CN110985002B - 一种用于横向半软半硬断面地层中的隧道施工方法 - Google Patents

一种用于横向半软半硬断面地层中的隧道施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及隧道施工技术领域,提供一种用于横向半软半硬断面地层中的隧道施工方法,包括:S1,对掌子面上对应隧道拱部区域施作预埋超前管棚;S2,采用中隔壁法依次对软岩分布的左半断面和硬岩分布的右半断面进行施工,开挖完成后,拆除临时中隔壁支护,并确保在左半断面、右半断面的上部分别沿拱顶施作的永久支护拱架与下部的临时仰拱构成封闭支护结构;S3,进行仰拱开挖,施作隧道底部的永久支护拱架,拆除临时仰拱,并施作复合式衬砌;本发明施工方法简单,有效解决了半软半硬断面地层施工时容易出现坍塌的现象,确保了施工作业的正常进行及施工现场的安全性。

Description

一种用于横向半软半硬断面地层中的隧道施工方法
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域,尤其涉及一种用于横向半软半硬断面地层中的隧道施工方法。
背景技术
在隧道施工时,由于受到施工条件及施工成本的限制,在设计上必须穿越围岩风化差异性较大的地层,尤其是顺着预施工的隧道纵向,掌子面左、右半边的围岩分别为泥盆系极软炭质板岩和弱风化白云质灰岩。参见图1,左半断面1示意的施工区域的岩层为泥盆系极软炭质板岩,右半断面2示意的施工区域的岩层为弱风化白云质灰岩。泥盆系极软炭质板岩为薄层状和中厚层状构造,其层间结合性差,并在施工现场左半断面1对应的围岩极为富水,并呈现股状突涌,其股状出水点分别如图中的A、B、C、D所示。
当前,在上述地层中进行隧道施工时,采用上、下导坑预留核心土法开挖,但该施工方法导致上台阶凌空面过大,左侧泥盆系炭质板岩遇水软化失稳,掌子面掉块、滑塌现象十分严重,其中,涂泥滑塌位置如图1中的P处所示。这不仅难以确保正常地进行施工作业,还严重威胁到施工现场的安全。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种用于横向半软半硬断面地层中的隧道施工方法,用以解决当前在横向半软半硬断面地层中,采用上、下导坑预留核心土法进行隧道施工时,出现严重的滑塌现象,不仅影响到施工作业,还严重威胁到施工现场安全的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种用于横向半软半硬断面地层中的隧道施工方法,包括:
S1,对掌子面上对应隧道拱部区域施作预埋超前管棚;
S2,采用中隔壁法依次对软岩分布的左半断面和硬岩分布的右半断面进行施工,开挖完成后,拆除临时中隔壁支护,并确保在左半断面、右半断面的上部分别沿拱顶施作的永久支护拱架与下部的临时仰拱构成封闭支护结构;
S3,进行仰拱开挖,施作隧道底部的永久支护拱架,拆除临时仰拱,并施作复合式衬砌。
优选的,本发明中还包括:在步骤S1之前,对掌子面上发生涌水的区域进行排水处理,并对掌子面后侧的施工区域施作临时支撑。
优选的,本发明中步骤S1进一步包括:
S11,将所述预埋超前管棚中的钢管作为钻杆进行钻进,钢管的首端连接导向板钻头,钢管的尾端连接钻机,其中,钢管在钻进时由第一段钢管与第二段钢管交替连接,第二段钢管上设有溢浆孔;
S12,拆除钻机,并将注浆泵与钢管的尾端相连接,注浆泵在注浆时控制初压为0.5~1.0MPa,终压为2.0~3.0MPa,以使得浆液的扩散半径大于45cm。
优选的,本发明中所述预埋超前管棚施作的圆心角的大小为90°~120°,所述预埋超前管棚的对称中心线朝向所述左半断面偏离隧道的竖直中心线的角度为10°~20°;所述钢管的外插角度为10°~30°,所述钢管中加注的浆液为玻璃双浆液。
