CN106761769B - 一种大断面软岩大变形隧道的施工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及隧道工程领域，具体涉及一种大断面软岩大变形隧道的施工工艺。本发明采用的施工工艺为1)上台阶施工；2)中台阶施工；3)下台阶施工；4)预留核心土开挖；5)仰拱开挖：每循环开挖长度3m，仰拱部分开挖后，立即进行初喷；6)及时架设内层钢架，采用HW200*200型钢，封闭成环后施做内层喷射混凝土至设计厚度；7)在内层喷射混凝土内表面，敷设防水板；8)当隧道变形达到设计预留变形量后，施做二次衬砌；9)在超前注浆小导管支护下，进行下一循环的施工，以至隧道贯通。其既满足软岩的大变形要求，做到不侵限，同时又可以减少支护结构受力，保证支护结构的安全。
Description
一、技术领域：
本发明涉及隧道工程领域，具体涉及一种大断面软岩大变形隧道的施工工艺。
二、背景技术：
为适应国家高速公路和高速铁路的发展需求，交通隧道开挖断面越来越大，而且不可避免地穿越软岩等复杂地层，给隧道工程施工带来巨大挑战。由于软岩隧道开挖后围岩变形量大、变形速率快，并且持续时间长，若遵循常规的“早封闭、强支护、紧衬砌”支护原则，地应力得不到有效释放，支护结构很容易因受力过大造成开裂破坏、侵限，以致频繁扩挖和换拱等问题，不仅难以保证隧道施工质量，而且导致造价不可控制、工期不可预测和施工安全得不到保证的难题，加之修建的隧道断面越来越大，以上问题更是难以解决。
三、发明内容
本发明的提供一种大断面软岩大变形隧道的施工工艺，其既满足软岩的大变形要求，做到不侵限，同时又可以减少支护结构受力，保证支护结构的安全。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种大断面软岩大变形隧道的施工工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1)上台阶施工：首先进行上台阶弧形导坑部分的开挖，并预留上台阶核心土部分，核心土长度3～5m，开挖一个进尺后快速敷设拱部弹性泡沫板并采用长锚钉固定，完成后立即架设拱部外层钢架，型号为HW200*200型钢，并在左右两侧拱脚上方30～50cm处按下倾角30°各打设2排拱脚处锁脚锚管，长度不小于4m，与钢架焊接牢固后进行注浆；为进一步加强拱部外层钢架的稳定性，在相邻拱部外层钢架之间设置22#b上台阶纵向槽钢托梁，上台阶纵向槽钢托梁与拱部外层钢架以及拱脚处锁脚锚管端头牢固焊接，由此形成稳定的承载拱；以稳定后的拱部外层钢架为支点进行超前注浆小导管的施工，采用长5m、环向设置间距20～50cm的热压无缝钢花管，沿开挖轮廓线120°范围内以20°～30°的外插角穿过拱部外层钢架腹板上的预留孔，由顶头顶进并伸入至掌子面前方地层，外露端支于外层钢架上形成超前支护系统，然后采用高压注浆对地层做进一步加固，注浆压力为1.0～1.5MPa，注浆结束后将管口封堵，以防浆液流出；最后完成拱部外层喷射混凝土的施做；
2)中台阶施工：在上部承载拱支护下，进行中台阶左侧部分和中台阶右侧部分的开挖，并预留中台阶核心土部分，其中中台阶左、右侧错开2～3m，开挖完成后在左右两侧边墙快速敷设中台阶弹性泡沫板，然后立即接长左右两侧的中台阶外层钢架，并在左右两侧墙脚上方30～50cm处按下倾角45°各打设2排中台阶墙脚处锁脚锚管，长度不小于4m，与中台阶外层钢架焊接牢固后进行注浆；为进一步加强拱部外层钢架和中台阶外层钢架的稳定性，在相邻中台阶外层钢架之间设置22#b中台阶纵向槽钢托梁，中台阶纵向槽钢托梁与中台阶外层钢架以及中台阶墙脚处锁脚锚管端头牢固焊接；最后完成左右两侧中台阶外层喷射混凝土的施做；
3)下台阶施工：进行下台阶左侧部分和下台阶右侧部分的开挖，并预留下台阶核心土部分，其中下台阶左右两侧错开2～3m，开挖完成后在左右两侧边墙快速敷设下台阶弹性泡沫板，然后立即接长左右两侧的下台阶外层钢架，使其落底于预制混凝土垫块之上，然后在下台阶外层钢架左右两侧墙脚上方30～50cm处按下倾角45°各打设2排下台阶墙脚处锁脚锚管，长度不小于4m，与下台阶外层钢架焊接牢固后进行注浆，确保下台阶外层钢架脚部落于稳固地基上；最后完成左右两侧下台阶外层喷射混凝土的施做；
