CN111140237B - 一种地铁隧道掘进暗挖方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及一种地铁隧道掘进暗挖方法。本方法包括地层组合工程性质模型计算以及隧道浅埋暗挖施工两大步骤；地层组合工程性质模型计算步骤包括将隧道沿线地层划分为层组和亚组两个层级，划分后的地层组合通过“层组+亚组”表示；且选择地表至隧底以下50m范围内的地层进行组合，代入地层组合工程性质模型中进行计算分析，而后进行隧道浅埋暗挖施工流程。本发明通过对隧道工程建设影响深度50m范围内的工程地质层组进行划分及深入分析，以对整个场地工程地质层组进行总体概化，并能紧接施工流程，确保浅埋暗挖隧道施工过程安全、顺利进行。

Description

一种地铁隧道掘进暗挖方法
技术领域
本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及一种地铁隧道掘进暗挖方法。
背景技术
隧道浅埋暗挖法施工作为城市地铁工程施工中经常运用的一种施工方法，具有造价低、灵活多变、对交通和周边环境干扰较小等特点，在地铁方面已有多个成功先例，施工技术也日趋成熟。实际施工过程中，人们逐渐发现：一方面，浅埋暗挖隧道的开挖会引起地表沉降和地层变形，当沉降变形过大时会增大施工风险和影响地面建筑物的安全。又由于同一区域内地表地层的历史成因相近，主要地层组合的成分和分布有规律可循，是否能够对其组合规律进行总结，从而能更方便、直观地对城市的浅部地层的工程地质条件与特征进行深入分析和精确选址，以便尽可能的避免出现地表沉降和地层变形现象，为本领域技术人员所亟待解决的一大难题。而另一方面，当选址完成后，又是否能够进一步改良现有的地铁隧道掘进暗挖结构，使之能确保浅埋暗挖隧道施工过程安全、顺利进行，甚至能有效地控制隧道浅埋暗挖所引起的地表沉降和拱顶变形状况，降低施工风险，更是本领域技术人员近年来所亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种地铁隧道掘进暗挖方法，其通过对隧道工程建设影响深度50m范围内的工程地质层组进行划分及深入分析，以对整个场地工程地质层组进行总体概化，并能紧接施工流程，确保浅埋暗挖隧道施工过程安全、顺利进行，同时能有效地控制后续施工流程所引起的地表沉降降和拱顶变形状况，以降低施工风险。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种地铁隧道掘进暗挖方法，其特征在于：本方法包括地层组合工程性质模型计算以及隧道浅埋暗挖施工两大步骤，其中：
所述地层组合工程性质模型包括以下子步骤：
(1)、将隧道沿线地层划分为层组和亚组两个层级，划分后的地层组合通过“层组+亚组”表示，其中层组以罗马数字“I”、“II”、“III”…表示，而亚组以“英文字母+阿拉伯数字”表示，具体如下：
1.1)、根据沉积年代和成因类型划分层组；地表最上一层为填地层,其余下方各地层需要依据当地的地勘资料来对应地质年代表进行划分至纪(系)层；而若各地层均为同一纪(系)的地层，则需根据其成因类型的不同分为冲击层、植物层、冲击层、洪积层、坡积层残积层、风积层、湖积层、沼泽沉积层、海相沉积层、海陆交互沉积层、冰积层、冰水沉积层、火山堆积层、崩积层、滑坡堆积层、泥石流堆积层、生物堆积层、化学堆积层和成因不明堆积层；对上述划分后的层组，自上到下，按照罗马数字的次序编号为“I”、“II”、“III”…；
1.2)、亚组需根据地层的土体状态划分；对同一层组的地层，首先分为用字母c表示的黏土和用字母s表示的砂土两大类；其中：黏土的含水率在土体状态上用其液性指数描述，可以此划分为坚硬、硬塑、可塑、软塑、流塑五类，其中坚硬～硬塑状态用c1表示，可塑状态用c2表示，软塑～流塑状态用c3表示；砂土按照密实度分为松散、中密和密实三类，分别用s1、s2、s3表示砂土的状态；用字母r表示基岩；
(2)、以步骤(1)的层组划分结果为基础，选择地表至隧底以下50m范围内的地层进行组合，代入如下地层组合工程性质模型中：
Figure GDA0002812328000000021
