CN103742158B - 倾斜隧道的超前支护和挖掘方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种倾斜隧道的超前支护和挖掘方法，该挖掘方法包括：对于待挖掘的倾斜隧道，从其待挖掘的导洞的掌子面处，根据设定的注浆孔间距打设注浆孔；向所述注浆孔中注入浆液后，形成所述掌子面的超前支护；根据设计的导洞高度和跨度，从所述掌子面处挖掘设定步距的导洞；其中，所述注浆孔间距是根据所述导洞高度和跨度预先确定的。本发明的技术方案中，对于待挖掘的倾斜隧道，其掌子面围岩的黏聚力、内摩擦角，以及设计的导洞高度和跨度可以使得待挖掘的导洞的掌子面的稳定性系数超过稳定性阈值；从而确保掌子面的稳定性，可以提高导洞挖掘过程中的安全性。

Description

倾斜隧道的超前支护和挖掘方法

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，尤其涉及一种倾斜隧道的超前支护和挖掘方法。

背景技术

地铁、公路、铁路、水利水电等工程建设中经常需要修建隧道工程。除了需要挖掘水平或近似水平的隧道外，还需要挖掘倾斜隧道；例如地铁进出站的楼梯通道、铁路隧道的斜井和水电地下厂房的压力管道等。

当需要对待挖掘的倾斜隧道进行逆坡仰挖（即从倾斜隧道的底端开始沿隧道延伸方向挖掘）时，施工人员通常利用竖井等通道挖掘到待挖掘的倾斜隧道的底端位置；确定出待挖掘的倾斜隧道的掌子面，本文中的掌子面是指挖掘隧道过程中，沿隧道延伸方向推进且垂直于水平面的挖掘面；从待挖掘的倾斜隧道的掌子面处开始沿倾斜隧道的延伸方向，施作超前锚杆、超前管棚等超前支护。

基于超前支护，经常采用CRD（CRossDiaphragm，交叉中隔壁）法对待挖掘的倾斜隧道进行挖掘。一种CRD法包括：设计人员将待挖掘的倾斜隧道的掌子面划分成若干个待挖掘的导洞的掌子面；对于一个待挖掘的导洞，该导洞的掌子面如图1所示，本文将该导洞掌子面轮廓线与水平面相交的两个相距最远的点之间的距离作为该导洞的跨度，将该导洞掌子面顶点所在水平面与最低点所在水平面之间的垂直距离作为该导洞的高度；施工人员逐个开挖待挖掘的导洞，施作导洞之间的中隔壁等临时支护；各待挖掘的导洞沿倾斜隧道的延伸方向均挖掘设定步距后，拆除导洞之间的中隔壁；之后，施作其它结构。

然而，对于待挖掘的倾斜隧道，在对其待挖掘的导洞进行逆坡仰挖的过程中，时常出现该导洞当前的掌子面滑塌的现象；对处于掌子面下方的施工人员和设备的安全造成严重威胁。

本发明的发明人发现，对于待挖掘倾斜隧道，其掌子面的现有的超前支护通常大部分位于掌子面的拱顶部处，主要是为了减缓或避免拱顶部之上的围岩的沉降；或者，现有的超前支护沿待挖掘的倾斜隧道的掌子面轮廓线围成封闭的环形，主要是为了防水；即现有的超前支护没有为增强待挖掘倾斜隧道中待挖掘导洞的掌子面的稳定性而作专门设计；从而导致在对待挖掘导洞进行逆坡仰挖时，待挖掘导洞的掌子面稳定性较差，很容易发生滑塌。

本发明的发明人还发现，对于待挖掘的倾斜隧道，其待挖掘导洞的掌子面的重力沿导洞底面的顺坡方向产生一个分力，该分力容易导致掌子面滑塌。然而，待挖掘的倾斜隧道的导洞高度和跨度通常是分别直接套用待挖掘的水平隧道的导洞高度和跨度，而待挖掘的水平隧道的导洞高度和跨度往往数值较大，导致待挖掘的倾斜隧道中待挖掘导洞的掌子面的面积较大、自重较大，掌子面的重力沿待挖掘导洞底面的顺坡方向的分力也较大，容易造成待挖掘的导洞的掌子面产生滑塌。

综上所述，采用现有的施工方法对待挖掘的倾斜隧道进行逆坡仰挖，具有待挖掘的倾斜隧道中待挖掘导洞掌子面的稳定性不高的缺陷。因此，有必要提供一种可以提高待挖掘倾斜隧道中待挖掘导洞的掌子面的稳定性的超前支护和挖掘方法。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种倾斜隧道的超前支护和挖掘方法，以提高待挖掘的倾斜隧道中待挖掘导洞的掌子面的稳定性。

