CN103510959A - 一种浅埋大跨小净距黄土隧道开挖技术 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种浅埋大跨小净距黄土隧道施工方法，以解决现行大断面小净距黄土隧道中施工难度大、危险系数高以及沉降难以控制的情况。所述的方法为，隧道双洞同时施工，且分为双导洞施工，后行洞掌子面距离先行洞仰拱封闭成环面为一倍洞径，其中单洞分左、右两侧导洞开挖且均先开挖远离中夹土柱一侧的导洞，两导洞掌子面之间间距保持在5-8m，每侧导洞分上台阶、中台阶和下台阶三步开挖，台阶间距保持在3-5m。与类似隧道施工技术的方法相比，本方法有效地的保证了隧道的安全施工，合理的控制了隧道的沉降，减小了施工对地表的影响，并且使施工效率得到了一定提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种隧道结构的开挖方法，尤其涉及一种大跨小净距黄土隧道的开挖方法。
背景技术
随着经济以及交通的发展，大跨小净距隧道的建设越来越多，同时黄土为一种特殊土体，对于穿越黄土的隧道的开挖工法尚未成熟,而对于小净距黄土隧道的修建更为少见。因此，由于这类隧道的特殊性和新颖性，在设计和施工过程中均存在许多难题急需解决。
对于大跨度小净距隧道，由于隧道的跨度较大、结构受力复杂以及施工期间双线开挖过程中诸多工序相互影响等因素，很容易发生围岩失稳或者隧道衬砌结构开裂破坏的现象，通常对于大跨度隧道，根据工程地质状况不同，可采用双侧壁导坑法、弧形导洞超前法、台阶法等方法，但小净距隧道中双洞之间相互影响，双洞开挖会造成不同程度的隧道偏压，同时隧道中夹岩难以保护或者加强，规范中尚未有针对小净距隧道的详细说明，通常采用单洞隧道的进行小净距隧道的设计，在施工过程中有一定的风险，容易造成隧道塌方，尤其对于软弱围岩地段，双洞开挖造成围岩扰动更为严重，传统的工法与设计有存在一定的风险。
对于穿越黄土地层的隧道，尚未有成熟的工法，黄土隧道施工过程中隧道洞内拱部一般为整体沉降且沉降较大，地表容易出现贯通裂缝，隧道拱肩部位受力较大以及初期支护出现裂缝，这些问题在施工过程中都难以解决。对于黄土中夹土柱的保护也是施工中的关键关节，相应的施工技术研究也很少见，而对于超小净距黄土隧道，隧道双线间距小，施工影响大，如何采用一种有效的工法，如何对薄弱位置进行加固加强都不明确，在隧道施工过程中难以保证施工快速安全有效的进行。
发明内容
本发明为了解决上述背景技术中的不足之处，提供一种在V级黄土围岩中大跨小净距隧道的开挖方法。
本发明的一种浅埋大跨小净距黄土隧道开挖方法，分为左、右洞施工；施工完后的左、右洞结构相同，可以先开挖左洞，也可以先开挖右洞；左、右洞每侧导洞分上台阶、中台阶和下台阶三步开挖，设当先开挖左洞时，其开挖步骤是：
先开挖左洞
步骤1 开挖左洞左侧上部，
步骤2 开挖左洞左侧中部，
步骤3 开挖左洞左侧下部的左侧，
步骤4 开挖左洞左侧下部的右侧，
步骤5 开挖左洞右侧上部，
步骤6 开挖左洞右侧中部，
步骤7 开挖左洞右侧下部的右侧，
步骤8 开挖左洞右侧下部的左侧；
再开挖右洞
右洞的施工步骤与左洞的施工步骤相当于一种轴对称施工：即步骤1为先施工右洞右侧上部，步骤8为施工右洞左侧下部的右侧。
所述的隧道两洞埋深在40-60m，左、右洞的截面积各为100-120m2,左洞与右洞的隧道外轮廓线的间距为5-10m。
右洞在左洞开挖且仰拱封闭成环一倍洞径或15-20m后再开挖。
