CN109538219A - 破碎硬质岩隧道的原位扩建超大断面及分部开挖方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供破碎硬质岩隧道的原位扩建超大断面及分部开挖方法，包括既有隧道和扩建断面，以及布置于既有隧道底端面至拱墙处的回填土，且回填土上端面呈折线布置，所述扩建断面包括上开挖部和下开挖部，所述上开挖部包括依次开挖的左上导洞和右上导洞，所述下开挖部包括依次开挖的左下导洞、右下导洞、位于左下导洞、右下导洞之间的中间核心土，通过对既有隧道回填土方，采用上下开挖部分部开挖法，每一分部开挖后均采用初期支护及锁脚锚杆进行加固，下台阶开挖时预留核心土，以保证掌子面的开挖稳定，特别适用于超大断面的既有隧道扩挖施工，极大的降低了施工风险，同时减少临时支护的施作和拆除工作，加快施工进度，降低工程投资。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及破碎硬质岩隧道的原位扩建超大断面及分部开挖方法。
背景技术
伴随着国民经济的快速发展，城市道路交通的需求不断激增，公路改扩建工程发展尤为迅猛。在城市公路改扩建项目中，既有隧道作为公路改扩建的控制工程，由于地形地质和施工条件的限制，经常需要在既有隧道的基础上扩大净空断面以增加行车道，和新建小净距隧道不同，隧道原位扩建施工须拆除既有隧道的支护衬砌，部分隧道还需对原有隧道进行回填，然后再在既有隧道空间的基础上进行围岩的分部开挖及配套衬砌的浇筑等工序；
在对破碎硬质岩的既有隧道扩挖时，因受复杂地形地质和施工环境的影响，施工期间的围岩力学特性随开挖步序呈现出多样性，而施工期间的围岩变形则是对围岩应力变化的响应，是其宏观表现，破碎硬质围岩由于其自身强度低，在施工时未采取相应措施，局部衬砌会产生裂缝，持续发展会造成隧道的整体坍塌，虽然我国已经取得了不少的对既有隧道扩建的成功案例，但多数工程是在围岩条件较好的情况下实施的，针对破碎硬质围岩的超大断面既有隧道的扩建施工的研究较少。
发明内容
本发明提供破碎硬质岩隧道的原位扩建超大断面及分部开挖方法，通过对既有隧道回填土方，采用上下开挖部分部开挖法，每一分部开挖后均采用初期支护及锁脚锚杆进行加固，下台阶开挖时预留核心土，以保证掌子面的开挖稳定。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
破碎硬质岩隧道的原位扩建超大断面，包括既有隧道和扩建断面，以及布置于既有隧道底端面至拱墙处的回填土，且回填土上端面呈折线布置，所述扩建断面包括上开挖部和下开挖部，所述上开挖部包括依次开挖的左上导洞和右上导洞，所述下开挖部包括依次开挖的左下导洞、右下导洞、位于左下导洞、右下导洞之间的中间核心土，以及位于中间核心土底部的仰拱层。
进一步的，回填土上端面的折线包括四个由既有隧道向扩建断面方向延伸的折线段，分别为依次连接的AB段、BC段、CD段和DE段，且AB段相对于水平线的锐角夹角5°≤θ1≤20°，BC段相对于水平线的锐角夹角15°≤θ2≤40°，CD段相对于水平线的锐角夹角5°≤θ3≤10°，DE段相对于水平线的锐角夹角40°≤θ2≤60°。
