CN105649653A - 上下不等圆特殊断面矿山法隧道结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及上下不等圆特殊断面矿山法隧道结构及其施工方法。受到已建地铁线路与周边环境的影响，后期地铁线路建设条件相对苛刻，特殊断面的矿山法隧道结构方案应运而生。本发明的隧道结构的断面呈上下不等圆形状，包括上半圆和下半圆；上、下半圆之间通过直线段过渡，整体左右对称，上半圆曲率半径小于下半圆曲率半径，主要通过大管棚与自进式锚杆的超前支护作用施工。本发明具有断面布置灵活、内部空间调整幅度大、支护结构体系可靠的优势，满足上部截面小、下部截面大这一特殊要求的类圆形构造型式，同时可有效避免常规马蹄形或直墙圆拱矿山法隧道开挖轮廓相对较大且受力性能相对较差的不利影响，具有广泛的应用空间。

Description

上下不等圆特殊断面矿山法隧道结构及其施工方法

技术领域

本发明属于隧道工程施工技术领域，具体涉及一种上下不等圆特殊断面矿山法隧道结构及其施工方法。

背景技术

对于目前国内各大城市的轨道交通工程，随着地铁线网的不断加密，后续地铁线路建设时，受已建地铁线路与周边环境的影响，在线路走向与铺设方式、空间关系与结构型式、以及施工方法与工程措施等方面的要求更加严格。常规的马蹄形或直墙圆拱矿山法隧道结构型式可能受周边既有构筑物的空间限制没有施做条件，而类圆形矿山法隧道断面结构具有开挖轮廓相对较小的特点，施工方法具有灵活多变、适应性强、安全可靠等特点。

发明内容

本发明的目的是提供一种上下不等圆特殊断面矿山法隧道结构及其施工方法，通过超前大管棚与自进式锚杆的地层预加固措施、CRD法开挖工法、格栅钢架与内部临时型钢支撑等结构稳定性措施，实现上部截面小、下部截面大的特殊矿山法隧道断面结构型式。

本发明所采用的技术方案为：

上下不等圆特殊断面矿山法隧道结构，其特征在于：

所述隧道结构的断面呈上下不等圆形状，包括上半圆和下半圆；

上、下半圆之间通过直线段过渡，整体左右对称，上半圆曲率半径小于下半圆曲率半径。

隧道结构采用防水砼浇注，外圈施做有初期支护，，初期支护外侧施做大管棚与自进式锚杆，大管棚内部压注水泥砂浆；

初期支护由格栅钢架、钢架接头与喷混组成；

上半圆格栅钢架脚部设置有锁脚锚管；

格栅钢架采用三级钢，钢架接头采用Q235钢材，喷混采用C25早强混凝土；

格式钢架内部设有竖向临时型钢支撑与水平向临时型钢支撑。

隧道结构下半圆内圈底部设置有盾构机导台，盾构机导台采用细石砼浇注。

上下不等圆特殊断面矿山法隧道结构的施工方法，其特征在于：

包括以下步骤：

步骤一：在隧道开洞门处打设大管棚，并向大管棚内部压注水泥浆，大管棚打设前先实施管棚导向墙，并在导向墙内预埋导向管，相邻两段大管棚的搭接不小于3m；

步骤二：布置降水井，进行降水施工，确保地下水位在隧道结构底板以下1m，降水中严格控制出砂率，控制地层损失与地表沉降；

步骤三：在隧道开洞门处大管棚下方打设自进式锚杆，自进式锚杆与大管棚呈梅花型布置，确保隧道拱顶上方地层形成可靠的改良体与承载拱；

步骤四：将整个隧道分成四部分开挖，并按左上部、左下部、右上部与右下部的顺序依次开挖，每部开挖时预留核心土，开挖后及时架设格栅钢架并喷混，上半断面格栅钢架架设后，及时在拱脚处施做锁脚锚管，格栅钢架通过钢架接头连接成一个封闭的初期支护，每部开挖过程中及时施做竖向临时型钢支撑与水平向临时型钢支撑，临时型钢纵向采用钢筋连接并喷射混凝土，相邻两部的开挖进度沿隧道纵向至少相差一倍开挖跨度；

步骤五：隧道洞通后，逐步拆除临时型钢支撑，每次拆除的长度不超过隧道开挖跨度的0.5倍，随后按照初期支护表面砂浆抹平、防水层施工、钢筋笼绑扎、二衬浇筑的施工顺序进行施工；

步骤六：根据上下两个圆的曲率与具体施做范围要求，将隧道二衬分成上下两部分浇筑，按照先拱底后拱顶的原则，先浇筑拱底部分二衬，后浇筑拱顶部分，下圆与上圆间采用直线段过渡，确保结构表面平顺过渡，形成上下不等圆特殊断面矿山法的隧道结构；

