CN106917627B - 一种富水地层暗挖施工下导洞的超前支护方法 - Google Patents

Abstract

一种富水地层暗挖施工下导洞的超前支护方法，包括开挖施工上导洞并施工初期支护、确定注浆参数并计算斜向支护参数、在工厂预制斜向小导管、在上导洞的洞壁上钻孔、成孔后将斜向小导管的各段进行拼接、打入斜向小导管、打入后的斜向小导管与上导洞的初期支护上共同组成超前支护体系、对斜向小导管进行注浆形成帷幕状结构、对下导洞进行开挖、施工下导洞的初期支护等步骤。本发明充分利用了上导洞空间，从上导洞内通过小导管对下导洞进行斜向加固，解决了富水地层暗挖施工的难题，拓展了暗挖施工的适用范围，加固效果较好，可有效加快施工工期，为暗挖施工中下导洞作业提供安全可靠的空间，保证施工人员的安全。

Description

一种富水地层暗挖施工下导洞的超前支护方法

技术领域

本发明涉及一种富水地层暗挖施工中下导洞的超前支护方法。

背景技术

近年来，随着全国基础设施建设的迅猛发展，各地大量地下基础设施开始建设或者增设，在城市轨道交通地下车站的选线、施工过程中，由于管线、道路、建筑等原因的影响，部分区段将不可避免的采用暗挖施工，暗挖施工受地质、地下管线影响较大。

一般情况下暗挖施工均为超前小导管、中管棚或大管棚在结构初期支护外侧进行加固，但在部分特殊情况下，例如在部分区域存在：一、由于地质、管线或施工位置从而导致下导洞无法进行正常的水平向超前支护或支护效果不理想的问题；二、因下导洞因含水较丰富导致土质较软，进而导致下导洞无法施工或者施工时易坍塌的问题。以上两种情况下将对施工安全造成巨大威胁，这就需要寻求一种能在此种特殊情况下的安全可靠的加固方法来保证施工人员的人身安全。

发明内容

本发明的目的是提供一种富水地层暗挖施工下导洞的超前支护方法，解决在特殊情况下下导洞施工中超前支护无法进行或者效果不好而导致的土体富水、强度不足的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种富水地层暗挖施工下导洞的超前支护方法，施工步骤如下：

步骤一、采用交叉中隔壁法首先对隧道的上导洞施工沿掘进方向水平的上导洞超前支护，并进行上导洞的开挖，然后施工上导洞初期支护；

步骤二、对下导洞的开挖区域的围岩进行地质情况的判断：依据设计图纸、施工时的地下水位情况和施工时土质情况对于待开挖的下导洞隧道进行整体的地质进行判断，对设计图纸中的设计地质情况和施工时地质情况进行对比，通过施工地质情况确定注浆参数并计算斜向超前支护参数；

具体施工时地质情况有以下两种：

A、若下导洞中存在全部或部分可以沿掘进方向水平正常施作的超前支护，则先完成该部分下导洞超前水平支护，对设计图纸中地质情况和实际情况进行对比后进行下导洞试开挖，以确定有无实施斜向超前支护的必要；

B、若下导洞中不存在可以沿掘进方向水平正常施作的超前支护，则直接进行斜向超前支护，根据下导洞的开挖条件，斜向超前支护的打入点分情况考虑；

步骤三、按照步骤二中的斜向超前支护参数在工厂预制斜向小导管，并运送至施工现场；

步骤四、按照步骤二中的斜向超前支护参数和具体施工时地质情况，设定好斜向超前支护的起始打入点，在上导洞的洞壁上测量放样，设计放样线，该放样线自上导洞初期支护的内侧、上导洞初支的下部区域直至下导洞外侧围岩斜向下设计，在设计孔位上做好标记后沿放样线钻孔；

步骤五、成孔后根据上导洞净空的大小，将斜向小导管进行初步拼接；

步骤六、将初步拼接完成的斜向小导管送入步骤四中钻孔中，随着斜向小导管的伸入不断在初步拼接的基础上接长斜向小导管，直至拼接的斜向小导管的长度符合要求，打设斜向小导管时需要避开上导洞超前支护和下导洞超前水平支护，最内侧的斜向小导管的打入终点需要在下导洞墙底位置的标高之下；