本发明的技术方案根据一个方面，提供了一种倾斜隧道的挖掘方法，包括：

对于待挖掘的倾斜隧道，从其待挖掘的导洞的掌子面处，根据设定的注浆孔间距打设注浆孔；

向所述注浆孔中注入浆液后，形成所述掌子面的超前支护；

根据设计的导洞高度和跨度，从所述掌子面处挖掘设定步距的导洞；

其中，所述注浆孔间距是根据所述导洞高度和跨度预先确定的。

较佳地，在所述根据设定的注浆孔间距打设注浆孔之前，还包括：

根据所述导洞高度，计算出所述超前支护处符合掌子面稳定性要求的围岩的强度参数；其中，所述围岩的强度参数具体包括：黏聚力、内摩擦角；

根据预先获得的注浆孔间距与围岩的强度参数之间的关系，确定出所述符合掌子面稳定性要求的所述围岩的强度参数所对应的注浆孔间距，作为所述设定的注浆孔间距。

较佳地，所述根据所述导洞高度，计算出所述超前支护处符合掌子面稳定性要求的围岩的强度参数，具体包括：

根据所述导洞高度h，以及如下公式4计算出使得稳定性系数k_min大于稳定性阈值p的黏聚力c、内摩擦角

（公式4）

公式4中，γ表示所述掌子面的顶点上部的覆土层的容重，H_max表示在对待挖掘的倾斜隧道进行自下而上挖掘前，所述倾斜隧道起始处的横截面的顶点上部的覆土层的厚度；

将计算出的黏聚力c、内摩擦角作为所述符合掌子面稳定性要求的所述围岩的强度参数。

较佳地，所述形成所述掌子面的超前支护之后，还包括：

检测所述超前支护处围岩的黏聚力、内摩擦角；

若检测得到的黏聚力或内摩擦角不符合掌子面稳定性要求；则对所述超前支护处围岩，以超前小导管注浆的方式进一步注入浆液。

较佳地，所述注浆孔具体包括：轴向注浆孔和斜向注浆孔，以及所述掌子面中包括轴向注浆孔区域和斜向注浆孔区域；其中，所述斜向注浆孔区域位于所述轴向注浆孔区域与所述掌子面的轮廓线之间；以及

所述对于待挖掘的倾斜隧道，从其待挖掘的导洞的掌子面处，根据设定的注浆孔间距打设注浆孔，具体包括：

在所述轴向注浆孔区域中，按所述设定的注浆孔间距打设多个所述轴向注浆孔；其中，所述轴向注浆孔是沿所述倾斜隧道的延伸方向打设的；

在所述斜向注浆孔区域中，打设多个所述斜向注浆孔；所述斜向注浆孔的起始端位于所述斜向注浆孔区域中，终止端位于所述待挖掘的导洞的外围围岩中；相邻的斜向注浆孔的起始端之间的距离不大于所述设定的注浆孔间距。

较佳地，在所述向所述注浆孔中注入浆液前，还包括：设置紧贴所述掌子面的止浆墙；以及

所述浆液，具体为：单液水泥浆、水泥-水玻璃双液浆或超细水泥浆；以及

所述从所述掌子面处挖掘设定步距的导洞，具体包括：

从所述掌子面处开始，沿所述倾斜隧道的延伸方向，全断面地挖掘设定步距。

进一步，在所述从所述掌子面处挖掘设定步距的导洞过程中，还包括：

每挖掘一段初期支护格栅钢架的安装间距长度的导洞，在该安装间距长度的导洞底面施作一级踏步；以及

所述在该安装间距长度的导洞底面施作一级踏步后，还包括：

在该级踏步的踏步面架设一个初期支护格栅钢架。

本发明的技术方案根据另一个方面，还提供了一种倾斜隧道的超前支护，包括：

在待挖掘的倾斜隧道中的待挖掘的导洞的围岩、从所述待挖掘的导洞的掌子面、向所述待挖掘的导洞的围岩中根据设定的注浆孔间距打设的注浆孔，以及从所述注浆孔注入、并渗透到所述待挖掘的导洞的围岩后凝固的浆液；其中，所述注浆孔间距是根据设计的导洞高度和跨度确定的。