步骤七：在拱底部分采用C20细石混凝土浇筑盾构机导台，后期根据道床施做要求拆除，或作为道床结构的一部分。

大管棚采用直径108mm，壁厚6mm钢花管，长15m，环向间距0.3m，在隧道拱部150°范围内设置。

自进式锚杆采用直径32mm，壁后4mm钢花管，长3～5m，在隧道拱部150°范围内设置，环纵向间距可为0.3×2.5m。

锁脚锚管采用直径42mm，壁厚3.5mm的钢花管，内部压注水泥－水玻璃双液浆，与格栅钢架焊接，纵向间距与格栅钢架相同。

本发明具有以下优点：

本发明具有上小下大的特殊圆形截面构造型式，并提供了一种新型的矿山法隧道施工理念，丰富了现有的隧道施工工艺，拓宽了隧道设计思路。在隧道开外轮廓上方设置的大管棚、自进式锚杆与初期支护格栅钢架与隧道内部设置的临时型钢支撑，以及大管棚内压注的水泥浆、衬砌结构用刚才与混凝土等，涉及的钢材、水泥砂浆、防水混凝土以及大管棚打设所用的机械设备等均为常规材料（设备），其相应尺寸为常规类型，便于加工制造；且大管棚与自进式锚杆的平面布置、数量与长度可根据施工情况进行调整，大管棚刚度可根据内部充填的水泥砂浆等级与钢管自身刚度情况综合确定，格栅钢架与临时型钢支撑的纵向间距可根据施工监测情况灵活调整。通过大管棚与自进式锚杆的超前地层预加固措施，格栅钢架与内部临时型钢支撑的设置，以及CRD工法化整为零的施工步续要求，即可实现特殊圆形矿山法隧道构的安全，减小潜在的不安全因素，达到既能满足施工便捷，又能满足结构功能与内部空间使用要求，既能满足周边环境保护的苛刻要求，又能避免地面常规马蹄形或直墙圆拱隧道开挖断面轮廓大对周边环境的不利影响。具有较高的经济效益和社会效益，在城市轨道交通、铁路、公路等工程中有广泛的应用前景。

附图说明

图1为上下不等圆特殊断面矿山法隧道结构图。

图2为隧道支护纵向布置示意图。

图3为隧道支护布置断面图。

图中，1-隧道结构，2-初期支护，3-大管棚，4-自进式锚杆，5-盾构机导台，6-格栅钢架，7-钢架接头，8-初支喷混，9-水平向临时型钢支撑，10-竖向临时型钢支撑，11-锁脚锚管。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明涉及一种上下不等圆特殊断面矿山法隧道结构，所述隧道结构1的断面呈上下不等圆形状，包括上半圆和下半圆。上、下半圆之间通过直线段过渡，整体左右对称，上半圆曲率半径小于下半圆曲率半径。具体曲率半径大小与具体实施范围，需根据结构功能与内部空间使用要求确定。

隧道结构1采用防水砼浇注，外圈施做有初期支护2，初期支护2外侧施做大管棚3与自进式锚杆4。初期支护2由格栅钢架6、钢架接头7与喷混8组成；上半圆格栅钢架6两端脚部设置有锁脚锚管11，格栅钢架6内部设置有9水平向临时型钢支撑与10竖向临时型钢支撑；格栅钢架6采用三级钢，临时型钢与钢架接头7采用Q235钢材，喷混8采用C25早强混凝土。格栅钢架6与临时型钢纵向间距一般可取0.5m，与隧道纵向开挖步距相同。

隧道结构1下半圆内圈底部设置有盾构机导台5，盾构机导台5采用细石砼浇注。

上述上下不等圆特殊断面矿山法隧道结构主要通过大管棚3与自进式锚杆4的超前支护作用进行施工，在初期支护2内部，根据结构功能与内部空间使用要求，施做的两个上下半径不相等的特殊圆形断面结构。具体包括以下步骤：

步骤一：基于地层预加固要求，根据管棚布置数量与间距要求，在隧道洞门位置打设大管棚3，管棚长度达到设计要求后，及时向大管棚3内部压注水泥砂浆，为确保打设精度与长度要求，大管棚3打设前需要先实施管棚导向墙，并在导向墙内预埋导向管，相邻大管棚6间的纵向搭接不小于3m；

步骤二：根据设计要求布置降水井与水位观察孔，降水井的净距按沿隧道纵向间距15m左右考虑，隧道两侧分别布置一排，进行降水施工，确保地下水位在隧道结构底板以下约1m，降水中需严格控制出砂率，控制降水引起的地层损失；

步骤三：在隧道开洞处大管棚3下方打设自进式锚杆4，自进式锚杆4的布置需与大管棚3错开，确保自进式锚杆4与大管棚3在平面上呈梅花型布置，自进式锚杆的角度与长度严格按设计要求执行；

