专利名称：一种隧道开挖施工方法
技术领域：
本发明涉及一种地铁隧道开挖施工方法，尤其涉及一种含渡线和停车线的地铁区间隧道的开挖施工方法。
背景技术：
目前用于地铁隧道开挖施工的主要方法包括盾构法和浅埋暗挖法。所谓浅埋暗挖法指的是在距离地表较近的地下进行各种类型地下洞室暗挖施工的一种方法。浅埋暗挖法沿用新奥法基本原理，初期支护按承担全部基本设计荷载，二次衬砌作为安全储备；初期支护和二次衬砌共同承担特殊荷载。应用浅埋暗挖法设计、施工时，同时采用多种辅助工法， 超前支护，改善加固围岩，调动围岩的自承能力；并采用不同的开挖方法及时支护、封闭成环，使其与围岩共同作用形成联合支护体系；在施工过程中通过监控量测、信息反馈和优化设计，实现不塌方、少沉降、安全施工等，并形成多种综合配套技术。浅埋暗挖法施工的地下洞室具有埋深浅(最小覆跨比可达0.幻、地层岩性差(通常为第四纪软弱地层)、存在地下水(需降低地下水位)、周围环境复杂(邻近既有建、构筑物)等特点。由于造价低、拆迁少、灵活多变、无须太多专用设备及不干扰地面交通和周围环境等特点，浅埋暗挖法在全国类似地层和各种地下工程中得到广泛应用。为保证城市轨道交通的正常合理运营，在沿线每隔3 5个车站加设停车线或渡线。设停车线有两个目的一是作为故障客车临时存放点；二是存放运营客车，缩短第二天开始运营时所产生的上、下行线运营时间。而设置渡线的目的是方便客车变更进路。对于设置停车线和渡线的区间，由于线型复杂，结构断面变化多，导致隧道开挖实施难度大。如果利用浅埋暗挖法进行隧道开挖施工，在该区间段的断面变化位置进行施工会存在很大的困难。一种比较常见的含渡线和停车线的地铁区间结构如图1所示，其中，虚线代表从地面向下俯视的隧道轮廓线，含渡线和停车线的地铁区间包括第一正线1(比如左线)、第二正线2 (比如右线)、停车线3、连接第一正线和停车线的渡线4、连接第二正线和停车线的渡线5。其中，一条正线用于上行、另一条正线用于下行，停车线用于故障客车或运营客车临时停车，渡线用于客车在正线和停车线之间变更进路。如图1所示，对于具有该线路结构的地铁区间，所要开挖的隧道包括第一正线隧道常规段11、第一正线隧道扩大段12、第二正线隧道常规段13、第二正线隧道扩大段14、渡线隧道段15，其中，第一正线隧道常规段11或第二正线隧道常规段13仅仅容纳单线的第一正线或第二正线，为单洞单线隧道；第一正线隧道扩大段12需要容纳第一正线、停车线、连接第一正线和停车线的渡线以及连接第二正线和停车线的渡线，该隧道段从最小断面处逐渐扩大到最大断面隧道段；第二正线隧道扩大段14需要容纳第二正线以及连接第二正线和停车线的渡线，该隧道段从最小断面处逐渐扩大到最大断面隧道段；渡线隧道段15需要容纳连接第二正线和停车线的渡线。如图1所示，利用浅埋暗挖法对含渡线和停车线的地铁区间隧道进行开挖施工的现有方法一般包括如下步骤(1)在第一正线区间段选择合适位置设置一号竖井6，并侧向开马头门，开挖第一横通道；第一横通道贯穿第一正线隧道常规段和第二正线隧道扩大段；(2)从第一横通道开挖第一正线隧道常规段，至第一正线隧道扩大段停止；(3)从第一横通道开挖第二正线隧道扩大段，至第二正线隧道常规段停止；(4)在第一正线区间段选择另一合适位置设置二号竖井7开挖第二横通道，第二横通道贯穿第一正线隧道扩大段和第二正线隧道常规段；(5)从第二横通道开挖第一正线隧道扩大段，至第一正线隧道常规段停止；(6)从第二横通道开挖第二正线隧道常规段，至第二正线隧道扩大段停止；(7)从第一正线隧道扩大段继续开挖渡线隧道段；其中，以上所述的各个步骤可同时进行，也可调换顺序先后进行。