左、右洞导洞的开挖都优先开挖远离小净距一侧的导洞，两导洞间距为5-8m。
步骤1到步骤4各个台阶开挖深度的间距在3-5m，步骤5到步骤8各个台阶开挖深度的间距在3-5m。
在上述每一步骤后都要及时进行初期支护的施工，然后再进行下一步骤；每一步骤初期支护在开挖之后立即施工；并且，在步骤1、步骤2和步骤4后还要进行中壁临时支护的施工；所述的初期支护包括支护在隧道外壁处的拱架支护层、扩大拱脚和锁脚锚杆；拱架支护层由外层的格栅钢架，内层的钢筋网片，以及在格栅钢架、钢筋网片内的喷射混凝土组成；在所有步骤施工完后，将中壁临时支护拆除。
本发明的优点是：
首先，此工法隧道双洞都采用双导洞开挖，后行洞的开挖距离先行洞开挖后断面成环一倍洞径左右，单洞左右侧导洞采用三台阶留核心土的方法，在开挖过程中相比于同时开挖能很大程度的减少开挖对与围岩的扰动，能减小沉降并保证隧道的安全性。
其次，在隧道施工过程中首先开挖远离小净距中夹土柱的一侧，能尽量减少中夹土柱的围岩承载力的丧失，保证隧道土体的稳定，为后行洞施工提高安全保障。
再次，各个开挖面合理的布置保证了隧道开挖过程中围岩以及初期支护的稳定性，采用这种工法整体能上加快施工进度，同时保证施工安全以及结构稳定。
综上所述，本发明创造性的提出了一种小净距黄土隧道开挖方法，具有较大的工程应用价值及学术价值，对以后相似围岩情况的隧道的设计与施工有极大的推广与参考价值。
附图说明
图1是本发明隧道双洞断面的示意图；
图2是本发明单洞开挖方法步骤图；
图3是本发明隧道双洞施工过程中掌子面距离示意图；
图4是本发明实施例所述的隧道钢拱架外侧应力图；
图5是本发明实施例所述的隧道钢拱架内侧应力图；
图6是本发明实施例所述的隧道围岩压力分布图；
图中：1初期支护，1-1拱架支护层，1-2扩大拱脚，1-3锁脚锚杆，2临时支护
具体实施方式
本发明隧道双线同时施工，都采用双导洞开挖，隧道双线的两个导洞都采用三台阶留核心土的方法，对于先行洞后行洞都优先开挖远离中夹土柱的一侧。
本发明的一种大跨小净距黄土隧道开挖方法，分为左、右洞施工。施工完后的左、右洞结构相同，图1中所示的是其结构。施工时，可以先开挖左洞，也可以先开挖右洞。左右洞每侧导洞分上台阶、中台阶和下台阶三步开挖，为方便叙述，本发明以先开挖左洞为例作说明。
参照图1所示，本发明的一种大跨小净距黄土隧道开挖工法，其开挖步骤是：
一、开挖左洞
步骤1 开挖左洞左侧上部（A部），
步骤2 开挖左洞左侧中部（B部），
步骤3 开挖左洞左侧下部的左侧（C部），
步骤4 开挖左洞左侧下部的右侧（D部），
步骤5 开挖左洞右侧上部（E部），
步骤6 开挖左洞右侧中部（F部），
步骤7 开挖左洞右侧下部的右侧（G部），
步骤8 开挖左洞右侧下部的左侧（H部）。
即（参照图1），开挖步骤为：A-B-C-D-E-F-G-H。
在上述每一步骤后都要及时进行初期支护1的施工，然后再进行下一步骤。图1中，初期支护1的施工见图中①-②-③-④-⑤-⑥-⑦-⑧的顺序，每一初期支护1的施工均在所述的步骤1-8之后。并且，在步骤1、步骤2和步骤4后还要进行中壁临时支护2的施工（顺序见图1中⑴-⑵-⑶，分别在步骤1、步骤2和步骤4后施工）。所述的初期支护1包括拱架支护层1-1、扩大拱脚1-2和锁脚锚杆1-3。扩大拱脚1-2由混凝土制成，与拱架支护层1-1固结为一体，插接在岩、土内。拱架支护层1-1由外层的格栅钢架，内层的钢筋网片，以及在格栅钢架、钢筋网片内的喷射混凝土组成。所述的锁脚锚杆1-3焊接在格栅钢架上，另一端插入在外侧的土中并用药包锚固。