上式中，r为地层系数；地层亚组为c1或s1时的地层系数r1为0；地层亚组为c2或s2时的地层系数r2为0.3；地层亚组为c3或s3时的地层系数r3为1.0；h为地层厚度；
地层组合工程性质模型SCI的计算值越小，则表示当前地层组合的工程性质越好，隧道工程施工的安全性越高；从上述地表至隧底以下50m范围内的地层组合中，选取最小值所对应的地层组合作为当前最优施工地层组合，并随之进行隧道浅埋暗挖施工流程；
隧道浅埋暗挖施工流程包括超前支护层的建立、洞身开挖步骤、钢架加工与安装步骤、砂浆锚杆施工步骤、初支喷射混凝土步骤以及隧道二次衬砌步骤，其中：
所述超前支护层包括管长方向平行隧道长度方向布置的钢管以及管体轴线与隧道轴线处于同一面上的打入式锚管；各钢管环绕隧道轴线而在隧道拱形面上彼此平行且依序周向间隔均布，从而形成大管棚预支护；打入式锚管穿过大管棚预支护所形成拱形面并倾斜打入围岩土层内，以便与围岩土层间形成夹角，各打入式锚管彼此平行且同样在隧道拱形面上依序周向间隔均布；
所述打入式锚管包括直管状的管身以及同轴布置于管身顶端管口处的锚头，所述锚头外形呈圆锥状且锚头的用于配合管身顶端管口的锥底面直径等于管身外径；所述锚头的锥面处径向凹设有槽长方向平行锚头轴线方向的容纳槽，所述容纳槽为尖部朝向锚头尖端且尾部朝向管身所在方向的水滴状的沉槽结构；容纳槽内以铰接轴而铰接配合有防松翼板；防松翼板外形呈两梯形边与容纳槽两槽壁彼此平行的梯形块状，铰接轴用于配合防松翼板的配合位置相对靠近防松翼板的梯形顶边处，且铰接轴的两轴端分别配合于容纳槽的两相对槽壁上；防松翼板存在收拢及展开两种位置状态：当防松翼板处于收拢状态时，防松翼板位于容纳槽槽腔内；当防松翼板处于展开状态时，防松翼板的尾端绕铰接轴产生铰接动作，从而撑紧锚孔孔壁以固定打入式锚管。
优选的，本方法还包括夹设于防松翼板内侧面与容纳槽槽底之间空间处的扩张囊，所述扩张囊的囊腔通过位于锚头处预设的注浆流道而连通管身管腔，以使得浆液可经由管身管腔进入注浆流道并最终注入扩张囊囊腔中，从而使防松翼板尾端产生上抬式的铰接动作；所述锚头的锥面处则设置前端注浆孔，各前端注浆孔的进液端同样连通所述注浆流道。
优选的，所述管身的顶端管口的管腔处设置内螺纹段，所述锚头的锥底面处同轴向外延伸设置配合段且配合段处布置外螺纹段，以使得锚头与管身间形成螺纹固接配合；配合段直径小于锚头的锥底面直径从而在锚头锥底处形成轴肩结构，所述前端注浆孔布置于锚头的轴肩结构与容纳槽之间的一段锥面上，且各前端注浆孔环绕锚头轴线而在锚头锥面处周向依序均布。
优选的，由配合段的端面处同轴内凹设置有一段孔，一段孔孔深大于配合段的轴向长度，一段孔孔底面处同轴内凹设置有二段孔，以使得一段孔与二段孔共同配合形成二段式阶梯孔状的注浆流道；前端注浆孔经由一段孔孔壁而径向贯穿至锚头锥面处，二段孔孔壁处则径向向容纳槽槽底处贯穿开设径向连接孔，以便连通注浆流道与扩张囊囊腔。
优选的，所述扩张囊外形呈尖部朝向铰接轴所在方向的扇形囊状，防松翼板的朝向容纳槽槽底面的内侧面处布置有凹槽，且凹槽槽长方向平行锚头轴线方向，凹槽槽腔构成用于容纳和定位扩张囊的容纳区。
优选的，防松翼板的用于配合容纳槽槽底面的内侧面处布置有凹槽，且凹槽槽长方向平行锚头轴线方向；防松翼板尾端与水滴状的容纳槽的尾端之间间隙以及凹槽槽腔均形成供砂石进入以便撑开防松翼板的容纳空间。
优选的，以一组容纳槽配合一组防松翼板而形成一组防松单元，所述防松单元为两组以上，各防松单元环绕锚头轴线而在锚头锥面处周向依序均布。
优选的，所述容纳槽的槽底面平行锚头的轴线，且所述容纳槽的靠近尖端的槽底面处凹设有提供防松翼板的梯形顶边的向下活动空间以及限制防松翼板最大展开角度的止口槽。
优选的，所述管身的前段管体上径向贯穿管壁而设置有连通管身管腔的后端注浆孔。
优选的，所述钢管为外径为108mm且壁厚为6mm的热轧管，每相邻两组钢管间距400mm；所述管身为外径为42mm且壁厚为3.5mm的热轧无缝管，管身长度为3.5m；所述打入式锚管与围岩土层间形成的夹角为5°～15°。
本发明的有益效果在于：