以上施工方法需要涉及由小断面逐渐过渡到大断面的变断面施工，这时需要采用小导洞先扩挖、再反向扩挖的迂回导坑法施工工艺。采用以上施工方法进行隧道开挖施工时，虽然横通道施工简便，但其不足包括 (1)需要设置多处竖井，施工工作量较大。(2)从小断面逐渐过渡到大断面的变断面施工难度较大，迂回导坑法中存在爬坡扩挖、破壁进洞、反序施工等多种不利工况。(3)采用的工法繁多，基本涵盖了交叉中隔壁法(CRD法)、眼镜工法、中洞法等暗挖法所有工法；且各断面之间工序转换复杂，临时初衬工程量大。(4)从小断面逐渐过渡到大断面，特别是到达最大断面隧道段，断面变化较剧烈，从而增加崩塌的风险。因此，需要发展出一种新的方法对含渡线和停车线的地铁区间隧道进行开挖施工。
发明内容
鉴于现有技术的一些缺陷，本发明提供一种隧道开挖施工方法，所要解决的技术问题是实现以自大而小收缩断面的方式对含渡线和停车线的地铁区间隧道进行开挖施工。在本发明所提供的地铁隧道开挖施工方法中，所要开挖的隧道包括第一正线隧道常规段、第一正线隧道扩大段、第二正线隧道常规段、第二正线隧道扩大段、最大断面隧道段，所述方法包括如下步骤S100.设置竖井并开挖横通道，横通道的位置与最大断面隧道段的位置相同，横通道在空间上包含最大断面隧道段；S200.在横通道的一侧断面上先开挖第二正线隧道扩大段，然后开挖第一正线隧道常规段；S300.在横通道的另一侧断面上先开挖第一正线隧道扩大段，然后开挖第二正线隧道常规段；其中，以上所述的第SlOO步骤首先进行，以上所述的第S200、S300步骤依次进行或者调换顺序依次进行；第SlOO步中所述的开挖横通道的具体实施步骤为S110.按横通道进洞轮廓线凿除竖井初衬，并同时设置“目”型横通道洞口环梁；S120.分上、中、下三个导洞进行横通道开挖施工。
本发明所提供的施工方法的关键之处在于，首先开挖最大断面隧道段，然后从最大断面隧道段由大断面向较小断面过渡，从而实现以自大而小收缩断面的方式对含渡线和停车线的地铁区间隧道进行开挖施工。本发明的有益技术效果是(1)只需设置一处竖井，施工工作量较小；( 全过程均由大断面向较小断面过渡，无需反扩施工，避免扩挖施工风险；(3)以自大而小收缩断面的方式对含渡线和停车线的地铁区间隧道进行开挖施工，避免采用迂回导坑法，工序简单， 临时初衬工程量小。
图1是现有技术中含渡线和停车线的地铁区间的结构及隧道开挖方法示意图。图2是本发明中地铁隧道开挖施工方法的示意图。图3是本发明中横通道开挖施工方法的正面示意图。图4是本发明中横通道开挖施工方法的侧面示意图。图5是本发明的横通道初衬结构示意图。图6是本发明的横通道二衬结构示意图。图7是本发明中由横通道进入常规段和扩大段的开挖施工方法的正面示意图。图中1-第一正线；2-第二正线；3-停车线；4-连接第一正线和停车线的渡线； 5-连接第二正线和停车线的渡线；6- —号竖井；7- 二号竖井；10-竖井；11-第一正线隧道常规段；12-第一正线隧道扩大段；13-第二正线隧道常规段；14-第二正线隧道扩大段； 15-渡线隧道段；16-最大断面隧道段；22-最终横通道的轮廓；23-横通道二衬；24-横通道初衬；25-拱顶超前支护；26-核心土 ；Ml-第一初衬隔板J42-第二初衬隔板；231-第一二衬隔板；232-第二二衬隔板；233-第三二衬隔板；31-扩大段洞口环梁；32-常规段洞口环梁。