在所有步骤施工完后，将临时支护2拆除。
参照图2，为左洞的施工中，各步骤挖掘深度表。表中的Ⅰ-Ⅷ对应于所述步骤1-步骤8（即图1中的A-H）。在左右侧导洞的施工方法中，采用三台阶留核心土的方法。两导洞间距为5-8m，步骤1到步骤4各个台阶开挖深度的间距在3-5m，步骤5到步骤8各个台阶开挖深度的间距在3-5m。
上述步骤1-步骤8作为一施工周期，当步骤8施工完后，按上述步骤再一次向内施工。
二、开挖右洞
右洞在左洞开挖一倍洞径或15-20米后再开挖。
右洞的施工步骤和施工方法与左洞的施工步骤和施工方法相当于一种轴对称施工：即步骤1为先施工右洞右侧上部，步骤8为施工右洞左侧下部的右侧。（即，开挖步骤为图1中E-F-G-H-A-B-C-D）。右洞的施工中，与左洞相同。
所述的隧道埋深在50m左右，左、右洞的每一单洞的面积各为100-120m2,左洞与右洞的间距为5-10m。
参照图3所示，为左洞与右洞的施工顺序和施工深度对照表。
下面给出了本发明的一种优选实施例。
本实施例所述隧道里程K36+650～K37+260，全长610m，为浅埋大跨小净距黄土隧道。单洞开挖跨度约17.3m，开挖断面达173.8m2，埋深多在20m左右，最大埋深55m，最小埋深不足1m。隧道下穿风景区以及一个村庄。隧道位于邙山黄土丘陵区，地形起伏很大。地面标高约157.6～206.3m，隧道洞体覆盖层最大厚度约55.5m，最小覆盖层不足1m。隧道勘探深度范围内上部为第四系上更新系统黄土状粉土、黄土状粉质粘土，其中表层为非自重湿陷性黄土，具轻微湿陷性，工程性质较差，其下各层呈密实、硬塑状，工程性质好；下部为第四系中更新统地层，工程性质均较好；隧道勘探深度范围内均为第四系上更新统稍密～密实状黄土状粉土，孔隙发育，结构松散，强度较弱，工程性质差，围岩级别定为V类。选取试验段支护参数：
1）初期支护：采用格栅钢架、挂网喷混凝土，钢架净为0.5m。
2）超前支护：采用壁厚8mm的φ50单层小导管，在拱顶110°范围每2榀拱架施作，长度为400cm。
试验段的现场测试项目设置在隧道洞内，测量试验的内容包括有以下的几个方面。隧道内：（1）先行洞ZK37+030、ZK37+020、ZK37+010、ZK37+000为位移监测断面，后行洞ZK37+020、ZK37+010为位移监测断面；（2）ZK37+020、ZK37+010两个断面监测项目包括围岩-初期支护接触压力、钢架应力，监测断面布置在先行洞；
1、给出本实施例所述试验段拱顶沉降；
断面ZK37+030、ZK37+020、ZK37+010、ZK37+000以及ZK37+020、ZK37+010断面沉降变形的量测时间持续约两个月，直到二衬施作，得到表1和表2。
表1先行洞试验段初期支护拱顶位移
表2后行洞试验段初期支护拱顶位移
结合现场施工步序及监测量控结果分析：
1）先行洞各研究断面的初期支护的拱顶沉降在-250～-410mm，后行洞研究断面的初期支护拱顶沉降在-180～-278mm，数值略小于先行洞的拱顶沉降，主要由于后行洞开挖对先行洞围岩的扰动影响，因此双洞掌子面间距拉开有利于对沉降的控制以及施工安全；
2）通过对拱顶沉降随施工步的变化分析显示，单洞左右导洞各分为三个台阶，左右导洞各台阶开挖交错，沉降没有突变，相对比较均匀，断面封闭后一周左右沉降基本稳定，隧道断面大，双洞开挖分步多，沉降较为均匀且在控制范围内，因此各个台阶开挖深度以及间距得以保证后能有效预防隧道围岩的大变形，最大限度利用围岩的自稳性；