1)、本发明基于现有的地铁隧道掘进暗挖技术，从而给出了从定点选址到后期施工的一系列具体施工流程。当轨道交通工程中，场地岩地层较多、成因类型复杂、空间分布变化大时，可根据本发明所言而对整个场地工程地质层组进行总体概化，从而获得多组以代码“层组+亚组”来表示的地层组合，来作为备选的施工点。之后，再以地层组合工程性质模型SCI来对当前待选施工点的各地层组合进行分别计算，进而以计算值的比对，来综合选取各备选施工点中地层组合的工程性最优的组合来作为施工点选址的参考，以确保隧道工程施工的安全性。当最优地层组合选取完毕后，随之可进行后续的隧道浅埋暗挖施工流程。
就隧道浅埋暗挖施工流程而言，本方法保留了传统的超前支护层的建立、洞身开挖步骤、钢架加工与安装步骤、砂浆锚杆施工步骤、初支喷射混凝土步骤以及隧道二次衬砌步骤，并对超前支护层的结构作了进一步的优化改进，以进一步提升施工的安全性和支护效果。本发明通过另辟蹊径的采用了带有锚头的锚管设计和相对围岩土层的倾斜打入式的锚固方案。具体使用时，通过直接将锚头朝向指定的锚固点并依靠外力打入，无需预钻孔，即可实现对隧道施工初期周围岩土体的强度的提升目的。此外的，本发明在上述结构基础上，还增设了防松翼板。通过将防松翼板安置于容纳槽内，并对防松翼板的前端进行铰接，从而在锚头打入土层时，防松翼板会随锚头的前行力而收拢，进而不影响本发明的正常使用。而当本发明打入到位而锚头停止行进时，或通过后续工程施工时的土层振动和挤压，土层中的砂石会逐渐进入防松翼板与水滴状的容纳槽之间间隙内，或通过其他特定结构来撑开防松翼板，从而使得防松翼板的尾端逐渐从容纳槽内探出并形成展开状态，从而死死的由内而外的撑住锚头所在锚孔的周围孔壁，以有效确保锚管的可靠锚固性。
2)、值得注意的是，本发明在上述结构基础上，还额外增设了扩张囊来形成上述特定结构。通过将防松翼板安置于容纳槽内，并将扩张囊支撑于防松翼板的尾端。在锚头打入土层时，防松翼板会随锚头的前行力而收拢，进而不影响本发明的正常使用。而当本发明打入到位且锚头停止行进时，开始注浆操作。浆液会依序经过管身管腔及注浆流道后：一部分浆液进入扩张囊囊腔从而膨胀扩张囊，以便逐渐的撑开防松翼板，使得防松翼板的尾端逐渐从容纳槽内探出并形成展开状态，从而死死的由内而外的撑住锚头所在孔洞的周围孔壁。另一部分浆液则经由前端注浆孔而流出至锚头锥面之外，从而起到进一步的加固锚管周围土层的功能，最终提升锚管的锚固可靠度。
3)、进一步的，本发明的管身与锚头之间可以有多种配合方式，如一体成型，甚至是先逐个加工后再采用焊固的方式后期装配成型等。本发明优选采用先期逐个加工再后期螺纹装配的方式，以在保证生产流程的快速化的同时，实现本发明的便捷化装配功能。此外的，前端注浆孔自然分布于锚头的轴肩结构与容纳槽之间的一段锥面上，且各前端注浆孔环绕锚头轴线而在锚头锥面处周向依序均布，从而使得大量浆液会自然的凝固于锚头的锥底面周围一圈的土层中，以起到定点锚固作用，最终得以进一步的有效提升本发明的锚固可靠性及稳定性。
4)、对于注浆流道而言，优选采用二段式阶梯孔结构，以适配圆锥状的锚头，保证锚头壁厚的均匀性和自身刚度能满足使用所需。扩张囊则优选采用扇形囊结构，也即在充入浆液时，扩张囊应当是呈现沿防松翼板展开方向的扇形张开状态，以避免与防松翼板展开动作产生干涉，确保防松翼板的正常有效展开。
5)、进一步的，可将防松翼板布置为两组以上并沿锚头的锥面周向均布，以保证防松翼板展开后的整体结构的稳定性。止口槽的设置，目的一方面是在保证容纳槽尽可能开浅以确保锚头结构的刚度的前提下，提供防松翼板产生展开动作时的活动空间。另一方面，防松翼板也应当具备最大的展开角度，以避免防松翼板过度展开而失去其初始的轴向防松脱功能。
6)、凹槽的设置，目的在于起到容纳防松翼板的功能，以避免本发明在打入土层过程中或后续工作过程中，因工作振动等原因而导致扩张囊脱出防松翼板的状况发生，以保证本发明的工作可靠性。此外的，在前端注浆孔存在的前提下，本发明仍然保留了传统的管身注浆孔也即后端注浆孔，以最大化的保证本发明的锚固效果。
7)、当然，本发明也可不采用扩张囊而仅仅使用凹槽结构：当打入式锚管打入到位而锚头停止行进时，通过后续工程施工时的土层振动和挤压，土层中的砂石会逐渐进入防松翼板尾端与水滴状的容纳槽的尾端之间间隙以及凹槽槽腔内，以便逐渐的撑开防松翼板，使得防松翼板的尾端逐渐从容纳槽内探出并形成展开状态，此时防松翼板同样能死死的由内而外的撑住锚头所在孔洞的周围孔壁，以有效确保锚管的可靠锚固性，此处就不再多作赘述。
