一种大断面软弱围岩隧道三台阶六部短距施工方法

技术领域

本发明涉及一种隧道的开挖施工方法，尤其涉及一种高速铁路大断面软弱地质围岩隧道三台阶六部短距施工方法。

背景技术

 近年来，国家加大西部地区铁路客运专线建设步伐，西部地区群山连绵，地质复杂。许多长大隧道数量增多，平均线路隧道长度占有量是全线的30%-70%。隧道洞身地质中Ⅳ、Ⅴ级围岩等级所占比重大，施工安全风险高。针对开挖断面为138m²-146m²的大开挖断面的软弱地质围岩铁路隧道，必须采取可靠的施工方法，才能确保隧道施工安全。

为了控制和降低铁路隧道施工安全事故，铁道部对仰拱与掌子面的距离要求越来越严格，《铁路隧道工程施工安全技术规程》（TB10304-2009）规定：IV级围岩不得超过50m，V级及以上围岩不得超过40m；《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》（TB10753-2010）主控项目规定初期支护应紧跟开挖及时施作，并应及早封闭成环，软弱围岩隧道IV、V、Ⅵ级围岩初期支护封闭位置距离掌子面不得大于35m。

针对大断面Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩地质铁路双线单洞隧道，在工期紧张和安全要求标准高的前提下，工法的安全性和可靠性需要进一步提高，因此有必要对台阶法施工进行进一步的研究和优化。

发明内容

本发明的目的是为了解决当前修建高速铁路大断面软弱围岩隧道时遇到的施工难题，提供一种新的施工方法，优化了传统三台阶分部流水作业技术，以解决现有技术工序复杂，工期进度缓慢的缺点，克服了软弱围岩自稳能力差、初期支护变形大等施工难题，有效的利用了资源，节约了成本，实现安全、快速、经济修建大断面隧道。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种大断面软弱围岩隧道三台阶六部短距施工方法，它主要包括以下步骤：

（1）环向开挖上部弧形导坑的上台阶，将上台阶开挖的土方转至下台阶；

（2）在上台阶滞后4.5～5m后，开挖中台阶左部，将开挖土方转至下台阶；

（3）在中台阶左部滞后3～4m后，开挖中台阶右部，将开挖的土方转至下台阶；

（4）在中台阶左部滞后6～8m或中台阶右部滞后3～4m后，开挖下台阶左部，将下台阶左部开挖的土方运输出洞外；

（5）在下台阶左部滞后3～4m后，开挖下台阶右部，将下台阶开挖的土方运输出洞外；

（6）在下台阶右部滞后20～25m后，开挖隧底剩余部分，最后按照上述步骤不断循环交错开挖，最终实现隧道开挖施工。

所述的步骤1中环向开挖上部弧形导坑的上台阶是利用上一循环架立的钢架施作隧道拱部Φ42超前小导管，在拱部超前支护后进行的。

所述的超前小导管采用Φ42mm、壁厚3.5mm的热轧无缝钢管，长3.5m，环向间距30-50cm，其纵向搭接长度不小于1m；超前小导管的钻孔外插角为10°～12°，钻孔方向顺直，钻孔直径为不小于45毫米；超前小导管安装于隧道拱部圆弧120°范围内，共38根，环向间距为40厘米，其纵向搭接长度不小于1米。

所述的上台阶开挖高度控制在3.5～3.7m，开挖后应及时施作部初期支护，即进行初喷4cm厚混凝土，挂钢筋网，钻设系统径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度。

所述的步骤2的中台阶左部开挖高度控制在3.3～4m，开挖后进行施作部初期支护，即进行初喷4cm厚混凝土，挂钢筋网，接长钢架，并设锁脚锚杆系统支护，钻设系统径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度。

所述的步骤3中的中台阶右部的开挖高度控制在3.3～3.5m，开挖后进行施作部初期支护，即进行初喷4cm厚混凝土，挂钢筋网，接长钢架，并设锁脚锚杆系统支护，钻设系统径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度。 

所述的锁脚锚杆系统支护是在钢架拱脚低部紧贴钢架两侧边沿按下倾角45°和60°打设两组锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架焊接牢固。

 所述的步骤4中的下台阶左部的开挖高度控制在3.0～3.3m。

所述的步骤5中的下台阶右部的开挖高度控制在3.0～3.3m。

所述的步骤6中隧底开挖后初喷4cm厚混凝土，安设仰拱钢架并与左右侧落地钢架焊接牢固，复喷混凝土至设计厚度，上面铺设仰拱栈桥，栈桥放在隧道中部。

本发明的有益效果是：本三台阶六部短距施工方法是在台阶法的基础上，基本原理结合了弧形导坑预留核心土法和三部台阶法的优点，满足了新奥法施工原理对围岩加强控制的要求，减少分部开挖次数，加快了初期支护早封闭的时间，特别该是拱部先期成环，侧墙初期支护能够尽早落底，有利于控制变形，避免了临时支护结构体系的转换，减少了施工过程中不安全因素。与现有大断面软弱围岩隧道施工技术相比具有如下优点与效果：