3）各研究断面的拱顶沉降在封闭时的比例为稳定后总沉降的88%，封闭后的沉降比例为12%，说明初期支护的沉降在封闭后变化量相对较小，趋于稳定，先行洞受后行洞影响略有增长；
4）先行洞拱顶沉降值右侧大于左侧，由于隧道右侧为先行导洞，掌子面开挖暴露时间较长，后续分步开挖对土体有扰动，沉降很难稳定，处于缓慢增长，其沉降量相对大于后行导洞；后行洞沉降规律相仿，也为先行导洞沉降较大，因此采用此种工法有效避免中夹土柱变形过大尽量减少小净距侧土体暴露时间，确保施工安全性；
5）后行洞在开挖过程中对先行洞的沉降影响不明显，在二衬尚未施做时候后行洞开挖过程中先行洞的沉降略有增长，但增长幅度很小，黄土地层中隧道围岩变形主要以拱部沉降为主，而且沉降较大，尤其是双线隧道，控制拱部的沉降是一个很关键的问题，通过此种工法，断面大且分步开挖的同时控制各个步骤的距离，保持在3-5m，能保证施工安全也能尽早断面封闭。
对比断面封闭时间，由于现场施工工序相对滞后，断面封闭比理论时间长，隧道沉降较大，先行洞左右侧拱顶沉降差距不明显，先开挖侧沉降略大，对比分析原因掌子面开挖后未成环时间较长，同时后行洞在开挖过程中先行洞沉降有一定程度增加，但隧道变形在施工开挖过程中并无突变，由此也可见对于浅埋大跨黄土隧道围岩变形缺乏稳定性，在断面封闭之前隧道沉降很难自稳。
2、给出本实施例所述试验段围岩收敛规律；
本次设置了两个断面，即ZK37+180、ZK37+130，对围岩-初期支护接触压力进行了监测，监测累计值见表3、4，其中表中数值为监测结束数值。
表3先行洞试验段初支绝对水平收敛变化统计表
表4后行洞试验段初支绝对水平收敛变化统计表
| 测试断面 | 测试项目 | 量测历时/天 | 量测累计值/mm | 封闭时间/天 |
| DK37+020 | SL1 | 33 | -34 | 17 |
| DK37+010 | SL1 | 36 | -32 | 19 |
（1）先行洞初期支护的相对收敛在-34～-40mm，后行洞在同一里程相对收敛在-28～-34mm，均较小，上部初期支护的相对收敛与下部初期支护的相对收敛相当，同时上导洞开挖收敛影响相对较小，一般在20%～30%，下导洞的收敛比例在30%～40%，仰拱开挖收敛比例在10%～20%。开挖下导洞以及仰拱时候收敛相对较大，下导洞开挖后三至五天内开挖以及填充仰拱，此时收敛较为明显。
（3）各研究断面上部以及下部收敛在左右导洞开挖过程中所占的比例在30%～40%，开挖下导洞以及仰拱时候比例在40%～50%，仰拱封闭后收敛稳定。说明初期支护的相对收敛在封闭后变化量小。
（4）后行洞开挖过程中对先行洞的收敛影响很小，在同一里程后行洞开挖的时候，先行洞断面已经封闭，收敛基本没有变化，后行洞断面收敛略小于先行洞。
黄土隧道施工过程中拱部的沉降远大于隧道的收敛，对于小净距隧道此现象更为明显，其中夹土柱的承载力更低，对于岩质隧道通常采用中夹岩注浆加固或者设置对拉锚杆进行加固，但对于黄土特性，锚杆难以提供足够锚固力，减少扰动与尽早封闭是关键。通过采用此种工法，先开挖远离中夹土柱侧导洞，且台阶距离合理控制，尽量减少中夹土柱暴露时间，将隧道收敛控制在30mm左右，防止了隧道中夹土柱的失稳和塑性变形，取得了较好的效果。
3、给出本实施例所述试验段支护内力规律。