8)、进一步的，本发明对钢管及构成打入式锚管的管体材质及尺寸均有所限定，以保证本发明施工过程的可靠性。而打入式锚管与围岩土层间形成的夹角为5°～15°，也即施工时打入式锚管应当沿隧道开挖外轮廓线周边以5°～15°外插角打入岩层中，其目的是加固围岩中不稳定的土体；5°～15°外插角使得锚管能尽可能贴附岩层表面而扎入岩层内，进而增强围岩的抗拉和抗剪能力，有效地控制隧道上部土层沿隧道轴向上而非径向上的变形量，最终保证隧道整体结构的稳定性。
附图说明
图1为本发明的工作流程框图；
图2为超前支护层的结构示意图；
图3为隧道开挖施工纵断面工序图；
图4为打入式锚管的其中一种实施例的结构示意图；
图5为图4所示打入式锚管的防松翼板处于收拢状态时，打入式锚管的锚头的结构示意图；
图6为图4所示打入式锚管的剖视示意图；
图7为图4所示打入式锚管的防松翼板处于展开状态时，打入式锚管的锚头的结构示意图；
图8为打入式锚管的另一种实施例的结构示意图；
图9为图8所示打入式锚管的防松翼板处于收拢状态时，打入式锚管的锚头的结构示意图；
图10为图8所示打入式锚管的剖视示意图；
图11为图8所示打入式锚管的防松翼板处于展开状态时，打入式锚管的锚头的结构示意图。
本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：
A-超前支护层 A1-钢管 A2-打入式锚管
B-初期支护层 C-后期支护层
10-管身 11-后端注浆孔
20-锚头 21-容纳槽 21a-止口槽 22-配合段
23-注浆流道 24-前端注浆孔 25-连接孔
31-防松翼板 31a-凹槽 32-铰接轴
40-扩张囊
具体实施方式
为便于理解，此处结合图1-11，对本发明的具体结构及工作方式作以下进一步描述：
本方法包括地层组合工程性质模型计算以及隧道浅埋暗挖施工两大步骤，其中：
所述地层组合工程性质模型包括以下子步骤：
(1)、隧道沿线地层划分：
划分地层时，共分为层组和亚组两个层级，划分后的地层组合通过代码串可以很直观地总览沿线地层的基本工程特性和组合特征。具体操作时，所述工程地质层组代码串表示为：层组(罗马数字)+亚组(英文字母+阿拉伯数字)，例如代码串I c1表示层组为I且亚组为c1的地质层组。具体划分方法如下：
(1.1)、根据沉积年代和成因类型划分层组。地质沉积年代与成因分别反映了地层出现的先后顺序与形成过程，对地层工程性质的塑造有巨大影响。一般沉积年代越久的的地层，土体结构越稳定，工程性质越好。划分时，地表最上一层为填地层，其余下方各地层需要依据当地的地勘资料对应地质年代表划分至纪(系)层。地质年代表为现有表格，具体参照表1所示。而对于同一纪(系)的地层而言，就需要根据其成因类型的不同继续进行划分：根据成因的不同可分为冲击层(ml)、植物层(pd)、冲击层(al)、洪积层(pl)、坡积层(dl)残积层(el)、风积层(eol)、湖积层(l)、沼泽沉积层(h)、海相沉积层(m)、海陆交互沉积层(mc)、冰积层(gl)、冰水沉积层(fgl)、火山堆积层(b)、崩积层(col)、滑坡堆积层(del)、泥石流堆积层(set)、生物堆积层(o)、化学堆积层(ch)和成因不明堆积层(pr)。对划分后的层组，自上到下，按照罗马数字的次序编号为Ⅰ、II、Ⅲ、Ⅳ等进行依序分类。
表1地质年底表
Figure GDA0002812328000000091
Figure GDA0002812328000000101
(1.2)、根据地层的土体状态划分亚组。对同一层组的地层，首先分为黏土(cohesive soil，用字母c表示)、砂土(sandy soil，用字母s表示)两大类，其次再根据其土体状态划分亚组。决定土体状态的主要因素分别为含水率和密实度。其中，黏土的含水率在土体状态上可用其液性指数描述，可以此划分为坚硬、硬塑、可塑、软塑、流塑五类，其中坚硬～硬塑状态用c1表示，可塑状态用c2表示，软塑～流塑状态用c3表示；砂土按照密实度分为松散、中密和密实三类，分别用s1、s2、s3表示砂土的状态；用字母r表示基岩。
(2)地层组合划分：