4)预留核心土开挖：开挖上台阶预留核心土部分、中台阶预留核心土部分和下台阶预留核心土部分，开挖进尺与各台阶循环进尺一致；
5)仰拱开挖：每循环开挖长度3m，仰拱部分开挖后，立即进行初喷；
6)及时架设内层钢架，采用HW200*200型钢，封闭成环后施做内层喷射混凝土至设计厚度；
7)在内层喷射混凝土内表面，敷设防水板；
8)当隧道变形达到设计预留变形量后，施做二次衬砌；
9)在超前注浆小导管支护下，进行下一循环的施工，以至隧道贯通。
所述施工工艺的要点为：
(1)步骤1)～5)中所述开挖以机械开挖为主，以弱爆破开挖为辅，上台阶开挖矢跨比不小于0.3，开挖进尺根据外层钢架间距确定；
(2)步骤1)～3)中所述开挖时应增大开挖预留变形量以防止侵限，并在围岩与第一层初期支护之间设置弹性泡沫板作为变形缓冲层，以减小支护结构受力；
(3)步骤1)～3)中应选择取消系统锚杆、加强外层钢架锁脚及其纵向连接的措施，尤其应加强拱部外层钢架的稳定性，以形成稳定的承载拱；
(4)步骤1)～3)中各外层钢架架设或落底接长后，应快速施做各处锁脚锚管，尽早分担各拱脚和墙脚处的地基荷载，避免因地基承载力不足而加剧外层钢架拱脚的沉降；
(5)步骤1)～3)中应扩大外层钢架拱脚连接板，或采用异形结构，加大外层钢架拱脚基底受力面积，控制拱脚沉降；
(6)步骤1)～3)中在改善各处外层钢架锁脚的效果方面，除了选择采用刚度较大的锁脚锚管外，应特别重视加强锁脚锚管与外层钢架的连接质量，避免两者在受力过程中脱开而导致外层钢架锁脚失效。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果：
本发明针对大断面软岩大变形隧道，一方面通过在围岩与支护结构间设置弹性泡沫板，给予围岩足够的变形空间，以满足软岩隧道大变形的要求，不仅可以防止侵限，而且可以减少支护结构受力；另一方面通过加强初期支护，采用双层初期支护，以提高支护结构的承载力，最终保证支护结构的安全。
本发明的施工工艺中，考虑到软岩大变形隧道系统锚杆效果不明显而且费时费力的特点，取消了传统三台阶预留核心土法中的系统锚杆，提出了加强钢架锁脚和纵向连接的措施，同时给出了相应的合理支护参数，以形成稳定的承载拱，有利于隧道中、下台阶的施工安全。
四、附图说明：
图1为本发明大断面软岩大变形隧道支护体系及开挖步骤示意图；
图2为超前注浆小导管横向布置示意图；
图3为外层钢架纵向连接示意图。
其中：1-拱部弹性泡沫板，2-拱部外层钢架，3-拱脚处锁脚锚管，4-上台阶纵向槽钢托梁，5-超前注浆小导管，6-拱部外层喷射混凝土，7-中台阶弹性泡沫板，8-中台阶外层钢架，9-中台阶墙脚处锁脚锚管，10-中台阶纵向槽钢托梁，11-中台阶外层喷射混凝土，12-下台阶弹性泡沫板，13-下台阶外层钢架，14-下台阶墙脚处锁脚锚管，15-台阶外层喷射混凝土，16-内层钢架，17-内层喷射混凝土，18-防水板，19-二次衬砌。
五、具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例提供的一种大断面软岩大变形隧道的施工工艺，包括以下步骤：
1)上台阶施工：首先进行上台阶弧形导坑部分Ⅰ(见图1)的开挖，并预留上台阶核心土部分Ⅳ(1)，核心土长度3～5m，开挖一个进尺后快速敷设拱部弹性泡沫板并采用长锚钉固定，完成后立即架设拱部外层钢架2，型号为HW200*200型钢，并在左右两侧拱脚上方30～50cm处按下倾角30°各打设2排拱脚处锁脚锚管3，长度不小于4m，与钢架焊接牢固后进行注浆；为进一步加强拱部外层钢架的稳定性，在相邻拱部外层钢架之间设置22#b上台阶纵向槽钢托梁4(见图3)，上台阶纵向槽钢托梁4与拱部外层钢架4以及拱脚处锁脚锚管4端头牢固焊接，由此形成稳定的承载拱；以稳定后的拱部外层钢架为支点进行超前注浆小导管5的施工，采用长5m、环向设置间距20～50cm的热压无缝钢花管，沿开挖轮廓线120°范围内以20°～30°的外插角穿过拱部外层钢架腹板上的预留孔(见图2)，由专用顶头顶进并伸入至掌子面前方地层，外露端支于外层钢架上形成超前支护系统(见图3)，然后采用高压注浆对地层做进一步加固，注浆压力为1.0～1.5MPa，注浆结束后将管口封堵，以防浆液流出；最后完成拱部外层喷射混凝土6的施做；
