CN107829747B - 适于膨胀土地区浅埋暗挖隧道的施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适于膨胀土地区浅埋暗挖隧道的施工方法，该方法包括以下步骤：浅埋暗挖施工准备工作；暗挖区膨胀土天然含水量的检测并判断是否满足冻结条件；冻结孔及冻结控制系统的布置；对土体进行冻结形成冻结隔离圈；使冻结圈内开挖土体失水收缩，与冻结圈外土体产生缝隙并脱离连接；土体开挖；施作支护并及时封闭成环；施作防水；解除冻结并撤离冻结系统；施作二衬。本发明施工工序简单，施工方便且控制沉降效果好，解决了膨胀土土体开挖时多分断面对开挖土体扰动次数过多，扰动沉降大的问题；解决了隧道施工时遇逢降雨期的隧道内土体防雨水问题，减少了施工工期和费用，施工过程安全稳定，能有效控制隧道开挖时引起的沉降及开挖风险。
Description
技术领域
本发明涉及一种适于膨胀土地区浅埋暗挖隧道的施工方法。
背景技术
膨胀土是一种富含亲水性矿物的粘性土壤，由于受到蒙脱石、伊利石的影响，它膨胀结构较多，裂隙性很强，衰减强度较大，是一种吸水膨胀、失水收缩、具有较大往复胀缩变形的高塑性黏土。这种土壤在天然的情况下坚硬无比，但如果受气候和其他条件的影响，膨胀土的敏感性很强，会对建筑物工程造成严重的破坏。而且随着经济的发展，科技水平的提高，膨胀土的危害越来越大，引起了很多地区广泛关注。
国内现在对于膨胀土地区浅埋暗挖隧道采用的施工方法，主要是将开挖面分成多个断面并建立仰拱等支护进行开挖，但是多个断面开挖就会对土体造成多次扰动，而含水膨胀土的扰动沉降很大，尤其是施工时间段内遇逢降雨期，土体的过度扰动对隧道的施工很不利，因此要加紧采取措施，改进隧道施工的方法，尽量降低危害的发生。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种适于膨胀土地区浅埋暗挖隧道的施工方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，适于膨胀土地区浅埋暗挖隧道的施工方法，包括以下步骤：
(1)浅埋暗挖施工准备工作；
(2)开挖区膨胀土天然含水量的检测并判断是否满足冻结条件；
(3)冻结孔及冻结控制系统的布置；
(4)对土体进行冻结形成冻结隔离圈；
(5)使冻结隔离圈内开挖土体失水收缩，与冻结隔离圈外土体产生缝隙，冻结隔离圈内外土体脱离连接；
(6)土体开挖；
(7)施作支护并及时封闭成环；
(8)施作防水；
(9)解除对冻结隔离圈土体的冻结，并撤出冻结系统；
(10)隧道开挖完成后对隧道内壁进行二次衬砌。
作为优选：
在步骤(1)中，浅埋暗挖施工准备工作的具体做法是，对隧道沿线预备开挖区土体进行钻土取样，检验地质条件，并进行测量放线及施工所需设备线路准备。
在步骤(2)中，开挖区膨胀土天然含水量的检测的具体做法是，通过对开挖区膨胀土土体天然含水量进行实验检测结果判断膨胀土的含水量是否满足土体冻结条件，如不满足，则需要采取措施，使得开挖区及周围一定范围内土体吸水膨胀并使含水量不低于10％。
在步骤(3)中，冻结孔及冻结控制系统的布置的具体做法是，采用隧道工程施工时的冻结圈控制系统，沿隧道开挖面四周布置冻结孔；具体实施方法为：首先测量放样，之后在设计孔位上做好标记，用凿岩机或煤电钻钻孔，钻孔孔径比冻结孔直径大3～5mm；成孔后，将冻结管及数据探测采集器按设计要求插入孔中，插入长度不小于设计长度的90％。
在步骤(4)中，对土体进行冻结形成冻结隔离圈的具体做法是，视隧道开挖区膨胀土体的含水量情况对隧道开挖面四周一定范围内土体进行冻结，以使在隧道洞口开挖面周围含水土体冻结形成冻结隔离圈，冻结施工中认真填写冻结记录，随时分析和改进作业，并注意观察施工工作面的状态；该种冻结隔离圈能够隔离开挖面内土体与冻结隔离圈外土体之间的连接，并起到隔水作用及一定的超前支护作用。
在步骤(5)中，使冻结隔离圈内外土体脱离连接关系的具体做法是，在开挖面冻结隔离圈形成后，采取失水措施，使得冻结隔离圈由隧道拱顶向隧道底部逐步失水收缩，且由于冻结隔离圈的隔水作用，收缩后开挖面的冻结隔离圈内土体体积减小，与冻结隔离圈外的土体之间形成空隙，且冻结隔离圈的隔离作用能有效的将土体收缩时的影响控制在冻结隔离圈内。
