CN102080551B - 软弱破碎围岩隧道初期支护仰拱三幅施工方法 - Google Patents
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Abstract
一种软弱破碎围岩隧道初期支护仰拱三幅施工方法，先开挖隧道右侧围岩，架设、连接钢拱架，喷射混凝土对钢拱架进行包裹、覆盖，筑成第一幅仰拱，施工6～8小时后用同样的方法在隧道左侧筑成第二幅仰拱，最后开挖隧道中部围岩，架设、连接钢拱架，筑成第三幅仰拱，从而形成闭合的初期支护。本发明前两幅的开挖量很小，且分开施工，对围岩的扰动不大，不会造成拱脚处钢拱架过长时间悬空，而且仰拱中部未开挖部分可以起到抵抗围岩应力释放的作用。当仰拱中部开挖时，仰拱两侧已施工完成，能够有效地承担上部初期支护作用，从而降低仰拱大幅开挖而产生的围岩变形量，保证初期支护的稳定性。另外，仰拱临时栈桥的使用可以忽略仰拱开挖对交通的影响。
Description
技术领域
本发明属于隧道工程施工技术领域，具体涉及隧道工程的仰拱施工，特别是软弱破碎围岩隧道工程的仰拱施工。
背景技术
仰拱是为改善隧道上部支护结构受力条件而设置在底部的反向拱形结构，是隧道结构的主要组成部分之一，它一方面要将隧道上部的地层压力和路面上的荷载有效地传递到地下，另一方面要抵抗隧道下部地层传来的反力。仰拱与洞身衬砌构成隧道结构整体，增加隧道衬砌结构的整体稳定性。隧道初期支护仰拱可以减小隧道基础承载力不足而造成的沉降变形，并起到防止底鼓隆起变形，调整衬砌应力的作用。仰拱施工后，初期支护闭合成环，能够防止围岩产生过大的变形，增强拱脚和拱腰的支撑抵抗力，防止内挤而产生剪切破坏，提高隧道支护结构的整体承载力。
影响仰拱力学效应的因素较多，总括起来有以下几个因素：(1)仰拱与边墙的连接方式；(2)仰拱曲率；(3)仰拱厚度；(4)仰拱修筑时机；(5)围岩性质与施工方法。在设计及现场施工中，仰拱修筑的时机、仰拱曲率、厚度、与拱墙的连接方式等因素已经基本达到最优值，而根据围岩条件的不同采用不同的仰拱施工方法还存在一定的空白。
传统的隧道初期支护仰拱多采用全幅施工或半幅施工的方法。全幅施工法是将仰拱横断面全部开挖，然后将仰拱钢拱架与拱脚处钢拱架连接成环，并通过喷射混凝土对钢拱架进行包裹、覆盖，形成仰拱初期支护；半幅施工法是首先将半幅仰拱横断面开挖，然后架设、连接半幅仰拱钢拱架，并通过喷射混凝土对钢拱架进行包裹、覆盖，形成半幅仰拱初期支护，在仰拱回填并达到设计强度的80％后再进行另外半幅仰拱的施工，最终将仰拱闭合，使初期支护闭合成环。
仰拱全幅施工的特点是施工快速、一次成环，有效地执行了新奥法中“早封闭”的施工理念。但是，全幅施工时洞身钢拱架会在两拱脚处同时悬空，而且仰拱开挖后围岩会通过变形释放围岩应力，全断面开挖会产生较大的沉降变形，对初期支护的稳定产生一定影响，这种影响在软弱破碎围岩隧道中尤为突出；而且，全幅施工会中断施工车辆的正常运行，影响前方的掌子面开挖及其它工序施工的进行。仰拱半幅施工的特点是施工过程中不影响施工车辆的正常运行，能够保证掌子面不间断施工，并减小全断面开挖对围岩的扰动，一定程度上降低了对初期支护稳定性的影响。但是，半幅开挖会导致初期支护受力不均，局部钢拱架悬空，而且半幅开挖后围岩应力释放而产生的变形也较大，对隧道沉降及初期支护的稳定性产生一定影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述仰拱全幅施工和半幅施工方法的缺点，提供一种降低沉降变形量、提高隧道初期支护稳定性、不影响施工车辆运行、顺利施工的软弱破碎围岩隧道初期支护仰拱三幅施工方法。
