CN114086992B - 一种复杂地质条件大跨隧道扩挖施工方法 - Google Patents

一种复杂地质条件大跨隧道扩挖施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种复杂地质条件大跨隧道扩挖施工方法，属于隧道施工技术领域。它解决了现有隧道扩挖施工方法存在施工风险大的问题。本复杂地质条件大跨隧道扩挖施工方法，包括利用既有隧道支护，施作超前支护；分区域开挖，并施作开挖区域的初期支护和临时钢架结构，在开挖区域周边形成受力条件较好的封闭结构；扩挖隧道开挖完成后，初期支护封闭成环，根据监控量测情况，待初期支护变形稳定后，依次拆除临时钢架结构和破除既有隧道支护；在初期支护的内侧铺设防水板，浇筑扩挖隧道二衬结构等步骤。充分利用既有隧道支护的支护能力，在扩挖隧道初期支护闭合成环且变形稳定后才拆除既有隧道支护，施工安全性高。

Description

一种复杂地质条件大跨隧道扩挖施工方法
技术领域
本发明属于隧道施工技术领域，涉及一种复杂地质条件大跨隧道扩挖施工方法。
背景技术
目前，国内外隧道扩挖施工一般基于两种情况：一是由于社会车辆大型化，交通量不断增加，部分隧道限界和车道数已不满足交通需求，二是部分新建隧道线路平面与既有小断面的辅助坑道或人防通道等隧洞重叠。
扩挖隧道开挖过程中对隧道周边岩体再次扰动，致使其强度降低、自稳能力变差，既有隧道支护结构变形甚至破坏，尤其当扩挖隧道位于围岩破碎、地下水发育等复杂地质条件下，如何保障隧道扩挖过程中的施工安全，是目前所面临的主要挑战。
当隧道地质条件较好时采取全断面扩挖，当隧道地质条件较差或周边环境复杂时采取台阶法、CD法等分部扩挖，扩挖过程中逐步破除既有隧道支护(如申请公布号为CN111927476A的中国专利)，最终重构大断面新建隧道支护结构。当隧道地质条件较复杂时，既有隧道一般需设置较强衬砌结构，常规扩挖施工破除既有隧道衬砌结构过程中引发围岩应力重分布，隧道收敛变形大，严重时甚至引发隧道坍塌。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种施工风险小的复杂地质条件大跨隧道扩挖施工方法。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
一种复杂地质条件大跨隧道扩挖施工方法，包括以下步骤：
步骤一、利用既有隧道支护，施作超前支护；
步骤二、分区域开挖，并施作开挖区域的初期支护和临时钢架结构，在开挖区域周边形成受力条件较好的封闭结构；
步骤三、扩挖隧道开挖完成后，初期支护封闭成环，根据监控量测情况，待初期支护变形稳定后，依次拆除临时钢架结构和破除既有隧道支护；
步骤四、在初期支护的内侧铺设防水板，浇筑扩挖隧道二衬结构。
在上述复杂地质条件大跨隧道扩挖施工方法中，初期支护由型钢钢架、系统锚杆、钢筋网和喷砼组合而成。
在上述复杂地质条件大跨隧道扩挖施工方法中，临时钢架结构包括横向钢架和竖向钢架，横向钢架和竖向钢架的两端均设有钢架接头。
在上述复杂地质条件大跨隧道扩挖施工方法中，与初期支护连接的横向钢架的钢架接头处设有锁脚锚管。
在上述复杂地质条件大跨隧道扩挖施工方法中，当既有隧道的竖向中线与扩挖隧道的竖向中线重合时，将扩挖隧道分成五个开挖区域：位于既有隧道上方的第一区域和第二区域、位于既有隧道侧上方的第三区域和第四区域、由既有隧道一侧下方向下延伸至既有隧道另一侧下方的第五区域，第三区域位于第一区域下方，第四区域位于第二区域下方，第五区域位于第三区域、第四区域和既有隧道下方，步骤二按照第一区域、第二区域、第三区域、第四区域和第五区域的顺序分区域开挖，并施作对应的初期支护和临时钢架结构，在开挖区域周边形成受力条件较好的封闭结构。
在上述复杂地质条件大跨隧道扩挖施工方法中，当既有隧道的竖向中线与扩挖隧道的竖向中线不重合时，将扩挖隧道分成五个开挖区域：位于既有隧道侧方的第一区域和第二区域、位于既有隧道上方且与第一区域相邻设置的第三区域、位于既有隧道侧上方且与第三区域相邻设置的第四区域、位于第四区域与既有隧道下方且与第二区域相邻设置的第五区域，第一区域位于第二区域上方，步骤二按照第一区域、第二区域、第三区域、第四区域和第五区域的顺序分区域开挖，并施作对应的初期支护和临时钢架结构，在开挖区域周边形成受力条件较好的封闭结构。