步骤四：根据CRD法开挖工序要求，将整个隧道分成四部分开挖，并按左上部、左下部、右上部与右下部的顺序依次开挖，每部开挖时需要预留核心土，开挖后及时架设格栅钢架6并喷混8，按先架设竖向临时型钢支撑10，再架设水平向临时型钢支撑9的顺序进行，严格控制隧道拱顶处沉降变形，上半断面格栅钢架6架设后，及时在拱脚处施做锁脚锚管11，并压注水泥-水玻璃双液浆，格栅钢架6通过钢架接头7连接成一个封闭的初期支护2，严格按照随挖随撑的理念进行施工，临时型钢纵向采用钢筋连接并喷射混凝土，为避免群洞效应，相邻两部的开挖进度沿隧道纵向至少相差一倍开挖跨度；

步骤五：根据设计要求，在隧道开挖面一定距离以外，对初期支护2外侧进行回填注浆，确保初期支护2与隧道周边围岩密贴；

步骤六：洞通后，逐步拆除临时型钢支撑，按照先拆除水平向临时型钢支撑9，再拆除竖向临时型钢支撑10的顺序进行，每次拆除的长度不超过隧道开挖跨度的0.5倍（约3～5m），随后按照初期支护2表面砂浆抹平、防水层铺设、钢筋笼绑扎、二衬浇筑的顺序进行施工；

步骤七：根据上下两个圆的曲率与具体施做范围要求，将隧道二衬分成上下两部分浇筑，按照先拱底后拱顶的原则，先浇筑拱底部分二衬（下圆），后浇筑拱顶部分（上圆），下圆与上圆间采用直线段过渡，确保结构表面平顺过渡，形成上下不等圆特殊断面矿山法隧道结构1；

步骤八：待二衬达到一定设计强度后，通过隧道二衬上预留的注浆管，对二衬与初期支护2间的空隙进行注浆充填，确保将二衬与初期支护2的渗漏水通道完全堵死；

步骤九：在拱底部分采用C20细石混凝土浇筑盾构机导台5，满足洞通后盾构机空推通过的需求，后期可根据道床施做要求拆除，或作为道床结构的一部分。

要从理论上找出能适应任意断面型式要求的矿山法隧道结构及其施工方法，在现有的理论水平与施工技术条件下，仍有相当大的难度，因为矿山法隧道结构轮廓必须圆顺以满足受力要求，实际工程中隧道开挖对周边地层的扰动在一定程度上是不可避免的，而且隧道工程保护要求除了自身因素外，还需要考虑到周边环境的不同要求，尤其在临近既有地铁车站与隧道、地下商业综合体、以及医院、学校与实验室等重点保护对象的情况下，目前的矿山法隧道结构设计与施工，仍需按照“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”十八字方针的基本原则进行。

本发明“上下不等圆特殊断面矿山法隧道结构”主要指上部截面小、下部截面大这一特殊要求的类圆形隧道断面构造型式，具有断面布置灵活、内部空间调整幅度大、支护结构体系可靠且转变灵活以及能适应各类环境要求的特点。既可以满足周边环境保护的苛刻要求，又避免了常规马蹄形或直墙圆拱矿山法隧道开挖轮廓相对较大且受力性能相对较差的不利影响。同时，在满足隧道断面轮廓圆顺与受力要求的前提下，上下两个圆的曲率与具体施做范围，以及上下两圆间的直线过渡段范围，都可以根据实际工程情况进行相应调整，增加了灵活性与适应性。可以实现当城市地铁线网已初具规模、轨道交通走廊已经占据了城市主干道下方主要空间情况下，地下工程仍能采用特殊圆形断面矿山法隧道这一常规手段实施的目的。具有较高的经济效益和社会效益，在城市轨道交通、铁路、公路等工程中有广泛的应用前景。

施工中：

大管棚3采用直径108mm，壁厚6mm钢花管，长15m，环向间距0.3m，在隧道拱部150°范围内设置。大管棚3的平面布置、打设长度与角度、纵向搭接长度等需根据设计要求确定，同时在内部压注水泥浆。

自进式锚杆4采用直径32mm，壁后4mm钢花管，长3～5m，在隧道拱部150°范围内设置，环纵向间距可为0.3×2.5m。自进式锚杆4的平面布置、打设角度与角度、纵向搭接长度等需根据设计要求确定。

锁脚锚管11采用直径42mm，壁厚3.5mm的钢花管，内部压注水泥－水玻璃双液浆，与格栅钢架6焊接，纵向间距与格栅钢架6相同。

初期支护2内部需架设竖向临时型钢支撑10与水平向临时型钢支撑9，且型钢支撑的架设需与隧道开挖工序相匹配，按照先竖向临时型钢支撑10后水平向临时型钢支撑9的顺序施工，型钢支撑的纵向间距与格栅钢架6相同。

