm的PVC管,每个断面布置4个排水孔,分别布置在两侧起拱线和底板以上0.5m处,纵向间距2m;排水孔伸入土体1m,露出喷护混凝土5cm。为确保洞底板排水通畅,保证上部钢支护的施工安全,此段洞底板处的黄土全部采用砂卵石换填,换填厚度为0.3m。沿洞底板两侧开挖宽×高=0.3m×0.3m的排水盲沟。排水盲沟用5mm-40mm级配碎石回填,150g/m2的土工布包裹,防止泥土进入碎石堵塞排水通道;排水盲沟兼做钢拱架拱脚混凝土垫块的基础。此外,在洞底横向渗水段每隔10m设置一个集水暗井。集水暗井采用无砂混凝土管,两侧盲沟与集水暗井间用¢100mm钢管连接,保证了洞内渗水可流入积水暗井。根据渗水量的大小,用水泵将洞内渗水抽排至洞外。4.2.5监控量测在饱和黄土洞段施工过程中,利用收敛仪和水准仪分别观测拱脚水平收敛值和拱顶下沉值。每隔10m作一个观测断面,最前端的一个断面紧跟掌子面。前7d每天观测1次,以后1个月内3d观测1次,之后每月观测1次。通过安全监测,发现拱脚收敛值为1cm-2cm,顶拱下沉最大值为1.4cm。将观测结果反馈到施工中后,增加了2cm的预沉降量,指导了洞内安全施工。饱和黄土洞段的施工,采用上述施工技术,洞挖日最大施工强度为3米/天,日最小施工施工强度为1.5米/天,日平均施工强度为2.5米/天,单向月开挖进尺可达到70米。

5结论

实践证明,采用人工配合机械开挖和锚喷法施工,有安全、施工速度快,节约投资的优点,单向月开挖进尺可达到90米。采用超前小导管注浆和锚喷法联合支护,辅助洞底板砂砾石换填、降排水等施工措施,能较有效的避免塌方,较长时间维持已开挖洞段的稳定性,保证了施工安全,加快了施工进度,单向月开挖进尺可达到70米。

作者:加辉 单位:中国水电十五局三公司


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