与现有技术相比，本复杂地质条件大跨隧道扩挖施工方法具有以下优点：
1、充分利用既有隧道支护的支护能力，在扩挖隧道初期支护闭合成环且变形稳定后才拆除既有隧道支护；
2、分区域开挖，在扩挖隧道内设置临时钢架结构支撑在既有隧道支护上，控制围岩变形，极大地降低施工风险；
3、针对复杂地质条件大跨扩挖隧道上、下、左和右各方向扩挖施工均可，施工后的结构具有良好的稳定性和安全性，具有显著的工程意义和社会经济效益，在各向大跨扩挖隧道施工中有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明提供的实施例一的结构示意图。
图2是本发明提供的实施例二的结构示意图。
图3是本发明提供的初期支护的结构示意图。
图中，1、既有隧道支护；2、超前支护；3、钢架接头；4、锁脚锚管；5、防水板；6、扩挖隧道二衬结构；A、第一区域；A1、第一初期支护；A2、第一横向钢架；A3、第一竖向钢架；B、第二区域；B1、第二初期支护；B2、第二横向钢架；C、第三区域；C1、第三初期支护；C2、第三横向钢架；D、第四区域；D1、第四初期支护；D2、第四横向钢架；E、第五区域；E1、第五初期支护；S、初期支护结构；11、型钢钢架；12、系统锚杆；13、钢筋网；14、喷砼。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
如图1所示，当既有隧道的竖向中线与扩挖隧道的竖向中线重合时，该复杂地质条件大跨隧道扩挖施工方法，包括以下步骤：
步骤一、利用既有隧道支护1，施作超前支护2。
既有隧道支护1主要指既有隧道衬砌结构。
可以采用小导管或大管棚作为超前支护2。
小导管超前支护2是指：通过沿隧道开挖轮廓线外纵向向前倾斜安设注浆管，并注入浆液，达到超前加固围岩和止水的目的。
管棚超前支护2是指：利用钢管或钢插板作为纵向预支撑、钢拱架作为横向环形支撑，构成纵、横向整体刚度较大的支护系统，阻止和限制围岩变形，提前承受早期围岩压力。
步骤二、分区域开挖，并施作开挖区域的初期支护和临时钢架结构，在开挖区域周边形成受力条件较好的封闭结构。
具体的，将扩挖隧道分成五个开挖区域：位于既有隧道上方的第一区域A和第二区域B，第一区域A与第二区域B对称设置；位于既有隧道侧上方的第三区域C和第四区域D，第三区域C和第四区域D对称设置；由既有隧道一侧下方向下延伸至既有隧道另一侧下方的第五区域E。其中，第三区域C位于第一区域A下方，第四区域D位于第二区域B下方，第五区域E位于第三区域C、第四区域D和既有隧道下方。
首先开挖第一区域A，并施作第一区域A的第一初期支护A1和第一临时钢架结构，如图3所示，第一初期支护A1由型钢钢架11、系统锚杆12、钢筋网13和喷砼14组合而成。第一临时钢架结构包括第一横向钢架A2和第一竖向钢架A3，第一竖向钢架A3位于开挖隧道的竖向中线上，并在第一横向钢架A2和第一竖向钢架A3的两端设置钢架接头3，第一横向钢架A2、第一竖向钢架A3和第一初期支护A1构成受力条件较好的第一封闭结构，并在与第一初期支护A1连接的第一横向钢架A2的钢架接头3处设置锁脚锚管4。
然后开挖第二区域B，并施作第二区域B的第二初期支护B1和第二临时钢架结构，第一初期支护A1与第二初期支护B1相连，第二初期支护B1由型钢钢架11、系统锚杆12、钢筋网13和喷砼14组合而成。第二临时钢架结构包括第二横向钢架B2，第二横向钢架B2与第一横向钢架A2对称设置，在第二横向钢架B2的两端设置钢架接头3，第二横向钢架B2、第一竖向钢架A3和第二初期支护B1构成受力条件较好的第二封闭结构，并在与第二初期支护B1连接的第二横向钢架B2的钢架接头3处设置锁脚锚管4。