进一步的，所述左上导洞由AB段、BC段、CD段和DE段限定出，所述右上导洞由AB段终点的水平延伸线BF段、BC段、CD段、DE段结合BF段终点至拱墙处的延伸段FG限定出，所述左下导洞由BF段的中部点延伸至至拱脚处的HI段、AB段、BH段限定出，所述右下导洞由BF段的终点延伸至拱墙处的FJ段和FG段限定出，所述中间核心土由HI段与既有隧道仰拱的交点K点至H点的连接段KH段、K点的水平延伸线与FJ段的交点L点之间的线段KL段、HF段和FL段限定出，所述仰拱层由KI段、KL段和LJ段限定出。
破碎硬质岩隧道的原位扩建超大断面的分部开挖方法，包括如下步骤：
S1)回填土呈折线回填既有隧道至拱墙处，并压实；
S2)左上导洞开挖，并由第一支护部进行支护以及施作锁脚锚杆；
S3)右上导洞开挖，并由第二支护部进行支护以及施作锁脚锚杆；
S4)左下导洞开挖，并由第三支护部进行支护以及施作锁脚锚杆；
S5)右下导洞开挖，并由第四支护部进行支护以及施作锁脚锚杆；
S6)中间核心土开挖，并拆除既有隧道路面及衬砌；
S7)仰拱层开挖，并由第五支护部进行支护；
S8)隧道内全断面铺设防水层及全断面二次衬砌。
进一步的，第一支护部Ⅰ为左上导洞所对应的左侧拱部初期支护，第二支护部Ⅱ为右上导洞的右侧拱部初期支护，第三支护部Ⅲ为左下导洞所对应的左侧边墙初期支护，第四支护部Ⅳ为右下导洞所对应的右侧边墙初期支护，第五支护Ⅴ部为仰拱层所对应的下部仰拱初期支护。
进一步的，右上导洞开挖滞后左上导洞开挖15～20m，左下导洞开挖滞后右上导洞开挖3～5m，右下导洞开挖滞后左下导洞开挖3～5m，中间核心土开挖滞后右下导洞开挖3～5m，仰拱层开挖滞后中间核心土开挖3～5m。
进一步的，在步骤S2对左上导洞开挖前，对扩建隧道断面进行超前支护，且超前支护采用超前注浆小导管进行加固，采用超前锚杆进行支护。
进一步的，在步骤S7处理完成后，对步骤S1至S7中的支护检验、监控量测，检测不满足要求对支护返工重做，满足要求再进行S8步骤的铺设防水层及二次衬砌。
由以上技术方案可知，本发明具有如下有益效果：通过对既有隧道回填土方，采用上下开挖部分部开挖法，每一分部开挖后均采用初期支护及锁脚锚杆进行加固，下台阶开挖时预留核心土，以保证掌子面的开挖稳定，特别适用于超大断面的既有隧道扩挖施工，极大的降低了施工风险，同时减少临时支护的施作和拆除工作，加快施工进度，降低工程投资。
附图说明
图1为本发明既有隧道及开挖断面图；
图2为开挖施工的侧面图；
图3为开挖施工的平面图；
图4为开挖施工的流程图。
图中：1、左上导洞，2、右上导洞，3、左下导洞，4、右下导洞，5、中间核心土，6、仰拱层，Ⅰ、第一支护部，Ⅱ、第二支护部，Ⅲ、第三支护部，Ⅳ、第四支护部，Ⅴ、第五支护部。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的破碎硬质岩隧道的原位扩建超大断面及分部开挖方法优选实施方式作详细的说明。
如图1所示，破碎硬质岩隧道的原位扩建超大断面及分部开挖方法，其包括既有隧道和扩建断面，以及布置于既有隧道底端面至拱墙处的回填土，且回填土上端面呈折线布置，扩建断面包括上开挖部和下开挖部，上开挖部包括依次开挖的左上导洞1和右上导洞2，下开挖部包括依次开挖的左下导洞3、右下导洞4、位于左下导洞、右下导洞之间的中间核心土5，以及位于中间核心土底部的仰拱层6；
