CN100451295C - 一种适用于铁路大断面ⅳ、ⅴ级围岩隧道的开挖方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铁路隧道施工技术领域，具体为一种适用于铁路大断面Ⅳ、Ⅴ级围岩隧道的开挖方法，解决现有铁路隧道开挖方法存在作业空间狭小、工效低，施工方法不灵活、进度不稳定，围岩易变形以及操作不便等问题，包括超前支护，开挖弧形导坑并预留核心土；交错开挖中台阶左右边墙并预留核心土；交错开挖下台阶左右边墙并预留核心土；依次开挖上、中、下台阶预留核心土；开挖仰拱并施作初期支护等步骤，本发明施工空间大，可以多作业面平行作业，工效较高；在地质条件发生变化时，便于灵活、及时转换其他施工方法；预留核心土，保持左右错位开挖，利于开挖工作面稳定；当围岩变形较大时，在保证安全和满足净空断面的前提下，可尽快调整闭合时间。

Description

一种适用于铁路大断面Ⅳ、Ⅴ级围岩隧道的开挖方法

技术领域

本发明涉及铁路隧道施工技术领域，具体为一种适用于铁路大断面IV、V级围岩隧道的开挖方法。

背景技术

公知，铁路小断面软弱围岩隧道的开挖方法主要有环形开挖预留核心土法和台阶法等，当这两种方法用于铁路大断面IV、V级围岩隧道开挖时，其中环形开挖预留核心土法存在的问题有：(1)作业空间狭小，不利于大型机械的施工，工效低，围岩暴露时间长；(2)地质条件发生变化时，不能灵活、及时地转换施工方法，进度不稳定；(3)上台阶太高，施工不便；台阶法存在的问题有：(1)不适应于IV、V级围岩大断面铁路隧道，不能有效抑制围岩的变形；(2)地质条件发生变化时，不能灵活、及时地转换施工方法，进度不稳定；(3)上台阶太高，未预留核心土，围岩易失稳；(4)上台阶支护施作需加工作业平台，操作不便。

发明内容

本发明为了解决现有铁路隧道开挖方法用于IV、V级围岩大断面隧道时存在作业空间狭小、工效低，施工方法不灵活、进度不稳定，围岩易变形、不稳定以及施工操作不便等问题，提供一种适用于铁路大断面IV、V级围岩隧道的开挖方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种适用于铁路大断面IV、V级(一般为100-180平方米)围岩隧道的开挖方法，首先按照隧道跨度和高度要求，将围岩挖成具有下台阶和中台阶的阶梯状，然后包括以下步骤：A、施作超前支护后，沿开挖轮廓线环向开挖拱部弧形导坑，弧形导坑的高度为3.0-4.0m，开挖后立即喷射3-5cm厚的混凝土封闭，并在中间预留上台阶核心土，同时施作拱部初期支护，核心土沿隧道纵向长度为3-5m，宽度为隧道开挖跨度的1/3-1/2，高度为1.5-2.5m，根据初期支护钢架间的距离确定开挖循环进尺，为保证隧道开挖安全，防止围岩松弛，按设计要求做好超前支护，特别在断层、破碎带、浅埋段等自稳性较差和富水地层中，应加强超前支护；B、在拱部支护的保护下，交错开挖中台阶左右边墙并预留核心土，同时施作初期支护，开挖循环进尺应根据初期支护钢架间距确定，开挖过程中保持左右错开2-3m；C、交错开挖下台阶左右边墙并预留核心土，同时施作初期支护，开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，开挖过程中保持左右错开2-3m，此距离如果太长，当地质条件发生变化时，不能及时、灵活的闭合，以构成稳固的支护体系；该距离如果太短，易发生左右拱同时悬空，产生掉拱现象，极不安全；D、依次开挖上、中、下台阶预留的核心土；E、开挖仰拱并施作初期支护，使支护体系封闭成环；按照上述步骤不断循环，实现隧道的开挖。

所述的开挖前按照隧道跨度和高度要求，将围岩挖成具有下台阶和中台阶的阶梯状，这是本领域的技术人员很容易实现的，然后按照上述工法循环开挖；上述步骤中预留核心土的目的是防止正面土体往外挤压，造成塌方；上述作为上台阶的核心土的大小是该申请人在受力结构的理论分析基础上，经过长期实践经验总结出来的。

所述初期支护的施工步骤为：a.初喷混凝土以封闭岩面；b.施作系统锚杆，挂设钢筋网；c.安装钢架；d.二次喷射混凝土。

所述仰拱施工步骤为：a.隧底开挖：采用全幅分段施工，上面铺设仰拱栈桥，每循环开挖长度控制在2～3米；b.仰拱初期支护：隧底开挖后，及时清除虚碴、杂物、泥浆、积水，立即初喷3～5cm厚混凝土封闭岩面，然后安装仰拱钢架并喷射混凝土，使初期支护及时闭合成环；c.仰拱混凝土浇筑：每循环浇筑长度为4～6m，仰拱成型采用浮放模板支架；d.仰拱填充混凝土浇筑：浇筑前应清除仰拱表面的杂物和积水，待仰拱混凝土终凝后连续浇筑，一次成型，填充混凝土强度达到5MPa后允许行人通行，达到设计强度的100％后允许车辆通行，仰拱填充表面坡度应符合设计要求，应平顺、排水通畅、不积水。