随后开挖第三区域C，并施作第三区域C的第三初期支护C1和第三临时钢架结构，第三初期支护C1与第一初期支护A1相连，第三初期支护C1由型钢钢架11、系统锚杆12、钢筋网13和喷砼14组合而成。第三临时钢架结构包括第三横向钢架C2，第三横向钢架C2的两端分别与既有隧道支护1(既有隧道衬砌)和第三初期支护C1相连，在第三横向钢架C2的两端设置钢架接头3，第一横向钢架A2、第三初期支护C1、第三横向钢架C2和既有隧道衬砌构成第三封闭结构，在与第三初期支护C1连接的第三横向钢架C2的钢架接头3处设置锁脚锚管4。
然后开挖第四区域D，并施作第四区域D的第四初期支护D1和第四临时钢架结构，第四初期支护D1与第二初期支护B1相连，第四初期支护D1由型钢钢架11、系统锚杆12、钢筋网13和喷砼14组合而成。第四临时钢架结构包括第四横向钢架D2，第四横向钢架D2的两端分别与既有隧道支护1(既有隧道衬砌)和第四初期支护D1相连，在第四横向钢架D2的两端设置钢架接头3，第二横向钢架B2、第四初期支护D1、第四横向钢架D2和既有隧道衬砌构成第四封闭结构，在与第四初期支护D1连接的第四横向钢架D2的钢架接头3处设置锁脚锚管4。其中，第三横向钢架C2和第四横向钢架D2的内端分别与既有隧道衬砌的中部连接。
最后开挖第五区域E，并施作第五区域E的第五初期支护E1，由第三横向钢架C2和第四横向钢架D2构成第五区域E的临时钢架结构，由第五初期支护E1、第三横向钢架C2、第四横向钢架D2和既有隧道衬砌构成第五封闭结构。
步骤三、扩挖隧道开挖完成后，第一初期支护A1、第二初期支护B1、第三初期支护C1、第四初期支护D1和第五初期支护E1封闭成环形成初期支护结构S，根据监控量测情况，待初期支护结构S变形稳定后，依次拆除临时钢架结构和破除既有隧道支护1。将第一横向钢架A2、第二横向钢架B2、第一竖向钢架A3、第三横向钢架C2和第四横向钢架D2拆除，并拆除既有隧道衬砌。
步骤四、在由第一初期支护A1、第二初期支护B1、第三初期支护C1、第四初期支护D1和第五初期支护E1封闭成环的初期支护结构S内侧铺设防水板5，浇筑扩挖隧道二衬结构6。
实施例二
如图2所示，当既有隧道的竖向中线与扩挖隧道的竖向中线不重合时，该复杂地质条件大跨隧道扩挖施工方法，包括以下步骤：
步骤一、利用既有隧道支护1，施作超前支护2。
既有隧道支护1主要指既有隧道衬砌结构。
可以采用小导管或大管棚作为超前支护2。
小导管超前支护2是指：通过沿隧道开挖轮廓线外纵向向前倾斜安设注浆管，并注入浆液，达到超前加固围岩和止水的目的。
管棚超前支护2是指：利用钢管或钢插板作为纵向预支撑、钢拱架作为横向环形支撑，构成纵、横向整体刚度较大的支护系统，阻止和限制围岩变形，提前承受早期围岩压力。
步骤二、分区域开挖，并施作开挖区域的初期支护和临时钢架结构，在开挖区域周边形成受力条件较好的封闭结构。
具体的，将扩挖隧道分成五个开挖区域：位于既有隧道侧方的第一区域A和第二区域B，第一区域A位于第二区域B的上方，扩挖隧道的竖向中线位于第一区域A与既有隧道的竖向中线之间；位于既有隧道上方且与第一区域A相邻设置的第三区域C；位于既有隧道侧上方且与第三区域C相邻设置的第四区域D；位于第四区域D与既有隧道下方且与第二区域B相邻设置的第五区域E。
首先开挖第一区域A，并施作第一区域A的第一初期支护A1和第一临时钢架结构，第一初期支护A1由型钢钢架11、系统锚杆12、钢筋网13和喷砼14组合而成。第一临时钢架结构包括第一横向钢架A2和第一竖向钢架A3，第一横向钢架A2的两端分别与既有隧道衬砌和第一初期支护A1连接，在第一横向钢架A2的连接处分别设置钢架接头3，第一竖向钢架A3的两端也设有钢架接头3，第一竖向钢架A3的上端与第一初期支护A1相连，下端与第一横向钢架A2靠近既有隧道衬砌的一端相连，在与第一初期支护A1连接的第一横向钢架A2的钢架接头3处设置锁脚锚管4。第一初期支护A1、第一横向钢架A2和第一竖向钢架A3构成第一封闭结构。