划分地层组合时，选择地表以下50m范围内，基岩上方的地层进行组合，要求地层厚度超过1m且长度超过50m，不满该规定的地层对隧道影响较小，可不进行考虑。本发明提出了地层组合工程性质模型SCI用于描述地层组合工程性质的优劣程度，计算方法如下：
Figure GDA0002812328000000102
上式中，r为地层系数；地层亚组为c1或s1时的地层系数r1为0；地层亚组为c2或s2时的地层系数r2为0.3；地层亚组为c3或s3时的地层系数r3为1.0；h为地层厚度。
SCI计算结果在0～1.0区间内。实际上，地层组合工程性质模型SCI的计算值越小，则表示当前地层组合的工程性质越好，隧道工程施工的安全性越高。当所有SCI值均计算完成后，从上述地表至隧底以下50m范围内的地层组合中，选取SCI计算值的最小值所对应的地层组合作为当前最优施工地层组合，并随之进行隧道浅埋暗挖施工流程。
当然，由于地层组合工程性质模型SCI的计算值越小，也就表示当前地层组合的工程性质越好，隧道工程施工的安全性越高，因此，更具体操作时，为更好的形成报告和更利于客户目视比对，可酌情对SCI计算值进行如下划分：0～0.2为优良组合，0.2～0.4较好组合，0.4～0.6为一般组合，0.6～0.8为较差组合，0.8～1.0为极差组合，分别用字母A、B、C、D、E表示。同时，考虑到基岩埋深对隧道稳定性的影响，再根据基岩埋深是否大于20m再划分亚组，如下表2所示：
表2地层组合划分表
Figure GDA0002812328000000111
为便于进一步解释上述计算流程，此处给出如下实施例：
实施例：
地点：合肥市；
划分区域：将地表至隧底以下50m范围内的土层进行划分；
划分过程：按照沉积年代和成因类型划分层组共8层，其中土层共有5层(包括填土层)，基岩层共3层；按照地层的土体状态划分亚组共14层。划分过程及结果如表3所示。
表3合肥市地铁隧道沿线地层划分结果表
Figure GDA0002812328000000112
Figure GDA0002812328000000121
选择上述土层中的地表至隧底以下50m范围内的地层进行组合，形成多组待选的地层组合，分别计算各地层组合的地层组合工程性质模型SCI。以合肥市隧道断面尺寸及隧道施工方案相同的两条地铁隧道为例，分别选取隧道埋深相同的两个典型断面a和b的地层组合：
a断面地层组合情况为Ⅰ(2.1m)+Ⅲc1(5.5m)+Ⅶ(22.4m)。计算该断面地层组合工程性质模型SCIA如下式：
Figure GDA0002812328000000122
b断面地层组合情况为Ⅰ(4.2m)+Ⅲc2(1.9m)+Ⅲc1(3m)+Ⅳc2(10.9)+Ⅶ(10m)。计算该断面地层组合工程性质模型SCIB如下式：
Figure GDA0002812328000000123
由前述可知，a断面地层组合为优良组合，b断面地层组合为一般组合，如若选取施工点或两组施工方案择一选择，则优选断面a的地层组合所对应点或所对应方案。
为佐证上述计算结果，实际对上述断面a及断面b的地层组合进行工程实际监测，结果表明：a断面地表沉降最大值为12mm，b断面地表沉降最大值为28mm，可以看出a断面的地层变形小于B断面，说明a断面的地层组合工程性质更好，施工安全性更高，施工点选址时优选a断面处施工。
在如上选址完毕后，即可进行隧道浅埋暗挖施工流程，包括超前支护层的建立、洞身开挖步骤、钢架加工与安装步骤、砂浆锚杆施工步骤、初支喷射混凝土步骤以及隧道二次衬砌步骤。
为便于理解，此处结合图2-11，以四步CRD法施工为例，对本发明的具体结构及工作方式作以下进一步描述：
在四步CRD法施工中，本发明需将浅埋暗挖通道分成图2-3所示的①、②、③、④四个导洞开挖。相邻两导洞开挖施工间隔3～4m。各导洞每次开挖进尺为一个型钢钢架间距，严禁多榀一次开挖。
在开挖段前制作超前支护层A，如图2所示的，需预先铺设钢管A1，并沿隧道开挖外轮廓线周边采用非注浆的打入式锚管A2。开挖后立即进行型钢钢架安装与钢筋网铺设，并进行喷射混凝土，上台阶钢格栅安装完毕后及时施做锁脚锚管并进行注浆填充，从而形成初期支护层B。待初期支护层B达到强度后在初期支护层B背后注浆。最后进行后期支护层C的铺设。