较佳地，所述注浆孔间距具体是根据所述超前支护处符合掌子面稳定性要求的围岩的强度参数确定的；所述强度参数具体包括：黏聚力、内摩擦角；

所述符合掌子面稳定性要求的所述围岩的黏聚力c、内摩擦角是根据所述导洞高度、如下公式4所示的稳定性系数k_min确定的：

（公式4）

公式4中，γ表示所述掌子面的顶点上部的覆土层的容重，H_max表示在对待挖掘的倾斜隧道进行自下而上挖掘前，所述倾斜隧道起始处的横截面的顶点上部的覆土层的厚度。

较佳地，所述掌子面中包括轴向注浆孔区域和斜向注浆孔区域；所述斜向注浆孔区域位于所述轴向注浆孔区域与所述掌子面的轮廓线之间；以及

所述注浆孔具体包括：从所述轴向注浆孔区域中打设的轴向注浆孔，和从所述斜向注浆孔区域中打设的斜向注浆孔；

其中，所述轴向注浆孔的延伸方向为所述倾斜隧道的延伸方向；相邻的轴向注浆孔之间的距离不大于所述设定的注浆孔间距；

所述斜向注浆孔的起始端位于所述斜向注浆孔区域中，终止端位于所述待挖掘的导洞的外围围岩中；相邻的斜向注浆孔的起始端之间的距离不大于所述设定的注浆孔间距；以及

所述超前支护还包括：紧贴所述掌子面的止浆墙。

本发明的技术方案中，根据设计的导洞高度和跨度预先确定出设定的注浆孔间距，根据设定的注浆孔间距施作待挖掘的导洞的掌子面的超前支护，并根据设计的导洞高度和跨度对待挖掘的导洞进行挖掘；而该超前支护处围岩的黏聚力、内摩擦角，以及设计的导洞高度可以使得待挖掘的导洞的掌子面的稳定性系数超过稳定性阈值；从而确保掌子面的稳定性，可以提高导洞挖掘过程中的安全性。

附图说明

图1为现有技术方案中待挖掘导洞的导洞高度和跨度的示意图；

图2a为本发明实施例的待挖掘导洞的掌子面的稳定性分析示意图；

图2b、2c、2d分别为本发明实施例的待挖掘导洞掌子面的稳定性系数与掌子面的超前支护处围岩的内摩擦角、黏聚力，以及导洞高度之间的关系示意图；

图3a为本发明实施例的待挖掘导洞掌子面的超前支护的施作方法流程图；

图3b、3c为本发明实施例的待挖掘导洞掌子面的超前支护的结构示意图；

图4为本发明实施例的对待挖掘导洞进行挖掘的方法流程图；

图5a～5i为本发明实施例的对6个待挖掘导洞进行挖掘的实例的示意图；

图6为本发明实施例的在导洞底面施作的踏步的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

本发明的发明人发现，对于待挖掘的导洞的掌子面，以采用注浆方式施作掌子面的超前支护为例，掌子面的稳定性与注浆孔的间距有关：从掌子面处沿倾斜隧道的延伸方向打设注浆孔，注浆后形成该掌子面的超前支护；注浆孔之间的间距越小，超前支护处围岩的强度参数（黏聚力、内摩擦角）越大，从而使得掌子面的稳定性越高。

本发明的发明人还发现，掌子面的稳定性还与导洞高度和跨度有关：减小待挖掘导洞的高度和跨度，可以减小待挖掘导洞的掌子面沿顺坡方向的重力分力，从而可以提高掌子面的稳定性。

事实上，对于待挖掘的倾斜隧道，可以根据其横截面尺寸（总高度和总跨度），初步确定出其待挖掘的导洞的高度和跨度。导洞跨度与导洞高度的比值可以是一个不大于1.3的正实数。

例如，对于一个待挖掘的倾斜隧道，若其横截面的总高度和总跨度分别为9.15m和7.7m，则可以初步确定出其待挖掘的导洞的导洞高度和导洞跨度分别为3.05m和3.85m。导洞跨度与导洞高度之比为1.26；待挖掘的导洞为6个，排成上中下3层，每层2个。进一步，还可以确定出各待挖掘的导洞的挖掘顺序，以及导洞之间临时支护的拆除顺序。

较佳地，对于待挖掘的倾斜隧道，在根据其横截面尺寸的基础上，还可以根据其待挖掘的导洞的掌子面稳定性要求，以及施工的便利性，初步确定出其待挖掘的导洞的高度和跨度。

对于待挖掘的导洞，若可以根据初步确定的导洞高度，计算出符合掌子面稳定性要求的围岩的强度参数；则将初步确定的导洞高度和跨度分别作为设计的导洞高度和跨度。换言之，可以根据设计的导洞高度，计算出符合掌子面稳定性要求的围岩的强度参数。其中，围岩的强度参数包括黏聚力、内摩擦角。