然后开挖第二区域B，并施作第二区域B的第二初期支护B1和第二临时钢架结构，第二初期支护B1与第一初期支护A1相连，第二初期支护B1由型钢钢架11、系统锚杆12、钢筋网13和喷砼14组合而成。第二临时钢架结构结构包括第二竖向钢架，第二竖向钢架的下端与第二初期支护B1连接，其上端与第一横向钢架A2相连，其与第一横向钢架A2的连接处位于第一竖向钢架A3与第一横向钢架A2连接处的正下方，第二竖向钢架的两端分别设置了钢架接头3。第二初期支护B1、第一横向钢架A2和第二竖向钢架构成第二封闭结构。
随后开挖第三区域C，并施作第三区域C的第三初期支护C1和第三临时钢架结构，第三初期支护C1与第一初期支护A1相连，第三初期支护C1由型钢钢架11、系统锚杆12、钢筋网13和喷砼14组合而成。第三临时钢架结构包括第三竖向钢架，第三竖向钢架的上端与第三初期支护C1相连，其下端与既有隧道衬砌相连，在连接处均设有钢架接头3。第三初期支护C1、第一竖向钢架A3、第三竖向钢架和既有隧道衬砌构成第三封闭结构。
然后开挖第四区域D，并施作第四区域D的第四初期支护D1和第四临时钢架结构，第四初期支护D1与第三初期支护C1相连，第四初期支护D1由型钢钢架11、系统锚杆12、钢筋网13和喷砼14组合而成。第四临时钢架结构包括第四横向钢架D2，第四横向钢架D2的两端分别与既有隧道衬砌和第四初期支护D1相连，第四横向钢架D2的两端设置钢架接头3，在与第四初期支护D1连接的第四横向钢架D2的钢架接头3处设置锁脚锚管4。第四初期支护D1、第三竖向钢架、既有隧道衬砌和第四横向钢架D2构成第四封闭结构。
最后开挖第五区域E，并施作第五区域E的第五初期支护E1，由第四横向钢架D2和第二竖向钢架构成第五区域E的临时钢架结构，由第五初期支护E1、第四横向钢架D2、第二竖向钢架和既有隧道衬砌构成第五封闭结构。
步骤三、扩挖隧道开挖完成后，第一初期支护A1、第二初期支护B1、第三初期支护C1、第四初期支护D1和第五初期支护E1封闭成环形成初期支护结构S，根据监控量测情况，待初期支护结构S变形稳定后，依次拆除临时钢架结构和破除既有隧道支护1。将第一横向钢架A2、第二横向钢架B2、第一竖向钢架A3、第三横向钢架C2和第四横向钢架D2拆除，并拆除既有隧道衬砌。
步骤四、在由第一初期支护A1、第二初期支护B1、第三初期支护C1、第四初期支护D1和第五初期支护E1封闭成环的初期支护结构S内侧铺设防水板5，浇筑扩挖隧道二衬结构6。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。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采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种复杂地质条件大跨隧道扩挖施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、利用既有隧道支护(1)，施作超前支护(2)；
步骤二、分区域开挖，并施作开挖区域的初期支护和临时钢架结构，在开挖区域周边形成受力条件较好的封闭结构；
当既有隧道的竖向中线与扩挖隧道的竖向中线重合时，将扩挖隧道分成五个开挖区域：位于既有隧道上方的第一区域(A)和第二区域(B)、位于既有隧道侧上方的第三区域(C)和第四区域(D)、由既有隧道一侧下方向下延伸至既有隧道另一侧下方的第五区域(E)，第三区域(C)位于第一区域(A)下方，第四区域(D)位于第二区域(B)下方，第五区域(E)位于第三区域(C)、第四区域(D)和既有隧道下方，步骤二按照第一区域(A)、第二区域(B)、第三区域(C)、第四区域(D)和第五区域(E)的顺序分区域开挖，并施作对应的初期支护和临时钢架结构，在开挖区域周边形成封闭结构；
首先开挖第一区域(A)，并施作第一区域(A)的第一初期支护(A1)和第一临时钢架结构，第一初期支护(A1)由型钢钢架(11)、系统锚杆(12)、钢筋网(13)和喷砼(14)组合而成；第一临时钢架结构包括第一横向钢架(A2)和第一竖向钢架(A3)，第一竖向钢架(A3)位于开挖隧道的竖向中线上，并在第一横向钢架(A2)和第一竖向钢架(A3)的两端设置钢架接头(3)，第一横向钢架(A2)、第一竖向钢架(A3)和第一初期支护(A1)构成第一封闭结构，并在与第一初期支护(A1)连接的第一横向钢架(A2)的钢架接头(3)处设置锁脚锚管(4)；