步骤七、斜向小导管沿掘进方向纵向间隔成排施工，沿下导洞的外侧向外连续施工多排，打入后的斜向小导管与上导洞初期支护固定连接，两者共同组成下导洞超前水平支护体系；

步骤八、对斜向小导管进行注浆，每根斜向小导管的浆液凝结后在下导洞外侧围岩内均形成悬杆状持力结构，各个悬杆状持力结构最终连接形成帷幕状结构；

步骤九、帷幕状结构形成强度即下导洞超前水平支护完成，然后对下导洞进行开挖；

步骤十、下导洞开挖时，对外露于上导洞和下导洞内部的斜向小导管进行切除；

步骤十一、下导洞开挖完成后，施工下导洞初期支护，斜向小导管穿过下导洞初期支护型钢钢架之间的格栅网片并连接在格栅网片上。

所述步骤二中，斜向超前支护的打入点分为两种情况：

b1，起始打入点自上导洞内侧开始，全部穿过上导洞水平中隔壁打入；

b2，起始打入点自上导洞内侧开始，一部分穿过上导洞侧墙初期支护打入，另一部分穿过上导洞水平中隔壁打入。

起始打入点穿过上导洞侧墙初期支护的斜向超前支护以锁脚锚杆为界线分两种情况：

b21，起始打入点低于上导洞的锁脚锚杆；

b22，起始打入点高于上导洞的锁脚锚杆。

所述步骤二中的注浆参数包括：

注浆液的成分：采用水泥和水玻璃的双浆液，其中水泥为42.5普通硅酸盐水泥，水玻璃的波美度范围为38.4～48.3；

双浆液初凝时间控制在1～2min；

注浆初始压力范围为0.1～0.3Mpa，终压范围为0.3～0.5MPa。

所述步骤二中的斜向支护参数包括：钻孔的位置、斜向小导管沿掘进方向的设置间距、斜向小导管沿下导洞的外侧向外成排设置的排距、斜向小导管的打入角度、个数和拼接长度，其中斜向小导管的长度根据打入角度确定。

所述斜向小导管是可拼接式钢导管，包括拼接为一体的前段、至少一段标准节段和尾段，各段通过螺纹连接，管壁上每隔10～20cm梅花型钻有出浆孔，孔眼直径为6～8cm。

所述前段的端头为尖锥型，标准节段的长度为1～2m，尾段的尾部焊接加铁箍，尾段预留有长度不小于30cm作为不设出浆孔的止浆段。

所述步骤七中，迎土侧的起始一排采用双浆液，后排逐步提高浆液中的水泥量比例，为避免施工时串浆，按顺序一排排打设，形成封闭的一排后再打设另一排。

所述斜向小导管斜向下的注浆角度与水平面的成角范围为70～80°。

所述斜向小导管沿掘进方向的成排设置的管间距不大于上导洞的超前小导管的管间距，范围为0.3～0.5m，斜向小导管沿下导洞的外侧向外多排设置的排距为0.2～0.3m。

与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：

本发明是一种富水地层暗挖施工下导洞超前水平支护方法，可以在上导洞开挖完成后，通过从上导洞斜向下、向外注浆，使超前小导管注浆形成可持力的悬杆状结构，稳定下导洞外侧土体，减少下导洞土方开挖后的下导洞侧壁的临空压力，为下导洞提供安全可靠的开挖空间。同时多个悬杆状持力结构连接形成帷幕状结构，同时一定程度上可以起到止水作用，改善土质。

本发明充分利用了上导洞空间，从上导洞内通过小导管对下导洞进行斜向加固，解决了富水地层暗挖施工的难题，拓展了暗挖施工的适用范围，加固效果较好，可有效加快施工工期，为暗挖施工中下导洞作业提供安全可靠的空间，保证施工人员的安全。

本发明中的超前小导管是预制的可拼接式小导管，针对上导洞空间不足，无法满足下导洞一次性打设小导管的净空要求而设计，可根据净空的大小进行导管长度的调整，无需更换其它机械设备，增加暗挖施工的安全保障。