所述中台阶和下台阶的开挖高度为隧道总开挖高度减去上台阶开挖高度后平均分配得到，一般为3.0-3.5m。

根据初期支护钢架间的距离，确定上述各步骤的开挖循环进尺一般为不大于1.5m，当围岩较稳定、牢固时，支护钢架间的距离较大，开挖循环进尺较大；当围岩较松动、易变形时，支护钢架间的距离短，支护较密，开挖循环进尺较小。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)施工空间大，方便机械化施工，可以多作业面平行作业，部分软岩或土质地段可以采用挖掘机直接开挖，工效较高；

(2)在地质条件发生变化时，便于灵活、及时转换其他施工方法；

(3)适应不同跨度和多种断面形式，尤其适用于IV、V级断面围岩的隧道开挖，而且初期支护工序操作简便；

(4)在台阶法开挖的基础上，预留核心土，并保持左右错位开挖，利于开挖工作面稳定；

(5)当围岩变形较大时，在保证安全和满足净空断面的前提下，可尽快调整闭合时间。

附图说明

图1为本发明的开挖透视图

图2为本发明施工工序正面示意图

图3为本发明施工工序纵断面示意图

图4为本发明施工工序俯视图

图5为本发明监控量测过程中净空变化测点布置示意图

图中：1-上台阶  2-弧形导坑  3-中台阶  4-核心土  5-下台阶  6-核心土  7-仰拱  8-超前支护  9-初期支护

具体实施方式

一种适用于铁路大断面IV、V级围岩隧道的开挖方法，首先按照隧道跨度和高度要求，将围岩挖成具有下台阶5和中台阶3的阶梯状，然后包括以下步骤：A、施作超前支护后，沿开挖轮廓线环向开挖拱部弧形导坑2，弧形导坑2的高度为3.0-4.0m，开挖后立即喷射3-5cm厚的混凝土封闭，并在中间预留作为上台阶1的核心土，同时施作拱部初期支护，核心土沿隧道纵向长度为3-5m，宽度为隧道开挖跨度的1/3-1/2，高度为1.5-2.5m，根据初期支护钢架间的距离确定开挖循环进尺；B、在拱部支护的保护下，交错开挖中台阶3左右边墙并预留核心土4，同时施作初期支护，开挖循环进尺应根据初期支护钢架间距确定，开挖过程中保持左右错开2-3m；C、交错开挖下台阶5左右边墙并预留核心土6，同时施作初期支护，开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，开挖过程中保持左右错开2-3m；D、依次开挖上、中、下台阶预留的核心土；E、开挖仰拱7并施作初期支护，使支护体系封闭成环；按照上述步骤不断循环，实现隧道的开挖。上述各步骤的开挖循环进尺一般为不大于1.5m。所述中台阶3和下台阶5的开挖高度为隧道总开挖高度减去上台阶1开挖高度后平均分配得到，一般为3.0-3.5m。

所述初期支护的施工步骤为：a.初喷混凝土以封闭岩面；b.施作系统锚杆，挂设钢筋网；c.安装钢架；d.二次喷射混凝土。所述仰拱施工步骤为：a.隧底开挖：采用全幅分段施工，上面铺设仰拱栈桥，每循环开挖长度控制在2～3米；b.仰拱初期支护：隧底开挖后，及时清除虚碴、杂物、泥浆、积水，立即初喷3～5cm厚混凝土封闭岩面，然后安装仰拱钢架并喷射混凝土，使初期支护及时闭合成环；c.仰拱混凝土浇筑：每循环浇筑长度为4～6m，仰拱成型采用浮放模板支架；d.仰拱填充混凝土浇筑：浇筑前应清除仰拱表面的杂物和积水，待仰拱混凝土终凝后连续浇筑，一次成型。

在上述工艺过程中，监控测量工作必须紧跟开挖、支护作业进行布点和监测，量测数据运用工程类比法及时分析、反馈，调整支护参数，以保证施工和结构安全。

1、量测项目，见表1

表1监控量测项目

序号	监测项目	测量方法和仪表	测量精度	备注
					1	洞内、外观察	现场观察，地质罗盘
2	初期支护拱(墙)脚净空	米用非接触无尺量测法，全站仪	0.1mm
					3	初期支护拱顶净空	采用非接触无尺量测法，全站仪	0.1mm
4	地表观测点	水准测量的方法，水准仪	1mm	浅埋隧道(H<sub>0</sub>≤2b)、洞口段、下穿高速公路(建筑物)段必测
					5	仰拱观测点	水准测量的方法，水准仪	1mm