具体实施例方式以下将结合附图对本发明的构思、具体步骤及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。如图2所示，在本发明所提供的地铁隧道开挖施工方法中，所要开挖的隧道包括第一正线隧道常规段11、第一正线隧道扩大段12、第二正线隧道常规段13、第二正线隧道扩大段14、最大断面隧道段16。因为本发明所提供的方法主要用于含渡线和停车线的地铁区间隧道的开挖施工，因此，此处所说的第一正线隧道常规段指的是仅仅容纳第一正线的隧道段；此处所说的第二正线隧道常规段指的是仅仅容纳第二正线的隧道段；此处所说的第一正线隧道扩大段指的是，为了同时容纳第一正线、停车线、连接第一正线和停车线的渡线、连接第二正线和停车线的渡线，比第一正线隧道常规段的断面明显增大，且断面具有自大而小变化的隧道段；此处所说的第二正线隧道扩大段指的是，为了同时容纳第二正线和连接第二正线和停车线的渡线，比第二正线隧道常规段的断面明显增大，且断面具有自大而小变化的隧道段；此处所说的最大断面隧道段指的是，为了实现正线、渡线和停车线的连接，在断面上可同时容纳正线、停车线、渡线，并由第一正线隧道常规段、第一正线隧道扩大段、第二正线隧道常规段、第二正线隧道扩大段的汇合形成的具有最大断面的隧道段。
本发明所提供的地铁隧道开挖施工方法包括如下步骤S100.设置竖井并开挖横通道，横通道的位置与最大断面隧道段的位置相同，横通道在空间上包含最大断面隧道段；S200.在横通道的一侧断面上先开挖第二正线隧道扩大段，然后开挖第一正线隧道常规段；S300.在横通道的另一侧断面上先开挖第一正线隧道扩大段，然后开挖第二正线隧道常规段；其中，以上所述的第SlOO步骤首先进行，以上所述的第S200、S300步骤依次进行或者调换顺序依次进行。如图2所示，在以上所说的第SlOO步中，横通道的位置就是所要开挖的最大断面隧道段16的位置，而竖井10则位于横通道的洞口位置；横通道在空间上包含最大断面隧道段，所指的是，横通道的断面完全将最大断面包含在内，使得在横通道的断面上能够开挖第一正线隧道常规段、第二正线隧道扩大段、第二正线隧道常规段和第一正线隧道扩大段。也就是说，横通道开挖完后，最大断面隧道段16的开挖也就完成了。在第SlOO步中所说的开挖横通道的一种优选的具体实施步骤可为S110.按横通道进洞轮廓线凿除竖井初衬，并同时设置“目”型横通道洞口环梁；S120.分上、中、下三个导洞进行横通道开挖施工。如图3所示，当竖井10施工完成后，需要在竖井侧壁上按照需要开挖的横通道的轮廓凿除相应位置的竖井初衬，需要注意的是，因为横通道开挖后需要设置初衬和二衬，所以在竖井侧壁上设置横通道的轮廓时需要包括最终横通道的轮廓22加上横通道二衬23 和横通道初衬24。凿除竖井初衬后，按照横通道初衬M的轮廓线设置横通道洞口环梁，即初始的钢筋混凝土环梁，以支撑竖井侧壁产生的部分压力；以上所说的横通道洞口环梁为 “目”型，所指的意思是在覆盖横通道初衬轮廓线的基础上，进一步增加两道横梁将横通道洞口环梁分成三个洞口，此种设计的目的是为了进一步能分为三个导洞开挖横通道。以上所说的初衬所指的是通过初期支护形成的钢筋混凝土层，起临时支护作用。 初期支护一般采用锚喷网结构形式，一般工序流程为开挖后初喷混凝土、系统支护施工 (锚杆、钢筋网、钢架)、复喷混凝土至设计厚度。以上所说的二衬所指的是通过二次衬砌形成的钢筋混凝土层，与初衬一起起永久支护的作用。在设置好横通道洞口环梁以后，便可以进行横通道开挖施工，本发明的一种优选的实施方式是分上、中、下三个导洞开挖横通道。因为此处为最大断面，如果直接整体开挖的话会使得容易崩塌，分上、中、下三个导洞开挖横通道便可以使得开挖如此高度的横通道更加安全。