CN107060840B - 一种大断面隧道v级围岩开挖支护的施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大断面隧道V级围岩开挖支护的施工方法，该方法根据高速公路隧道施工需求研制出隧道V级围岩开挖掘进的新方法。对于大断面公路隧道掘进施工中，如何确保隧道施工质量、安全和施工进度是重难点内容，直接决定了隧道施工的质量、投入的成本及隧道工期等。该方法通过建模对隧道周边围岩受力进行分析，对施工过程中隧道初支变形进行有效控制，提早初期支护作用时间。不仅提高了隧道施工安全系数和隧道施工掘进速度，提高了隧道开挖施工机械的利用率，同时确保了成型隧道的质量。本方法适用于两车道以上大断面圆弧形或马蹄形隧道开挖掘进施工作业。
Description
技术领域
本发明涉及大断面圆弧形隧道V级围岩条件下分部开挖支护的施工方法，属于围岩隧道开挖支护技术领域。
背景技术
随着国家经济的发展、交通运输业的跨越式进步，现有高速公路越来越不能满足交通需求，尤其是经济不发达的山岭地区依托国家现行经济政策，经济高速发展，但受到了交通的极大制约，因此在山岭地区修建高速公路成为必行之事。山岭高速公路越来越多的被设计为三车道高速公路，同时，穿越山岭时隧道也成为三车道山岭隧道。虽然三车道隧道属于大跨径隧道，在修建时存在一定难度，但是还是越来越多的被采用。该方法依托于昆明绕城高速公路东南段杨林隧道工程，根据大跨径山岭隧道V级围岩开挖支护需求研制出的新方法。对于大断面隧道V级围岩开挖支护施工中，选择如何开挖和支护是重难点内容，直接决定了使用的机械、投入的成本等。目前，国内对大跨径隧道V级围岩开挖掘进通常采用CRD法或者是双侧壁导坑法，对于这两种方法一是开挖速度慢，大型机械设备不易投入使用，工作效率低；二是投入较多，临时支护需拆除，拆除过程中易产生安全隐患，初支沉降容易超标。因此经常因为拆除临时支护造成拱顶下沉侵限或是产生坍塌危险，同时也因为开挖进度较慢造成工期紧张。
大跨径隧道V级围岩开挖支护往往影响了整个项目工期和效益，同时一旦发生初支变形沉降过大，或者拱顶坍塌等事情，将极大的影响隧道施工的安全、质量、进度和效益。尽管现代超前探测技术较为先进，但是隧道施工中不可预见因素太多，围岩变化较快，一整座长大隧道施工完毕，地质类型变更往往不可控，因此，长大隧道最终的竣工日期成为不可控，这给施工单位及投资单位均带来不可控损失。所以研究新的施工方法具有较高的实用价值和重要社会意义。
因传统的大跨径隧道V级围岩施工方法效率低、投入高、安全隐患多、施工进度缓慢，基于上述分析，研究出新的大跨径隧道V级围岩开挖支护的施工方法——台阶分部环挖法。
发明内容
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种大断面隧道V级围岩开挖支护的施工方法，该方法包括如下步骤：在大断面隧道开挖过程中，凌空面越广，围岩作用力越大，产生的破坏力也越大。隧道V级围岩开挖后，在短时间内支护不及时也极易发生坍塌。根据这一特性，采取小面积开挖掘进的分部环挖法来解决此问题，充分利用围岩自身自稳能力来抵抗周边围岩作用力，在短时间内完成初期支护，形成支护体系。
1.1大跨径隧道开挖方法
隧道开挖方法直接关系到隧道的施工进度和安全，本方法就是在保证施工安全的前提下，将隧道分为上下两大部分，充分利用大跨径隧道的空间，将大型机械设备应用于隧道开挖施工，将施工效率和施工进度提升起来。