1、本发明与传统的施工方法相比，多个作业面可以平行作业，初期支护工序操作便捷，施工空间大，有利于机械化快速施工。

2、本发明适应性高，无需投入特殊设备，工艺简单，可操作性强。如出现围岩结构复杂多变、软硬围岩变化或其他条件发生变化时可以较为迅速的转换为其他工法进行施工。

3、本发明没有临时支护，避免了因拆除临时支护而造成的安全隐患，有效的规避了一定风险。

4、本发明设备购置费用、临时材料使用较低，一次性投入较少，节约了施工成本。

5、本发明前后六个不同的位置相互错开同时开挖，然后分部同时支护形成支护整体，缩短作业循环时间，逐步向纵深推进的作业，加快了施工进度，有效地节约了施工工期。

6、本发明可广泛适用于具有一定自稳条件的Ⅴ级或Ⅳ级软弱围岩大断面隧道，也可适用于浅埋或深埋的地质情况较好的大断面隧道。对于存在低瓦斯风险的隧道，也可应用本发明施工，断面空间大有助于通风换气。

附图说明

下面结合实施例附图对本发明进一步说明。

图1是本施工方法横断面示意图1；

图2是本施工方法横断面示意图2；

图3是本施工方法透视图；

图中：1、上台阶；2、中台阶左部；3、中台阶右部；4、下台阶左部；5、下台阶右部；6、遂底；7、锁脚锚杆；8、栈桥；9、仰拱。

具体实施方式

实施例1

大断面软弱围岩隧道三台阶六部短距施工方法，开挖断面分为三个台阶六个作业面，同时进行开挖、支护作业，仰拱及填充作业，各工序进度安排合理，二次衬砌及时跟进，上、中、下各台阶施工同步推进的施工，如图1、图2、图3所示，它主要包括以下步骤：

（1）环向开挖上部弧形导坑的上台阶1，将上台阶1开挖的土方转至下台阶；

（2）在上台阶1滞后4.5～5m后，开挖中台阶左部2，将开挖土方转至下台阶；

（3）在中台阶左部2滞后3～4m后，开挖中台阶右部3，将开挖的土方转至下台阶；

（4）在中台阶左部2滞后6～8m或中台阶右部3滞后3～4m后，开挖下台阶左部4，将下台阶左部4开挖的土方运输出洞外。

（5）在下台阶左部4滞后3～4m后，开挖下台阶右部5，将下台阶开挖的土方运输出洞外。

（6）在下台阶右部5滞后20～25m后，开挖隧底6剩余部分，最后按照上述步骤不断循环交错开挖，最终实现隧道开挖施工。

在总结了传统三台阶施工工法的经验基础上，施工采用三台阶六部短距开挖工法，将隧道整个开挖断面分为三个台阶六个作业面，上、中、下各台阶施工同步推进，弥补了CRD法或双侧壁导坑法等方法工序多、工期长、对围岩扰动次数多的不足，便于现场施工组织管理，且机械化程度高，缩短了工期，降低了施工成本。

实施例2

步骤1中环向开挖上部弧形导坑的上台阶1是利用上一循环架立的钢架施作隧道拱部Φ42超前小导管，在拱部超前支护后进行的。

    超前小导管采用Φ42mm、壁厚3.5mm的热轧无缝钢管，长3.5m，环向间距30-50cm，其纵向搭接长度不小于1m；超前小导管的钻孔外插角为10°～12°，可根据实际情况作调整。钻孔方向应顺直。钻孔直径为不小于45毫米；超前小导管安装于隧道拱部圆弧120°范围内，共38根，环向间距为40厘米，其纵向搭接长度不小于1米。

上台阶1开挖轮廓形状和断面尺寸应按照设计要求进行开挖轮廓线的放样，根据围岩情况预留一定的预留变形量，并根据量测结果进行分析，及时调整下一阶段同级围岩的预留变形量，以防止围岩的实际变形量超过预留变形量造成初期支护侵入二次衬砌。

上台阶1开挖高度控制在3.5～3.7m，开挖后应及时施作部初期支护，即进行初喷4cm厚混凝土，挂钢筋网，钻设系统径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度。

初期支护各工序为现有技术，其中本实施例中进行初喷4cm厚混凝土，用高压风自上而下吹净岩面，并埋设控制混凝土厚度的控制标志，如工作面滴水或淋水时，采用钻孔埋设盲管做好引排水，也可采用干喷形式快速封闭渗水岩面，喷射作业从拱脚或墙脚自下而上进行，作业时避免上部喷射回弹料虚埋拱（墙）脚，喷嘴与受喷岩面垂直，喷嘴与受喷岩面之间的距离保持在1.0～2.0m。

初喷之后立即进行施作径向锚杆，锚杆必须设垫板。系统锚杆设置情况：拱部采用带排气装置的φ25中空注浆锚杆，边墙采用Φ22砂浆锚杆，L=4.0m,间距(环1.2m x 1.0m)；钢筋网采用Φ8mm的HPB235钢制作，网格尺寸采用20cm×20cm，搭接长度为1～2个网格，网片之间采用焊接方式连接。钢筋网应与锚杆连接牢固，且钢筋保护层厚度不应小于4cm。