注：H₀-隧道埋深；b-隧道最大开挖宽度。

2、净空变化测点布置，如图5所示：其中A为拱顶观测点，E为仰拱观测点，

(1)上部弧形导坑开挖并施作拱部初期支护后，布设拱顶下沉A点和第一条净空量测基线B-B’，在3～6h内取得初读数；

(2)中台阶开挖并施作墙部初期支护后，布设第二条净空量测基线C-C’，在3～6h内取得初读数；

(3)下台阶开挖并施作墙部初期支护后，布设第三条净空量测基线D-D’，在3～6h内取得初读数；

(4)仰拱开挖并施作初期支护后布设仰拱观测点E；

(5)其它量测项目应在开挖后12h内取得初读数，最迟不得超过24h，且在下一循环开挖前完成；

(6)拱(墙)脚净空变化、拱顶和仰拱观测点应布设在同一断面，便于分析、比较。

3、量测频率

各测点取得初读数据后，量测频率按照“位移速度”和“量测断面距开挖面距离”要求进行控制，量测频率见表2。当变形突变时，应加大量测频率。

表2量测频率

注：b-隧道开挖跨度。

4、量测数据分析、整理，绘制位移-时态曲线

(1)一般情况下开挖中台阶时，A点和B-B’基线会发生突变，中台阶墙部初期支护施作完成后，变形趋于平缓；开挖下台阶时，A点和C-C’基线会发生突变，下台阶墙部初期支护施作完成后，变形趋于平缓；隧底开挖时，A点和D-D’基线会发生突变，仰拱初期支护施作完成，支护全环闭合后，变形趋于平缓。

(2)绘制位移-时间变化曲线

获取现场量测数据后，及时绘制位移～时间关系曲线，通过回归分析预测最终位移值和各阶段的位移速率。

5、监控量测管理

围岩稳定性的综合判别，应根据量测结果按以下方式进行。

(1)按变形管理等级指导施工，见表3。

表3

(2)根据位移变化速度判别

①净空变化速度大于5mm/d时，为变形突变，应加强支护；

②拱(墙)脚处净空变化速度小于0.2mm/d，拱顶下沉速度小于0.15mm/d，围岩基本稳定。

(3)根据位移时态曲线的形态来判别

①当位移速率不断下降时(du²/d²t＜0)，趋于稳定状态；

②当位移速率保持不变时(du²/d²t＝0)，不稳定，应加强支护；

③当位移速率不断上升时(du²/d²t＞0)，危险状态，应立即停止开挖，加强支护。

Claims (5)

1、一种适用于铁路大断面IV、V级围岩隧道的开挖方法，其特征是首先按照隧道跨度和高度要求，将围岩挖成具有下台阶(5)和中台阶(3)的阶梯状，然后包括以下步骤：

A、施作超前支护后，沿开挖轮廓线环向开挖拱部弧形导坑(2)，弧形导坑(2)的高度为3.0-4.0m，开挖后立即喷射3-5cm厚的混凝土封闭，并在中间预留作为上台阶(1)的核心土，同时施作拱部初期支护，核心土沿隧道纵向长度为3-5m，宽度为隧道开挖跨度的1/3-1/2，高度为1.5-2.5m，根据初期支护钢架间的距离确定开挖循环进尺；

B、在拱部支护的保护下，交错开挖中台阶(3)左右边墙并预留核心土(4)，同时施作初期支护，开挖循环进尺应根据初期支护钢架间距确定，开挖过程中保持左右错开2-3m；

C、交错开挖下台阶(5)左右边墙并预留核心土(6)，同时施作初期支护，开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，开挖过程中保持左右错开2-3m；

D、依次开挖上、中、下台阶预留的核心土；

E、开挖仰拱(7)并施作初期支护，使支护体系封闭成环；按照上述步骤不断循环，实现隧道的开挖。

2、根据权利要求1所述的一种适用于铁路大断面IV、V级围岩隧道的开挖方法，其特征是所述初期支护的施工步骤为：

a.初喷混凝土以封闭岩面；

b.施作系统锚杆，挂设钢筋网；

c.安装钢架；

d.二次喷射混凝土。

3、根据权利要求1或2所述的一种适用于铁路大断面IV、V级围岩隧道的开挖方法，其特征是所述仰拱施工步骤为：

a.隧底开挖：采用全幅分段施工，上面铺设仰拱栈桥，每循环开挖长度控制在2～3米；

b.仰拱初期支护：隧底开挖后，及时清除虚碴、杂物、泥浆、积水，立即初喷3～5cm厚混凝土封闭岩面，然后安装仰拱钢架并喷射混凝土，使初期支护及时闭合成环；

c.仰拱混凝土浇筑：每循环浇筑长度为4～6m，仰拱成型采用浮放模板支架；

d.仰拱填充混凝土浇筑：浇筑前应清除仰拱表面的杂物和积水，待仰拱混凝土终凝后连续浇筑，一次成型。

4、根据权利要求1或2所述的一种适用于铁路大断面IV、V级围岩隧道的开挖方法，其特征是所述中台阶(3)和下台阶(5)的开挖高度为隧道总开挖高度减去上台阶(1)开挖高度后平均分配得到。

5、根据权利要求1或2所述的一种适用于铁路大断面IV、V级围岩隧道的开挖方法，其特征是上述各步骤的开挖循环进尺为不大于1.5m。

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