a.第一步首先开挖隧道上部台阶拱部围岩，开挖宽度等同拱部超前支护的范围，开挖高度控制在2.2m～1.8m之间，开挖进尺宜控制在1榀，不超2榀。开挖形状为圆弧形，面积约33m2。该部施工全部在超前小导管的支护下进行，依据围岩情况，采用PC220型挖掘机直接开挖，边角处采用人工风镐开挖，或采用爆破开挖，挖机清碴，保证开挖范围不欠挖，然后进行初期支护。
b.第二步开挖隧道上部台阶中核心土，保证中部核心土台顶面距掌子面3.5m～4.5m，既保证挖掘机能够对掌子面作业施工，超前小导管能够打设安装，又能控制掌子面位移，保证前掌子面围岩稳定不变形。中核心土体开挖时，预留左右侧边墙土体，土体顶部宽度2m左右，底部宽度3.5m～4.0m，高度3m左右，保证土体有足够的强度能够抵御围岩变形挤压力，边坡坡比采用1:0.3。上部台阶整体高度距初支顶部宜6.0m～7.0m，保证大型机械设备的作业空间。
c.第三步开挖隧道上部台阶左或右侧边墙土体，每循环开挖1～2榀。开挖完毕后立即进行支护，此处边墙左右侧可同时开挖、支护，左右侧边墙保证前后错位不小于3m。
d.第四步开挖隧道上部台阶右或左侧边墙土体，方法同c。
e.第五步开挖隧道下部台阶左或右侧边墙导坑，每循环开挖1～2榀，开挖后应立即支护。此处开挖导坑底部宽度不宜小于3.5m，以方便打设安装锁脚小导管施工。开挖完毕后立即进行支护，此处边墙导坑左右侧同时开挖支护，左右侧边墙保证前后错位不小于3m，中部预留土体顶部宽度应满足车辆设备通行，并有足够的稳定性，两侧边坡坡比为1:0.3。下部台阶导坑距上部台阶边墙土体宜10m～20m，台阶平台可提供给各类型设备作业空间，提高施工效率。
f.第六步开挖隧道下部台阶右或左侧边墙导坑，方法同e。
h.第七步开挖隧道下台阶中部土体及仰拱，开挖应一次到位，仰拱整体开挖，不能分幅施作，每循环开挖长度不大于3m。否则开挖支护时间过长，易造成初支掉落形成事故。此处开挖施工应在上部台阶喷浆时进行，避免干扰，支护施工应在12m栈桥下进行。
1.2大跨径隧道支护方法
大跨径隧道台阶分部环挖后应及时进行初期支护，支护方法如下：
a.上部台阶拱顶采用3m长Φ42×4的注浆小导管进行超前支护，每榀小导管仰角控制在10°～15°，小导管环向间距30cm～45cm，穿过一榀型钢拱架超前打设，搭接长度为1.5m～1.2m，如此布设超前小导管可以有力的阻止拱顶围岩的下沉变形，增加拱顶围岩的自稳能力。钢拱架根据围岩情况采用I22b或I20b型钢，间距采用50cm～75cm，钢架间设连接筋固定连接。在型钢钢架内外侧铺设钢筋网，钢筋网与喷射混凝土共同作用，以增加初期支护的抗折性能。在型钢拱架拱脚上方30cm处打设两根3.5m～4m的锁脚注浆小导管，小导管倾斜向下15°，一根锁脚导管紧贴钢拱架打设，另一根锁脚导管朝前打设，与拱架断面形成10°夹角，锁脚导管注浆后通过L型Φ22钢筋与型钢拱架焊接。锁脚小导管在围岩山体内通过注浆形成一道围岩封闭层，确保初支与山体围岩紧密连接。由于本开挖方法空间较窄，且加强了超前小导管支护作用，因此取消了作用较不明显，施作较难，且危险性较高的径向锚杆。
b.上下台阶边墙开挖后及时进行初期支护，型钢钢架采用钢板螺栓连接，锁脚小导管打设同上a，并取消径向锚杆。