下面通过对待挖掘的导洞的掌子面最易发生的滑塌的分析，详细介绍对于待挖掘的导洞，如何根据设计的导洞高度，计算出符合掌子面稳定性要求的围岩的黏聚力、内摩擦角。

对于待挖掘的倾斜隧道，其待挖掘的导洞的纵剖视面（即包含该倾斜隧道的延伸方向所在直线且垂直水平面的平面）示意图，如图2a所示，AB表示待挖掘的导洞的掌子面，A和B分别表示掌子面的最低点和顶点；考虑最大范围的滑塌，即掌子面的超前支护处的围岩沿某一过掌子面最低点的平面产生滑动，使得掌子面与该平面之间的围岩滑塌，则由AC表示该平面；AB表示的掌子面与BC表示的平面相垂直；将掌子面顶点B所在水平面之上的覆土层对掌子面的作用力，等效为BC表示的平面的荷载q₀，q₀可以如下公式1所示：

q₀=γ×H（公式1）

公式1中H为掌子面AB中顶点B之上的覆土层的厚度，γ为掌子面AB中顶点B之上的覆土层的容重。在实际应用中，对于一个待挖掘的导洞，γ可以设置为常数。

此外，可以采用掌子面的稳定性系数来表征掌子面的稳定性。如图2a所示，当倾斜隧道的倾斜角度不大于角度阈值（例如45°）时，可以将掌子面的稳定性系数等效为直角边坡ABC的稳定性系数；根据边坡的稳定性系数计算方法，可计算得到掌子面的稳定性系数k，k可以如下公式2所示：

（公式2）

公式2中c、分别为掌子面AB的超前支护处的围岩的黏聚力和内摩擦角；h为设计的导洞高度；a为掌子面AB的滑动角，数值上等于角ACB的角度。

若公式2中除a之外的参数不变，可计算得到当时，稳定性系数k的数值最小，即掌子面AB最容易发生滑塌。若公式2中除H之外的参数不变，可计算得到当H的数值最大时，稳定性系数k的数值最小。将数值最大的H记为H_max，H_max表示在对待挖掘的倾斜隧道进行自下而上挖掘前，待挖掘的倾斜隧道起始处的横截面的顶点之上的覆土层的厚度。对于待挖掘的导洞，将和H=H_max代入公式2后得到其掌子面的最小的稳定性系数k_min，k_min可以如下公式3所示：

（公式3）

根据公式3，掌子面的最小的稳定性系数k_min随掌子面的超前支护处围岩的内摩擦角增大而增大。例如，当c为70kPa、γ为20kN/m³、H_max为10m、h为4m时，k_min随增大而增大的数据推移图如图2b所示。k_min随掌子面的超前支护处围岩的黏聚力c增大而增大。例如，当为30°、γ为20kN/m³、H_max为10m、h为4m时，k_min随c增大而增大的数据推移图如图2c所示。k_min随导洞高度h增大而减小。例如，当c为70kPa、为30°、γ为20kN/m³、H_max为10m时，k_min随h增大而减小的数据推移图如图2d所示。

根据设计的导洞高度，以及如下公式4，计算出使得掌子面的稳定性系数k_min大于稳定性阈值p（p为大于或等于1的实数）的黏聚力c、内摩擦角

（公式4）

将计算出的黏聚力c、内摩擦角作为符合掌子面稳定性要求的超前支护处围岩的强度参数。

对于待挖掘的导洞，根据注浆孔间距与围岩的强度参数之间的关系，确定出符合掌子面稳定性要求的超前支护处围岩的强度参数所对应的注浆孔间距，作为设定的注浆孔间距。

注浆孔间距与围岩的强度参数之间的关系可以通过现场实验或经验公式的方法预先获得。

下面结合附图详细介绍本发明实施例的技术方案。

本发明实施例提供的倾斜隧道的挖掘方法中，包括：对于待挖掘倾斜隧道中的待挖掘的导洞，对其掌子面的超前支护进行施作的方法和对待挖掘的导洞进行挖掘的方法。

对于待挖掘的倾斜隧道中的待挖掘的导洞，对其掌子面的超前支护进行施作的方法，流程图如图3a所示，可以包括如下步骤：

S301：对于待挖掘的倾斜隧道，从其待挖掘的导洞的掌子面处，根据设定的注浆孔间距打设注浆孔。

本步骤中，根据设计的导洞高度和跨度，从待挖掘的倾斜隧道的掌子面中划分出各待挖掘的导洞的掌子面。对于每个待挖掘的导洞的掌子面，如图3b所示，从该导洞的掌子面中划分出轴向注浆孔区域和斜向注浆孔区域，其中斜向注浆孔区域位于轴向注浆孔区域与该掌子面的轮廓线之间。

具体地，如图3b所示，对于每个待挖掘的导洞，每隔设定步距，在该导洞的掌子面的轴向注浆孔区域中，沿待挖掘的倾斜隧道的延伸方向，按照设定的注浆孔间距打设多个轴向注浆孔。轴向注浆孔的初始端位于轴向注浆孔区域中。相邻的轴向注浆孔的初始端之间的距离不大于设定的注浆孔间距，例如，在轴向注浆孔区域中，多个轴向注浆孔的初始端可以组成m行n列的阵列，该阵列中的行间距和列间距均不大于设定的注浆孔间距，m和n均为自然数。较佳地，设定步距可以为5～10m；轴向注浆孔的长度可以大于设定步距。设定的注浆孔间距可以不小于0.75m且不大于1.75m；较佳地，设定的注浆孔间距具体为1m。轴向注浆孔孔径可以不小于50mm且不大于150mm；较佳地，轴向注浆孔孔径具体为89mm。

