CN108019210B - 一种适用于上软下硬复合地层的浅埋大跨隧道施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于上软下硬复合地层的浅埋大跨隧道施工方法，属于隧道工程领域。本发明在施工过程中，使隧道的大拱脚下方具有一条直线段，延长了拱盖距离下方岩体的高度，使得爆破过程中的飞溅岩石不会对拱体造成损坏，同时通过与弹性垫层配合，能够最大限度减少爆破震动对拱体的影响。另外，直线段的设计为混凝土块的浇筑提供了空间，混凝土块与锚杆配合能够有效分担覆土荷载形成的水平荷载，使得此处的拱体结构稳定；另外，混凝土块的浇筑同时解决了拱脚位置的渗漏水问题。本发明有效地避免了双侧壁导坑法和拱盖法等工法的缺点，为该类地质条件下浅埋隧道施工提供了一种新的思路。
Description
技术领域
本发明属于隧道工程领域，具体涉及一种适用于上软下硬复合地层的浅埋大跨隧道施工方法。
背景技术
目前浅埋大跨隧道开挖方法主要有双侧壁导坑法和二衬拱盖法。双侧壁导坑法又称为眼睛工法，即把开挖断面分块，每个分块在开挖后独立闭合成环，可以较好地控制变形，保证施工安全，但由于工序多导致工期长。在上软下硬地层中，尤其是下硬地层(中风化、微风化岩石)中采用爆破施工时应用双侧壁导坑法存在局限性，一是下部岩体爆破开挖会冲击破坏已施作的初期支护和临时支护；二是施工二次衬砌前拆除临时支撑的风险较高。
针对上软下硬大跨隧道，目前使用较多的是二衬拱盖法，即隧道拱部左、中、右三部采用机械开挖，中间施作临时中隔壁；拱部开挖完成后拆除临时中隔壁，再施作拱部二衬形成拱盖，后续在二衬拱盖保护作用下以台阶法爆破开挖下部岩体，最后施作剩余主体结构。实际上二衬拱盖法拱部施工也借鉴了双侧壁导坑法的一些理念。后来在此基础上发展创新了如拱部采用复合式衬砌(初期支护+二次衬砌)，叠合拱等结构形式，但拱盖法仍存在以下不足：一是隧道拱部和边墙结合部留有的施工缝导致大拱脚位置渗漏水严重；二是由于上部拱部空间有限，隧道下部岩体爆破作业时对拱顶结构可能造成冲击破坏。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种适用于上软下硬复合地层的浅埋大跨隧道施工方法，有效地避免了双侧壁导坑法和拱盖法等工法的缺点，为该类地质条件下浅埋隧道施工提供了一种新的思路。
本发明所采用的具体技术方案如下：
适用于上软下硬复合地层的浅埋大跨隧道施工方法，该方法将待开挖的隧道拱盖部分和下方岩体部分都分成左、中、右三部分，进行分部开挖，循环掘进，其具体步骤如下：
S1：首先对左侧或者右侧的隧道拱盖部分，沿隧道开挖轮廓线布置纵向循环搭接的超前小导管；然后对该部分隧道进行机械开挖，开挖时保持拱盖的弧形段下方连接有一段直线段；开挖后及时用工字钢钢架施作该部分的初期支护及型钢临时支撑，并对该部分隧道侧壁进行锚喷，且锚杆打设于所述的直线段位置，型钢临时支撑脚下也需施打锚杆；将超前小导管的端部焊接在初期支护的工字钢钢架上，然后进行注浆加固；
S2：对隧道拱盖部分另一侧的进行如S1相同的施工；
S3：对中部的隧道拱盖部分沿隧道开挖轮廓线布置纵向循环搭接的超前小导管；然后对该部分隧道进行机械开挖，同时在拱盖部分两侧的直线段位置浇灌混凝土块并保持混凝土块与伸出直线段的锚杆端部形成整体；该部分开挖完毕后，立即施作初期支护；
S4：拆除型钢临时支撑和其脚下锚杆，然后在隧道拱盖部分的初期支护内侧以及所述的混凝土块表面施作防水板，进而施作二次衬砌；在隧道二衬结构与下部岩体的接触面之间设置弹性垫层，使二衬结构的脚部间接通过弹性垫层支承在下部岩体上表面；
S5：对隧道拱盖部分下方的岩体，采用台阶拉槽式分部开挖，先爆破施工中部形成中拉槽，然后再爆破施工左边墙和右边墙，再在边墙处喷锚；
S6：对拱盖部分下方的岩体不断重复步骤S5，直至开挖至隧道底部；
S7：施作隧道仰拱和边墙。
作为优选，施作完边墙后，最后施作内部结构及装修。
