CN103195455B - 软弱地质环境大断面隧道施工支护体系及施工方法 - Google Patents

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Abstract

软弱地质环境大断面隧道施工支护体系及施工方法，以有效解决传统施工方法分部开挖工序干扰问题，能够在极软弱地质环境条件下安全、快速修建大断面隧道。它包括：随左上导洞、右上导洞、左下导洞、右下导洞分步开挖施作的构成全环初期支护结构的左上导洞初期支护、右上导洞初期支护、左下导洞初期支护和右下导洞初期支护，和构成全环二次衬砌结构的左上导洞二次衬砌、右上导洞二次衬砌、左下导洞二次衬砌和右下导洞二次衬砌，以及由上隔壁竖撑、下隔壁竖撑与左隔壁横撑、右隔壁横撑构成的十字形临时支护体系，该十字形临时支护体系的外端与全环初期支护结构、全环二次衬砌结构固结。

Description

软弱地质环境大断面隧道施工支护体系及施工方法
技术领域
本发明涉及隧洞，特别涉及一种软弱地质环境大断面隧道施工支护体系及施工方法，适用于大断面、软围岩、多层结构的隧道施工，特别适用带状深风化陡倾软弱地质构造条件下大断面隧道的隧道施工。
背景技术
隧道穿越带状深风化陡倾软弱构造处理工程中，由于其陡倾深埋富水等特征会产生较难控制的突水涌泥灾害，影响施工正常开展，一般要求施工中须实现“快速通过、快速封闭”的原则，且在较大断面情况下须分解其断面开挖难度，实现分导式后拆支撑的开挖支护模式。
现有的开挖工法在实际操作中均无法一次实现上述的所有要求。如“双侧壁导坑法”通过先行交错施工两侧导坑后，再分上、中、下三个台阶进行中部施工，最后拆除临时支撑，施做二次模筑衬砌，该工法的先墙后拱的支护顺序可以有效防止上下台阶转换时的下沉变形问题，但缺点在于全程工序需要的周期较长，在强调支护强度时无法实现简洁明快的开挖，难以达成快速的目标，其支护体系易因暴露时间长或因拆除临撑体系发生变形失稳。如“CRD工法”，CRD工法在软弱围岩施工中得到了广泛的应用，但通过分析其整个施工过程及力学转换体系，可以发现该工法在开挖阶段能够做到随挖随撑，时时成环，但在做二次衬砌时，必须对临时支撑进行拆除，此时拆除段的临时支撑全部失效，其所承担的外力只能通过初期支护进行二次转换以期达到新的平衡状态，但这一转换过程往往由于支护应力的突然释放，造成初期支护的破坏，是CRD工法最为危险的时刻，可能会导致隧道的整体垮塌，因此往往被人们称之为“天窗时间”。如何保证天窗时间的稳定性，除了在单次拆撑距离上进行优化外，还没有更好的办法。
如何将“安全快速通过”原则、支撑可靠性及简洁明快统一在一种支护体系和施工方法下，成为应对大规模、大埋深、富水及陡倾软弱构造带的迫切需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种软弱地质环境大断面隧道施工支护体系，以有效解决传统施工方法分部开挖工序干扰问题，能够在极软弱地质环境条件下安全、快速修建大断面隧道。
本发明解决以上技术问题所采用的技术方案如下：