实际操作超前支护层A时，出入口暗挖段采用大管棚预支护。构成大管棚预支护的钢管采用φ108×6mm的热轧管，长度根据设计要求沿通道通长布置，每相邻两组钢管的间距为400mm。注浆管棚施工完成四根，即可开始注浆，其目的是充填大管棚预支护，增加大管棚预支护的刚度。同时，通过管壁的孔眼使浆液注入到大管棚预支护的周围以加固地层。注浆分两步完成，当第一次注浆的浆液充分收缩后，进行第二次注浆，以使大管棚预支护填充密实。之后，如图3所示的，通过在隧道拱部采用非注浆的打入式锚管A2，分部开挖左侧导坑①部土体，架设临时仰拱，施作初期支护；再开挖②部土体，施作初期支护；之后再同理逐一开挖③及④部土体。
打入式锚管A2采用外径为42mm且壁厚为3.5mm的热轧无缝管加工制成，打入式锚管A2长3.5m。打入式锚管A2使用时无需提前在围岩处钻孔，打设时锚头20直接插入围岩土体并打入，打入后免去了注浆过程。打入式锚管A2施工时，管体应当沿隧道开挖外轮廓线周边以5°～15°外插角打入岩层中。
更具体而言，打入式锚管A2的具体结构如图4-11所示，其主要结构包括管身10以及螺纹装配于管身10的顶端管口处的锚头20。其中：
管身10的外形参照图3及图6所示的呈现直圆管状；对于锚头20而言，其外形呈如图4-11所示的圆锥状。实际操作时，锚头20的锥底面处同轴外凸设置有配合段22，通过配合段22处外螺纹段与管身10的顶端管口也即图3所示右端管口处的内螺纹段的螺纹拧合，从而实现锚头20相对管身10的快速装配功能。锚头20处还如图4-11所示的环绕自身轴线布置四组防松单元，每组防松单元均包括一组容纳槽21以及一组通过铰接轴32而铰接布置于容纳槽21内的防松翼板31。实际装配铰接轴32时，可考虑直接对容纳槽21的两侧槽壁进行对穿从而获得对穿孔，再在对穿孔内穿入铰接轴32从而配合位于容纳槽21内的防松翼板31的前端部，以实现其便捷化装配目的。而对于容纳槽21而言，其外形呈现如图4所示的水滴状，且容纳槽21的槽底面应当平行锚头20轴线，并在容纳槽21的尖端设置如图6所示的止口槽21a。如图6所示的止口槽21a限制了防松翼板31的展开动作极限，以保证打入式锚管A2的动作可靠性。
对于打入式锚管A2而言，可以有如图4-7及如图8-11两组具体实施例。其中如图4-7的实施例为无需注浆的用于膨胀土支护的锚管结构，而如图8-11的为注浆式的适用于隧道超前支护的锚管结构。
对于如图4-7的无需注浆的用于膨胀土支护的锚管结构而言，本发明在上述结构基础上，增设扩张囊40来形成上述特定结构。通过将防松翼板31安置于容纳槽21内，并将扩张囊40支撑于防松翼板31的尾端。在锚头20打入土层时，防松翼板31会随锚头20的前行力而收拢，进而不影响本发明的正常使用。而当本发明打入到位且锚头20停止行进时，开始注浆操作。浆液会依序经过管身10管腔及注浆流道23后：一部分浆液进入扩张囊40囊腔从而膨胀扩张囊40，以逐渐的撑开防松翼板31，使得防松翼板31的尾端逐渐从容纳槽21内探出并形成展开状态，从而死死的由内而外的撑住锚头20所在孔洞的周围孔壁。另一部分浆液则经由前端注浆孔24而流出至锚头20锥面之外，从而起到进一步的加固打入式锚管A2的周围土层的功能，最终提升打入式锚管A2的锚固可靠度。
当然，本发明也可采用如图8-11所示的注浆式的适用于隧道超前支护的锚管结构。实际操作时，当打入式锚管A2打入到位而锚头20停止行进时，通过后续工程施工时的土层振动和挤压，土层中的砂石会逐渐进入防松翼板31尾端与水滴状的容纳槽21的尾端之间间隙以及凹槽31a槽腔内，以便逐渐的撑开防松翼板31，使得防松翼板31的尾端逐渐从容纳槽21内探出并形成展开状态，此时防松翼板31同样能死死的由内而外的撑住锚头20所在孔洞的周围孔壁，以有效确保锚管的可靠锚固性，此处就不再多作赘述。
在上述土体开挖也即洞身开挖步骤后，开始进入钢架加工与安装步骤及砂浆锚杆施工步骤。此时应及时架立型钢钢架，挂网喷射砼封闭成环。为防止拱脚下沉，在图1-2所示的①、③部土体处导洞开挖时，应在型钢钢架的两侧拱脚处打设锁脚锚杆为提高初期支护整体受力性能，前后两榀型钢之间需纵向设置连接钢筋。