c.仰拱开挖后及时进行支护，每榀型钢采用1m长Φ22钢筋三道进行定位。每道两根分别位于型钢两侧，打入拱底围岩。
附图说明
图1为三车道隧道开挖支护示意图。
图2为三车道隧道初支洞身。
图3为隧道锁脚小导管示意图
图中：1、隧道上部台阶拱部围岩，2、隧道上部台阶中核心土，3、隧道上部台阶左侧边墙土体，4、隧道上部台阶右侧边墙土体，5、隧道下部台阶左侧边墙导坑，6、隧道下部台阶右侧边墙导坑，7、隧道下台阶中部土体及仰拱。
具体实施方式
一种大断面隧道V级围岩开挖支护的施工方法，该方法包括如下步骤：
1、大跨径隧道围岩开挖受力分析
隧道设计断面采用“三心圆曲墙式”断面，三车道设计开挖断面最大达17.25m，紧急停车带宽度可达到20.40m。大跨径隧道掌子面开挖后主要是受到正掌子面围岩的主动土压力和拱部围岩的自重压力、边墙围岩的挤压力以及拱底围岩在山体围岩挤压下的上拱力，也就是说假如隧道掌子面围岩一次开挖成型后，凌空面会受到两方面的压力即围岩自重土压力以及周边围岩的挤压力，如果初支不及时，在这两方面压力下，就会导致隧道掌子面围岩失去自稳能力从而坍塌。在大断面隧道实际施工开挖过程中，凌空面越广，围岩作用力越大，产生的破坏力也越大。再者，隧道V级围岩本身的自稳能力较差，围岩散碎易滑动，在开挖过程中，由于外力的干扰，本身稳定的结构会受到影响，再在山体围岩挤压作用力下，更加容易失稳坍塌。初期支护主要就是在掌子面围岩失稳前，对掌子面拱顶、边墙及仰拱围岩进行支护，从而使一定范围内的围岩与初支结构成为一体，从而保证围岩不失稳，变形在可控范围内。拱部坍塌多是由于隧道开挖后支护不及时造成的，而隧道初支坍塌多是由于边墙或仰拱开挖过长而支护不及时造成,拱脚悬空或者初支与围岩本体未构成一体，存在空洞从而引发坍塌。本方法就是通过研究开挖支护方法，减少隧道围岩凌空的面积和时间从而控制围岩失稳变形。
2、大跨径隧道开挖支护技术方案。
通过对大断面隧道掌子面围岩开挖受力分析得知：在大断面隧道开挖过程中，凌空面越广，围岩作用力越大，产生的破坏力也越大。隧道V级围岩开挖后，在短时间内支护不及时也极易发生坍塌。根据这一特性，采取小面积开挖掘进的分部环挖法来解决此问题，充分利用围岩自身自稳能力来抵抗周边围岩作用力，在短时间内完成初期支护，形成支护体系。
2.1大跨径隧道开挖方法
隧道开挖方法直接关系到隧道的施工进度和安全，本方法就是在保证施工安全的前提下，将隧道分为上下两大部分，充分利用大跨径隧道的空间，将大型机械设备应用于隧道开挖施工，将施工效率和施工进度提升起来。
a.第一步首先开挖隧道上部台阶拱部围岩，开挖宽度等同拱部超前支护的范围，开挖高度控制在2.2m～1.8m之间，开挖进尺宜控制在1榀，不超2榀。开挖形状为圆弧形，面积约33m2。该部施工全部在超前小导管的支护下进行，依据围岩情况，采用PC220型挖掘机直接开挖，边角处采用人工风镐开挖，或采用爆破开挖，挖机清碴，保证开挖范围不欠挖，然后进行初期支护。
b.第二步开挖隧道上部台阶中核心土，保证中部核心土台顶面距掌子面3.5m～4.5m，既保证挖掘机能够对掌子面作业施工，超前小导管能够打设安装，又能控制掌子面位移，保证前掌子面围岩稳定不变形。中核心土体开挖时，预留左右侧边墙土体，土体顶部宽度2m左右，底部宽度3.5m～4.0m，高度3m左右，保证土体有足够的强度能够抵御围岩变形挤压力，边坡坡比采用1:0.3。上部台阶整体高度距初支顶部宜6.0m～7.0m，保证大型机械设备的作业空间。