参照图4和图5，给出了本发明优选实施例中的初期支护外侧和内侧应力示意图；
其中，单位：MPa，“+”为拉力、“-”为压力。由监测数据分析得到：
（1）格栅拱架应力分布不均匀，拱部应力略大于边墙，仰拱应力相对较小，部分位置内侧受拉,边墙处应力分布不均匀，其外侧受压，压力小于拱顶，尤其是中夹土柱部位，内侧压力较大，受力不均匀，弯矩较大，为受力薄弱环节。
（2）格栅拱架外测压应力最大值为-85.95Mpa，施工过程略有增大，相对于稳定值相差不大，内侧最大值为-124.5Mpa，外侧应力均为受压，内侧应力处在仰拱处外均为受压，仰拱处拉应力最大64.38Mpa，小于《钢结构设计规范》（GB50017-2003）中规定的Q235钢材的抗拉、抗压极限强度375MPa。
（3）隧道左右导洞各台阶开挖施工引起的拱部拱架应力增长进行分析，隧道开挖各个导洞引起的应力增长不均匀，但无大的突变性增长，各个导洞上导洞中导洞施工引起的格栅拱架应力增长相对均匀，下导洞以及仰拱的施工引起的格栅拱架应力比较紊乱，应力转换比较复杂，土体扰动略大，相对应力增长较大，与隧道整体沉降较大有关。
（4）初期支护封闭后格栅拱架的应力基本趋于稳定，后行洞开挖时候对初期支护内力有一定影响，但无突变，后行洞开挖对时候先行洞初期支护影响控制在较小的范围内。
4、给出本实施例所述试验段围岩压力规律；
本次设置了两个断面，即DK37+020、DK37+010，对围岩-初期支护接触压力进行了监测，监测累计值见表5，其中表中数值为监测结束数值。
表5DK37+020与DK37+010断面初期支护-围岩接触压力量测值（KPa）
| 020断面 | Y1 | Y2 | Y3 | Y4 | Y5 | Y6 | Y7 | Y8 | Y9 |
| 累计值 | 84 | 113.3 | 113.6 | 200.1 | 213.1 | 361.8 | 121.9 | 103.6 | 101 |
| 010断面 | Y1 | Y2 | Y3 | Y4 | Y5 | Y6 | Y7 | Y8 | Y9 |
| 累计值 | 损坏 | 67.7 | 90 | 264 | 172 | 249 | 94 | 47 | 186 |
参照图6和图7，给出了本发明优选实施例中的围岩压力示意图；
其中(a)为020试验段测试数据，(b)为010试验段测试数据。
（1）监测断面的围岩-初期支护接触压力的最大值为361.8kPa，拱部测点压力前几天发展较快，拱脚以下测点压力在封闭后增长较大。
（2）两研究断面的围岩-初期支护接触压力均为偏压状态，即拱部相对较小，拱肩与边墙压力相对较大，最大处在边墙靠近小净距土体位置，通过将两隧道开挖间距保持在一倍洞径左右，能尽量减小同步开挖时对围岩的过度扰动，同时也能减小施工距离过远对隧道尤其是先行洞的偏压影响。
（3）后行洞开挖过程中先行洞围岩压力有一定增长，隧道开挖过程中双洞掌子面距离不大，没有明显的突变性增长，但整体来看隧道小净距一侧围岩压力大与小净距外侧，围岩压力不均匀，因此合理的施工断面距离对隧道受力状况有重要影响。
由上实例可知，首先，此工法隧道双洞同时采用双导洞法，单洞左右侧导洞采用三台阶留核心土的方法，分割断面，能减小隧道整体变形，断面大也同时能够满足机械施工，保证隧道的安全快速施工，地表以及洞内沉降得到了有效控制，在通过薄弱地段如偏压，有回填土的地段也达到了良好的效果，同时后行洞的开挖与先行洞保持一倍洞径，由于黄土土质的易破碎整体变形的特点，在开挖过程中相比于同时开挖能很大程度的减少开挖对围岩的扰动，能减小沉降并保证隧道的安全性，同时能尽量控制后行洞对先行洞围岩受力状态的影响，减小先行洞的偏压状态，确保了隧道整体受力的合理性以及后期运营的安全性。