初期支护层B采用I22a@500mm型钢钢架+钢筋网+300mm厚早强C25喷射混凝土。使用时，在型钢钢架布置好后，在其上挂设用于提高混凝土附着力的钢筋网，之后喷射混凝土成型即可，也即初支喷射混凝土步骤。初期支护层B背后注入1:1水泥砂浆，此时需注意施工时应当预留注浆管。注浆深度为初支背后0.5m。
隧道二次衬砌步骤目的在于形成后期支护层C。后期支护层C采用常规的复合式衬砌施工：也即采用C35P8钢筋防水混凝土，厚度为500mm，并采用1.5mm厚EVA的塑料防水板进行全包防水。塑料防水板与基层间设置400g/m2的短纤无纺布缓冲层，底板或仰拱防水层上表面设置400g/m2的无纺布保护层，并浇注5cm厚的细石混凝土保护层。后期支护层C背后注等强微膨胀水泥砂浆，拱部预留注浆孔3～5个，纵向间距为4m，梅花形设置即可。

Claims (10)

1.一种地铁隧道掘进暗挖方法，其特征在于：本方法包括地层组合工程性质模型计算以及隧道浅埋暗挖施工两大步骤，其中：
所述地层组合工程性质模型包括以下子步骤：
(1)、将隧道沿线地层划分为层组和亚组两个层级，划分后的地层组合通过“层组+亚组”表示，其中层组以罗马数字“I”、“II”、“III”…表示，而亚组以“英文字母+阿拉伯数字”表示，具体如下：
1.1)、根据沉积年代和成因类型划分层组；地表最上一层为填地层,其余下方各地层需要依据当地的地勘资料来对应地质年代表进行划分至纪(系)层；而若各地层均为同一纪(系)的地层，则需根据其成因类型的不同分为冲击层、植物层、冲击层、洪积层、坡积层残积层、风积层、湖积层、沼泽沉积层、海相沉积层、海陆交互沉积层、冰积层、冰水沉积层、火山堆积层、崩积层、滑坡堆积层、泥石流堆积层、生物堆积层、化学堆积层和成因不明堆积层；对上述划分后的层组，自上到下，按照罗马数字的次序编号为“I”、“II”、“III”…；
1.2)、亚组需根据地层的土体状态划分；对同一层组的地层，首先分为用字母c表示的黏土和用字母s表示的砂土两大类；其中：黏土的含水率在土体状态上用其液性指数描述，可以此划分为坚硬、硬塑、可塑、软塑、流塑五类，其中坚硬～硬塑状态用c1表示，可塑状态用c2表示，软塑～流塑状态用c3表示；砂土按照密实度分为松散、中密和密实三类，分别用s1、s2、s3表示砂土的状态；用字母r表示基岩；
(2)、以步骤(1)的层组划分结果为基础，选择地表至隧底以下50m范围内的地层进行组合，代入如下地层组合工程性质模型中：
Figure FDA0002812327990000011
上式中，r为地层系数；地层亚组为c1或s1时的地层系数r1为0；地层亚组为c2或s2时的地层系数r2为0.3；地层亚组为c3或s3时的地层系数r3为1.0；h为地层厚度；
地层组合工程性质模型SCI的计算值越小，则表示当前地层组合的工程性质越好，隧道工程施工的安全性越高；从上述地表至隧底以下50m范围内的地层组合中，选取最小值所对应的地层组合作为当前最优施工地层组合，并随之进行隧道浅埋暗挖施工流程；
隧道浅埋暗挖施工流程包括超前支护层的建立、洞身开挖步骤、钢架加工与安装步骤、砂浆锚杆施工步骤、初支喷射混凝土步骤以及隧道二次衬砌步骤，其中：
所述超前支护层包括管长方向平行隧道长度方向布置的钢管(A1)以及管体轴线与隧道轴线处于同一面上的打入式锚管(A2)；各钢管(A1)环绕隧道轴线而在隧道拱形面上彼此平行且依序周向间隔均布，从而形成大管棚预支护；打入式锚管(A2)穿过大管棚预支护所形成拱形面并倾斜打入围岩土层内，以便与围岩土层间形成夹角，各打入式锚管(A2)彼此平行且同样在隧道拱形面上依序周向间隔均布；
所述打入式锚管(A2)包括直管状的管身(10)以及同轴布置于管身(10)顶端管口处的锚头(20)，所述锚头(20)外形呈圆锥状且锚头(20)的用于配合管身(10)顶端管口的锥底面直径等于管身(10)外径；所述锚头(20)的锥面处径向凹设有槽长方向平行锚头(20)轴线方向的容纳槽(21)，所述容纳槽(21)为尖部朝向锚头(20)尖端且尾部朝向管身(10)所在方向的水滴状的沉槽结构；容纳槽(21)内以铰接轴(32)而铰接配合有防松翼板(31)；防松翼板(31)外形呈两梯形边与容纳槽(21)两槽壁彼此平行的梯形块状，铰接轴(32)用于配合防松翼板(31)的配合位置相对靠近防松翼板(31)的梯形顶边处，且铰接轴(32)的两轴端分别配合于容纳槽(21)的两相对槽壁上；防松翼板(31)存在收拢及展开两种位置状态：当防松翼板(31)处于收拢状态时，防松翼板(31)位于容纳槽(21)槽腔内；当防松翼板(31)处于展开状态时，防松翼板(31)的尾端绕铰接轴(32)产生铰接动作，从而撑紧锚孔孔壁以固定打入式锚管(A2)。