初期支护采用I20钢架，纵向间距为0.6m/榀（中至中），相邻钢架采用Φ22钢筋连接，间距1米，斜向内侧布置，并焊于钢架内翼缘处；安装前应清除底脚下的虚渣及杂物，钢架底脚应置于牢固的基础上。

    为保证钢架位置安设准确，钢架架设前均需预先打设定位系筋。系筋一端与钢架焊接在一起，另一端锚入围岩并用砂浆锚固。拼装钢架时，各节段的钢架间的连接板螺栓连接并密贴，严禁采用焊接。

然后进行第二次喷射初支混凝土施作，按照设计厚度利用原有部件如锚杆外露长度等，也可在钢拱架上焊接短钢筋，标出刻度，做为设计厚度标记。  喷射混凝土厚度每层不宜超过5～6cm，过大会削弱混凝土颗粒间的凝聚力，使喷层因自重过大而大片脱落，或使拱顶处喷层与围岩面形成空隙；过小，则粗骨料容易弹回。分次喷至设计厚度，两层喷射的时间间隔为15～20min。

为提高工效和保证质量，喷射作业应分片进行。为防止回弹物附着在未喷岩面上影响喷层与岩面间的粘结力，按照从下往上施喷，呈“S”形运动；喷前先找平受喷面的凹处，再将喷头成螺旋形缓慢均匀移动，保证混凝土表面平顺，无空鼓、裂缝、疏松，平整度应符合规范要求。

实施例3

步骤2的中台阶左部2开挖高度控制在3.3～4m，开挖后及时按实施例2所述方法进行施作部初期支护，即进行初喷4cm厚混凝土，挂钢筋网，接长钢架，并在钢架拱脚低部紧贴钢架两侧边沿按下倾角45°和60°打设锁脚锚杆7，锚杆长度为4m，每环为8根，锁脚锚杆7与钢架牢固焊接，增加拱脚支撑力。

步骤3中的中台阶右部3的开挖高度控制在3.3～4.0m，采用的方法与中台阶左部2开挖支护方式一样，在钢架拱脚低部紧贴钢架两侧边沿按下倾角45°和60°打设两组锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接。 

步骤4中的下台阶左部4的开挖高度控制在3.0～3.3m，采用的方法与中台阶左部2开挖支护方式一样，开挖进尺与各台阶循环进尺相一致，将下台阶开挖的土方运输出洞外。

步骤5中的下台阶右部5的开挖高度控制在3.0～3.3m，采用的方法与下台阶左部4开挖支护方式一样，开挖进尺与各台阶循环进尺相一致，将下台阶开挖的土方运输出洞外。

步骤6中的隧底6开挖后初喷4cm厚混凝土，安设仰拱9钢架并与左右侧落地钢架焊接牢固，复喷混凝土至设计厚度。为了不影响车辆进出，采用栈桥8过渡方案，及时施作仰拱9及仰拱9回填。

为了提高效率，将中下台阶分四部交错循环开挖，同时进行中台阶左右侧两个工作面拱架架立、挂钢筋网，下台阶左右侧开挖面人工修整、架立拱架、施作系统锚杆，中下台阶左右侧四个工作面喷射混凝土施工。中、下台阶开挖错开距离保持在3～5m范围内，有利于控制拱顶沉降和机械化施工，同时进行开挖、出碴、支护作业，提高施工效率实现快速掘进。

实施例4

本发明中步骤1～5中，各台阶分部开挖循环进尺应根据初期支护钢架间距确定，上台阶一般为0.6m，开挖每循环进尺为1榀拱架间距，并做好拱架锁脚处理，及时施作初期支护。中、下台阶左右侧部开挖进尺最大控制在1.2～1.6m的范围内，原则上是按照一榀一支护，并做好拱架锁脚锚杆的打设。

仰拱9基底开挖及初期支护要及时施作封闭成环，隧底开挖每循环进尺3～4榀拱架，仰拱施作端头与掌子面间距控制在35～40m，

实施例5

隧底6开挖采用全幅分段施工，上面铺设仰拱栈桥8，仰拱栈桥8长16～18m，单幅宽1.2m，每幅由4根Ⅰ36工字钢和防滑钢板焊成，栈桥8放在隧道中部。隧底6每循环开挖长度控制在2～3榀钢拱架间距。为保证施工安全，仰拱9初期支护和混凝土浇筑应及时施作，支护尽早闭合成环，整体受力，确保支护结构稳定。仰拱9混凝土应分段全幅浇筑，一次成型，不留纵向施工缝，仰拱施工缝和变形缝设置止水带。仰拱填充混凝土应在仰拱混凝土初凝后浇筑，浇筑前清除仰拱表面的杂物和积水，连续浇筑，一次成型，不留纵向施工缝。