CN108397202B - 冻结超前支护下多台阶中导坑先行开挖方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了冻结超前支护下多台阶中导坑先行开挖方法，先在开挖轮廓线外侧沿隧道水平设置冻结管，通过在冻结管内循环盐溶液对周边土体进行制冷，形成冻结土管慕群超前支护；隧道从上至下分为至少3个台阶进行开挖，每个台阶所在层分为中导坑、左导坑和右导坑进行开挖，先进行中导坑开挖，再进行左导坑和右导坑开挖；由下向上施工隧道衬砌和防水层，停止冻结管的冻结施工。本发明在冻结土管慕群超前支护的支护作用下，充分利用冻土强度，加快洞内开挖速度，安全可靠的优点，能极大的节省工期及施工费用。
Description
技术领域
本发明属于隧洞施工技术领域，具体涉及冻结超前支护下多台阶中导坑先行开挖方法。
背景技术
人工地层冻结法由于基本不受支护范围和支护深度的限制，且拥有绝对的封水性效果成为了地下工程施工的主要手段之一。在冻结超前支护下的暗挖施工一般采用传统的矿山施工方法，如台阶法、CRD法等。
现有技术中的冻结法开挖方法的核心原则为尽早施工初期支护、初期支护快速封闭成环，并未考虑到开挖过程中冻土的特殊性——靠近开挖区域的冻土由于受空气对流的影响，温度逐渐升高，强度随之丧失，而远离开挖区域的冻土不受空气对流影响，仍然有较高的强度。因此现有施工方法未能有效利用冻土强度且开挖速度慢，而冻结施工的时间与费用成正比，故总成本也比较高。
发明内容
本发明的目的在于提供了冻结超前支护下多台阶中导坑先行开挖方法，该方法充分利用冻土强度，可加快洞内开挖速度，安全可靠，能极大的节省工期及冻结施工费用。
为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
冻结超前支护下多台阶中导坑先行开挖方法，包括以下步骤：
步骤1、先在开挖轮廓线外侧沿隧道水平设置冻结管，通过在冻结管内循环盐溶液对周边土体进行制冷，形成冻结土管慕群超前支护；
步骤2、在冻结土管慕群超前支护的作用下，隧道从上至下分为至少3个台阶进行开挖，每个台阶所在层分为中导坑、左导坑和右导坑进行开挖，先进行中导坑开挖，再进行左导坑和右导坑开挖，每个台阶所在层的中导坑为1个或以上，每个台阶所在层的中导坑为多个时，先开挖位于中间的中导坑，各个台阶沿隧道延伸方向间距不小于台阶的高度；
步骤3、由下向上施工隧道衬砌和防水层，并依次拆除竖向支撑以及水平横撑，当隧道衬砌及防水层全部完成，且达到设计强度要求时，停止冻结管的冻结施工。
设置冻结管时，先在开挖轮廓线外侧设置水平顶管，再将冻结管设置在水平顶管内。
每个台阶所在层的中导坑、左导坑和右导坑的开挖包括以下步骤：
步骤2.1、先进行台阶所在层的中导坑的开挖，
除最上层台阶对应的中导坑和最下层台阶对应的中导坑以外的中导坑开挖后，依次施工水平横撑以及竖向支撑，
最上层台阶所在层的中导坑开挖后，依次施工初期支护、水平横撑以及竖向支撑，
最下层台阶所在层的中导坑开挖后，依次施工初期支护以及竖向支撑；
步骤2.2、再进行台阶所在层的左导坑和右导坑的开挖，
左导坑和右导坑开挖后，依次施工初期支护、水平横撑以及竖向支撑，
最下层台阶所在层的左导坑和右导坑开挖后，不需要施工水平横撑。
在中导坑、左导坑和右导坑开挖过程中优先开挖远离开挖轮廓线的原状土，再开挖靠近开挖轮廓线的冻土。
最下层台阶所在层的中导坑、左导坑和右导坑在开挖时，在最下层台阶的端面处施工斜坡道并进行两端对向开挖。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
