CN110374608A - 一种既有隧洞扩建时拱顶方向的开挖方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种既有隧洞扩建时拱顶方向的开挖方法，首先将开挖面分为左、右两个部分，先开挖左半幅并施做临时中隔墙和钢拱架，左半幅开挖1～2倍单洞洞径后开挖右半幅部分，并施做钢拱架，在围岩趋于稳定后施作二次衬砌，如此循环往复，直至施工完成。该开挖方法对于围岩较差工况，其挑顶施工时可降低对围岩的扰动程度。该开挖方法还公开了一种可拼装的圆柱形临时支撑，用于开挖后与临时中隔墙配合使用以形成临时封闭环，维持围岩稳定。

Description

一种既有隧洞扩建时拱顶方向的开挖方法
技术领域
本发明涉及一种既有隧洞扩建时拱顶方向的开挖方法，属于隧洞施工方法技术领域。
背景技术
随着我国社会的发展和逐渐增加的交通运输需求，修建于建国初期的隧道和地下人防工程已不能满足现在的使用要求。建国初期修建的隧道和地下人防工程的衬砌多以素混凝土为主，在进行该类既有地下洞室和隧道的扩建时，衬砌和围岩会有较大的安全隐患。目前我国开挖和支护技术较成熟，但对于在围岩等级较低情况下既有隧道原位扩建时，如何保证素混凝土衬砌拆除后顶部挑顶段围岩稳定的施工方法鲜有记载。传统的方法会在拱部的扩挖采用爆破逐渐开挖，但是因为围岩等级较差，而且该隧道没有初期支护，这样做会对还未开挖的拱部围岩的稳定有不小影响，对围岩的扰动次数多，扰动程度较大，扩建隧道拱部的岩土体时会发生失稳而坍塌的现象。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种既有隧洞扩建时拱顶方向的开挖方法。该开挖方法对于围岩较差工况，其挑顶施工时可降低对围岩的扰动程度。该开挖方法还公开了一种可拼装的圆柱形临时支撑，用于开挖后与临时中隔墙配合使用以形成临时封闭环，维持围岩稳定。
本发明的技术方案：一种既有隧洞扩建时拱顶方向的开挖方法，首先将开挖面分为左、右两个部分，先开挖左半幅并施做临时中隔墙和钢拱架，左半幅开挖1～2倍单洞洞径后开挖右半幅部分，并施做钢拱架，在围岩趋于稳定后施作二次衬砌，如此循环往复，直至施工完成。
前述的既有隧洞扩建时拱顶方向的开挖方法，具体施工方法包括有以下步骤：
A.左半幅衬砌拆除：将开挖面划分为左、右两个区域，将既有单洞隧道左半幅的衬砌拆除；
B.进行左半幅开挖；
C.施做左半幅锚杆及临时中隔墙：开挖后及时喷射混凝土，再施做锚杆和架设临时柱形支撑装置形成闭合环；
D.架设左半幅钢拱架及喷射混凝土形成初期支护；
E. 在左半幅开挖1～2倍单洞洞径后，进行右半幅的衬砌拆除；
F.进行右半幅开挖；
G.开挖右半幅后及时喷射混凝土，并施做右半幅锚杆；
H.架设右半幅钢拱架及喷射混凝土形成初期支护；
J.重复以上步骤向前开挖，并及时施作防水层和二次衬砌直到该部分开挖完成。
前述的既有隧洞扩建时拱顶方向的开挖方法，所述步骤B和步骤F中，每次开挖进尺距离＜1.5m，使用爆破开挖方式。
前述的既有隧洞扩建时拱顶方向的开挖方法，所述步骤C中，在架设临时柱形支撑装置时，沿纵向一次布置3个，右半幅开挖后将第一个圆柱支撑向开挖方向移动，并以此循环。
前述的既有隧洞扩建时拱顶方向的开挖方法，所述临时柱形支撑装置包括有底部柱体支撑，底部主体支撑上重叠堆放有多节单节柱体支撑，最顶部的单节柱体支撑上设置有顶部柱体支撑，顶部柱体支撑上设置有可伸缩结构。