如图3和图4所示，进行横通道开挖施工的一种优选的具体实施步骤为S121.拱顶超前支护25 ；S122.上导洞上台阶开挖，并预留核心土 ；S123.上导洞拱部初期支护，去除核心土；S124.上导洞下台阶开挖；S125.上导洞仰拱初期支护；S126. 中导洞上台阶开挖，并预留核心土；S127.中导洞拱部初期支护，去除核心土；S128.中导洞下台阶开挖；S129.中导洞仰拱初期支护；S130.下导洞开挖；S131.下导洞初期支护。其中，以上所说的拱顶超前支护25指的是在上导洞开挖前在横通道的拱顶部分进行超前支护，超前支护的可利用超前大管棚或超前小导管，一般长2 3米，用于锚固前方围岩；也可以利用注浆加固围岩和堵截水。在进行横通道开挖施工的具体实施步骤中，比较优选的是，各导洞开挖超前长度为2 3m。在上述的进行横通道开挖施工的具体实施步骤中，上中两个导洞都采用台阶法施工，并预留核心土，可以很好的控制上导洞掌子面变形，避免由于开挖引起拱部及掌子面过大变形。当横通道开挖施工及相应的初期支护施工完成后，在横通道中便会形成一侧如图 5所示的“目”型横通道初衬M，该初衬体系从上至下包括第一初衬隔板241和第二初衬隔板242 ；也就是说，在进行横通道开挖施工中，所形成的横通道初衬从上至下包括第一初衬隔板和第二初衬隔板。在此基础上，需要继续进行横通道二次衬砌施工形成钢筋混凝土二衬，即横通道二衬；如图6和图7所示，在进行横通道开挖施工中，所形成的横通道二衬23 具有如下特点1)除了覆盖横通道初衬M的表面，横通道二衬23从上至下还包括第一二衬隔板 231、第二二衬隔板232、第三二衬隔板233，以有效改善横通道不对称结构受力状况，保证体系安全；其中，第一二衬隔板231位于第一初衬隔板241之上，第二二衬隔板232和第一初衬隔板241和第二初衬隔板242之间，第三二衬隔板233位于第二初衬隔板242之下；2)在横通道的一侧断面上，横通道二衬23留出第一正线隧道常规段和第二正线隧道扩大段的洞口，洞口位置不进行二衬施工；横通道的另一侧断面上，横通道二衬23留出第二正线隧道常规段和第一正线隧道扩大段的洞口，洞口位置不进行二衬施工。也就是说，横通道二衬浇筑时预留进入正线马头门的施工条件。横通道开挖施工及初期支护、二次衬砌施工完成后，需要在横通道的一侧断面上开挖第一正线隧道常规段，并开挖第二正线隧道扩大段；在横通道的另一侧断面上开挖第二正线隧道常规段，并开挖第一正线隧道扩大段。如图7所示，开挖第一正线隧道扩大段或者第二正线隧道扩大段的步骤如下S310.按第一正线隧道扩大段或者第二正线隧道扩大段进洞轮廓线凿除横通道初衬，拆除第一初衬隔板和第二初衬隔板；S320.洞口位置设置扩大段洞口环梁31，即初始的钢筋混凝土环梁，以有效改善洞口位置受力状态，同时满足分导洞进洞实施大断面渡线隧道条件。扩大段洞口环梁的特点是，除了覆盖洞口轮廓线之外，还设置一道横梁和两道竖梁将扩大段洞口环梁分成六个洞口，即预先设置开挖的六个导洞；另外，扩大段洞口环梁的横梁和竖梁与横通道的第一二衬隔板、第二二衬隔板和第三二衬隔板连接，形成整体受力体系，确保整个结构体系安全。S330.横通道二衬结构达到设计强度后，按扩大段洞口环梁预留导洞位置采用双侧壁导坑法分六个导洞进行开挖施工；随着隧道段开挖施工的进行，第一正线隧道扩大段或者第二正线隧道扩大段的轮廓线以自大而小收缩断面的方式进行。如图7所示，以上所说的采用双侧壁导坑法分六个导洞进行开挖施工的一种优选步骤为S331.同时开挖两侧上导洞，进行初期支护施工；S332.然后同时开挖两侧下导洞，进行初期支护施工；S333.开挖中间上导洞，进行初期支护施工；