1，靠近开挖轮廓线位置的冻土由于受空气对流的影响，温度逐渐升高，强度随之丧失，而远离开挖轮廓线区域的冻土温度低强度高，因此先开挖中导坑区域的土体可以充分冻土帷幕强度，保持洞身的稳定；
2，相对于传统的台阶法开挖法，由于冻土强度高，中导坑冻土（第一台阶和仰拱除外）数量少于两侧导坑，故中导坑的开挖速度明显快于两侧导坑的开挖速度，并且还可通过使用斜坡道在最下层台阶的端面增设开斜坡道加快开挖速度，可以极大节省开挖工期；
3由于冻结土管慕群超前支护的施工成本与开挖总时间成正比关系，因此可以极大的节省总造价。由于本发明所述的多台阶中导坑先行开挖方法具有施工安全，开挖速度快，节省冻结费用的优点，尤其适用冻结土管慕群超前支护下软土大断面隧道开挖施工。
附图说明：
图1为冻结土管慕群超前支护示意图；
图2为最上层台阶对应的中导坑开挖工况示意图；
图3为最上层台阶对应的左导坑和右导坑开挖工况示意图；
图4为除最下层台阶外的开挖工况示意图；
图5为最下层台阶的中导坑开挖工况示意图；
图6为图5的沿隧道纵向剖面示意图；
图7为最下层台阶的左导坑和右导坑的工况示意图；
图8为隧道开挖完成工况示意图。
其中：1－冻土；2-原状土；3－初期支护；4－横撑；5－竖撑；6－隧道衬砌及防水层；8-开挖轮廓线；9-斜坡道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
冻结超前支护下多台阶中导坑先行开挖方法，其步骤是：
步骤1、如图1所示，先在开挖轮廓线外侧沿隧道水平设置冻结管，通过在冻结管内循环盐溶液对周边土体进行制冷，形成冻结土管慕群超前支护；设置冻结管时，可先在开挖轮廓线外侧设置水平顶管，再将冻结管设置在水平顶管内，隧道的端面的开挖掌子面宽度、高度均大于等于9m；
步骤2、如图2所示，在冻结土管慕群超前支护的作用下，隧道从上至下分为至少3个台阶进行开挖，每个台阶所在层分为中导坑、左导坑和右导坑进行开挖，先进行中导坑开挖，再进行左导坑和右导坑开挖，每个台阶所在层的中导坑为1个或以上，每个台阶所在层的中导坑为多个时，先开挖位于中间的中导坑，各个台阶沿隧道延伸方向间距不小于该台阶的高度。
每个台阶所在层的中导坑、左导坑和右导坑的开挖包括以下步骤：
步骤2.1、先进行台阶所在层的中导坑的开挖，
除最上层台阶对应的中导坑和最下层台阶对应的中导坑以外的中导坑开挖后，依次施工水平横撑4以及竖向支撑5，
最上层台阶所在层的中导坑开挖后，依次施工初期支护3、施工水平横撑4以及竖向支撑5，
最下层台阶所在层的中导坑开挖后，依次施工初期支护3（作为仰拱）以及竖向支撑5；
步骤2.2、再进行台阶所在层的左导坑和右导坑的开挖，
左导坑和右导坑开挖后，依次施工初期支护3、水平横撑4以及竖向支撑5，
最下层台阶所在层的左导坑和右导坑开挖后，不需要施工水平横撑4；
在中导坑、左导坑和右导坑开挖过程中优先开挖远离开挖轮廓线的原状土2，再开挖靠近开挖轮廓线的冻土1；
最下层台阶所在层的中导坑、左导坑和右导坑在开挖时，在最下层台阶的端面处施工斜坡道并进行两端对向开挖。加快开挖施工的工作效率。
步骤3、由下向上施工隧道衬砌和防水层，并依次拆除竖向支撑5以及水平横撑4，当隧道衬砌及防水层全部完成，且达到设计强度要求时，停止冻结管的冻结施工。
初期支护3、水平横撑4以及竖向支撑5均为型钢，在纵向方向上各个初期支护3采用钢筋或者方钢连接，在纵向方向上各个水平横撑4采用钢筋或者方钢连接，在纵向方向上各个竖向支撑5采用钢筋或者方钢连接，初期支护3、水平横撑4以及竖向支撑5外均采用喷射或者模筑混凝土形成整体受力结构，水平横撑4可作为施工及运输平台。