本发明软弱地质环境大断面隧道施工支护体系，其特征是它包括：随左上导洞、右上导洞、左下导洞、右下导洞分步开挖施作的构成全环初期支护结构的左上导洞初期支护、右上导洞初期支护、左下导洞初期支护和右下导洞初期支护，和构成全环二次衬砌结构的左上导洞二次衬砌、右上导洞二次衬砌、左下导洞二次衬砌和右下导洞二次衬砌，以及由上隔壁竖撑、下隔壁竖撑与左隔壁横撑、右隔壁横撑构成的十字形临时支护体系，该十字形临时支护体系的外端与全环初期支护结构、全环二次衬砌结构固结；它还包括切除十字形临时支护体系后环绕全环二次衬砌结构一次性模筑的内衬衬砌，所述全环二次衬砌结构与内衬衬砌之间设置防排水系统。
本发明所要解决的另一技术问题是提供一种软弱地质环境大断面隧道的施工方法，以克服隧道穿越深埋、富水、软弱及陡倾软弱构造带极易引起坍塌、突水涌泥的地质灾害风险，实现隧道“快速通过，快速封闭”施工。
本发明解决以上技术问题所采用的技术方案如下：将隧道开挖断面分割成左上导洞、右上导洞、左下导洞和右下导洞四个分部导洞施工；先交错施工上半断面左上导洞、右上导洞两个导洞，并及时施作相应的初期支护、二次衬砌及隔壁竖撑和隔壁横撑；再交错施工下半断面左下导洞、右下导洞两个导洞，并及时施作相应的初期支护、二次衬砌及隔壁竖撑和隔壁横撑；四分部导洞施工完成后形成全环初期支护结构、全环二次衬砌结构和与之固结的十字形临时支护体系架构，待全环二次衬砌结构稳定后，拆除十字形临时支护体系，施作防排水系统和内衬衬砌。
本发明的有益效果是，与传统支护体系和施工方法相比，结构组成简单，各分部导洞施工简便、相互干扰小、成洞效果良好，可有效地克服隧道穿越深埋、富水、软弱及陡倾软弱构造带极易引起坍塌、突水涌泥的地质灾害风险，并有效地解决了传统施工方法分部开挖工序干扰问题，实现隧道施工“快速通过，快速封闭”的目标，在极软弱地质环境条件下安全、快速修建大断面隧道。
附图说明
本说明书包括如下两幅附图：
图1是本发明软弱地质环境大断面隧道施工支护体系的结构示意图；
图2是本发明软弱地质环境大断面隧道施工支护体系拆除临时支护后的结构示意图；
图中构件、部位及所对应的标记：左上导洞Ⅰ、右上导洞Ⅱ、左下导洞Ⅲ、右下导洞Ⅳ；左上导洞二次衬砌11、右上导洞二次衬砌12、左下导洞二次衬砌13、右下导洞二次衬砌14；左上导洞初期支护21、右上导洞初期支护22、左下导洞初期支护23、右下导洞初期支护24；上隔壁竖撑30、左隔壁横撑31、右隔壁横撑32、下隔壁竖撑33；内衬衬砌40。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
参照图1，本发明的软弱地质环境大断面隧道施工支护体系，包括：随左上导洞Ⅰ、右上导洞Ⅱ、左下导洞Ⅲ、右下导洞Ⅳ分步开挖施作的构成全环初期支护结构的左上导洞初期支护21、右上导洞初期支护22、左下导洞初期支护23和右下导洞初期支护24，和构成全环二次衬砌结构的左上导洞二次衬砌11、右上导洞二次衬砌12、左下导洞二次衬砌13和右下导洞二次衬砌14，以及由上隔壁竖撑30、下隔壁竖撑33与左隔壁横撑31、右隔壁横撑32构成的十字形临时支护体系，该十字形临时支护体系的外端与全环初期支护结构、全环二次衬砌结构固结。参照图2，它还包括切除十字形临时支护体系后环绕全环二次衬砌结构一次性模筑的内衬衬砌40，防排水系统设置在全环二次衬砌结构与内衬衬砌40之间。它还包括切除十字形临时支护体系后环绕全环二次衬砌结构一次性模筑的内衬衬砌40，所述全环二次衬砌结构与内衬衬砌40之间设置防排水系统。