其中，回填土上端面的折线包括四个由既有隧道向扩建断面方向延伸的折线段，分别为依次连接的AB段、BC段、CD段和DE段，且AB段相对于水平线的锐角夹角5°≤θ1≤20°，BC段相对于水平线的锐角夹角15°≤θ2≤40°，CD段相对于水平线的锐角夹角5°≤θ3≤10°，DE段相对于水平线的锐角夹角40°≤θ2≤60°，进而利用回填土上端面的折线AE确保上开挖部开挖的稳定性，利用回填土回填的位置以及下开挖部的分配确保下开挖部的稳定性，从而增加对既有隧道扩建的安全性；
如图2-4所示，首先将回填土呈折线回填既有隧道至拱墙处，并压实，其压实施工措施可选择碾压法、分层夯实法或振动压实法，使回填土达到隧道开挖施工所需密实度和强度，以控制围岩应力和围岩扰动范围，再对由AB段、BC段、CD段和DE段限定出的左上导洞进行开挖，并利用第一支护部Ⅰ进行支护以及施作锁脚锚杆，以确保左上导洞的稳定性，其左上导洞和右上导洞的选择根据既有隧道的位置确定，处于既有隧道中心线上方定义为第一开挖部，即为左上导洞；
再对由BF段、BC段、CD段、DE段和FG段限定出的右上导洞进行开挖，并由第二支护部Ⅱ进行支护以及施作锁脚锚杆，此时第一支护部与第二支护部组成拱顶的初期支护，便于控制隧道拱顶下沉，以控制围岩变形及地表沉降，保证隧道施工安全，对由HI段、AB段、BH段限定出的左下导洞开挖，并由第三支护部Ⅲ进行支护以及施作锁脚锚杆，对由FJ段和FG段限定出的右下导洞开挖，并由第四支护部Ⅳ进行支护以及施作锁脚锚杆，对由KH段、KL段、HF段和FL段限定出的中间核心土开挖，并拆除既有隧道路面及衬砌，对由KI段、KL段和LJ段限定出的仰拱层开挖，并由第五支护部Ⅴ进行支护；
在对左上导洞开挖前，可以根据土质对扩建隧道断面进行超前支护，且超前支护采用超前注浆小导管进行加固，采用超前锚杆进行支护，根据围岩情况，可选择超前小导管或超前锚杆进行支护，洞身采用单排φ50×5mm(无缝钢管)超前小导管支护，小导管单根长度4.5m，外插角5～7°，进而保证隧道扩建开挖的稳定性，分散围岩应力和围岩扰动范围，提高既有隧道扩建的安全性；
对第一、第二、第三、第四和第五支护部的初期支护采用喷、锚、网或钢支撑支护，喷射混凝土采用早强湿喷C25喷射钢纤维混凝土，厚度为26cm，钢支撑采用工18工字钢，系统锚杆采用φ22水泥砂浆锚杆，长度为4.5m，环向间隔1.0m，纵向间隔1.0m，梅花型布置，其各开挖部开挖后施作φ22锁脚锚杆，以加强分部开挖面的稳定；
在第五支护部Ⅴ支护完成后，对第一、第二、第三、第四和第五支护部的支护检验、监控量测，检测不满足要求对支护返工重做，满足要求后再进行铺设防水层及二次衬砌隧道内全断面铺设防水层及全断面二次衬砌，其二次衬砌采用C30模筑钢筋混凝土，进而避免后期岩石应力发生变化，影响防水层及二次衬砌的质量；
同时右上导洞开挖滞后左上导洞开挖15～20m，左下导洞开挖滞后右上导洞开挖3～5m，右下导洞开挖滞后左下导洞开挖3～5m，中间核心土开挖滞后右下导洞开挖3～5m，仰拱层开挖滞后中间核心土开挖3～5m，通过分部开挖实现隧道的减跨作用，控制上开挖分部开挖的范围，减小开挖的跨度，并及时施作初期支护及锁脚锚杆，以确保开挖面的稳定，下开挖部预留核心土，从而保证隧道整个掌子面的稳定，极大地减少了临时支护的施作和拆除工作，明显加快了施工进度，降低了工程投资。
以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.破碎硬质岩隧道的原位扩建超大断面，其特征在于：包括既有隧道和扩建断面，以及布置于既有隧道底端面至拱墙处的回填土，且回填土上端面呈折线布置，所述扩建断面包括上开挖部和下开挖部，所述上开挖部包括依次开挖的左上导洞(1)和右上导洞(2)，所述下开挖部包括依次开挖的左下导洞(3)、右下导洞(4)、位于左下导洞、右下导洞之间的中间核心土(5)，以及位于中间核心土底部的仰拱层(6)。