优选的,本发明中步骤S2进一步包括:
S21,将所述左半断面从上往下划分为多层施工区域,并按照划分的施工区域逐层向下开挖导洞,每层导洞出渣后,设置对应构成封闭支护结构的永久支护拱架、临时仰拱和临时中隔壁支护;
S22,采用台阶施工法对右半断面对应的区域开挖导洞。
优选的,本发明中步骤S21包括:将所述左半断面从上往下划分为第一施工区域和第二施工区域;步骤S22包括:在右半断面对应的第三施工区域采用两台阶的台阶施工法开挖导洞。
优选的,本发明中步骤S3还包括:对位于步骤S2中位于下部的临时仰拱与预施作的仰拱之间的第四施工区域和第五施工区域,以前后交错施工的方式开挖导洞,并在出渣后,设置相应的永久支护拱架;
所述第四施工区域、所述第五施工区域分别对应分布在左半断面和右半断面上,所述第四施工区域、所述第五施工区域的下侧为预施作仰拱的第六施工区域。
优选的,本发明中所述第二施工区域开挖的导洞滞后于所述第一施工区域开挖的导洞第一预设距离;所述第三施工区域开挖的导洞滞后于所述第二施工区域开挖的导洞第二预设距离;所述第四施工区域开挖的导洞滞后于所述第三施工区域开挖的导洞第三预设距离;所述第五施工区域开挖的导洞滞后于所述第四施工区域开挖的导洞第四预设距离。
优选的,本发明中在所述临时中隔壁支护与所述永久支护拱架处均插装有缩脚锚管。
优选的,本发明中步骤S2中,掌子面距离仰拱封闭段沿隧道纵向的水平距离小于35米;步骤S3中,在对仰拱一次开挖时,沿隧道纵向的水平距离小于3m。
(三)技术效果
本发明提供的隧道施工方法,在对左、右半断面分别为泥盆系极软炭质板岩和弱风化白云质灰岩的地层进行施工时,通过施作预埋超前管棚的方式提前对掌子面左侧鼓水、软岩、突泥部位进行加固,确保了掌子面前方地层的稳定性,并在进行施工时,采用中隔壁法依次对左半断面和右半断面分别进行施工,并建立临时封闭支护结构,最后再施作仰拱,如此有效避免了因偏压应力集中或围岩遇水软化导致的坍塌问题,且能有效抵抗软弱围岩的沉降和收敛变形,从而确保了施工作业的正常进行及施工现场的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为当前在隧道施工时所面临的掌子面围岩分布的示意图;
图2为本发明实施例所示的隧道开挖的断面结构示意图;
图3为本发明实施例所示的隧道开挖的俯视结构示意图;
图4为本发明实施例所示的隧道施工方法的流程图;
图5为本发明实施例所示的步骤S1进一步施工的流程图;
图6为本发明实施例所示的步骤S2进一步施工的流程图。
图中:1、左半断面;2、右半断面;3、第一永久支护拱架;4、第一临时仰拱;5、第一临时中隔壁支护;6、第二永久支护拱架;7、第二临时仰拱;8、第二临时中隔壁支护;9、第三永久支护拱架;10、第四永久支护拱架;11、第五永久支护拱架;12、第六永久支护拱架;13、预埋超前管棚;14、缩脚锚管。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参见图4,本发明实施例提供了一种用于横向半软半硬断面地层中的隧道施工方法,包括:
S1,对掌子面上对应隧道拱部区域施作预埋超前管棚;
S2,采用中隔壁法依次对软岩分布的左半断面和硬岩分布的右半断面进行施工,开挖完成后,拆除临时中隔壁支护,并确保在左半断面、右半断面的上部分别沿拱顶施作的永久支护拱架与下部的临时仰拱构成封闭支护结构;
S3,进行仰拱开挖,施作隧道底部的永久支护拱架,拆除临时仰拱,并施作复合式衬砌。