在步骤(6)中，土体开挖的具体做法是，将开挖面已失水收缩且与冻结隔离圈外土体失去联系的设计开挖土体挖出，并且分为以下两种情况：
第一种情况：对于净空断面面积＜100m2的一般断面，由于开挖土体与外界已失去联系，故采用工期短，开挖速度快，无支护拆除量的开挖方法；开挖方法包括全断面法或者正台阶法，能够有效缩短工期，减少开挖费用，开挖完成后及时施作初期支护并封闭成环；
第二种情况：对于净空断面面积≥100m2的超大断面，采用如下的分区开挖方法：
①将断面内土体划分为上左、上右和下中3个分区，其中下分区的土体面积应占总开挖断面面积的60％～70％；
②首先开挖上左和上右分区的土体，暂留下中分区的土体；
③上左和上右分区的土体开挖完成后立即对隧道顶部及两侧进行钢筋网片，连接筋的安装；
④完成上左和上右分区的土体开挖后再开挖中下分区的暂留土体，待全部土体挖方工程完成后及时喷射混凝土并封闭成环。
在步骤(7)中，施作支护并及时封闭成环的具体做法是，隧道初期支护采用C25早强混凝土进行喷射，隧道在初期支护背后压注水泥浆。
在步骤(8)中，施作防水的具体做法是，利用防水混凝土的结构自防水，防水板铺设及背贴止水带对已完成的隧道内壁进行防水处理。
在步骤(9)中，对隧道洞口周围土体的冻结控制应在防水施工完成后解除，这样可以有效解决隧道施工期内遇逢降雨期的隧道内防雨水问题。
本发明的有益效果是：
1、运用土体冻结形成的冻结隔离圈代替向土体中注入隔水材料，在有效的将冻结隔离圈内外土体隔离，使冻结隔离圈内土体的失水收缩影响控制在开挖面的冻结隔离圈内的同时，解决了注入隔水材料将造成的地层隆起影响；
2、在土体开挖前，运用膨胀土吸水膨胀失水收缩的特性，使开挖面冻结隔离圈内土体失水收缩，收缩后再进行土体开挖，有效减少了隧道开挖对土体的扰动次数，大大降低了膨胀土地区隧道施工的开挖扰动沉降；
3、对于超大断面收缩后的土体开挖采用分区开挖的开挖断面形式，且在暂留土体开挖前即可施作隧道顶部及两侧的初期支护，满足“及时支护，及时封闭成环”原则的同时，有效缩短工期，减少施工费用。
该方法施工工序简单，施工方便且控制沉降效果好，解决了膨胀土土体开挖时分多个断面开挖时对土体扰动次数过多，扰动沉降大的问题；解决了隧道施工时遇逢降雨期的隧道内土体防雨水问题，减少了施工工期和费用，施工过程安全稳定，能有效控制隧道开挖时引起的沉降及开挖风险。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例的施工工序图。
图2是本发明实施例的开挖面内膨胀土失水收缩后的开挖面横断面示意图。
图3是本发明实施例的隧道开挖中超大断面采用的分区开挖示意图。
图中标记：1-冻结圈，2-空隙，3-失水收缩后土体，4-外部土体，5-左上分区，6-右上分区，7-中下分区。
具体实施方式
本实施例所提出的一种膨胀土地区浅埋暗挖隧道施工方法，该方法充分利用膨胀土的吸水膨胀、失水收缩、具有较大往复胀缩变形的特性，提出以冻结施工的思路，解决了膨胀土土体开挖时分多个断面开挖时对土体扰动次数过多，扰动沉降大，以及隧道施工时遇逢降雨期的隧道内土体防雨水的储多问题。该方法施工工序简单，施工方便且控制沉降效果好，减少了施工工期和费用，施工过程安全稳定，能有效控制隧道开挖时引起的沉降及开挖风险。
图1是该方法的施工工序流程，具体包括以下步骤：
(1)浅埋暗挖施工准备工作：具体的做法是对隧道沿线预备开挖区土体进行钻土取样，检验地质条件，并进行测量放线及施工所需设备线路准备。
(2)开挖区膨胀土天然含水量的检测并判断是否满足冻结条件：具体的做法是着重对开挖区膨胀土土体天然含水量进行实验检测，由检测结果判断膨胀土的含水量是否满足土体冻结条件，如不满足，则需要采取措施，使得开挖区及周围一定范围内土体吸水膨胀并使含水量不低于10％。
(3)冻结孔及冻结控制系统的布置：具体的做法是采用隧道工程施工时的冻结隔离圈(以下简称为冻结圈)控制系统，沿隧道开挖面四周布置冻结孔。具体实施方法为：首先测量放样，之后在设计孔位上做好标记，用凿岩机或煤电钻钻孔，钻孔孔径比冻结孔直径大3～5mm。成孔后，将冻结孔及数据探测采集器按设计要求插入孔中，插入长度不小于设计长度的90％。