作为优选，进行S1和S2施工之前，先通过岩土勘察并调整开挖范围，使隧道拱盖部分的拱脚落在Ⅳ级及以上围岩上。
作为优选，小导管采用42mm、壁厚5mm、长3.5m的无缝钢管，环向间距为40cm，沿隧道开挖轮廓线，以10°的外插角布置，前后两排小导管搭接长度不小于1.0m。
作为优选，小导管尾部2.5m范围内钻有φ10mm的注浆花孔，孔距为15cm；小导管注浆采用水泥——水玻璃浆液，凝胶时间为2min；注浆设备采用DW250/50型双液注浆泵。
作为优选，初期支护中的工字钢钢架纵向间距为50cm/榀。
作为优选，对隧道侧壁进行锚喷时，两侧初喷7cm厚的C25混凝土，在直线段位置施打φ25mm、长3.5m、间距纵向×环向为1.0m×0.8m的中空注浆锚杆。
作为优选，型钢临时支撑脚下施打φ22mm砂浆锚杆，长4m，间距为1.5m。
作为优选，二次衬砌采用25号钢筋混凝土，厚度为50cm。
作为优选，其特征在于，二次衬砌采用钢模板台车施工。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
1)拱盖法施工采用复合衬砌结构(初期支护、二次衬砌)，硬层分布较深时，适当调整第①步开挖范围，使第①步隧道拱脚尽可能落在Ⅳ级及以上较好围岩上，确保此处岩石有足够的地基承载力。
2)因开挖跨度较大且浅埋条件下拱部锚杆作用不显著，隧道拱部结构上部采用超前小导管支护，与钢拱架支护配合使用。
3)超前支护也分块支护，真正实现隧道拱部“快速超前支护、快速开挖、快速支护”的特点。而且，分块支护有利于提高定位准确性，当定位位置有偏移时，可以实时调整，更精确。
4)隧道上部采用机械开挖，下部采用台阶拉槽式分部开挖，然后施作边墙、铺底。此法既安全又经济。
5)由于下部岩体坚硬，拉槽台阶式施工时先爆破施工中部，然后再爆破施工左边墙和右边墙，直到隧道底部。拉槽台阶式先施工中部，可以消除两侧岩体(边墙)水平方向受到较强的夹制作用，这样耗能较低，相应地对围岩的扰动较小。
6)鉴于拱脚与边墙结合整体性不好的原因，本发明拱部修筑时初期支护采用钢拱架，不再使拱脚直接落底到坚硬岩石，而是线性向下延长一段直到坚硬岩石(Ⅳ级围岩及以上)，这样可以有效解决隧道拱和边墙结合部留有的施工缝导致大拱脚位置渗漏水严重问题。
7)在隧道二衬结构与下部岩体的接触面处，设置弹性密封装置(如弹性密封垫)，主要作用是减震缓冲，用于下部岩体爆破震动时减少或缓冲对上部结构的冲击影响。
附图说明
图1本发明的适合于上软下硬复合地层的浅埋大跨隧道断面结构布置示意图；
图2本发明的浅埋大跨隧道结构第①步施工工艺示意图；
图3本发明的浅埋大跨隧道结构第②步施工工艺示意图；
图4本发明的浅埋大跨隧道结构第③步施工工艺示意图；
图5本发明的浅埋大跨隧道结构第④步施工工艺示意图；
图6本发明的浅埋大跨隧道结构第⑤、⑥步施工工艺示意图；
图7本发明的浅埋大跨隧道结构第⑦、⑧步施工工艺示意图；
图8本发明的浅埋大跨隧道结构第⑨步施工工艺示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
本实施例中，待施工的地层为上软下硬地层，其中上部为第四纪末胶结的砂卵石、粉细砂层、强风化及全风化岩石等，下部为中风化或微风化岩石。
针对该上软下硬复合地层，本实施例将待开挖的隧道拱盖部分和下方岩体部分都分成左、中、右三部分，进行分部开挖，循环掘进。图1展示了整个施工过程中隧道断面结构布置情况。如图2～8所示，浅埋大跨隧道施工方法中单次循环的工序依次为①～⑨。下面详细描述具体步骤：
在施工第①步之前，需要岩土勘察先行，地质地层分布查清的前提下适当调整第①步开挖范围，使第①步拱脚能落在Ⅳ级及以上较好围岩上，确保此处岩石有足够的地基承载力。