具体的,参见图1至图2,本实施例所示的隧道施工方法,在对左半断面1、右半断面2分别为泥盆系极软炭质板岩和弱风化白云质灰岩的地层进行施工时,通过施作预埋超前管棚13的方式提前对掌子面左侧鼓水、软岩、突泥部位进行加固,确保了掌子面前方地层的稳定性,并在进行施工时,采用中隔壁法依次对左半断面1和右半断面2分别进行施工,并建立临时封闭支护结构,这可确保初期支护结构的稳定性,从可进一步再施作隧道底部的永久支护拱架和复合式衬砌,如此有效避免了因偏压应力集中或围岩遇水软化导致的坍塌问题,且能有效抵抗软弱围岩的沉降和收敛变形,从而确保了施工作业的正常进行及施工现场的安全性。
进一步的,本实施例中还包括:在步骤S1之前,对掌子面上发生涌水的区域进行排水处理,并对掌子面后侧的施工区域施作临时支撑。
具体的,对掌子面上发生涌水的区域进行排水处理主要针对的是左半断面1发生的涌水。左半断面1由于塌方、涌水严重,首先采用素喷型号为C25混凝土封闭掌子面,并拉渣土反压回填掌子面后方已经完成开挖、支护段落的拱脚,只预留将进行开挖施工的空间,此举的目的是防止坍塌继续扩大。
另外,临时支撑的施作方式为:采用临时仰拱与环向套拱对齐布设,使其能够闭合成环,共同承受拱顶围岩的受力,其中,临时仰拱采用I20a工字钢制作,沿隧道纵向依次排布,其排布的间距为1.2m。
进一步的,参见图5,本实施例中步骤S1进一步包括:
S11,将预埋超前管棚中的钢管作为钻杆进行钻进,钢管的首端连接导向板钻头,钢管的尾端连接钻机,其中,钢管在钻进时由第一段钢管与第二段钢管交替连接,第二段钢管上设有溢浆孔;
S12,拆除钻机,并将注浆泵与钢管的尾端相连接,注浆泵在注浆时控制初压为0.5~1.0MPa,终压为2.0~3.0MPa,以使得浆液的扩散半径大于45cm。
具体的,本实施例在对预埋超前管棚13进行施工时,采用钢管的直径为108mm,壁厚为6mm,并采用4m长的第一段钢管与6m长的第二段钢管交替连接钻进,并且第一段钢管与第二段钢管之间通过丝扣相连接。
由于在第二段钢管上设有溢浆孔,则向交替连接的钢管内注浆,可在相应的地层形成超前支护刚性体,通过对注浆泵的注浆压力进行控制,在浆液的扩散半径大于45cm时,可确保预埋超前管棚13进行交错注浆的饱满度符合标准,并且还可通过第二段钢管上的溢浆孔进行二次补注浆,其中,向钢管内加注的浆液为易于凝结硬化的浆液。
进一步的,参见图2,本实施例中设定隧道的竖直中心线为K1,预埋超前管棚13的对称中心线为K2,则预埋超前管棚13施作的圆心角α的大小为90°~120°,预埋超前管棚13的对称中心线K2朝向左半断面1偏离隧道的竖直中心线K1的角度β为10°~20°;钢管的外插角度为10°~30°,钢管中加注的浆液优选为玻璃双浆液。
具体的,本实施例中优选预埋超前管棚13由45根钢管沿隧道的拱顶(环向)布置而成,钢管的长度为30m,并且钢管的环向间距为30cm;在实际钻进时,采用导向仪控制钢管的外插角精度,以使得钢管的外插角度为10°~30°,并且采用YZB-5型双液浆注浆泵钢管中加注玻璃双浆液,并在对钢管注浆时,按照先下后上,先稀后浓,隔孔注浆的原则进行,必要时可采用间歇式注浆法施工。
进一步的,参见图6,本实施例中步骤S2进一步包括:
S21,将左半断面从上往下划分为多层施工区域,并按照划分的施工区域逐层向下开挖导洞,每层导洞出渣后,设置对应构成封闭支护结构的永久支护拱架、临时仰拱和临时中隔壁支护;
S22,采用台阶施工法对右半断面对应的区域开挖导洞。
具体的,参见图2与图3,将隧道全断面掌子面划分为第一施工区域、第二施工区域、第三施工区域、第四施工区域、第五施工区域和第六施工区域,这六个施工区域对应编号为①、②、③、④、⑤和⑥。