采用本技术方案进行施工，具备以下有益效果：
1、中导坑、左导坑和右导坑在开挖过程中，优先开挖远离开挖轮廓线的土体。这样可充分利用冻土的支护强度，未冻土开挖效率也比较高，未冻土开挖过后，由于冻土暴露在空气中的面积更大，冻土的开挖难度也会降低。而普通的隧道开挖均先开挖靠近开挖轮廓线的部分以便更为快速的安装初期支护，保持洞室的稳定。
2，台阶法开挖时先开挖中导坑后开挖左导坑和右导坑。该顺序可以充分冻土的支护强度。而不同隧道一般是最后开挖中间导坑，这也是由于超前支护为冻土帷幕所造成的不同。
3，在最后一个台阶开挖时，可以增设如图6所示的斜坡道，该方案可极大提升开挖效率，在现场实际操作过程中，增设斜坡道成功的缩短了施工工期为项目节约了上千万的成本。但是普通的隧道开挖一般是不具备增设斜坡道的条件，这也是由于超前支护为冻土帷幕所造成的不同。
本发明立足拱北隧道现场开挖，基本依托于现场实际所面临的问题。由于传统的水平冻结帷幕超前支护下开挖工程开挖断面小（多为联络通道，开挖断面一般小于4m×4m），一般采用全断面开挖或两台阶开挖，而普通的山岭隧道开挖方法在现场操作性低，且未利用冻结帷幕超前支护的特点，均不适用于拱北隧道，且先开挖远离开挖轮廓线的土体违背了隧道及时施工初期支护的原则。
冻土1作为超前支护，其有部分会在开挖过程中被挖掉，而传统的锚杆，注浆小导管等前支护一般是不会被挖掉的；左导坑和右导坑可同时施工，不一定存在先后顺序。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或替代，但不会偏离本发明的精髓或者超越所附权利要求书外定义的范围。
Claims (1)
1.冻结超前支护下多台阶中导坑先行开挖方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、先在开挖轮廓线外侧沿隧道水平设置冻结管，通过在冻结管内循环盐溶液对周边土体进行制冷，形成冻结土管慕群超前支护；
步骤2、在冻结土管慕群超前支护的作用下，隧道从上至下分为至少3个台阶进行开挖，每个台阶所在层分为中导坑、左导坑和右导坑进行开挖，先进行中导坑开挖，再进行左导坑和右导坑开挖，每个台阶所在层的中导坑为1个或以上，每个台阶所在层的中导坑为多个时，先开挖位于中间的中导坑，各个台阶沿隧道延伸方向间距不小于台阶的高度；
步骤3、由下向上施工隧道衬砌和防水层，并依次拆除竖向支撑以及水平横撑，当隧道衬砌及防水层全部完成，且达到设计强度要求时，停止冻结管的冻结施工，
设置冻结管时，先在开挖轮廓线外侧设置水平顶管，再将冻结管设置在水平顶管内，
每个台阶所在层的中导坑、左导坑和右导坑的开挖包括以下步骤：
步骤2.1、先进行台阶所在层的中导坑的开挖，
除最上层台阶对应的中导坑和最下层台阶对应的中导坑以外的中导坑开挖后，依次施工水平横撑以及竖向支撑，
最上层台阶所在层的中导坑开挖后，依次施工初期支护、水平横撑以及竖向支撑，
最下层台阶所在层的中导坑开挖后，依次施工初期支护以及竖向支撑；
步骤2.2、再进行台阶所在层的左导坑和右导坑的开挖，
左导坑和右导坑开挖后，依次施工初期支护、水平横撑以及竖向支撑，
最下层台阶所在层的左导坑和右导坑开挖后，不需要施工水平横撑，
在中导坑、左导坑和右导坑开挖过程中优先开挖远离开挖轮廓线的原状土，再开挖靠近开挖轮廓线的冻土，
最下层台阶所在层的中导坑、左导坑和右导坑在开挖时，在最下层台阶的端面处施工斜坡道并进行两端对向开挖。
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