该支护体系通过“化整为零、化大为小”的小导洞来降低大跨软岩隧道的施工难度，十字形临时支护体系综合考虑了各分部导洞的合理施工空间，既相对独立又通过十字临撑连为一体，“后拆式”的十字形临时支护体系确保了施工过程中的安全可靠性，有效的解决了传统工法分部开挖工序干扰问题，实现隧道施工“快速通过，快速封闭”的目标，在极软弱地质环境条件下安全、快速修建大断面隧道。
本发明中的初期支护由锚杆、钢筋网、喷射混凝土层以及埋设于内的钢架结构构成，二次衬砌由钢筋混凝土结构构成，临时横撑、临时竖撑由定位锚杆、喷射混凝土层以及埋设于内的钢架结构构成，内衬衬砌由钢筋混凝土结构构成。
参照图1和图2，本发明软弱地质环境大断面隧道施工方法，是将隧道开挖断面分割成左上导洞Ⅰ、右上导洞Ⅱ、左下导洞Ⅲ和右下导洞Ⅳ四个分部导洞施工；先交错施工上半断面左上导洞Ⅰ、右上导洞Ⅱ两个导洞，并及时施作相应的初期支护、二次衬砌及隔壁竖撑和隔壁横撑；再交错施工下半断面左下导洞Ⅲ、右下导洞Ⅳ两个导洞，并及时施作相应的初期支护、二次衬砌及隔壁竖撑和隔壁横撑；四分部导洞施工完成后形成全环初期支护结构、全环二次衬砌结构和与之固结的十字形临时支护体系架构，待全环二次衬砌结构稳定后，拆除十字形临时支护体系，施作防排水系统和内衬衬砌40。
本发明的软弱地质环境大断面隧道施工方法，具体包括如下步骤：
①先行开挖左上导洞Ⅰ，立即施作其周边的左上导洞初期支护21、上隔壁竖撑30和左隔壁横撑31；
②左上导洞Ⅰ快速开挖支护，滞后掌子面一段距离，一次灌筑施作左上导洞二次衬砌11，且使左上导洞二次衬砌11与上隔壁竖撑30和左隔壁横撑31封闭成环；
③滞后左上导洞初期支护21及左上导洞二次衬砌11一定距离后，开挖右上导洞Ⅱ，立即施作其周边的右上导洞初期支护22和右隔壁横撑32；
④右上导洞Ⅱ快速开挖支护，滞后掌子面一段距离，一次灌筑施作右上导洞二次衬砌12，且使右上导洞二次衬砌12、上隔壁竖撑30和右隔壁横撑32封闭成环；
⑤待上半断面左上导洞Ⅰ、右上导洞Ⅱ施工完毕后，开挖下半断面左下导洞Ⅲ，立即施作左下导洞初期支护23和下隔壁竖撑33；
⑥左下导洞Ⅲ快速开挖支护，滞后掌子面一段距离，一次灌筑施作左下导洞二次衬砌13，且使左下导洞二次衬砌13、左隔壁横撑31和下隔壁竖撑33封闭成环；
⑦滞后左下导洞初期支护23及左下导洞二次衬砌13一定距离后，开挖右下导洞Ⅳ，立即施作右下导洞初期支护24；
⑧右下导洞Ⅳ快速开挖支护，滞后掌子面一段距离，一次灌筑施作右下导洞二次衬砌14，且使右下导洞二次衬砌14、右隔壁横撑32和下隔壁竖撑33封闭成环；
⑨待全环二次衬砌结构稳定后，切除十字形临时支护体系，铺设防排水系统后，环绕全环二次衬砌结构一次性模筑的内衬衬砌40。
本申请人成功地将本发明的软弱地质环境大断面隧道施工支护体系、软弱地质环境大断面隧道施工方法运用于厦门至深圳铁路客运专线梁山隧道的设计与施工中。该隧道发育一富水深埋软弱构造带(L7)，宽度约25m，倾角约75°，充填物质为砂性、黏性土体互层，埋深270m，并风化至地表，该隧道采用传统方法施工时左侧迂回导坑未能顺利通过，发生了大规模的突水涌泥和地表塌陷，致施工陷入停顿。采用本发明的软弱地质环境大断面隧道施工支护体系和施工方法后，根据施工过程中进行的围岩及结构变形监测显示，未发现结构变形等情况，顺利实现了“快速通过、快速封闭”的目标，安全实现了隧道通过该地层的贯通，且该方法实施操作中各部分简单明确、易于实现，可以为处理类似极软弱地质环境条件下安全、快速修建大断面隧道提供重要参考。