第①步：如图2所示，首先对左侧隧道拱盖部分，沿隧道开挖轮廓线布置纵向循环搭接的超前小导管，加强对围岩的支护措施。小导管采用φ42mm、壁厚5mm、长3.5m的无缝钢管，环向间距为40cm，小导管沿隧道开挖轮廓线以10°的外插角布置，前后两排小导管搭接长度不小于1.0m。然后对该左侧部分隧道进行机械开挖，开挖时保持拱盖的弧形段下方连接有一段直线段(直线段高度尽量保证隧道下部爆破时岩石不会飞溅到上方拱体为宜，但也需考虑隧道设计标高进行调整)，开挖后及时施作该部分的初期支护(拱部钢支撑按间距50cm设置一榀20b工字钢钢架)、焊接纵向连接筋、挂钢筋网、喷射混凝土，工字钢钢架下方设置型钢临时支撑(采用20b工字钢)。对该部分隧道侧壁进行锚喷，侧壁上初喷C25混凝土7cm，施打φ25mm、长3.5m、间距纵向×环向为1.0m×0.8m中空注浆锚杆，且锚杆打设于直线段位置的侧壁上，端部露出侧壁。型钢临时支撑脚下也需施打锚杆(φ22mm砂浆锚杆，长4m，间距为1.5m)。工字钢钢架施工完毕后，将超前小导管的端部焊接在初期支护的工字钢钢架上。最后进行注浆加固，在小导管尾部2.5m范围内钻10mm的注浆花孔，孔距为15cm。采用水泥——水玻璃浆液，凝胶时间为2min，注浆设备采用DW250/50型双液注浆泵。由此，完成了左侧隧道拱盖部分的开挖支护施工。
第②步：对隧道拱盖部分右侧的进行与左侧相同的施工，即完成快速超前支护、快速开挖、快速支护，形成如图3所示结构。
第③步：完成了左侧和右侧的开挖支护后，需继续对中部的隧道拱盖部分沿隧道开挖轮廓线布置纵向循环搭接的超前小导管。然后对该部分隧道进行机械开挖，同时在拱盖部分两侧的直线段位置浇灌C25混凝土块，浇灌时需保持混凝土块与伸出直线段的锚杆端部形成整体，如图4所示。混凝土块的高度可与直线段高度一致。该部分开挖完毕后，立即施作初期支护并将超前小导管与工字钢钢架固定并进行注浆加固。在该工序中，施作完中部的初期支护后，隧道上方的覆土荷载将作用在拱上部，然后通过钢拱传导至两侧，表现为两端水平荷载，此时有一部分水平荷载作用在锚杆上，混凝土块的作用就是与锚杆形成整体共同分担水平荷载，同时也能够解决后续的大拱脚位置渗漏水(后续将会叙述)。
第④步：通过步骤①～③完成了隧道拱部的开挖，继而拆除两条型钢临时支撑和其脚下锚杆，然后在两侧的混凝土块表面施作覆盖混凝土块表面的防水板，尤其是混凝土块与下部岩体的交接位置需要尽量覆盖严密。再在隧道拱盖部分的初期支护内侧施作防水板、二次衬砌；二次衬砌采用钢模板台车施工，二次衬砌采用25号钢筋混凝土，厚度为50cm。在二次衬砌施工过程中，二衬结构下部不直接与下部岩体接触，而是预留一段空隙，并在空隙中安装弹性减震装置，弹性减震装置为一层弹性材料制成的垫层，使二衬结构的脚部间接通过弹性垫层支承在下部岩体上表面，如图5所示。弹性垫层的主要作用是减震缓冲，用于下部岩体爆破震动时减少或缓冲对上部结构的冲击。弹性垫层可以采用橡胶等材料制成。
第⑤和⑥步：对隧道拱盖部分下方的岩体，岩体坚硬，因此采用台阶拉槽式分部开挖，即先爆破施工中部形成中拉槽，然后再爆破施工左边墙和右边墙，再在边墙处喷锚(初喷C20混凝土5cm，施打φ22mm、长3.5m、间距纵向×环向为1.0m×0.6m砂浆锚杆)，如图6所示。先施工中部，可以消除两侧边墙岩体水平方向受到较强的夹制作用，这样耗能较低，相应地对围岩的扰动较小。需要注意的是，在施工两侧岩体时，需要取掉拱脚位置的弹性垫层，可供后续循环使用。
第⑦和⑧步：这两步的开挖与第⑤和⑥步类似，依然是对下方岩体先爆破施工中部形成中拉槽，然后再爆破施工左边墙和右边墙，再在边墙处喷锚，如图7所示。假如经过这两步依然还没能开挖至隧道底部，则需要继续重复该步骤，直至开挖至隧道底部。
第⑨步：先铺底(施作隧道仰拱)，仰拱厚度为45cm。然后施作边墙，最后施作内部结构及装修，如图8所示。此法既安全又经济。
当采用上述工序掘进一定距离后，可继续重复上述步骤，实现循环掘进，直至隧道整体贯通。