本发明可广泛应用于因地质、管线、位置等问题导致的暗挖施工中上导洞可正常支护而下导洞无法正常超前支护或支护效果不理想的情况。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1是本发明施工步骤中步骤一完成的结构示意图。

图2是本发明施工步骤中步骤四完成的结构示意图。

图3是本发明施工步骤中步骤六完成的结构示意图。

图4是本发明施工步骤中步骤八完成的结构示意图。

图5是本发明施工步骤中步骤十完成的结构示意图。

图6是本发明施工步骤中步骤三中超前小导管的前段结构示意图。

图7是本发明施工步骤中步骤三中超前小导管的标准节段结构示意图。

图8是本发明施工步骤中步骤三中超前小导管的尾段结构示意图。

图9是本发明施工步骤中步骤三中超前小导管的三段拼接结构示意图。

图10是本发明施工步骤中步骤三中超前小导管的内螺纹结构示意图。

图11是本发明施工步骤中步骤三中超前小导管的外螺纹结构示意图。

附图标记：1－上导洞超前支护、1.1－超前小导管、1.2－大管棚、2－上导洞初期支护、2.1－上导洞侧墙初期支护、2.2－上导洞水平中隔壁、3－斜向小导管、3a－前段、3b－标准节段、3c－尾段、3d－出浆孔、3e－加铁箍、3f－外螺纹、3g－内螺纹、4－下导洞外侧围岩、5－下导洞墙底位置、6－锁脚锚杆、7－注浆角度、8－放样线、9－下导洞超前水平支护、10－下导洞初期支护。

具体实施方式

实施例为一处于繁华商业地段，暗挖地层处于含水量丰富的淤泥质粘土层和粗砂层的待开挖隧道，根据施工组织设计，此处采用交叉中隔壁法进行暗挖施工时，需先开挖上方两个导洞，再开挖下方两个导洞。因暗挖区域较短，最终方案为在上导洞贯通后再开挖下导洞。

施工上导洞开挖时，发现土质含水率较大，土体湿软，下导洞在开挖过程中，发生侧壁坍塌，暗挖施工危险性较大，下导洞超前小导管无法施工，现有措施无法保证下导洞施工安全。又因处于繁华商业地段无法进行地面注浆加固，成为施工难题。

一种富水地层暗挖施工下导洞的超前支护方法，施工步骤如下：

步骤一、依据设计图纸完成常规的上导洞初期支护：采用交叉中隔壁法首先对隧道的上导洞施工沿掘进方向水平的上导洞超前支护1，并进行上导洞的开挖，然后施工上导洞初期支护2；上导洞超前支护1为超前小导管1.1和大管棚1.2交替设置，完成参见图1所示。

步骤二、对下导洞的开挖区域的围岩进行地质情况的判断：依据设计图纸、施工时的地下水位情况和施工时土质情况对于待开挖的下导洞隧道进行整体的地质进行判断，对设计图纸中的设计地质情况和施工时地质情况进行对比，通过施工地质情况确定注浆参数并计算斜向超前支护参数。

具体施工时地质情况有以下两种：

A、若下导洞中存在全部或部分可以沿掘进方向水平正常施作的超前支护，则先完成该部分下导洞超前水平支护9，对设计图纸中地质情况和实际情况进行对比后进行下导洞试开挖，以确定有无实施斜向超前支护的必要；