本发明通过上下不等圆特殊断面矿山法隧道结构的上下两个圆的曲率半径与具体实施范围的调整，以及上下两个圆中间直线过渡段实施范围的相应调整，不但可以满足建筑限界以及施工误差的要求，还可以满足隧道内部盾构空推通过的要去，进而实现与盾构法隧道类似的结构功能要求。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.上下不等圆特殊断面矿山法隧道结构，其特征在于：

所述隧道结构（1）的断面呈上下不等圆形状，包括上半圆和下半圆；

上、下半圆之间通过直线段过渡，整体左右对称，上半圆曲率半径小于下半圆曲率半径。

2.根据权利要求1所述的上下不等圆特殊断面矿山法隧道结构，其特征在于：

隧道结构（1）采用防水砼浇注，外圈施做有初期支护（2），，初期支护（2）外侧施做大管棚（3）与自进式锚杆（4），大管棚（3）内部压注水泥砂浆；

初期支护（2）由格栅钢架（6）、钢架接头（7）与喷混（8）组成；

上半圆格栅钢架（6）脚部设置有锁脚锚管（11）；

格栅钢架（6）采用三级钢，钢架接头（7）采用Q235钢材，喷混（8）采用C25早强混凝土；

格式钢架（6）内部设有竖向临时型钢支撑（10）与水平向临时型钢支撑（9）。

3.根据权利要求1所述的上下不等圆特殊断面矿山法隧道结构，其特征在于：

隧道结构（1）下半圆内圈底部设置有盾构机导台（5），盾构机导台（5）采用细石砼浇注。

4.上下不等圆特殊断面矿山法隧道结构的施工方法，其特征在于：

包括以下步骤：

步骤一：在隧道开洞门处打设大管棚（3），并向大管棚（3）内部压注水泥浆，大管棚（3）打设前先实施管棚导向墙，并在导向墙内预埋导向管，相邻两段大管棚（6）的搭接不小于3m；

步骤二：布置降水井，进行降水施工，确保地下水位在隧道结构底板以下1m，降水中严格控制出砂率，控制地层损失与地表沉降；

步骤三：在隧道开洞门处大管棚（3）下方打设自进式锚杆（4），自进式锚杆（4）与大管棚（3）呈梅花型布置，确保隧道拱顶上方地层形成可靠的改良体与承载拱；

步骤四：将整个隧道分成四部分开挖，并按左上部、左下部、右上部与右下部的顺序依次开挖，每部开挖时预留核心土，开挖后及时架设格栅钢架（6）并喷混（8），上半断面格栅钢架（6）架设后，及时在拱脚处施做锁脚锚管（11），格栅钢架（6）通过钢架接头（7）连接成一个封闭的初期支护（2），每部开挖过程中及时施做竖向临时型钢支撑（10）与水平向临时型钢支撑（9），临时型钢纵向采用钢筋连接并喷射混凝土，相邻两部的开挖进度沿隧道纵向至少相差一倍开挖跨度；

步骤五：隧道洞通后，逐步拆除临时型钢支撑，每次拆除的长度不超过隧道开挖跨度的0.5倍，随后按照初期支护（2）表面砂浆抹平、防水层施工、钢筋笼绑扎、二衬浇筑的施工顺序进行施工；

步骤六：根据上下两个圆的曲率与具体施做范围要求，将隧道二衬分成上下两部分浇筑，按照先拱底后拱顶的原则，先浇筑拱底部分二衬，后浇筑拱顶部分，下圆与上圆间采用直线段过渡，确保结构表面平顺过渡，形成上下不等圆特殊断面矿山法的隧道结构（1）；

步骤七：在拱底部分采用C20细石混凝土浇筑盾构机导台（5），后期根据道床施做要求拆除，或作为道床结构的一部分。

5.根据权利要求4所述的上下不等圆特殊断面矿山法隧道结构的施工方法，其特征在于：

大管棚（3）采用直径108mm，壁厚6mm钢花管，长15m，环向间距0.3m，在隧道拱部150°范围内设置。

6.根据权利要求4所述的上下不等圆特殊断面矿山法隧道结构的施工方法，其特征在于：

自进式锚杆（4）采用直径32mm，壁后4mm钢花管，长3～5m，在隧道拱部150°范围内设置，环纵向间距可为0.3×2.5m。

7.根据权利要求4所述的上下不等圆特殊断面矿山法隧道结构的施工方法，其特征在于：

锁脚锚管（11）采用直径42mm，壁厚3.5mm的钢花管，内部压注水泥－水玻璃双液浆，与格栅钢架（6）焊接，纵向间距与格栅钢架（6）相同。