c.第三步开挖隧道上部台阶左或右侧边墙土体，每循环开挖1～2榀。开挖完毕后立即进行支护，此处边墙左右侧可同时开挖、支护，左右侧边墙保证前后错位不小于3m。
d.第四步开挖隧道上部台阶右或左侧边墙土体，方法同c。
e.第五步开挖隧道下部台阶左或右侧边墙导坑，每循环开挖1～2榀，开挖后应立即支护。此处开挖导坑底部宽度不宜小于3.5m，以方便打设安装锁脚小导管施工。开挖完毕后立即进行支护，此处边墙导坑左右侧可同时开挖支护，左右侧边墙保证前后错位不小于3m，中部预留土体顶部宽度应满足车辆设备通行，并有足够的稳定性，两侧边坡坡比为1:0.3。下部台阶导坑距上部台阶边墙土体宜10m～20m，台阶平台可提供给各类型设备作业空间，提高施工效率。
f.第六步开挖隧道下部台阶右或左侧边墙导坑，方法同e。
h.第七步开挖隧道下台阶中部土体及仰拱，开挖应一次到位，仰拱整体开挖，不能分幅施作，每循环开挖长度不大于3m。否则开挖支护时间过长，易造成初支掉落形成事故。此处开挖施工应在上部台阶喷浆时进行，避免干扰，支护施工应在12m栈桥下进行。
2.2大跨径隧道支护方法
大跨径隧道台阶分部环挖后应及时进行初期支护，支护方法如下：
a.上部台阶拱顶采用3m长Φ42×4的注浆小导管进行超前支护，每榀小导管仰角控制在10°～15°，小导管环向间距30cm～45cm，穿过一榀型钢拱架超前打设，搭接长度为1.5m～1.2m，如此布设超前小导管可以有力的阻止拱顶围岩的下沉变形，增加拱顶围岩的自稳能力。钢拱架根据围岩情况采用I22b或I20b型钢，间距采用50cm～75cm，钢架间设连接筋固定连接。在型钢钢架内外侧铺设钢筋网，钢筋网与喷射混凝土共同作用，以增加初期支护的抗折性能。在型钢拱架拱脚上方30cm处打设两根3.5m～4m的锁脚注浆小导管，小导管倾斜向下15°，一根锁脚导管紧贴钢拱架打设，另一根锁脚导管朝前打设，与拱架断面形成10°夹角，锁脚导管注浆后通过L型Φ22钢筋与型钢拱架焊接。锁脚小导管在围岩山体内通过注浆形成一道围岩封闭层，确保初支与山体围岩紧密连接。由于本开挖方法空间较窄，且加强了超前小导管支护作用，因此取消了作用较不明显，施作较难，且危险性较高的径向锚杆。
b.上下台阶边墙开挖后及时进行初期支护，型钢钢架采用钢板螺栓连接，锁脚小导管打设同上a，并取消径向锚杆。
c.仰拱开挖后及时进行支护，每榀型钢采用1m长Φ22钢筋三道进行定位。每道两根分别位于型钢两侧，打入拱底围岩。
Claims (1)
1.一种大断面隧道V级围岩开挖支护的施工方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：在大断面隧道开挖过程中，凌空面越广，围岩作用力越大，产生的破坏力也越大；隧道V级围岩开挖后，在短时间内支护不及时也极易发生坍塌；根据这一特性，采取小面积开挖掘进的分部环挖法来解决此问题，充分利用围岩自身自稳能力来抵抗周边围岩作用力，在短时间内完成初期支护，形成支护体系；
1.1大跨径隧道开挖方法
隧道开挖方法直接关系到隧道的施工进度和安全，本方法就是在保证施工安全的前提下，将隧道分为上下两大部分，充分利用大跨径隧道的空间，将大型机械设备应用于隧道开挖施工，将施工效率和施工进度提升起来；