前述的既有隧洞扩建时拱顶方向的开挖方法，所述可伸缩结构、顶部柱体支撑、单节柱体支撑和底部柱体支撑的顶部和/或底部设有向外伸出的翼缘板，部分翼缘板上设有孔或槽，底部主体支撑与单节柱体支撑之间，单节柱体支撑相互之间以及单节柱体支撑与顶部柱体支撑之间通过高强度螺栓穿过翼缘板上的孔后进行连接。
前述的既有隧洞扩建时拱顶方向的开挖方法，所述底部主体支撑的底面设置有滑轮，底部主体支撑外侧壁上活动设有支撑杆。
前述的既有隧洞扩建时拱顶方向的开挖方法，所述顶部柱体支撑、单节柱体支撑、底部柱体支撑以及可伸缩结构均为中空的柱体结构。
前述的既有隧洞扩建时拱顶方向的开挖方法，中空柱体结构的顶部柱体支撑内壁上设有螺纹，可伸缩结构的外壁上亦设有螺纹，两者之间通过螺纹连接，所述可伸缩结构顶部的翼缘板底面上固定设置有几个钢套管。
前述的既有隧洞扩建时拱顶方向的开挖方法，所述底部主体支撑底面的翼缘板上阵列设置有几块向上伸出的安装板，安装板中间设有卡槽，支撑杆卡入卡槽中，安装板上设有3个通孔，2个销钉穿过其中2个通孔后将支撑杆固定住。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的开挖方法是直接从扩建隧道拱部岩体进行开挖，即从上往下的施工顺序，直接把扩建隧道的拱部一次开挖，避免扩建隧道拱部的岩土体发生失稳而坍塌的现象。开挖过程中首先将开挖面分为左右两个部分，先开挖左半幅并施做临时中隔墙和钢拱架，为了应对开挖面下方临空而难以施做中隔墙临时支撑，开挖过程中将可拼装的圆柱状钢材作为挑顶段下方临时支撑，并且该装置内可装载作为开挖面临时支撑的钢架，在施工时可将钢架向上伸出达到目标高度以发挥限制围岩变形的作用，将临时工字钢支撑与临时圆柱状支撑配合使用组成中隔墙，实现了封闭成环，从而控制围岩变形。左半幅开挖1～2倍单洞洞径后开挖右半幅部分，并施做钢拱架，在围岩趋于稳定后浇筑二衬。该方法可在围岩较差情况下挑顶施工时降低对围岩的扰动程度。
附图说明
附图1：总体施工流程图；
附图2：挑顶段结构示意图；
附图3：挑顶段左半幅开挖示意图；
附图4：挑顶段左半幅锚杆示意图；
附图5：挑顶段圆柱临时支撑侧视图；
附图6：挑顶段左半幅钢拱架示意图；
附图7：挑顶段右半幅开挖示意图；
附图8：挑顶段右半幅锚杆示意图；
附图9：挑顶段右半幅初期支护示意图；
附图10：扩建隧道断面图；
附图11：临时柱形支撑装置的结构示意图；
附图12：单节柱体支撑的结构示意图；
附图13：顶部柱体支撑与可伸缩结构的连接结构示意图；
附图14：底部柱体支撑上支撑杆张开时的结构示意图；
附图15：底部柱体支撑上支撑杆收拢时的结构示意图；
附图16：可伸缩结构与临时工字钢支撑的连接结构示意图；
附图17：既有隧道与扩建隧道位置关系示意图；
附图标记：1-可伸缩结构，2-顶部柱体支撑，3-高强度螺栓，4-单节柱体支撑，5-底部柱体支撑，6-支撑杆，7-滑轮，8-翼缘板，9-钢套管，10-安装板，11-卡槽，12-通孔，13-销钉，14-挑顶段，15-既有单洞隧道断面，16-扩建隧道断面，17-开挖轮廓线，18-临时工字钢支撑，19-仰拱，20-锚杆，21-临时柱形支撑装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