B、若下导洞中不存在可以沿掘进方向水平正常施作的超前支护，则直接进行斜向超前支护，根据下导洞的开挖条件，斜向超前支护的打入点分情况考虑。

所述步骤二中，斜向超前支护的打入点分为两种情况：

b1，起始打入点自上导洞内侧开始，全部穿过上导洞水平中隔壁2.2打入；

b2，起始打入点自上导洞内侧开始，一部分穿过上导洞侧墙初期支护2.1打入，另一部分穿过上导洞水平中隔壁2.2打入。

起始打入点穿过上导洞侧墙初期支护的斜向超前支护以锁脚锚杆6为界线分两种情况：

b21，起始打入点低于上导洞的锁脚锚杆6；

b22，起始打入点高于上导洞的锁脚锚杆6。

本实施例中，参见图2所示，采用b22的起始打入点。

注浆参数根据具体地质情况进行判断，包括：

注浆液的成分：采用水泥和水玻璃的双浆液，其中水泥为42.5普通硅酸盐水泥，水玻璃的波美度范围为38.4～48.3；双浆液初凝时间控制在1～2min；注浆初始压力范围为0.1～0.3Mpa，终压范围为0.3～0.5MPa，扩散半径按0.5m计算，注浆时注浆压力达到终压时停止，或未达到终压但注浆量达到设计方量，无漏浆现象时停止。

斜向支护参数包括：钻孔的位置、斜向小导管沿掘进方向的设置间距、斜向小导管沿下导洞的外侧向外成排设置的排距、斜向小导管的打入角度、个数和拼接长度，其中斜向小导管的长度根据打入角度确定。斜向小导管沿掘进方向的设置间距应与双液浆中水玻璃用量相适应。

步骤三、参见图6-11所示，按照步骤二中的斜向支护参数中的斜向小导管的个数、拼接长度和斜向超前支护参数在工厂预制斜向小导管3，并运送至施工现场。

本实施例中可采用热轧钢花管，该管的外径为42mm，壁厚为3.5mm。所述斜向小导管3是可拼接式钢导管，包括拼接为一体的前段3a、至少一段标准节段3b和尾段3c，管壁上每隔10～20cm梅花型钻有出浆孔3d，孔眼直径为6～8cm。所述前段3a的端头为尖锥型，标准节段3b的长度为1～2m，尾段3c的尾部焊接加铁箍3e，尾段3c预留有长度不小于30cm作为不设出浆孔的止浆段。

各段通过螺纹连接，参见图10为内螺纹3g，参见图11为外螺纹3f。

步骤四、按照步骤二中的斜向超前支护参数和具体施工时地质情况，设定好斜向超前支护的起始打入点，在上导洞的洞壁上测量放样，设计放样线8，该放样线自上导洞初期支护2的内侧、上导洞初支的下部区域直至下导洞外侧围岩4斜向下设计，在设计孔位上做好标记后沿放样线钻孔，孔径较斜向小导管的管径需大20mm以上。完成参见图2所示。

步骤五、成孔后根据上导洞净空的大小，将斜向小导管的进行初步拼接，通过拼接来解决上导洞空间不足的弊端。

步骤六、将初步拼接完成的斜向小导管送入步骤四中钻孔中，随着斜向小导管的伸入不断在初步拼接的基础上接长斜向小导管3，直至拼接的斜向小导管的长度符合要求，打设斜向小导管时需要避开上导洞超前支护1和下导洞超前水平支护9，最内侧的斜向小导管的打入终点需要在下导洞墙底位置5的标高之下，一般延伸至下导洞底板下方的高度至少h=0.3m～0.5m。本实施例中，其中高度方向上的第一道斜向小导管3.1的起始打入点应穿过上导洞侧墙初期支护2.1、高于上导洞的锁脚锚杆6，其余斜向小导管穿过上导洞水平中隔壁2.2打入，完成参见图3所示。

步骤七、将斜向小导管逐个打入，按照步骤二中的斜向支护参数中的斜向小导管沿掘进方向的设置间距、斜向小导管沿下导洞外侧向外成排设置的排距，将斜向小导管逐沿掘进方向间隔施工成一排，沿下导洞外侧向外间施工多排，打入后的斜向小导管3与上导洞初期支护2固定连接，两者共同组成下导洞超前水平支护体系。迎土侧的起始一排采用双浆液，后排逐步提高浆液中的水泥量比例，为避免施工时串浆，应按顺序一排排打设，形成封闭的一排后再打设另一排。

本实施例中斜向小导管沿掘进方向的成排设置的管间距不大于上导洞的超前小导管的管间距，范围为0.3～0.5m，斜向小导管沿下导洞的外侧向外多排设置的排距为0.2～0.3m。所述斜向小导管斜向下的注浆角度7与水平面的成角范围为70～80°。