解决上述技术问题所采用的技术方案包括下述步骤：包括下述步骤：
1、第一幅仰拱施工
开挖隧道右侧围岩，开挖深度为1.2～2m，横向开挖宽度为隧道开挖宽度的1/8～1/6，纵向开挖长度为3～4m，架设右侧钢拱架，右侧钢拱架右端与右侧拱脚处钢拱架下端用螺栓联接，焊接右侧钢拱架的纵向连接筋，在右侧钢拱架上喷射混凝土，筑成第一幅仰拱。
2、第二幅仰拱施工
待第一幅仰拱施工6～8小时后，在隧道左侧用同样的方法进行第二幅仰拱施工，筑成第二幅仰拱。
3、第三幅仰拱施工
待第二幅仰拱施工10～12小时后，开挖隧道中部围岩，架设中部钢拱架，中部钢拱架的左端与第二幅仰拱的钢拱架右端用螺栓连接、右端与第一幅仰拱的钢拱架左端用钢筋焊接联接，在中部钢拱架上喷射混凝土，筑成第三幅仰拱，第一幅仰拱、第二幅仰拱、第三幅仰拱联接构成纵向深度为3～4m的仰拱。
4、后续隧道仰拱施工
沿隧道纵向按上述第一幅仰拱施工步骤1、第二幅仰拱施工步骤2、第三幅仰拱施工步骤3重复施工直至隧道的仰拱全部筑成。
在第一幅仰拱施工步骤1中，开挖隧道右侧围岩，最佳开挖深度为1.5m、横向开挖宽度为隧道开挖宽度的1/7、纵向开挖长度为3.5m，架设右侧钢拱架，右侧钢拱架右端与右侧拱脚处钢拱架下端用螺栓联接，焊接右侧钢拱架的纵向连接筋，在右侧钢拱架上喷射混凝土，筑成第一幅仰拱。
本发明将仰拱分三幅施工，铺筑隧道右侧的第一幅、隧道左侧的第二幅仰拱的开挖量很小，且分开施工，对围岩的扰动不大，不会造成拱脚处钢拱架过长时间悬空，而且，隧道中部未开挖部分可以起到抵抗围岩应力释放的作用。当隧道中部开挖时，仰拱两侧已施工完成，能够有效地承担上部初期支护作用，降低了隧道大幅开挖而产生的围岩变形量，保证初期支护的稳定性，有效地克服了仰拱全幅施工和半幅施工的缺点，可用于软弱破碎围岩隧道仰拱的施工。
附图说明
图1是隧道第一幅仰拱1施工后示意图。
图2是隧道第二幅仰拱2施工后示意图。
图3是隧道第三幅仰拱3施工后示意图。
图4是仰拱全幅施工和半幅施工以及三幅施工拱顶下沉量变化曲线图。
图5是仰拱全幅施工和半幅施工以及三幅施工拱顶下沉速率变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
1、第一幅仰拱施工
开挖隧道右侧围岩，开挖深度为1.5m，横向开挖宽度为隧道开挖宽度的1/7，纵向开挖长度为3.5m，架设右侧钢拱架，右侧钢拱架右端与右侧拱脚处钢拱架下端用螺栓联接，焊接右侧钢拱架的纵向连接筋，在右侧钢拱架上喷射混凝土，筑成第一幅仰拱1。
2、第二幅仰拱施工
待第一幅仰拱1施工6～8小时后，在隧道左侧用同样的方法进行第二幅仰拱2施工，筑成第二幅仰拱2。
3、第三幅仰拱施工
待第二幅仰拱2施工10～12小时后，开挖隧道中部围岩，架设中部钢拱架，中部钢拱架的左端与第二幅仰拱2的钢拱架右端用螺栓连接、右端与第一幅仰拱1的钢拱架左端用钢筋焊，在中部钢拱架上喷射混凝土，筑成第三幅仰拱3，第一幅仰拱1、第二幅仰拱2、第三幅仰拱3联接构成纵向深度为3～4m的仰拱。
4、后续隧道仰拱施工
沿隧道纵向按上述第一幅仰拱施工步骤1、第二幅仰拱施工步骤2、第三幅仰拱施工步骤3重复施工直至隧道的仰拱全部筑成。
实施例2