如图3b、3c所示，对于每个待挖掘的导洞，每隔设定步距，在该导洞的掌子面的斜向注浆孔区域中，打设多个斜向注浆孔。斜向注浆孔的起始端位于斜向注浆孔区域中，终止端位于待挖掘的导洞的外围围岩中。相邻的斜向注浆孔的起始端之间的距离不大于设定的注浆孔间距。较佳地，对于每个斜向注浆孔的起始端，该斜向注浆孔的起始端与多个轴向注浆孔的起始端之间的最小距离不大于设定的注浆孔间距。斜向注浆孔直径可以不小于50mm且不大于150mm；较佳地，轴向注浆孔孔径具体为89mm。

S302：向打设的各注浆孔中注入浆液后，形成待挖掘的导洞的掌子面的超前支护。

本步骤中，对于每个待挖掘的导洞，可以采用前进式的注浆方式，依次分别向该导洞的各轴向注浆孔、斜向注浆孔的起始端中注入浆液。使得浆液以注浆孔中任一点为圆心向周围的围岩渗透，渗透的半径不小于0.75m。注入的浆液凝固之后，形成该导洞的掌子面的超前支护。

较佳地，浆液具体可以是单液水泥浆、水泥-水玻璃双液浆，或超细水泥浆。水泥为强度等级不低于32.5的普通硅酸盐水泥；单液水泥浆或超细水泥浆的水灰比为0.8:1～1:1；水泥-水玻璃双液浆中的水玻璃的质量百分比为3%～5%。

事实上，步骤S302中形成的待挖掘的导洞的掌子面的超前支护，其作为本发明实施例提供的待挖掘的倾斜隧道的超前支护，其结构示意图如图3b、3c所示，包括：在待挖掘的倾斜隧道中的待挖掘的导洞的围岩、从待挖掘的导洞的掌子面、向待挖掘的导洞的围岩中根据设定的注浆孔间距打设的注浆孔，以及从注浆孔注入、并渗透到待挖掘的导洞的围岩后凝固的浆液。待挖掘的导洞可以为待挖掘的设定步距的导洞。较佳地，设定步距可以为5～10m。设定的注浆孔间距可以不小于0.75m且不大于1.75m；较佳地，设定的注浆孔间距具体为1m。

待挖掘的导洞的掌子面中可以包括：轴向注浆孔区域和斜向注浆孔区域。其中，斜向注浆孔区域位于轴向注浆孔区域与掌子面的轮廓线之间。

注浆孔具体包括：从轴向注浆孔区域中打设的多个轴向注浆孔，和从斜向注浆孔区域中打设的多个斜向注浆孔。其中，轴向注浆孔的延伸方向为待挖掘的倾斜隧道的延伸方向；相邻的轴向注浆孔之间的距离不大于设定的注浆孔间距。例如，在轴向注浆孔区域中，多个轴向注浆孔的初始端可以组成m行n列的点阵，该点阵中的行间距和列间距均不大于设定的注浆孔间距，m和n均为自然数。较佳地，轴向注浆孔的长度可以大于设定步距。轴向注浆孔孔径可以不小于50mm且不大于150mm；较佳地，轴向注浆孔孔径具体为89mm。

斜向注浆孔的起始端位于斜向注浆孔区域中，终止端位于待挖掘的导洞的外围围岩中。相邻的斜向注浆孔的起始端之间的距离不大于设定的注浆孔的间距。较佳地，对于每个斜向注浆孔的起始端，该斜向注浆孔的起始端与多个轴向注浆孔的起始端之间的最小距离不大于设定的注浆孔的间距。斜向注浆孔直径可以不小于50mm且不大于150mm；较佳地，轴向注浆孔孔径具体为89mm。

进一步，对于待挖掘的导洞的掌子面的超前支护，其中的三个以上斜向注浆孔的终止端可以处于同一平面内，且该平面与该导洞的掌子面平行。对于同一平面内的每个斜向注浆孔的终止端，该斜向注浆孔的终止端到该平面内的该导洞轮廓线的最小距离可以不小于1.75m且不大于2.25m。同一平面内相邻的斜向注浆孔的终止端之间的距离可以不小于0.75m且不大于1.75m；较佳地，同一平面内相邻的斜向注浆孔的终止端之间的距离具体为1m。

进一步，对于待挖掘的导洞的掌子面的超前支护，其中的两个以上斜向注浆孔的终止端还可以处于同一直线上，该直线的延伸方向可以与待挖掘倾斜隧道的延伸方向相同；处于同一直线上相邻的终止端之间的距离可以不小于0.75m且不大于1.75m；较佳地，处于同一直线上相邻的斜向注浆孔的终止端之间的距离具体为1m。