步骤八、对斜向小导管进行注浆，每根斜向小导管的浆液凝结后在下导洞外侧围岩4内均形成悬杆状持力结构，各个悬杆状持力结构最终连接形成帷幕状结构。完成参见图4所示。

步骤九、帷幕状结构形成强度即下导洞超前水平支护完成，然后对下导洞进行开挖。斜向小导管加固形成一定强度后，可以对加固处先取芯检测加固效果，然后对下导洞进行试开挖，一般先对下导洞掌子面、侧壁、开挖土体进行判断，开挖土体含水量降低、强度良好、侧壁和掌子面无坍塌现象，可继续施工。若开挖土体的含水量仍较大，土体仍强度低易坍塌，则继续进行斜向加固，直至超前支护完成。

步骤十、下导洞开挖时，对外露于上导洞和下导洞内部的斜向小导管进行切除。

步骤十一、下导洞开挖完成后，施工下导洞初期支护10，在判断可继续进行初期支护后，应立即迅速进行初期支护的施工，防止因其他外部原因造成的坍塌，斜向小导管穿过下导洞初期支护型钢钢架之间的格栅网片并连接在格栅网片上，完成参见图5所示。

本发明中钻孔、导管安装应符合下列要求：

一、小导管的安设应采用引孔顶入法。

二、钻孔方向应顺直。

三、钻孔直径应大于斜向小导管，一般不大于50mm，孔深视斜向小导管的长度确定。

四、采用吹管法清孔。

注浆前，应先冲洗管内沉积物，由下至上顺序进行。单孔注浆压力达到设计要求值，持续注浆10min且进浆速度为开始进浆速度的1/4或进浆量达到设计进浆量的80%及以上时注浆方可结束。停止时先停泵在关闭球阀，最后清洗管路。注浆参数应根据注浆试验结果及现场情况调整。

Claims (10)

1.一种富水地层暗挖施工下导洞的超前支护方法，其特征在于，施工步骤如下：

步骤一、采用交叉中隔壁法首先对隧道的上导洞施工沿掘进方向水平的上导洞超前支护（1），并进行上导洞的开挖，然后施工上导洞初期支护（2）；

步骤二、对下导洞的开挖区域的围岩进行地质情况的判断：依据设计图纸、施工时的地下水位情况和施工时土质情况对待开挖的下导洞隧道的地质进行整体的判断，对设计图纸中的设计地质情况和施工时地质情况进行对比，通过施工地质情况确定注浆参数并计算斜向超前支护参数；

具体施工时地质情况有以下两种：

A、若下导洞中存在全部或部分可以沿掘进方向水平正常施作的超前支护，则先完成该部分下导洞超前水平支护（9），对设计图纸中地质情况和实际情况进行对比后进行下导洞试开挖，以确定有无实施斜向超前支护的必要；

B、若下导洞中不存在可以沿掘进方向水平正常施作的超前支护，则直接进行斜向超前支护，根据下导洞的开挖条件，斜向超前支护的打入点分情况考虑；

步骤三、按照步骤二中的斜向超前支护参数在工厂预制斜向小导管（3），并运送至施工现场；

步骤四、按照步骤二中的斜向超前支护参数和具体施工时地质情况，设定好斜向超前支护的起始打入点，在上导洞的洞壁上测量放样，设计放样线（8），该放样线自上导洞初期支护（2）的内侧、上导洞初支的下部区域直至下导洞外侧围岩（4）斜向下设计，在设计孔位上做好标记后沿放样线钻孔；

步骤五、成孔后根据上导洞净空的大小，将斜向小导管进行初步拼接；

步骤六、将初步拼接完成的斜向小导管送入步骤四中钻孔中，随着斜向小导管的伸入不断在初步拼接的基础上接长斜向小导管（3），直至拼接的斜向小导管的长度符合要求，打设斜向小导管时需要避开上导洞超前支护（1）和下导洞超前水平支护（9），最内侧的斜向小导管的打入终点需要在下导洞墙底位置（5）的标高之下；