(4)对土体进行冻结形成冻结圈：具体的做法是视隧道开挖区膨胀土体的含水量情况对隧道开挖面四周一定范围内土体进行冻结，以使在隧道洞口开挖面周围含水土体冻结形成冻结圈1，冻结施工中认真填写冻结记录，随时分析和改进作业，并注意观察施工工作面的状态。冻结参数应根据及现场情况调整。该种冻结圈可以隔离开挖面内土体与冻结隔离圈外土体之间的联系，并起到隔水作用及一定的超前支护作用。
(5)采取措施，使冻结圈内开挖土体失水收缩，与冻结圈土体产生缝隙，两者脱离连接；具体的做法是在开挖面冻结圈形成后，采取失水措施，使得冻结圈由隧道拱顶向隧道底部逐步失水收缩，且由于冻结圈的隔水作用，收缩后开挖面的冻结圈内土体体积减小，与冻结圈1之间形成空隙2，且冻结圈的隔离作用能有效的将土体收缩时的影响控制在冻结圈内(图2)。
土体开挖指的是将开挖面已失水收缩且与冻结圈脱离连接的设计开挖土体挖出。
对于本实例中的超大断面(净空断面面积≥100m2)，可采用分区开挖的开挖断面形式，在图3中，开挖断面划分为3个开挖分区，分别为左上分区5、右上分区6和中下分区7，其中中下分区7的面积应占总开挖断面的60％～70％。分区开挖的具体开挖顺序如下：
首先开挖左上分区5和右上分区6的土体，暂留中下分区3的土体。待左上分区和右上分区的土体开挖完成后，立即对隧道顶部及两侧进行钢筋网片，连接筋的安装。完成后开挖中下分区3的暂留土体，待全部土体挖方工程完成后及时喷射混凝土并封闭成环。开挖利用6.0小炮机及挖机开挖，人工辅助，采用三轮车加预制小土斗进行土方运输。
(6)施作支护并及时封闭成环：即在隧道初期支护采用C25早强混凝土进行喷射，拱架采用工字钢22a搭建，拱墙范围内围岩与钢筋钢架之间铺设双层钢筋网，规格全部为φ8@150mm×150mm，每层钢筋网之间应搭接牢固，且搭接长度不应小于100mm。隧道在初期支护背后压注水泥浆，注浆管埋设原则：注浆采用φ42热轧钢管，注浆孔沿隧道拱部及边墙布置，纵向间距3m，侧墙环向间距3m，梅花型布置，注浆深度为初支背后0.5m，注浆压力控制在大于等于0.3Mpa左右，隧道初期支护封闭后3m需要及时注浆。实际注浆量以现场实际发生量为准。
(7)施作防水：即利用防水混凝土的结构自防水，防水板铺设及背贴止水带对已完成的隧道内壁进行防水处理。
(8)解除冻结并撤离冻结系统：具体做法是解除对冻结隔离圈土体的冻结，并撤出冻结系统，其中对洞口周围土体的冻结控制应在防水施工完成后解除，这样可以有效解决隧道施工期时间内遇逢降雨期的隧道内防雨水问题。
(9)施作二衬：具体做法是隧道开挖完成后对隧道内壁进行二次衬砌，包括钢筋绑扎，止水、管路安装，端头模板安装，二衬混凝土浇筑等。
本实施例的技术特点如下：
1、运用土体冻结形成的冻结隔离圈代替向土体中注入隔水材料，在有效的将冻结隔离圈内外土体隔离，使冻结隔离圈内土体的失水收缩影响控制在开挖面的冻结隔离圈内的同时，解决了注入隔水材料将造成的地层隆起影响。
2、在土体开挖前，运用膨胀土吸水膨胀失水收缩的特性，使开挖面冻结隔离圈内土体失水收缩，收缩后再进行土体开挖，有效减少了隧道开挖对土体的扰动次数，大大降低了膨胀土地区隧道施工的开挖扰动沉降。
3、对于超大断面收缩后的土体开挖采用分区开挖断面形式，并且位于核心的暂留土体在开挖前即可施作隧道顶部及两侧的初期支护，满足“及时支护，及时封闭成环”原则的同时，有效缩短工期，减少施工费用。
以上所述仅为本发明较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.适于膨胀土地区浅埋暗挖隧道的施工方法，包括以下步骤：
(1)浅埋暗挖施工准备工作；
(2)开挖区膨胀土天然含水量的检测并判断是否满足冻结条件；
(3)冻结孔及冻结控制系统的布置；
(4)对土体进行冻结形成冻结隔离圈；
(5)使冻结隔离圈内开挖土体失水收缩，与冻结隔离圈外土体产生缝隙，冻结隔离圈内外土体脱离连接；
(6)土体开挖；
(7)施作支护并及时封闭成环；
(8)施作防水；
(9)解除对冻结隔离圈土体的冻结，并撤出冻结系统；
(10)隧道开挖完成后对隧道内壁进行二次衬砌。