在实际施工时,首先,选定第一施工区域(左上部)进行机械开挖施工导洞,喷8cm厚的混凝土封闭该区域对应的掌子面,并在出渣后,在左上部对应的拱部安装钢筋网片和第一永久支护拱架3,在对应右半断面2的竖直壁面铺挂网片,初喷封闭,然后,安装第一临时中隔壁支护5,接着,在水平位置安装第一临时仰拱4,并使得第一永久支护拱架3、第一临时仰拱4和第一临时中隔壁支护5构成封闭支护结构。
其次,选定第二施工区域(左中部)进行机械开挖施工导洞,喷8cm厚的混凝土封闭该区域对应的掌子面,并在出渣后,在左中部对应的拱部安装钢筋网片和第二永久支护拱架6,并按照上述操作,在水平位置安装第二临时仰拱7,在竖直壁面安装第二临时中隔壁支护8,其中,第一永久支护拱架3与第二永久支护拱架6沿轴向对接,第二临时中隔壁支护8与第一临时中隔壁支护5沿竖直方向对接,再拆除第一临时仰拱4,此时,第一永久支护拱架3、第二永久支护拱架6、第二临时仰拱7、第二临时中隔壁支护8和第一临时中隔壁支护5构成封闭支护结构。
由此可见,对于左半断面1的施工而言,通过划分多个施工区域分层开挖导洞,并在挖掘后立即施做封闭成环的支护结构,进一步有效避免了因偏压应力集中或围岩遇水软化导致的坍塌,且可有效抵抗软弱围岩的沉降和收敛变形。
另外,本实施例对第三施工区域(右上部)采用两台阶的台阶施工法开挖导洞。
具体的,由于右半断面2围岩夹杂白云质灰岩,块状构造,围岩稳定性尚可,则可在进行两台阶施工时,具体采用弱爆破的方式开挖导洞,出渣后,在右上部对应的拱部安装第三永久支护拱架9,初喷封闭,并拆除第一临时中隔壁支护5与第二临时中隔壁支护8,对第二临时仰拱7朝向右半断面2进行接长,以使得第一永久支护拱架3、第二永久支护拱架6、第二临时仰拱7和第三永久支护拱架9构成封闭式支护结构,即使得整个隧道上半面的支护拱架与第二临时仰拱7闭合成环,从而确保了初期支护的稳定性。
进一步的,本实施例在具体施工时,在左半断面、右半断面分别沿拱顶施作的永久支护拱架与下部的临时仰拱初步建立整体的封闭支护结构时,还选定第四施工区域(左下部)进行微爆破,开挖导洞,出渣后,安装第四永久支护拱架10,并初喷封闭;接着,选定第五施工区域(右下部)进行微爆破,开挖导洞,出渣后,安装第五永久支护拱架11,并初喷封闭,其中,第四施工区域与第五施工区域位于初步建立整体的封闭支护结构时的临时仰拱的下侧。
另外,还选定第六施工区域(下底部)进行微爆破开挖,出渣后,安装第六永久支护拱架12,从而完成全断面的拱架封闭成环,并初喷封闭。
在此应当指出的是,为了确保上断面左、右侧的各个永久支护拱架不同时悬空,在对第四施工区域和第五施工区域进行施工时,以前后交错施工的方式开挖导洞,并在开挖后,喷8cm厚的混凝土封闭相应区域的掌子面。
进一步的,参见图3,本实施例中第二施工区域开挖的导洞滞后于第一施工区域开挖的导洞第一预设距离,第一预设距离可设定为3m;第三施工区域开挖的导洞滞后于第二施工区域开挖的导洞第二预设距离,第二预设距离可设定为5m;第四施工区域开挖的导洞滞后于第三施工区域开挖的导洞第三预设距离,第三预设距离可设定为20m;第五施工区域开挖的导洞滞后于第四施工区域开挖的导洞第四预设距离,第四预设距离可设定为3m,第六施工区域开挖的导洞滞后于第五施工区域开挖的导洞第五预设距离,第五预设距离可设定为4m。
进一步的,为了确保支护结构的稳定性,并抵抗围岩变形对支护结构的影响,本实施例在临时中隔壁支护与各个永久支护拱架处均插装有缩脚锚管。