S334.开挖中间下导洞，进行初期支护施工；S335.进行二衬施工；S336.拆除横通道的第二二衬隔板232 ；其中，两侧上导洞相对两侧下导洞的超前长度为2 : ；两侧下导洞相对中间上导洞的超前长度为2 : 冲间上导洞相对中间下导洞的超前长度为2 :3m。如图7所示，开挖第一正线隧道常规段或者第二正线隧道常规段的步骤如下S210.按第一正线隧道常规段或者第二正线隧道常规段进洞轮廓线凿除横通道初衬；S220.设置常规段洞口环梁32 ；S230.进行开挖施工。在本发明所提供的方法中，所涉及的步骤或子步骤，在某些情况下并无严格顺序限制。如果根据本领域的技术人员所熟知，在各种具体施工环境和不同的工程项目中，根据使用对象的区别和部分限制，为满足工程实际需要，本发明的步骤在子步顺序上可以有先后调换，并不影响本发明的效果。本发明通过上述方法和结构设计，使含渡线、停车线暗挖隧道实施取得良好效果。 本发明巧妙结合多种浅埋暗挖开挖方法和结构设置方法，构筑起互相联系的多道技术防线，多角度、多层次地切实确保实施安全，有效控制大断面隧道实施风险，在暗挖发实施地下空间技术领域有广阔的运用前景。应该理解，在本发明的权利要求书、说明书中，所有“包括……”均应理解为开放式的含义，也就是其含义等同于“至少含有……”，而不应理解为封闭式的含义，即其含义不应该理解为“仅包含……”。综上所述，本说明书中所述的只是本发明的几种较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的权利要求保护范围之内。
权利要求
1.一种地铁隧道开挖施工方法，其特征在于，所要开挖的隧道包括第一正线隧道常规段、第一正线隧道扩大段、第二正线隧道常规段、第二正线隧道扩大段、最大断面隧道段，所述方法包括如下步骤S100.设置竖井并开挖横通道，横通道的位置与最大断面隧道段的位置相同，横通道在空间上包含最大断面隧道段；S200.在横通道的一侧断面上先开挖第二正线隧道扩大段，然后开挖第一正线隧道常规段；S300.在横通道的另一侧断面上先开挖第一正线隧道扩大段，然后开挖第二正线隧道常规段；其中，以上所述的第SlOO步骤首先进行，以上所述的第S200、S300步骤依次进行或者调换顺序依次进行；第SlOO步中所述的开挖横通道的具体实施步骤为S110.按横通道进洞轮廓线凿除竖井初衬，并同时设置“目”型横通道洞口环梁；5120.分上、中、下三个导洞进行横通道开挖施工。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的进行横通道开挖施工的具体实施步骤为5121.拱顶超前支护；S122.上导洞上台阶开挖，并预留核心土；S123.上导洞拱部初期支护，去除核心土；S124.上导洞下台阶开挖；S125.上导洞仰拱初期支护；S126.中导洞上台阶开挖，并预留核心土；S127.中导洞拱部初期支护，去除核心土；S128.中导洞下台阶开挖；S129.中导洞仰拱初期支护；S130.下导洞开挖；S131.下导洞初期支护。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，各导洞开挖超前长度为2 :3m。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述的进行横通道开挖施工中，所形成的横通道初衬从上至下包括第一初衬隔板和第二初衬隔板。