Claims (3)

1.软弱地质环境大断面隧道施工支护体系，其特征是它包括：随左上导洞(Ⅰ)、右上导洞(Ⅱ)、左下导洞(Ⅲ)、右下导洞(Ⅳ)分步开挖施作的构成全环初期支护结构的左上导洞初期支护(21)、右上导洞初期支护(22)、左下导洞初期支护(23)和右下导洞初期支护(24)，和构成全环二次衬砌结构的左上导洞二次衬砌(11)、右上导洞二次衬砌(12)、左下导洞二次衬砌(13)和右下导洞二次衬砌(14)，以及由上隔壁竖撑(30)、下隔壁竖撑(33)与左隔壁横撑(31)、右隔壁横撑(32)构成的十字形临时支护体系，该十字形临时支护体系的外端与全环初期支护结构、全环二次衬砌结构固结；它还包括切除十字形临时支护体系后环绕全环二次衬砌结构一次性模筑的内衬衬砌(40)，所述全环二次衬砌结构与内衬衬砌(40)之间设置防排水系统。
2.采用如权利要求1所述的软弱地质环境大断面隧道施工支护体系的软弱地质环境大断面隧道施工方法，其特征是：将隧道开挖断面分割成左上导洞(Ⅰ)、右上导洞(Ⅱ)、左下导洞(Ⅲ)和右下导洞(Ⅳ)四个分部导洞施工；先交错施工上半断面左上导洞(Ⅰ)、右上导洞(Ⅱ)两个导洞，并及时施作相应的初期支护、二次衬砌及隔壁竖撑和隔壁横撑；再交错施工下半断面左下导洞(Ⅲ)、右下导洞(Ⅳ)两个导洞，并及时施作相应的初期支护、二次衬砌及隔壁竖撑和隔壁横撑；四分部导洞施工完成后形成全环初期支护结构、全环二次衬砌结构和与之固结的十字形临时支护体系架构，待全环二次衬砌结构稳定后，拆除十字形临时支护体系，施作防排水系统和内衬衬砌(40)。
3.如权利要求2所述的软弱地质环境大断面隧道施工方法，包括如下步骤：
①先行开挖左上导洞(Ⅰ)，立即施作其周边的左上导洞初期支护(21)、上隔壁竖撑(30)和左隔壁横撑(31)；
②左上导洞(Ⅰ)快速开挖支护，滞后掌子面一段距离，一次灌筑施作左上导洞二次衬砌(11)，且使左上导洞二次衬砌(11)与上隔壁竖撑(30)和左隔壁横撑(31)封闭成环；
③滞后左上导洞初期支护(21)及左上导洞二次衬砌(11)一定距离后，开挖右上导洞(Ⅱ)，立即施作其周边的右上导洞初期支护(22)和右隔壁横撑(32)；
④右上导洞(Ⅱ)快速开挖支护，滞后掌子面一段距离，一次灌筑施作右上导洞二次衬砌(12)，且使右上导洞二次衬砌(12)、上隔壁竖撑(30)和右隔壁横撑(32)封闭成环；
⑤待上半断面左上导洞(Ⅰ)、右上导洞(Ⅱ)施工完毕后，开挖下半断面左下导洞(Ⅲ)，立即施作左下导洞初期支护(23)和下隔壁竖撑(33)；
⑥左下导洞(Ⅲ)快速开挖支护，滞后掌子面一段距离，一次灌筑施作左下导洞二次衬砌(13)，且使左下导洞二次衬砌(13)、左隔壁横撑(31)和下隔壁竖撑(33)封闭成环；
⑦滞后左下导洞初期支护(23)及左下导洞二次衬砌(13)一定距离后，开挖右下导洞(Ⅳ)，立即施作右下导洞初期支护(24)；
⑧右下导洞(Ⅳ)快速开挖支护，滞后掌子面一段距离，一次灌筑施作右下导洞二次衬砌(14)，且使右下导洞二次衬砌(14)、右隔壁横撑(32)和下隔壁竖撑(33)封闭成环；
⑨待全环二次衬砌结构稳定后，切除十字形临时支护体系，铺设防排水系统后，环绕全环二次衬砌结构一次性模筑的内衬衬砌(40)。
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