在此应当指出的是,本实施例考虑到隧道设计采用椭圆形受力截面,其圆心以上部分受力情况最好,从而将左中部施工得到的中台阶底面设置在圆心水平轴线上,这样能够最大限度增强初支支护结构的稳定性。为了满足机械化施工要求,确定左半断面1的左上部施工得到的上台阶高度设定为3.8m、中台阶高度设定为2.6m,右半断面2在进行二台阶施工时,上台阶高度设定为6.4m,整个断面下台阶高度设定为1.9m、仰拱开挖深度为1.8m。另外,由于该地层围岩极不稳定,为确保施工期间绝对安全,设定掌子面距离仰拱封闭段沿隧道纵向的水平距离小于35米,仰拱一次开挖距离不得大于3m,其中,仰拱封闭段指的是初步完成全断面的拱架封闭成环的断面。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种用于横向半软半硬断面地层中的隧道施工方法,其特征在于,包括:
S1,对掌子面上对应隧道拱部区域施作预埋超前管棚;
S2,采用中隔壁法依次对软岩分布的左半断面和硬岩分布的右半断面进行施工,开挖完成后,拆除临时中隔壁支护,并确保在左半断面、右半断面的上部分别沿拱顶施作的永久支护拱架与下部的临时仰拱构成封闭支护结构;对位于下部的临时仰拱与预施作的仰拱之间的第四施工区域和第五施工区域,以前后交错施工的方式开挖导洞,并在出渣后,设置相应的永久支护拱架;
步骤S2进一步包括:
S21,将所述左半断面从上往下划分为多层施工区域,并按照划分的施工区域逐层向下开挖导洞,每层导洞出渣后,设置对应构成封闭支护结构的永久支护拱架、临时仰拱和临时中隔壁支护;
S22,采用台阶施工法对右半断面对应的区域开挖导洞;
步骤S21包括:将所述左半断面从上往下划分为第一施工区域和第二施工区域;
步骤S22包括:在右半断面对应的第三施工区域采用两台阶的台阶施工法开挖导洞;
所述第四施工区域与所述第二施工区域邻接且位于所述第二施工区域的下侧、所述第五施工区域与所述第三施工区域邻接且位于所述第三施工区域的下侧,所述第四施工区域、所述第五施工区域的下侧为预施作仰拱的第六施工区域;
所述第二施工区域开挖的导洞滞后于所述第一施工区域开挖的导洞第一预设距离;
所述第三施工区域开挖的导洞滞后于所述第二施工区域开挖的导洞第二预设距离;
所述第四施工区域开挖的导洞滞后于所述第三施工区域开挖的导洞第三预设距离;
所述第五施工区域开挖的导洞滞后于所述第四施工区域开挖的导洞第四预设距离;
S3,进行仰拱开挖,施作隧道底部的永久支护拱架,拆除临时仰拱,并施作复合式衬砌。
2.根据权利要求1所述的隧道施工方法,其特征在于,
还包括:在步骤S1之前,对掌子面上发生涌水的区域进行排水处理,并对掌子面后侧的施工区域施作临时支撑。
3.根据权利要求1所述的隧道施工方法,其特征在于,
步骤S1进一步包括:
S11,将所述预埋超前管棚中的钢管作为钻杆进行钻进,钢管的首端连接导向板钻头,钢管的尾端连接钻机,其中,钢管在钻进时由第一段钢管与第二段钢管交替连接,第二段钢管上设有溢浆孔;
S12,拆除钻机,并将注浆泵与钢管的尾端相连接,注浆泵在注浆时控制初压为0.5~1.0 MPa,终压为2.0~3.0 MPa,以使得浆液的扩散半径大于45cm。
4.根据权利要求3所述的隧道施工方法,其特征在于,
所述预埋超前管棚施作的圆心角的大小为90°~120°,所述预埋超前管棚的对称中心线朝向所述左半断面偏离隧道的竖直中心线的角度为10°~20°;所述钢管的外插角度为10°~30°,所述钢管中加注的浆液为玻璃双浆液。
5.根据权利要求1所述的隧道施工方法,其特征在于,
在所述临时中隔壁支护与所述永久支护拱架处均插装有锁脚锚管。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的隧道施工方法,其特征在于,
步骤S2中,掌子面距离仰拱封闭段沿隧道纵向的水平距离小于35米;
步骤S3中,在对仰拱一次开挖时,沿隧道纵向的水平距离小于3m。
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