本发明的实施例：一种既有隧洞扩建时拱顶方向的开挖方法，如附图1-17所示，当既有隧道与扩建隧道的位置关系如附图17所示，两者存在交叉时，在既有隧道的基础上施作扩建隧道的拱顶方向，首先将挑顶段14的开挖面分为左、右两个部分，即①号和②号区域。挑顶段14的结构示意图如附图2所示，图中（a）为既有单洞隧道横断面的结构示意图，图中编号14为挑顶段，编号15为既有既有单洞隧道断面，图中（b）为扩建隧道横断面的结构示意图，图中编号14为挑顶段，编号3为扩建隧道断面。挑顶段14施工过程中，先沿开挖轮廓线17先开挖左半幅①号区域并施做临时中隔墙和钢拱架，左半幅①号区域开挖1～2倍单洞洞径后沿开挖轮廓线17开挖右半幅②号区域部分，并施做钢拱架，在围岩趋于稳定后施作二次衬砌，如此循环往复，直至隧洞施工完成。
具体施工方法包括有以下步骤：
A.左半幅衬砌拆除：将开挖面划分为左、右两个区域，即①和②号区域，将既有单洞隧道左半幅的衬砌拆除；
B.进行左半幅开挖：如图3所示，为了减轻掉落的围岩对既有洞室的地面产生的冲击以及确保开挖面的稳定，使用爆破开挖方式先开挖左半幅①号区域，但应保证每次开挖进尺距离小＜1.5m，使得爆破对围岩扰动程度小。
C.施做左半幅锚杆及临时中隔墙：如附图4所示，开挖后及时喷射混凝土，防止围岩碎石块的掉落，再施做锚杆20和架设临时柱形支撑装置21和临时工字钢支撑18，并与仰拱19一起形成闭合环，以控制围岩变形，如附图5所述，在架设临时柱形支撑装置21时，沿纵向一次布置3个，右半幅开挖后将第一个临时柱形支撑装置21向开挖方向移动，并以此循环；
D.架设左半幅钢拱架及喷射混凝土形成初期支护，如附图6所示，架设左半幅①号区域的临时工字钢支撑18以构成钢拱架并喷射混凝土以尽快形成初期支护，使得初期支护与围岩共同变形从而控制围岩的变形；
E. 右半幅衬砌拆除：在左半幅开挖1～2倍单洞洞径后，进行右半幅②号区域的衬砌拆除；
F.进行右半幅②号区域开挖：如附图7所示，进行右半幅②开挖，左、右半幅错开1～2倍单洞洞径后开挖，以保证开挖面和围岩的稳定。
G. 施做右半幅锚杆：如附图8所示，开挖右半幅②号区域后及时喷射混凝土，并施做右半幅锚杆20以保证洞室上方围岩的稳定；
H.架设右半幅的临时工字钢支撑18以构成钢拱架及喷射混凝土形成初期支护，使得初期支护与围岩共同变形；
J.重复以上步骤向前开挖，并及时施作防水层和二次衬砌直到该部分开挖完成。
所述临时柱形支撑装置21包括有1个底部柱体支撑5，底部主体支撑5上重叠堆放有多节单节柱体支撑4，最顶部的单节柱体支撑4上设置有顶部柱体支撑2，顶部柱体支撑2上设置有可伸缩结构1。
使用时，将底部主体支撑5放置在支撑点处，然后在其上方重叠堆放单节柱体支撑4，并在最顶部堆放顶部柱体支撑2和可伸缩结构1，通过调整可伸缩结构1的长度，以适应不同的开挖面距离地面的高度。不同的支撑高度通过堆叠不同数量的单节柱体支撑4进行大体调整，而细微调整可通过调整可伸缩结构1的长度来进行适应。可伸缩结构1的顶面与上部的临时工字钢支撑18连接，形成封闭环，从而控制围岩的变形。拆卸过程中，取下各个部件即可。