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，在所述的进行横通道开挖施工中，所形成的横通道二衬具有如下特点1)除了覆盖横通道初衬的表面，横通道二衬从上至下还包括第一二衬隔板、第二二衬隔板、第三二衬隔板；其中，第一二衬隔板位于第一初衬隔板之上，第二二衬隔板和第一初衬隔板和第二初衬隔板之间，第三二衬隔板位于第二初衬隔板之下；2)在横通道的一侧断面上，横通道二衬留出第一正线隧道常规段和第二正线隧道扩大段的洞口，洞口位置不进行二衬施工；在横通道的另一侧断面上，横通道二衬留出第二正线隧道常规段和第一正线隧道扩大段的洞口，洞口位置不进行二衬施工。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述的开挖第一正线隧道扩大段或者第二正线隧道扩大段的步骤如下S310.按第一正线隧道扩大段或者第二正线隧道扩大段进洞轮廓线凿除横通道初衬， 拆除第一初衬隔板和第二初衬隔板；S320.洞口位置设置扩大段洞口环梁，所述的扩大段洞口环梁的特点是除了覆盖洞口轮廓线之外，还设置一道横梁和两道竖梁将扩大段洞口环梁分成六个洞口，即预先设置开挖的六个导洞；另外，扩大段洞口环梁的横梁和竖梁与横通道的第一二衬隔板、第二二衬隔板和第三二衬隔板连接；S330.横通道二衬结构达到设计强度后，按扩大段洞口环梁预留导洞位置采用双侧壁导坑法分六个导洞进行开挖施工。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述的采用双侧壁导坑法分六个导洞进行开挖施工的步骤为5331.同时开挖两侧上导洞，进行初期支护施工；5332.然后同时开挖两侧下导洞，进行初期支护施工；5333.开挖中间上导洞，进行初期支护施工；5334.开挖中间下导洞，进行初期支护施工；5335.进行二衬施工；5336.拆除横通道的第二二衬隔板。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在采用双侧壁导坑法分六个导洞进行开挖施工的过程中，两侧上导洞相对两侧下导洞的超前长度为2 : ；两侧下导洞相对中间上导洞的超前长度为2 : ；中间上导洞相对中间下导洞的超前长度为2 :3m。
9.根据权利要求5所述的方法，其中，所述的开挖第一正线隧道常规段或者第二正线隧道常规段的步骤如下S210.按第一正线隧道常规段或者第二正线隧道常规段进洞轮廓线凿除横通道初衬； S220.设置常规段洞口环梁； S230.进行开挖施工。
全文摘要
本发明一种地铁隧道开挖施工方法，所要开挖的隧道包括第一正线隧道常规段、第一正线隧道扩大段、第二正线隧道常规段、第二正线隧道扩大段、最大断面隧道段，所述方法首先开挖最大断面隧道段，然后从最大断面隧道段由大断面向较小断面过渡，从而实现以自大而小收缩断面的方式对含渡线和停车线的地铁区间隧道进行开挖施工。本发明的有益技术效果是(1)只需设置一处竖井，施工工作量较小；(2)全过程均由大断面向较小断面过渡，无需反扩施工，避免扩挖施工风险；(3)以自大而小收缩断面的方式对含渡线和停车线的地铁区间隧道进行开挖施工，避免采用迂回导坑法，工序简单，临时初衬工程量小。
文档编号E21D9/14GK102155233SQ20111010080
公开日2011年8月17日 申请日期2011年4月21日 优先权日2011年4月21日
发明者张海波, 徐正良, 田海波, 黄爱军 申请人:上海市城市建设设计研究院