a.第一步首先开挖隧道上部台阶拱部围岩，开挖宽度等同拱部超前支护的范围，开挖高度控制在2.2m～1.8m之间，开挖进尺宜控制在1榀，不超2榀；开挖形状为圆弧形，面积33m2；该部施工全部在超前小导管的支护下进行，依据围岩情况，采用PC220型挖掘机直接开挖，边角处采用人工风镐开挖，或采用爆破开挖，挖机清碴，保证开挖范围不欠挖，然后进行初期支护；
b.第二步开挖隧道上部台阶中核心土，保证中部核心土台顶面距掌子面3.5m～4.5m，既保证挖掘机能够对掌子面作业施工，超前小导管能够打设安装，又能控制掌子面位移，保证前掌子面围岩稳定不变形；中核心土体开挖时，预留左右侧边墙土体，土体顶部宽度2m左右，底部宽度3.5m～4.0m，高度3m左右，保证土体有足够的强度能够抵御围岩变形挤压力，边坡坡比采用1:0.3；上部台阶整体高度距初支顶部宜6.0m～7.0m，保证大型机械设备的作业空间；
c.第三步开挖隧道上部台阶左或右侧边墙土体，每循环开挖1～2榀；开挖完毕后立即进行支护，此处边墙左右侧可同时开挖、支护，左右侧边墙保证前后错位不小于3m；
d.第四步开挖隧道上部台阶右或左侧边墙土体，方法同c；
e.第五步开挖隧道下部台阶左或右侧边墙导坑，每循环开挖1～2榀，开挖后应立即支护；此处开挖导坑底部宽度不宜小于3.5m，以方便打设安装锁脚小导管施工；开挖完毕后立即进行支护，此处边墙导坑左右侧同时开挖支护，左右侧边墙保证前后错位不小于3m，中部预留土体顶部宽度应满足车辆设备通行，并有足够的稳定性，两侧边坡坡比为1:0.3；下部台阶导坑距上部台阶边墙土体宜10m～20m，台阶平台可提供给各类型设备作业空间，提高施工效率；
f.第六步开挖隧道下部台阶右或左侧边墙导坑，方法同e；
h.第七步开挖隧道下台阶中部土体及仰拱，开挖应一次到位，仰拱整体开挖，不能分幅施作，每循环开挖长度不大于3m；否则开挖支护时间过长，易造成初支掉落形成事故；此处开挖施工应在上部台阶喷浆时进行，避免干扰，支护施工应在12m栈桥下进行；
1.2大跨径隧道支护方法
大跨径隧道台阶分部环挖后应及时进行初期支护，支护方法如下：
a.上部台阶拱顶采用3m长Φ42×4的注浆小导管进行超前支护，每榀小导管仰角控制在10°～15°，小导管环向间距30cm～45cm，穿过一榀型钢拱架超前打设，搭接长度为1.5m～1.2m，如此布设超前小导管可以有力的阻止拱顶围岩的下沉变形，增加拱顶围岩的自稳能力；钢拱架根据围岩情况采用I22b或I20b型钢，间距采用50cm～75cm，钢架间设连接筋固定连接；在型钢钢架内外侧铺设钢筋网，钢筋网与喷射混凝土共同作用，以增加初期支护的抗折性能；在型钢拱架拱脚上方30cm处打设两根3.5m～4m的锁脚注浆小导管，小导管倾斜向下15°，一根锁脚导管紧贴钢拱架打设，另一根锁脚导管朝前打设，与拱架断面形成10°夹角，锁脚导管注浆后通过L型Φ22钢筋与型钢拱架焊接；锁脚小导管在围岩山体内通过注浆形成一道围岩封闭层，确保初支与山体围岩紧密连接；由于本开挖方法空间较窄，且加强了超前小导管支护作用，因此取消了作用较不明显，施作较难，且危险性较高的径向锚杆；
b.上下台阶边墙开挖后及时进行初期支护，型钢钢架采用钢板螺栓连接，锁脚小导管打设同上a，并取消径向锚杆；
c.仰拱开挖后及时进行支护，每榀型钢采用1m长Φ22钢筋三道进行定位；每道两根分别位于型钢两侧，打入拱底围岩。
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