所述可伸缩结构1的顶部、顶部柱体支撑2的底部、单节柱体支撑4的顶部和底部以及底部柱体支撑5的顶部和底部，设有向外伸出的翼缘板8，部分翼缘板8上阵列设有多个孔，可伸缩结构1顶部的翼缘板8上设置有几个卡槽。可伸缩结构1顶部的翼缘板8上放置有临时工字钢支撑18，两者之间通过高强度螺栓3连接连接。底部主体支撑5与单节柱体支撑4之间，单节柱体支撑4相互之间以及单节柱体支撑4与顶部柱体支撑2之间通过高强度螺栓3穿过翼缘板8上的孔后进行连接。通过高强度螺栓3将各个部件连接处1个整体，保证整体结构的稳定性。
所述底部主体支撑5的底面设置有滑轮7，底部主体支撑5外侧壁上活动阵列设有多根支撑杆6。需要将拼接好的装置移动到下个支撑点时候，通过移动滑轮7，即可带动各个支撑装置移动，移动过程中根据下个支撑点的支撑高度进行适应性的增加或减少单节柱体支撑4的数量，以及调整可伸缩结构1的高度即可适应新的支撑点的支撑高度。移动到下个支撑点之后，将支撑杆6放下，使得其支撑在地面上，从而避免整个支撑装置的移动。支撑装置移动过程中，将支撑杆6收起即可。
所述顶部柱体支撑2、单节柱体支撑4、底部柱体支撑5以及可伸缩结构1均为中空的柱体结构。中空的主体结构可以降低整个结构的重量，方便移动和搬远。顶部柱体支撑2、单节柱体支撑4、底部柱体支撑5以及可伸缩结构1使用金属材料制成，保证支撑的强度。
中空柱体结构的顶部柱体支撑2内壁上设有螺纹，可伸缩结构1的外壁上亦设有螺纹，两者之间通过螺纹连接。通过螺纹转动可伸缩结构1，即可调整可伸缩结构1的高程。
所述可伸缩结构1顶部的翼缘板8底面上固定设置有几个钢套管9，调整可伸缩结构1的高程过程中，将钢棒穿入至其中1个钢套管9中，扳动钢板，即可方便带动可伸缩结构1螺纹旋转。转动一定角度后，将钢棒插入另外1个钢套管9中，即可持续转动。
所述底部主体支撑5底面的翼缘板8上阵列设置有几块向上伸出的安装板10，安装板10中间设有卡槽11，支撑杆6卡入卡槽11中，安装板10上设有3个通孔12，当使用2个销钉13穿过3个通孔12中的其中2个通孔12后，即可将支撑杆6固定住，此时支撑杆6无法转动。当支撑杆6支撑在地面时，可避免其向上偏转。需要移动支撑装置时，将其中1个销钉13取下，将支撑杆6收起使得其绕另外1个销钉13转动，支撑杆6收拢好以后，再将取下的销钉13插入另外1个通孔12中，从而保证支撑杆6处于收拢状态，方便移动。
具体使用步骤为：
第一步，使用时将该装置带有滑轮7和支撑杆6的底部柱体支撑5推移至支撑点，放下支撑杆6将装置固定，然后进行连接柱体支撑装置；
第二步，将图中柱体支撑装置拼接好并使用高强度螺栓3连接上下装置；拼接时可根据开挖面距离地面的高度确定拼接的长度及单节柱体支撑4的使用数量；
第三步，因不同的隧道扩建工程存在开挖面到地面的高度不同，故本装置与开挖岩体接触的圆柱节设置1个可伸缩结构1，以适应不同的开挖面距离地面的高度，使用时将具有伸缩结构1的顶部柱体支撑2置于装置最上方，并用连接高强度螺栓3固定，根据装置顶面到开挖面的距离旋转调节可伸缩结构1使得可伸缩结构1向上伸出并接触开挖面岩体；
第四步，在扩建隧道施工中使用中隔墙法将既有隧道拱部左幅岩体开挖后，将拼接好的圆柱形临时支撑装置通过滑轮7推移至开挖左幅轮廓线处，再将支撑杆6放下将装置固定，重复以上步骤，沿隧道纵向布设3个装置（布设个数可根据隧道围岩的稳定性确定）。

Claims (10)