2.根据权利要求1所述的破碎硬质岩隧道的原位扩建超大断面，其特征在于：回填土上端面的折线包括四个由既有隧道向扩建断面方向延伸的折线段，分别为依次连接的AB段、BC段、CD段和DE段，且AB段相对于水平线的锐角夹角5°≤θ1≤20°，BC段相对于水平线的锐角夹角15°≤θ2≤40°，CD段相对于水平线的锐角夹角5°≤θ3≤10°，DE段相对于水平线的锐角夹角40°≤θ2≤60°。
3.根据权利要求1或2任意一项所述的破碎硬质岩隧道的原位扩建超大断面，其特征在于：所述左上导洞由AB段、BC段、CD段和DE段限定出，所述右上导洞由AB段终点的水平延伸线BF段、BC段、CD段、DE段结合BF段终点至拱墙处的延伸段FG限定出，所述左下导洞由BF段的中部点延伸至至拱脚处的HI段、AB段、BH段限定出，所述右下导洞由BF段的终点延伸至拱墙处的FJ段和FG段限定出，所述中间核心土由HI段与既有隧道仰拱的交点K点至H点的连接段KH段、K点的水平延伸线与FJ段的交点L点之间的线段KL段、HF段和FL段限定出，所述仰拱层由KI段、KL段和LJ段限定出。
4.根据权利要求1所述的破碎硬质岩隧道的原位扩建超大断面的分部开挖方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1)回填土呈折线回填既有隧道至拱墙处，并压实；
S2)左上导洞开挖，并由第一支护部进行支护以及施作锁脚锚杆；
S3)右上导洞开挖，并由第二支护部进行支护以及施作锁脚锚杆；
S4)左下导洞开挖，并由第三支护部进行支护以及施作锁脚锚杆；
S5)右下导洞开挖，并由第四支护部进行支护以及施作锁脚锚杆；
S6)中间核心土开挖，并拆除既有隧道路面及衬砌；
S7)仰拱层开挖，并由第五支护部进行支护；
S8)隧道内全断面铺设防水层及全断面二次衬砌。
5.根据权利要求4所述的破碎硬质岩隧道的原位扩建超大断面的分部开挖方法，其特征在于：第一支护部Ⅰ为左上导洞所对应的左侧拱部初期支护，第二支护部Ⅱ为右上导洞的右侧拱部初期支护，第三支护部Ⅲ为左下导洞所对应的左侧边墙初期支护，第四支护部Ⅳ为右下导洞所对应的右侧边墙初期支护，第五支护Ⅴ部为仰拱层所对应的下部仰拱初期支护。
6.根据权利要求4所述的破碎硬质岩隧道的原位扩建超大断面的分部开挖方法，其特征在于：右上导洞开挖滞后左上导洞开挖15～20m，左下导洞开挖滞后右上导洞开挖3～5m，右下导洞开挖滞后左下导洞开挖3～5m，中间核心土开挖滞后右下导洞开挖3～5m，仰拱层开挖滞后中间核心土开挖3～5m。
7.根据权利要求4所述的破碎硬质岩隧道的原位扩建超大断面的分部开挖方法，其特征在于：在步骤S2对左上导洞开挖前，对扩建隧道断面进行超前支护，且超前支护采用超前注浆小导管进行加固，采用超前锚杆进行支护。
8.根据权利要求4所述的破碎硬质岩隧道的原位扩建超大断面的分部开挖方法，其特征在于：在步骤S7处理完成后，对步骤S1至S7中的支护检验、监控量测，检测不满足要求对支护返工重做，满足要求再进行S8步骤的铺设防水层及二次衬砌。
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