2.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述浅埋暗挖施工准备工作的具体做法是，对隧道沿线预备开挖区土体进行钻土取样，检验地质条件，并进行测量放线及施工所需设备线路准备。
3.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述开挖区膨胀土天然含水量的检测的具体做法是，通过对开挖区膨胀土土体天然含水量进行实验检测结果判断膨胀土的含水量是否满足土体冻结条件，如不满足，则需要采取措施，使得开挖区及周围一定范围内土体吸水膨胀并使含水量不低于10％。
4.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：在步骤(3)中，所述冻结孔及冻结控制系统的布置的具体做法是，采用隧道工程施工时的冻结隔离圈控制系统，沿隧道开挖面四周布置冻结孔；具体实施方法为：首先测量放样，之后在设计孔位上做好标记，用凿岩机或煤电钻钻孔，钻孔孔径比冻结孔直径大3～5mm；成孔后，将冻结管及数据探测采集器按设计要求插入孔中，插入长度不小于设计长度的90％。
5.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：在步骤(4)中，所述对土体进行冻结形成冻结隔离圈的具体做法是，视隧道开挖区膨胀土体的含水量情况对隧道开挖面四周一定范围内土体进行冻结，以使在隧道洞口开挖面周围含水土体冻结形成冻结隔离圈，冻结施工中认真填写冻结记录，随时分析和改进作业，并注意观察施工工作面的状态；该种冻结隔离圈能够隔离开挖面内土体与冻结隔离圈外土体之间的连接，并起到隔水作用及一定的超前支护作用。
6.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：在步骤(5)中，所述的使冻结隔离圈内外土体脱离连接关系的具体做法是，在开挖面冻结隔离圈形成后，采取失水措施，使得冻结隔离圈由隧道拱顶向隧道底部逐步失水收缩，且由于冻结隔离圈的隔水作用，收缩后开挖面的冻结隔离圈内土体体积减小，与冻结隔离圈外的土体之间形成空隙，且冻结隔离圈的隔离作用能有效的将土体收缩时的影响控制在冻结隔离圈内。
7.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：在步骤(6)中，所述土体开挖的具体做法是，将开挖面已失水收缩且与冻结隔离圈外土体失去联系的设计开挖土体挖出，并且分为以下两种情况：
第一种情况：对于净空断面面积＜100m2的一般断面，由于开挖土体与外界已失去联系，故采用工期短，开挖速度快，无支护拆除量的开挖方法；所述开挖方法包括全断面法或者正台阶法，能够有效缩短工期，减少开挖费用，开挖完成后及时施作初期支护并封闭成环；
第二种情况：对于净空断面面积≥100m2的超大断面，采用如下的分区开挖方法：
①将断面内土体划分为上左、上右和下中3个分区，其中下分区的土体面积应占总开挖断面面积的60％～70％；
②首先开挖上左和上右分区的土体，暂留下中分区的土体；
③上左和上右分区的土体开挖完成后立即对隧道顶部及两侧进行钢筋网片，连接筋的安装；
④完成上左和上右分区的土体开挖后再开挖中下分区的暂留土体，待全部土体挖方工程完成后及时喷射混凝土并封闭成环。
8.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：在步骤(7)中，所述施作支护并及时封闭成环的具体做法是，隧道初期支护采用C25早强混凝土进行喷射，隧道在初期支护背后压注水泥浆。
9.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：在步骤(8)中，所述施作防水的具体做法是，利用防水混凝土的结构自防水，防水板铺设及背贴止水带对已完成的隧道内壁进行防水处理。
10.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：在步骤(9)中，对隧道洞口周围土体的冻结控制应在防水施工完成后解除。
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