在第一幅仰拱施工步骤1中，开挖隧道右侧围岩，开挖深度为1.2m，横向开挖宽度为隧道开挖宽度的1/8，纵向开挖长度为3m，架设右侧钢拱架，右侧钢拱架右端与右侧拱脚处钢拱架下端用螺栓联接，焊接右侧钢拱架的纵向连接筋，在右侧钢拱架上喷射混凝土，筑成第一幅仰拱1。其它步骤与实施例1相同。
实施例3
在第一幅仰拱施工步骤1中，开挖隧道右侧围岩，开挖深度为2m，横向开挖宽度为隧道开挖宽度的1/6，纵向开挖长度为4m，架设右侧钢拱架，右侧钢拱架右端与右侧拱脚处钢拱架下端用螺栓联接，焊接右侧钢拱架的纵向连接筋，在右侧钢拱架上喷射混凝土，筑成第一幅仰拱1。其它步骤与实施例1相同。
为了验证本发明的有益效果，发明人按照实施例1中的施工方法对位于山西省高(平)-陵(川)高速公路陵川县郭家川村以南600m、北四渠村以北500m的郭家川II号隧道进行了现场施工。该隧道设计为左右线分离式短隧道，其右线里程桩号原设计为YK27+775～YK28+220，洞身全长445m，新图纸在进洞口增加明洞20m，洞身全长为465m，其中深埋段长180m，最大埋深46m，浅埋段长240m，最浅埋深6.14m；左线里程桩号原设计为ZK27+780～ZK28+215，洞身全长435m，新图纸在出洞口处增加明洞25m，洞身全长460m，其中深埋段长145m，最大埋深43.57m，浅埋段全长270m，最浅埋深7.2m。
依据设计文件，郭家川II号隧道围岩主要由石炭系中统本溪组(C2b)及石炭系上统太原组(C2t)的煤系地层构成，地表多为第四系中更新统冲洪积(Q2)黄土(粉质粘土)、全新统(Q4)坡积碎石覆盖。煤层为本隧道十分重要的围岩，该煤层当地编号为15#煤，钻探岩芯及野外露头显示该煤层风氧化程度很高，煤以粉末状或土状产出，该煤层在隧址范围内地表以下的埋深为10～40m，煤层厚度为2.2～4.5m，较厚煤层之间常夹有约1.0m厚的煤矸石，煤层主要分布在隧道边墙及顶板附近，局部段分布于洞身仰拱附近。
在该隧道的初期支护仰拱施工中，刚进洞时采用仰拱全幅施工法，但是隧道初期支护的沉降量过大，并出现裂缝，稳定性受到影响；随后采用半幅施工法以减小沉降变形，但实际效果并不明显。为了控制仰拱开挖对隧道沉降及初期支护稳定性的影响，保证隧道顺利、安全施工，发明人采用本发明实施例1中仰拱三幅施工方法对隧道初期支护仰拱进行施工。
发明人对仰拱全幅施工、半幅施工和三幅施工后，郭家川II号隧道拱顶下沉情况进行了统计分析，结果见表1～3及图4和图5。表1是桩号YK27+795断面仰拱开挖后拱顶下沉测量统计数据，该断面采用的是仰拱全幅施工法；表2是桩号YK27+800断面仰拱开挖后拱顶下沉测量统计数据，该断面采用的是仰拱半幅施工法；表3是桩号YK27+815断面仰拱开挖后拱顶下沉测量统计数据，该断面采用的是仰拱三幅施工法。
表1YK27+795断面拱顶下沉测量数据(仰拱全幅施工法)
| 测量日期 | 沉降量(mm) | 相对上一次沉降(mm) | 沉降速度(mm/d) |
| 2009.9.11 | 112.5 | 1.3 | 1.3 |
| 2009.9.12 | 123.7 | 11.2 | 11.2 |
| 2009.9.13 | 137.3 | 13.6 | 13.6 |
| 2009.9.14 | 148.1 | 10.8 | 10.8 |
| 2009.9.15 | 156.8 | 8.7 | 8.7 |
| 2009.9.16 | 166.3 | 9.5 | 9.5 |
| 2009.9.17 | 173.4 | 7.1 | 7.1 |
| 2009.9.18 | 177.9 | 4.5 | 4.5 |