1.一种既有隧洞扩建时拱顶方向的开挖方法，其特征在于：首先将开挖面分为左、右两个部分，先开挖左半幅并施做临时中隔墙和钢拱架，左半幅开挖1～2倍单洞洞径后开挖右半幅部分，并施做钢拱架，在围岩趋于稳定后施作二次衬砌，如此循环往复，直至施工完成。
2.根据权利要求1所述的既有隧洞扩建时拱顶方向的开挖方法，其特征在于：具体施工方法包括有以下步骤：
A.左半幅衬砌拆除：将开挖面划分为左、右两个区域，将既有单洞隧道左半幅的衬砌拆除；
B.进行左半幅开挖；
C.施做左半幅锚杆及临时中隔墙：开挖后及时喷射混凝土，再施做锚杆和架设临时柱形支撑装置形成闭合环；
D.架设左半幅钢拱架及喷射混凝土形成初期支护；
E. 在左半幅开挖1～2倍单洞洞径后，进行右半幅的衬砌拆除；
F.进行右半幅开挖；
G.开挖右半幅后及时喷射混凝土，并施做右半幅锚杆；
H.架设右半幅钢拱架及喷射混凝土形成初期支护；
J.重复以上步骤向前开挖，并及时施作防水层和二次衬砌直到该部分开挖完成。
3.根据权利要求2所述的既有隧洞扩建时拱顶方向的开挖方法，其特征在于：所述步骤B和步骤F中，每次开挖进尺距离＜1.5m，使用爆破开挖方式。
4.根据权利要求2所述的既有隧洞扩建时拱顶方向的开挖方法，其特征在于：所述步骤C中，在架设临时柱形支撑装置时，沿纵向一次布置3个，右半幅开挖后将第一个圆柱支撑向开挖方向移动，并以此循环。
5.根据权利要求2所述的既有隧洞扩建时拱顶方向的开挖方法，其特征在于：所述临时柱形支撑装置包括有底部柱体支撑（5），底部主体支撑（5）上重叠堆放有多节单节柱体支撑（4），最顶部的单节柱体支撑（4）上设置有顶部柱体支撑（2），顶部柱体支撑（2）上设置有可伸缩结构（1）。
6.根据权利要求5所述的既有隧洞扩建时拱顶方向的开挖方法，其特征在于：所述可伸缩结构（1）、顶部柱体支撑（2）、单节柱体支撑（4）和底部柱体支撑（5）的顶部和/或底部设有向外伸出的翼缘板（8），部分翼缘板（8）上设有孔或槽，底部主体支撑（5）与单节柱体支撑（4）之间，单节柱体支撑（4）相互之间以及单节柱体支撑（4）与顶部柱体支撑（2）之间通过高强度螺栓（3）穿过翼缘板（8）上的孔后进行连接。
7.根据权利要求5所述的既有隧洞扩建时拱顶方向的开挖方法，其特征在于：所述底部主体支撑（5）的底面设置有滑轮（7），底部主体支撑（5）外侧壁上活动设有支撑杆（6）。
8.根据权利要求6所述的既有隧洞扩建时拱顶方向的开挖方法，其特征在于：所述顶部柱体支撑（2）、单节柱体支撑（4）、底部柱体支撑（5）以及可伸缩结构（1）均为中空的柱体结构。
9.根据权利要求8所述的既有隧洞扩建时拱顶方向的开挖方法，其特征在于：中空柱体结构的顶部柱体支撑（2）内壁上设有螺纹，可伸缩结构（1）的外壁上亦设有螺纹，两者之间通过螺纹连接，所述可伸缩结构（1）顶部的翼缘板（8）底面上固定设置有几个钢套管（9）。
10.根据权利要求5所述的既有隧洞扩建时拱顶方向的开挖方法，其特征在于：所述底部主体支撑（5）底面的翼缘板（8）上阵列设置有几块向上伸出的安装板（10），安装板（10）中间设有卡槽（11），支撑杆（6）卡入卡槽（11）中，安装板（10）上设有3个通孔（12），2个销钉（13）穿过其中2个通孔（12）后将支撑杆（6）固定住。
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