步骤七、斜向小导管沿掘进方向纵向间隔成排施工，沿下导洞的外侧向外连续施工多排，打入后的斜向小导管（3）与上导洞初期支护（2）固定连接，两者共同组成下导洞超前水平支护体系；

步骤八、对斜向小导管进行注浆，每根斜向小导管的浆液凝结后在下导洞外侧围岩（4）内均形成悬杆状持力结构，各个悬杆状持力结构最终连接形成帷幕状结构；

步骤九、帷幕状结构达到强度要求即下导洞超前水平支护完成，然后对下导洞进行开挖；

步骤十、下导洞开挖时，对外露于上导洞和下导洞内部的斜向小导管进行切除；

步骤十一、下导洞开挖完成后，施工下导洞初期支护（10），斜向小导管穿过下导洞初期支护型钢钢架之间的格栅网片并连接在格栅网片上。

2.根据权利要求1所述的富水地层暗挖施工下导洞的超前支护方法，其特征在于：所述步骤二中，斜向超前支护的打入点分为两种情况：

b1，起始打入点自上导洞内侧开始，全部穿过上导洞水平中隔壁（2.2）打入；

b2，起始打入点自上导洞内侧开始，一部分穿过上导洞侧墙初期支护（2.1）打入，另一部分穿过上导洞水平中隔壁（2.2）打入。

3.根据权利要求2所述的富水地层暗挖施工下导洞的超前支护方法，其特征在于：起始打入点穿过上导洞侧墙初期支护的斜向超前支护以锁脚锚杆（6）为界线分两种情况：

b21，起始打入点低于上导洞的锁脚锚杆（6）；

b22，起始打入点高于上导洞的锁脚锚杆（6）。

4.根据权利要求1所述的富水地层暗挖施工下导洞的超前支护方法，其特征在于：所述步骤二中的注浆参数包括：

注浆液的成分：采用水泥和水玻璃的双浆液，其中水泥为42.5普通硅酸盐水泥，水玻璃的波美度范围为38.4～48.3；

双浆液初凝时间控制在1～2min；

注浆初始压力范围为0.1～0.3Mpa，终压范围为0.3～0.5MPa。

5.根据权利要求1所述的富水地层暗挖施工下导洞的超前支护方法，其特征在于：所述步骤二中的斜向支护参数包括：钻孔的位置、斜向小导管沿掘进方向的设置间距、斜向小导管沿下导洞的外侧向外成排设置的排距、斜向小导管的打入角度、个数和拼接长度，其中斜向小导管的长度根据打入角度确定。

6.根据权利要求1或5所述的富水地层暗挖施工下导洞的超前支护方法，其特征在于：所述斜向小导管（3）是可拼接式钢导管，包括拼接为一体的前段（3a）、至少一段标准节段（3b）和尾段（3c），各段通过螺纹连接，管壁上每隔10～20cm梅花型钻有出浆孔（3d），孔眼直径为6～8cm。

7.根据权利要求6所述的富水地层暗挖施工下导洞的超前支护方法，其特征在于：所述前段（3a）的端头为尖锥型，标准节段（3b）的长度为1～2m，尾段（3c）的尾部焊接加铁箍（3e），尾段（3c）预留有长度不小于30cm作为不设出浆孔的止浆段。

8.根据权利要求4所述的富水地层暗挖施工下导洞的超前支护方法，其特征在于：所述步骤七中，迎土侧的起始一排采用双浆液，后排逐步提高浆液中的水泥量比例，为避免施工时串浆，按顺序一排排打设，形成封闭的一排后再打设另一排。

9.根据权利要求1所述的富水地层暗挖施工下导洞的超前支护方法，其特征在于：所述斜向小导管斜向下的注浆角度（7）与水平面的成角范围为70～80°。

10.根据权利要求1所述的富水地层暗挖施工下导洞的超前支护方法，其特征在于：所述斜向小导管沿掘进方向的成排设置的管间距不大于上导洞的超前小导管的管间距，范围为0.3～0.5m，斜向小导管沿下导洞的外侧向外多排设置的排距为0.2～0.3m。