在实际施工中，对于待挖掘的导洞，可以及时对其掌子面的超前支护处围岩进行采样、检测和计算，确定出围岩的黏聚力、内摩擦角。例如，对于每个待挖掘的导洞，在该导洞的掌子面的轴线注浆孔和斜向注浆孔中选取10%的注浆孔作为检查孔。其中，检查孔无塌孔、流砂现象；取心率应达到70%以上，无侧限抗压强度应大于0.8Mpa，注浆后岩体体渗透系数应小于1cm/d。对于每个检查孔，从以该检查孔为圆心以设定距离为半径的区域中采集围岩作为样品，对样品进行围岩力学参数测试、计算后得到样品的黏聚力的平均值、内摩擦角的平均值；将得到的样品的黏聚力的平均值、内摩擦角的平均值分别作为该导洞掌子面的超前支护处围岩的黏聚力、内摩擦角。围岩力学参数测试的具体方法为本领域的惯用技术手段，此处不再赘述。

若检测得到的围岩的黏聚力或者内摩擦角达不到掌子面稳定性要求，还可以对超前支护处围岩采用超前小导管注浆的方式进一步注入浆液。超前小导管注浆的具体方法为本领域的惯用技术手段，此处不再赘述。

为了防止注入的浆液从待挖掘的导洞的掌子面渗出，如图3c所示，还可以在设置注浆孔之前，紧贴待挖掘的导洞的掌子面设置止浆墙。

具体地，紧贴待挖掘的导洞的掌子面设置一层钢筋网，平行于该层钢筋网设置另一层钢筋网；对于每层钢筋网，将该层钢筋网边缘的钢筋锚入该导洞周围的围岩中；在两层钢筋网之间焊接若干加强钢筋；向两层钢筋网和若干加强钢筋组成的结构喷射混凝土，并预留出轴向注浆孔、斜向注浆孔的起始端的位置，形成紧贴该导洞的掌子面的止浆墙。较佳地，两层钢筋网中的钢筋可以是的钢筋；加强钢筋可以是的钢筋；喷射的混凝土可以是C20混凝土；止浆墙的厚度可以是0.3m。

此外，本发明实施例提供的待挖掘的倾斜隧道的超前支护中，还可以包括：以上述方法设置的止浆墙；该止浆墙紧贴待挖掘的导洞的掌子面。

基于上述待挖掘的导洞的掌子面处的超前支护，根据设计的导洞高度和跨度，对待挖掘的导洞进行挖掘的方法，流程图如图4所示，可以包括如下步骤：

S401：根据设计的导洞高度和跨度，对待挖掘的导洞进行挖掘并及时施作初期支护和作为临时支护的中隔壁。

本步骤中，根据上述确定出设计的导洞高度和跨度时，确定出的待挖掘的导洞的个数、排列方式和挖掘顺序，依次对各待挖掘的导洞进行挖掘。例如，6个待挖掘的导洞的排列方式为上中下三层，每层两个待挖掘的导洞；按照挖掘顺序，如图5a、5b、5c、5d，以及5e所示，导洞1～6均为待挖掘的导洞；依次挖掘上层左侧的导洞1、上层右侧的导洞2、中层左侧的导洞3、中层右侧的导洞4，以及下层左侧的导洞5和下层右侧的导洞6。

对于每个待挖掘的导洞，可以采用几种方法从该导洞的掌子面处挖掘设定步距的导洞。

从一个待挖掘的导洞的掌子面处挖掘设定步距的导洞的一种方法具体包括：根据确定出设计的导洞高度和跨度，从该导洞的掌子面处开始，沿隧道延伸方向自下而上，全断面地挖掘设定步距。对待挖掘的导洞进行全断面挖掘的具体方法为本领域的惯用技术手段，不再赘述。采用全断面挖掘的方法减少了工序步骤，提高了挖掘的效率。

从一个待挖掘的导洞的掌子面处挖掘设定步距的导洞的另一种方方法，具体可以包括：根据确定出设计的导洞高度和跨度，从该导洞的掌子面处开始，沿倾斜隧道的延伸方向自上而下，采用台阶法挖掘设定步距。采用台阶法进行挖掘为本领域的惯用技术手段，不再赘述。

在待挖掘的设定步距的导洞内，每挖掘设定距离，及时施作该导洞的初期支护和作为临时支护的中隔壁；连接初期支护与中隔壁形成封闭的环形支护。初期支护位于该导洞与倾斜隧道的外围围岩之间；中隔壁位于该导洞与其它待挖掘的导洞处的围岩之间。