本发明在施工过程中，使隧道的大拱脚下方具有一条直线段，延长了拱盖距离下方岩体的高度，使得爆破过程中的飞溅岩石不会对拱体结构造成损坏，同时通过与弹性垫层配合，能够最大限度减少爆破震动对拱体结构的影响。另外，直线段的设计为混凝土块的浇筑提供了空间，混凝土块与锚杆配合形成整体能够有效分担覆土荷载形成的水平荷载，使得此处的拱体结构稳定；另外，混凝土块的浇筑同时解决了拱脚位置的渗漏水问题，即使在地下水丰富的地区，依然能够通过混凝土块延长水的渗漏路径，防止出现渗漏问题。当防水板铺设合理时，能够进一步减少渗漏水出现的几率。当有必要时，可以在混凝土块与初期支护之间也铺设防水板。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种适用于上软下硬复合地层的浅埋大跨隧道施工方法，其特征在于，将待开挖的隧道拱盖部分和下方岩体都分为左、中、右三部分，进行分部开挖，循环掘进，其步骤如下：
S1：首先对左侧或者右侧的隧道拱盖部分，沿隧道开挖轮廓线布置纵向循环搭接的超前小导管；然后对该部分隧道进行机械开挖，开挖时保持拱盖的弧形段下方连接有一段直线段；开挖后及时用工字钢钢架施作该部分的初期支护及型钢临时支撑，并对该部分隧道侧壁进行锚喷，且锚杆打设于所述的直线段位置，型钢临时支撑脚下也需施打锚杆；将超前小导管的端部焊接在初期支护的工字钢钢架上，然后进行注浆加固；
S2：对隧道拱盖部分另一侧进行如S1相同的施工；
S3：对中部的隧道拱盖部分，沿隧道开挖轮廓线布置纵向循环搭接的超前小导管；然后对该部分隧道进行机械开挖，同时在拱盖部分两侧的直线段位置浇灌混凝土块并保持混凝土块与伸出直线段的锚杆端部形成整体；该部分开挖完毕后，立即施作初期支护；
S4：拆除型钢临时支撑和其脚下锚杆，然后在隧道拱盖部分的初期支护内侧以及所述的混凝土块表面施作防水板，进而施作二次衬砌；在隧道二衬结构与下部岩体的接触面之间设置弹性垫层，使二衬结构的脚部间接通过弹性垫层支承在下部岩体上表面；
S5：对隧道拱盖部分下方的岩体，采用台阶拉槽式分部开挖，先爆破施工中部形成中拉槽，然后再爆破施工左边墙和右边墙，再在边墙处喷锚；
S6：对拱盖部分下方的岩体不断重复步骤S5，直至开挖至隧道底部；
S7：施作隧道仰拱和边墙。
2.如权利要求1所述的适用于上软下硬复合地层的浅埋大跨隧道施工方法，其特征在于，施作完所述的边墙后，最后施作内部结构及装修。
3.如权利要求1所述的适用于上软下硬复合地层的浅埋大跨隧道施工方法，其特征在于，进行S1和S2施工之前，先通过岩土勘察并调整开挖范围，使隧道拱盖部分的拱脚落在Ⅳ级及以上围岩上。
4.如权利要求1所述的适用于上软下硬复合地层的浅埋大跨隧道施工方法，其特征在于，小导管采用φ42mm、壁厚5mm、长3.5m的无缝钢管，环向间距为40cm，沿隧道开挖轮廓线，以10°的外插角布置，前后两排小导管搭接长度不小于1.0m。
5.如权利要求1所述的适用于上软下硬复合地层的浅埋大跨隧道施工方法，其特征在于，小导管尾部2.5m范围内钻有φ10mm的注浆花孔，孔距为15cm；小导管注浆采用水泥——水玻璃浆液，凝胶时间为2min；注浆设备采用DW250/50型双液注浆泵。
6.如权利要求1所述的适用于上软下硬复合地层的浅埋大跨隧道施工方法，其特征在于，初期支护中的工字钢支撑的纵向间距为50cm/榀。
7.如权利要求1所述的适用于上软下硬复合地层的浅埋大跨隧道施工方法，其特征在于，对隧道侧壁进行锚喷时，两侧初喷7cm厚的C25混凝土，在直线段位置施打φ25mm、长3.5m、间距纵向×环向为1.0m×0.8m的中空注浆锚杆。
8.如权利要求1所述的适用于上软下硬复合地层的浅埋大跨隧道施工方法，其特征在于，型钢临时支撑脚下施打φ22mm砂浆锚杆，长4m，间距为1.5m。
9.如权利要求1所述的适用于上软下硬复合地层的浅埋大跨隧道施工方法，其特征在于，二次衬砌采用25号钢筋混凝土，厚度为50cm。
10.如权利要求1所述的适用于上软下硬复合地层的浅埋大跨隧道施工方法，其特征在于，二次衬砌采用钢模板台车施工。
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