2.根据权利要求1所述的一种地铁隧道掘进暗挖方法，其特征在于：本方法还包括夹设于防松翼板(31)内侧面与容纳槽(21)槽底之间空间处的扩张囊(40)，所述扩张囊(40)的囊腔通过位于锚头(20)处预设的注浆流道(23)而连通管身(10)管腔，以使得浆液可经由管身(10)管腔进入注浆流道(23)并最终注入扩张囊(40)囊腔中，从而使防松翼板(31)尾端产生上抬式的铰接动作；所述锚头(20)的锥面处则设置前端注浆孔(24)，各前端注浆孔(24)的进液端同样连通所述注浆流道(23)。
3.根据权利要求2所述的一种地铁隧道掘进暗挖方法，其特征在于：所述管身(10)的顶端管口的管腔处设置内螺纹段，所述锚头(20)的锥底面处同轴向外延伸设置配合段(22)且配合段(22)处布置外螺纹段，以使得锚头(20)与管身(10)间形成螺纹固接配合；配合段(22)直径小于锚头(20)的锥底面直径从而在锚头(20)锥底处形成轴肩结构，所述前端注浆孔(24)布置于锚头(20)的轴肩结构与容纳槽(21)之间的一段锥面上，且各前端注浆孔(24)环绕锚头(20)轴线而在锚头(20)锥面处周向依序均布。
4.根据权利要求3所述的一种地铁隧道掘进暗挖方法，其特征在于：由配合段(22)的端面处同轴内凹设置有一段孔，一段孔孔深大于配合段(22)的轴向长度，一段孔孔底面处同轴内凹设置有二段孔，以使得一段孔与二段孔共同配合形成二段式阶梯孔状的注浆流道(23)；前端注浆孔(24)经由一段孔孔壁而径向贯穿至锚头(20)锥面处，二段孔孔壁处则径向向容纳槽槽底处贯穿开设径向连接孔(25)，以便连通注浆流道(23)与扩张囊(40)囊腔。
5.根据权利要求4所述的一种地铁隧道掘进暗挖方法，其特征在于：所述扩张囊(40)外形呈尖部朝向铰接轴(32)所在方向的扇形囊状，防松翼板(31)的朝向容纳槽(21)槽底面的内侧面处布置有凹槽(31a)，且凹槽(31a)槽长方向平行锚头(20)轴线方向，凹槽(31a)槽腔构成用于容纳和定位扩张囊(40)的容纳区。
6.根据权利要求1所述的一种地铁隧道掘进暗挖方法，其特征在于：防松翼板(31)的用于配合容纳槽(21)槽底面的内侧面处布置有凹槽(31a)，且凹槽(31a)槽长方向平行锚头(20)轴线方向；防松翼板(31)尾端与水滴状的容纳槽(21)的尾端之间间隙以及凹槽(31a)槽腔均形成供砂石进入以便撑开防松翼板(31)的容纳空间。
7.根据权利要求2或3或4或5或6所述的一种地铁隧道掘进暗挖方法，其特征在于：以一组容纳槽(21)配合一组防松翼板(31)而形成一组防松单元，所述防松单元为两组以上，各防松单元环绕锚头(20)轴线而在锚头(20)锥面处周向依序均布。
8.根据权利要求2或3或4或5或6所述的一种地铁隧道掘进暗挖方法，其特征在于：所述容纳槽(21)的槽底面平行锚头(20)的轴线，且所述容纳槽(21)的靠近尖端的槽底面处凹设有提供防松翼板(31)的梯形顶边的向下活动空间以及限制防松翼板(31)最大展开角度的止口槽(21a)。
9.根据权利要求2或3或4或5或6所述的一种地铁隧道掘进暗挖方法，其特征在于：所述管身(10)的前段管体上径向贯穿管壁而设置有连通管身(10)管腔的后端注浆孔(11)。
10.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种地铁隧道掘进暗挖方法，其特征在于：所述钢管(A1)为外径为108mm且壁厚为6mm的热轧管，每相邻两组钢管(A1)间距400mm；所述管身(10)为外径为42mm且壁厚为3.5mm的热轧无缝管，管身(10)长度为3.5m；所述打入式锚管(A2)与围岩土层间形成的夹角为5°～15°。
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