然后开挖第二区域(B)，并施作第二区域(B)的第二初期支护(B1)和第二临时钢架结构，第一初期支护(A1)与第二初期支护(B1)相连，第二初期支护(B1)由型钢钢架(11)、系统锚杆(12)、钢筋网(13)和喷砼(14)组合而成；第二临时钢架结构包括第二横向钢架(B2)，第二横向钢架(B2)与第一横向钢架(A2)对称设置，在第二横向钢架(B2)的两端设置钢架接头(3)，第二横向钢架(B2)、第一竖向钢架(A3)和第二初期支护(B1)构成第二封闭结构，并在与第二初期支护(B1)连接的第二横向钢架(B2)的钢架接头(3)处设置锁脚锚管(4)；
随后开挖第三区域(C)，并施作第三区域(C)的第三初期支护(C1)和第三临时钢架结构，第三初期支护(C1)与第一初期支护(A1)相连，第三初期支护(C1)由型钢钢架(11)、系统锚杆(12)、钢筋网(13)和喷砼(14)组合而成；第三临时钢架结构包括第三横向钢架(C2)，第三横向钢架(C2)的两端分别与既有隧道支护(1)和第三初期支护(C1)相连，在第三横向钢架(C2)的两端设置钢架接头(3)，第一横向钢架(A2)、第三初期支护(C1)、第三横向钢架(C2)和既有隧道衬砌构成第三封闭结构，在与第三初期支护(C1)连接的第三横向钢架(C2)的钢架接头(3)处设置锁脚锚管(4)；
然后开挖第四区域(D)，并施作第四区域(D)的第四初期支护(D1)和第四临时钢架结构，第四初期支护(D1)与第二初期支护(B1)相连，第四初期支护(D1)由型钢钢架(11)、系统锚杆(12)、钢筋网(13)和喷砼(14)组合而成；第四临时钢架结构包括第四横向钢架(D2)，第四横向钢架(D2)的两端分别与既有隧道支护(1)和第四初期支护(D1)相连，在第四横向钢架(D2)的两端设置钢架接头(3)，第二横向钢架(B2)、第四初期支护(D1)、第四横向钢架(D2)和既有隧道衬砌构成第四封闭结构，在与第四初期支护(D1)连接的第四横向钢架(D2)的钢架接头(3)处设置锁脚锚管(4)；第三横向钢架(C2)和第四横向钢架(D2)的内端分别与既有隧道衬砌的中部连接；
最后开挖第五区域(E)，并施作第五区域(E)的第五初期支护(E1)，由第三横向钢架(C2)和第四横向钢架(D2)构成第五区域(E)的临时钢架结构，由第五初期支护(E1)、第三横向钢架(C2)、第四横向钢架(D2)和既有隧道衬砌构成第五封闭结构；
步骤三、扩挖隧道开挖完成后，初期支护封闭成环，根据监控量测情况，待初期支护变形稳定后，依次拆除临时钢架结构和破除既有隧道支护(1)；
步骤四、在初期支护的内侧铺设防水板(5)，浇筑扩挖隧道二衬结构(6)。
2.根据权利要求1所述复杂地质条件大跨隧道扩挖施工方法，其特征在于，初期支护由型钢钢架(11)、系统锚杆(12)、钢筋网(13)和喷砼(14)组合而成。
3.根据权利要求1所述复杂地质条件大跨隧道扩挖施工方法，其特征在于，临时钢架结构包括横向钢架和竖向钢架，横向钢架和竖向钢架的两端均设有钢架接头(3)。
4.根据权利要求3所述复杂地质条件大跨隧道扩挖施工方法，其特征在于，与初期支护连接的横向钢架的钢架接头(3)处设有锁脚锚管(4)。
5.根据权利要求1或2或3或4所述复杂地质条件大跨隧道扩挖施工方法，其特征在于，当既有隧道的竖向中线与扩挖隧道的竖向中线不重合时，将扩挖隧道分成五个开挖区域：位于既有隧道侧方的第一区域(A)和第二区域(B)、位于既有隧道上方且与第一区域(A)相邻设置的第三区域(C)、位于既有隧道侧上方且与第三区域(C)相邻设置的第四区域(D)、位于第四区域(D)与既有隧道下方且与第二区域(B)相邻设置的第五区域(E)，第一区域(A)位于第二区域(B)上方，步骤二按照第一区域(A)、第二区域(B)、第三区域(C)、第四区域(D)和第五区域(E)的顺序分区域开挖，并施作对应的初期支护和临时钢架结构，在开挖区域周边形成封闭结构。
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