2)中台阶施工：在上部承载拱支护下，进行中台阶左侧部分Ⅱ(1)和中台阶右侧部分Ⅱ(2)(见图1)的开挖，并预留中台阶核心土部分Ⅳ(2)，其中中台阶左、右侧错开2～3m，开挖完成后在左右两侧边墙快速敷设中台阶弹性泡沫板7，然后立即接长左右两侧的中台阶外层钢架8，并在左右两侧墙脚上方30～50cm处按下倾角45°各打设2排中台阶墙脚处锁脚锚管9，长度不小于4m，与中台阶外层钢架8焊接牢固后进行注浆；为进一步加强拱部外层钢架2和中台阶外层钢架8的稳定性，在相邻中台阶外层钢架之间设置22#b中台阶纵向槽钢托梁10，中台阶纵向槽钢托梁10与中台阶外层钢架8以及中台阶墙脚处锁脚锚管9端头牢固焊接；最后完成左右两侧中台阶外层喷射混凝土11的施做。
3)下台阶施工：进行下台阶左侧部分Ⅲ(1)和下台阶右侧部分Ⅲ(2)(见图1)的开挖，并预留下台阶核心土部分Ⅳ(3)，其中下台阶左右两侧错开2～3m，开挖完成后在左右两侧边墙快速敷设下台阶弹性泡沫板12，然后立即接长左右两侧的下台阶外层钢架13，使其落底于预制混凝土垫块之上，然后在下台阶外层钢架左右两侧墙脚上方30～50cm处按下倾角45°各打设2排下台阶墙脚处锁脚锚管14，长度不小于4m，与下台阶外层钢架13焊接牢固后进行注浆，确保下台阶外层钢架13脚部落于稳固地基上；最后完成左右两侧下台阶外层喷射混凝土15的施做；
4)预留核心土开挖：开挖上台阶预留核心土部分Ⅳ(1)、中台阶预留核心土部分Ⅳ(2)和下台阶预留核心土部分Ⅳ(3)(见图1)，开挖进尺与各台阶循环进尺一致；
5)仰拱开挖：每循环开挖长度3m，仰拱部分Ⅴ(见图1)开挖后，立即进行初喷；
6)及时架设内层钢架16，采用HW200*200型钢，封闭成环后施做内层喷射混凝土17至设计厚度；
7)在内层喷射混凝土内表面，敷设防水板18；
8)当隧道变形达到设计预留变形量后，施做二次衬砌19；
9)在超前注浆小导管5支护下(见图2)，进行下一循环的开挖与支护，以至隧道贯通。
以上大断面软岩大变形隧道施工工艺的要点为：
(1)步骤1)～5)中所述开挖以机械开挖为主，以弱爆破开挖为辅，上台阶开挖矢跨比不小于0.3，开挖进尺根据外层钢架间距确定；
(2)步骤1)～3)中所述开挖应增大开挖预留变形量以防止侵限，并在围岩与第一层初期支护之间设置弹性泡沫板作为变形缓冲层，以减小支护结构受力；
(3)在大断面软岩大变形隧道中，传统施工工法中的系统锚杆往往由于长度不够、施工质量差而难以凑效，而且费时费力，因此步骤1)～3)中应选择取消系统锚杆、加强外层钢架锁脚及其纵向连接的措施，尤其应加强拱部外层钢架的稳定性，以形成稳定的承载拱；
(4)步骤1)～3)中各外层钢架架设或落底接长后，应快速施做各处锁脚锚管，尽早分担各拱脚和墙脚处的地基荷载，避免因地基承载力不足而加剧外层钢架拱脚的沉降；
(5)步骤1)～3)中应扩大外层钢架拱脚连接板，或采用异形结构，加大外层钢架拱脚基底受力面积，控制拱脚沉降；