| 2009.9.19 | 179.7 | 1.8 | 1.8 |
| 2009.9.20 | 181.2 | 1.5 | 1.5 |
| 2009.9.22 | 182.8 | 1.6 | 0.8 |
| 2009.9.24 | 183.5 | 0.7 | 0.35 |
| 2009.9.26 | 184.4 | 0.9 | 0.45 |
| 2009.9.28 | 184.9 | 0.5 | 0.25 |
表2YK27+800断面拱顶下沉测量数据(仰拱半幅施工法)
| 测量日期 | 沉降量(mm) | 相对上一次沉降(mm) | 沉降速度(mm/d) |
| 2009.9.13 | 111.3 | 1.6 | 1.6 |
| 2009.9.14 | 121.6 | 10.3 | 10.3 |
| 2009.9.15 | 130.9 | 9.3 | 9.3 |
| 2009.9.16 | 138.5 | 7.6 | 7.6 |
| 2009.9.17 | 146.6 | 8.1 | 8.1 |
| 2009.9.18 | 155.3 | 8.7 | 8.7 |
| 2009.9.19 | 162.1 | 6.8 | 6.8 |
| 2009.9.20 | 166.5 | 4.4 | 4.4 |
| 2009.9.21 | 169.3 | 2.8 | 2.8 |
| 2009.9.22 | 171.8 | 2.5 | 2.5 |
| 2009.9.24 | 174.2 | 2.4 | 1.2 |
| 2009.9.26 | 175.5 | 1.3 | 0.65 |
| 2009.9.28 | 176.3 | 0.8 | 0.4 |
| 2009.9.30 | 177.1 | 0.8 | 0.4 |
表3YK27+815断面拱顶下沉测量数据(仰拱三幅施工法)
| 测量日期 | 沉降量(mm) | 相对上一次沉降(mm) | 沉降速度(mm/d) |
| 2009.9.24 | 109.7 | 1.5 | 1.5 |
| 2009.9.25 | 114.4 | 4.7 | 4.7 |
| 2009.9.26 | 122.3 | 7.9 | 7.9 |
| 2009.9.27 | 129.8 | 7.5 | 7.5 |
| 2009.9.28 | 137.6 | 7.8 | 7.8 |
| 2009.9.29 | 143.2 | 5.6 | 5.6 |
| 2009.9.30 | 147.5 | 4.3 | 4.3 |
| 2009.10.1 | 149.4 | 1.9 | 1.9 |
| 2009.10.2 | 150.7 | 1.3 | 1.3 |
| 2009.10.3 | 151.6 | 0.9 | 0.9 |
| 2009.10.5 | 152.9 | 1.3 | 0.65 |
| 2009.10.7 | 153.8 | 0.9 | 0.45 |
| 2009.10.9 | 154.4 | 0.6 | 0.3 |
| 2009.10.11 | 154.8 | 0.4 | 0.2 |