较佳地，还可以在施作初期支护或者中隔壁的过程中，打设锁脚锚管，使得锁脚锚管的始端位于初期支护或者中隔壁内，末端锚入于导洞的围岩中，以固定初期支护或者中隔壁；可以减小初期支护或者中隔壁沿导洞倾斜底面滑倒的几率，提高安全性。

S402：各待挖掘的导洞均挖掘设定步距后，拆除导洞之间的中隔壁，形成设定步距的倾斜隧道。

本步骤中，各待挖掘的导洞均挖掘设定步距后，根据确定出的导洞之间临时支护（即中隔壁）的拆除顺序，依次拆除导洞之间的中隔壁；形成设定步距的倾斜隧道。例如，6个均挖掘设定步距后的导洞；按照确定出的导洞之间中隔壁的拆除顺序，如图5f、图5g、以及图5h所示，依次拆除导洞5与导洞6之间的中隔壁，拆除导洞3与导洞4～5之间、导洞4与导洞6之间的中隔壁，以及拆除导洞1与导洞2～3之间、导洞2与导洞4之间的中隔壁。导洞之间的中隔壁拆除完毕后，各导洞中的初期支护已连接成封闭的环形支护。

较佳地，对于每个中隔壁，可沿倾斜隧道的延伸方向逐段拆除该中隔壁；该中隔壁的一段不超过6m。

较佳地，还可以在拆除中隔壁的间隔期间，施作倾斜隧道的结构底板、位于倾斜隧道两侧的部分的侧墙以及部分的侧墙防水层；并使得两侧的部分的侧墙分别与结构底板的两边相连接。侧墙具体可以是混凝土的结构，待混凝土的强度达到设计强度的75%之后，继续进行中隔壁的拆除。例如，如图5f所示，在拆除导洞5与导洞6之间的中隔壁之后，施作倾斜隧道的结构底板、部分的侧墙以及部分的侧墙防水层；待侧墙达到设计强度的75%之后，如图5g所示，继续拆除导洞3与导洞4～5之间、导洞4与导洞6之间的中隔壁。

进一步，待倾斜隧道两侧的侧墙的强度达到设计强度的75%之后，如图5h所示，还可以在两侧的侧墙之间架设临时钢支撑。相邻的临时钢支撑之间的距离可以为3m。较佳地，临时钢支撑可以是外径309mm的钢管；临时钢支撑可以平行于水平面和倾斜隧道的横截面。

进一步，在导洞之间的中隔壁拆除完毕后，如图5i所示，还可以施作剩余部分的侧墙、拱顶以及拱顶的防水层；并使得两侧的侧墙分别与拱顶的两边相连接；从而使得隧道的结构底板、两侧的侧墙和拱顶封闭成环形支护。拱顶具体可以是混凝土的结构；待拱顶以及侧墙的强度达到设计强度的85%之后，可以拆除临时钢支撑。

在实际施工中，从待挖掘的倾斜隧道起始处开始沿倾斜隧道的延伸方向自下而上，每隔设定步距，可以根据上述图3的方法流程施作待挖掘导洞的掌子面的超前支护；之后，可以根据上述图4的方法流程对待挖掘的导洞进行挖掘。

对于每个待挖掘的导洞，从该导洞的掌子面处挖掘设定步距的导洞过程中，还可以在该导洞的倾斜底面施作如图6所示的踏步，具体包括：从该导洞的掌子面处，沿倾斜隧道的延伸方向自下而上，每挖掘一段初期支护格栅钢架的安装间距长度的导洞，在该安装间距长度的导洞的倾斜底面施作一级踏步。之后，在该级踏步的踏步面架设一个初期支护格栅钢架。

事实上，施作的多级踏步组成微台阶。微台阶中，一级踏步的踏步面与上一级踏步的踢面垂直相连形成凹角。对于架设在本级踏步的踏步面上的初期支护格栅钢架，其紧贴上一级踏步的踢面。

本发明的技术方案中，根据设计的导洞高度和跨度预先确定出设定的注浆孔间距，根据设定的注浆孔间距施作待挖掘的导洞的掌子面的超前支护，并根据设计的导洞高度和跨度对待挖掘的导洞进行挖掘；而该超前支护处围岩的黏聚力、内摩擦角，以及设计的导洞高度可以使得待挖掘的导洞的掌子面的稳定性系数超过稳定性阈值；从而确保掌子面的稳定性，可以提高导洞挖掘过程中的安全性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种倾斜隧道的挖掘方法，其特征在于，包括：

对于待挖掘的倾斜隧道，从其待挖掘的导洞的掌子面处，根据设定的注浆孔间距打设注浆孔；

向所述注浆孔中注入浆液后，形成所述掌子面的超前支护；

根据设计的导洞高度和跨度，从所述掌子面处挖掘设定步距的导洞；

在所述根据设定的注浆孔间距打设注浆孔之前，还包括：

根据所述导洞高度，计算出所述超前支护处符合掌子面稳定性要求的围岩的强度参数；其中，所述围岩的强度参数具体包括：黏聚力、内摩擦角；

根据预先获得的注浆孔间距与围岩的强度参数之间的关系，确定出所述符合掌子面稳定性要求的所述围岩的强度参数所对应的注浆孔间距，作为所述设定的注浆孔间距。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述导洞高度，计算出所述超前支护处符合掌子面稳定性要求的围岩的强度参数，具体包括：