(6)步骤1)～3)中在改善各处外层钢架锁脚的效果方面，除了选择采用刚度较大的锁脚锚管外，应特别重视加强锁脚锚管与外层钢架的连接质量，避免两者在受力过程中脱开而导致外层钢架锁脚失效。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种大断面软岩大变形隧道的施工工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1) 上台阶施工：首先进行上台阶弧形导坑部分的开挖，并预留上台阶核心土部分，核心土长度3~5m，开挖一个进尺后快速敷设拱部弹性泡沫板并采用长锚钉固定，完成后立即架设拱部外层钢架，型号为HW200*200型钢，并在左右两侧拱脚上方30~50cm处按下倾角30°各打设2排φ108*8mm拱脚处锁脚锚管，长度不小于4m，与钢架焊接牢固后进行注浆；为进一步加强拱部外层钢架的稳定性，在相邻拱部外层钢架之间设置22#b上台阶纵向槽钢托梁，上台阶纵向槽钢托梁与拱部外层钢架以及拱脚处锁脚锚管端头牢固焊接，由此形成稳定的承载拱；以稳定后的拱部外层钢架为支点进行超前注浆小导管的施工，采用长5m、环向设置间距20~50cm的φ50*5mm热压无缝钢花管，沿开挖轮廓线120°范围内以20°~30°的外插角穿过拱部外层钢架腹板上的预留孔，由顶头顶进并伸入至掌子面前方地层，外露端支于外层钢架上形成超前支护系统，然后采用高压注浆对地层做进一步加固，注浆压力为1.0~1.5MPa，注浆结束后将管口封堵，以防浆液流出；最后完成拱部外层喷射混凝土的施做；
2) 中台阶施工：在上部承载拱支护下，进行中台阶左侧部分和中台阶右侧部分的开挖，并预留中台阶核心土部分，其中中台阶左、右侧错开2~3m，开挖完成后在左右两侧边墙快速敷设中台阶弹性泡沫板，然后立即接长左右两侧的中台阶外层钢架，并在左右两侧墙脚上方30~50cm处按下倾角45°各打设2排φ89*6mm中台阶墙脚处锁脚锚管，长度不小于4m，与中台阶外层钢架焊接牢固后进行注浆；为进一步加强拱部外层钢架和中台阶外层钢架的稳定性，在相邻中台阶外层钢架之间设置22#b中台阶纵向槽钢托梁，中台阶纵向槽钢托梁与中台阶外层钢架以及中台阶墙脚处锁脚锚管端头牢固焊接；最后完成左右两侧中台阶外层喷射混凝土的施做；
3) 下台阶施工：进行下台阶左侧部分和下台阶右侧部分的开挖，并预留下台阶核心土部分，其中下台阶左右两侧错开2~3m，开挖完成后在左右两侧边墙快速敷设下台阶弹性泡沫板，然后立即接长左右两侧的下台阶外层钢架，使其落底于预制混凝土垫块之上，然后在下台阶外层钢架左右两侧墙脚上方30~50cm处按下倾角45°各打设2排φ89*6mm下台阶墙脚处锁脚锚管，长度不小于4m，与下台阶外层钢架焊接牢固后进行注浆，确保下台阶外层钢架脚部落于稳固地基上；最后完成左右两侧下台阶外层喷射混凝土的施做；
4) 预留核心土开挖：开挖上台阶预留核心土部分、中台阶预留核心土部分和下台阶预留核心土部分，开挖进尺与各台阶循环进尺一致；
5) 仰拱开挖：每循环开挖长度3m，仰拱部分开挖后，立即进行初喷；
6) 及时架设内层钢架，采用HW200*200型钢，封闭成环后施做内层喷射混凝土至设计厚度；
7) 在内层喷射混凝土内表面，敷设防水板；
8) 当隧道变形达到设计预留变形量后，施做二次衬砌；
9) 在超前注浆小导管支护下，进行下一循环的施工，以至隧道贯通；
所述施工工艺的要点为：
(1) 步骤1) ~ 5)中所述开挖以机械开挖为主，以弱爆破开挖为辅，上台阶开挖矢跨比不小于0.3，开挖进尺根据外层钢架间距确定；
(2) 步骤1) ~ 3)中所述开挖时应增大开挖预留变形量以防止侵限，并在围岩与第一层初期支护之间设置弹性泡沫板作为变形缓冲层，以减小支护结构受力；
(3) 步骤1) ~ 3)中应选择取消系统锚杆、加强外层钢架锁脚及其纵向连接的措施，尤其应加强拱部外层钢架的稳定性，以形成稳定的承载拱；
(4) 步骤1) ~ 3)中各外层钢架架设或落底接长后，应快速施做各处锁脚锚管，尽早分担各拱脚和墙脚处的地基荷载，避免因地基承载力不足而加剧外层钢架拱脚的沉降；
(5) 步骤1) ~ 3)中应扩大外层钢架拱脚连接板，或采用异形结构，加大外层钢架拱脚基底受力面积，控制拱脚沉降；
(6) 步骤1) ~ 3)中在改善各处外层钢架锁脚的效果方面，除了选择采用刚度较大的锁脚锚管外，应特别重视加强锁脚锚管与外层钢架的连接质量，避免两者在受力过程中脱开而导致外层钢架锁脚失效。
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