其次，在隧道施工过程中首先开挖远离小净距中夹土柱的一侧，能尽量减少中夹土柱的围岩承载力的丧失，保证隧道土体的稳定，为后行洞施工提高安全保障，单洞左右侧采用三台阶留核心土的方法，能在保证隧道开挖速度的情况下尽量的保护围岩的稳定性，能解决隧道断面过大，且黄土开挖扰动后承载能力下降的问题。
再次，各个开挖面间距3-5m的布置保证了隧道开挖过程中围岩以及初期支护的稳定性，后行洞开挖与先行洞开挖面间距设置能保证后行洞在先行洞开挖后围岩稳定性降低后的安全施工，同时也能尽量减少后行洞开挖对先行洞影响，避免先行洞衬砌出现不利的受力情况。采用这种工法整体能上加快施工进度，同时保证施工安全以及结构稳定。
综上所述本发明创造性的提出了一种浅埋大跨小净距黄土隧道开挖方法，具有较大的工程应用价值及学术价值，对以后相似围岩情况的隧道的设计与施工有极大的推广与参考价值。
以上对本发明所提供的一种浅埋大跨小净距黄土隧道的开挖方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的方法进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种浅埋大跨小净距黄土隧道开挖方法，分为左、右洞施工；施工完后的左、右洞结构相同，可以先开挖左洞，也可以先开挖右洞；左、右洞每侧导洞分上台阶、中台阶和下台阶三步开挖，设当先开挖左洞时，其开挖步骤是：
先开挖左洞
步骤1 开挖左洞左侧上部，
步骤2 开挖左洞左侧中部，
步骤3 开挖左洞左侧下部的左侧，
步骤4 开挖左洞左侧下部的右侧，
步骤5 开挖左洞右侧上部，
步骤6 开挖左洞右侧中部，
步骤7 开挖左洞右侧下部的右侧，
步骤8 开挖左洞右侧下部的左侧；
再开挖右洞
右洞的施工步骤与左洞的施工步骤相当于一种轴对称施工：即步骤1为先施工右洞右侧上部，步骤8为施工右洞左侧下部的右侧。
2.根据权利要求1所述的隧道开挖方法，其特征在于：所述的隧道两洞埋深在40-60m，左、右洞的截面积各为100-120m2,左洞与右洞的隧道外轮廓线的间距为5-10m。
3.根据权利要求1所述的隧道开挖方法，其特征在于：右洞在左洞开挖且仰拱封闭成环一倍洞径或15-20m后再开挖。
4.根据权利要求1所述的隧道开挖方法，其特征在于：左、右洞导洞的开挖都优先开挖远离小净距一侧的导洞，两导洞掌子面间距为5-8m。
5.根据权利要求1所述的隧道开挖方法，其特征在于，在左、右洞的施工方法中：步骤1到步骤4各个台阶开挖深度的间距在3-5m，步骤5到步骤8各个台阶开挖深度的间距在3-5m。
6.根据权利要求1所述的隧道开挖方法，其特征在于，在上述每一步骤后都要立即进行初期支护的施工，然后再进行下一步骤；每一初期支护的施工均在所述的步骤1-8之后；并且，在步骤1、步骤2和步骤4后还要进行中壁临时支护的施工；所述的初期支护包括支护在隧道外壁处的拱架支护层、扩大拱脚和锁脚锚杆；拱架支护层由外层的格栅钢架，内层的钢筋网片，以及在格栅钢架、钢筋网片内的喷射混凝土组成；在所有步骤施工完后，将中壁临时支护拆除。
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