根据所述导洞高度h，以及如下公式计算出使得掌子面稳定性系数k_min大于稳定性阈值p的黏聚力c、内摩擦角

公式中，γ表示所述掌子面的顶点上部的覆土层的容重，H_max表示在对待挖掘的倾斜隧道进行自下而上挖掘前，所述倾斜隧道起始处的横截面的顶点上部的覆土层的厚度；

将计算出的黏聚力c、内摩擦角作为所述符合掌子面稳定性要求的所述围岩的强度参数。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述形成所述掌子面的超前支护之后，还包括：

检测所述超前支护处围岩的黏聚力、内摩擦角；

若检测得到的黏聚力或内摩擦角不符合掌子面稳定性要求；则对所述超前支护处围岩，以超前小导管注浆的方式进一步注入浆液。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述注浆孔具体包括：轴向注浆孔和斜向注浆孔，以及所述掌子面中包括轴向注浆孔区域和斜向注浆孔区域；其中，所述斜向注浆孔区域位于所述轴向注浆孔区域与所述掌子面的轮廓线之间；以及

所述对于待挖掘的倾斜隧道，从其待挖掘的导洞的掌子面处，根据设定的注浆孔间距打设注浆孔，具体包括：

在所述轴向注浆孔区域中，按所述设定的注浆孔间距打设多个所述轴向注浆孔；其中，所述轴向注浆孔是沿所述倾斜隧道的延伸方向打设的；

在所述斜向注浆孔区域中，打设多个所述斜向注浆孔；所述斜向注浆孔的起始端位于所述斜向注浆孔区域中，终止端位于所述待挖掘的导洞的外围围岩中；相邻的斜向注浆孔的起始端之间的距离不大于所述设定的注浆孔间距。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在向所述注浆孔中注入浆液前，还包括：设置紧贴所述掌子面的止浆墙；以及

所述浆液，具体为：单液水泥浆、水泥-水玻璃双液浆或超细水泥浆；以及

所述从所述掌子面处挖掘设定步距的导洞，具体包括：

从所述掌子面处开始，沿所述倾斜隧道的延伸方向，全断面地挖掘设定步距。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在从所述掌子面处挖掘设定步距的导洞过程中，还包括：

每挖掘一段初期支护格栅钢架的安装间距长度的导洞，在该安装间距长度的导洞底面施作一级踏步；以及

所述在该安装间距长度的导洞底面施作一级踏步后，还包括：

在该级踏步的踏步面架设一个初期支护格栅钢架。

7.一种倾斜隧道的超前支护，其特征在于，包括：在待挖掘的倾斜隧道中的待挖掘的导洞的围岩、从所述待挖掘的导洞的掌子面、向所述待挖掘的导洞的围岩中根据设定的注浆孔间距打设的注浆孔，以及从所述注浆孔注入、并渗透到所述待挖掘的导洞的围岩后凝固的浆液；

所述注浆孔间距是根据所述超前支护处符合掌子面稳定性要求的围岩的强度参数确定的；所述强度参数具体包括：黏聚力、内摩擦角；

所述符合掌子面稳定性要求的所述围岩的黏聚力c、内摩擦角是根据所述导洞高度、如下公式所示的掌子面稳定性系数k_min确定的：

公式中，γ表示所述掌子面的顶点上部的覆土层的容重，H_max表示在对待挖掘的倾斜隧道进行自下而上挖掘前，所述倾斜隧道起始处的横截面的顶点上部的覆土层的厚度，h为设计的导洞高度。

8.如权利要求7所述的超前支护，其特征在于，所述掌子面中包括轴向注浆孔区域和斜向注浆孔区域；所述斜向注浆孔区域位于所述轴向注浆孔区域与所述掌子面的轮廓线之间；以及

所述注浆孔具体包括：从所述轴向注浆孔区域中打设的轴向注浆孔，和从所述斜向注浆孔区域中打设的斜向注浆孔；

其中，所述轴向注浆孔的延伸方向为所述倾斜隧道的延伸方向；相邻的轴向注浆孔之间的距离不大于所述设定的注浆孔间距；

所述斜向注浆孔的起始端位于所述斜向注浆孔区域中，终止端位于所述待挖掘的导洞的外围围岩中；相邻的斜向注浆孔的起始端之间的距离不大于所述设定的注浆孔间距；以及

所述超前支护还包括：紧贴所述掌子面的止浆墙。