分析表1～3中数据及图4、5中曲线可以看出，YK27+795断面在2010年9月11日采用仰拱全幅开挖法施工，开挖后第二天沉降量及沉降速率均较大，沉降速率最大达到13.6mm/d，从2010年9月11日一直到2010年9月18日，每天的沉降速率均较大，仰拱开挖后18天的总沉降量为72.4mm。YK27+800断面在2010年9月13日采用仰拱半幅开挖法进行半幅仰拱的施工，开挖后第二天沉降量及沉降速率均较大，沉降速率最大达到10.3mm/d，之后速率有所降低，但在2010年9月17日进行另外半幅仰拱的施工后沉降速率又有所提高，至2010年9月30日的总沉降量为65.8mm，半幅施工法与全幅施工法相比，最大沉降速率由13.6mm/d降至10.3mm/d，18天的沉降量由72.4mm降至65.8mm，减小了沉降速率及变形量，但仍然较大。YK27+815断面在2010年9月24日采用三幅开挖法进行前两部分仰拱的开挖，第二天沉降速率有所增大，2010年9月26日进行仰拱中间部分的开挖后沉降速率继续增大，达到最大值7.9mm/d，但相对于全幅开挖的最大沉降速率13.6mm/d，半幅开挖的最大沉降速率10.3mm/d，降低至7.9mm/d，仰拱开挖后18天的总沉降量由全幅开挖的72.4mm，半幅开挖的65.8mm，降低至45.1mm。
通过数据对比可以得出，本发明仰拱三幅施工法能够有效地减小拱顶沉降值及沉降速率，从而保证隧道初期支护的稳定性。仰拱全幅开挖后两拱脚处的钢拱架同时悬空，且开挖体积较大，导致拱顶下沉量及速率都很大，致使初期支护出现裂缝、突起等，影响其安全性与稳定性。仰拱半幅施工过程中不影响施工车辆运行，并减小仰拱全断面开挖对围岩的扰动，降低了对初期支护稳定性的影响，在软弱破碎围岩隧道中仍不足以保证隧道结构的稳定性。而采用本发明首先开挖隧道左右两部分后，由于开挖量很少，拱脚处悬空时间短，围岩变形也相应较小，拱顶下沉量及速率均较低，在隧道中部开挖后各变化量有所增大，但相对仰拱全幅施工法仍较小。
Claims (2)
1.一种软弱破碎围岩隧道初期支护仰拱三幅施工方法，其特征在于包括下述步骤：
A第一幅仰拱施工
开挖隧道右侧围岩，开挖深度为1.2～2m，横向开挖宽度为隧道开挖宽度的1/8～1/6，纵向开挖长度为3～4m，架设右侧钢拱架，右侧钢拱架右端与右侧拱脚处钢拱架下端用螺栓联接，焊接右侧钢拱架的纵向连接筋，在右侧钢拱架上喷射混凝土，筑成第一幅仰拱(1)；
B第二幅仰拱施工
待第一幅仰拱(1)施工6～8小时后，在隧道左侧用同样的方法进行第二幅仰拱(2)施工，筑成第二幅仰拱(2)；
C第三幅仰拱施工
待第二幅仰拱(2)施工10～12小时后，开挖隧道中部围岩，架设中部钢拱架，中部钢拱架的左端与第二幅仰拱(2)的钢拱架右端用螺栓连接、右端与第一幅仰拱(1)的钢拱架左端用钢筋焊接联接，在中部钢拱架上喷射混凝土，筑成第三幅仰拱(3)，第一幅仰拱(1)、第二幅仰拱(2)、第三幅仰拱(3)联接构成纵向深度为3～4m的仰拱；
D后续隧道仰拱施工
沿隧道纵向按上述第一幅仰拱施工步骤A、第二幅仰拱施工步骤B、第三幅仰拱施工步骤C重复施工直至隧道的仰拱全部筑成。
2.按照权利要求1所述的软弱破碎围岩隧道初期支护仰拱三幅施工方法，其特征在于：在第一幅仰拱施工步骤A中，开挖隧道右侧围岩，开挖深度为1.5m，横向开挖宽度为隧道开挖宽度的1/7，纵向开挖长度为3.5m，架设右侧钢拱架，右侧钢拱架右端与右侧拱脚处钢拱架下端用螺栓联接，焊接右侧钢拱架的纵向连接筋，在右侧钢拱架上喷射混凝土，筑成第一幅仰拱(1)。
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Legal Events
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130410 Termination date: 20131217 |