专利名称：山岭软弱大跨隧道两台阶四步开挖支护的施工方法
技术领域：
本发明涉及一种山岭软弱大跨隧道开挖支护施工方法，具体涉及山岭软弱围岩、软硬互层有水围岩(V、VI级围岩)隧道的开挖支护施工方法。
背景技术：
软弱、软硬互层围岩具有地基承载力低、含水量大、粘结力差、开挖困难和易塌方等特点。我国现修建该类型隧道时，V、VI级围岩主要采用CRD法和双侧壁导坑法等工法，这类工法由于受山岭环境限制，不能很好地控制沉降变形，且分块小、工序多，全部为人工或小型机械作业，大型机械无法展开，工序交叉干挠大，施工进度慢。而单纯环形开挖预留核心土和三台阶七步开挖法存在开挖扰动次数多、围岩变形大和仰拱封闭时间长，且不适用于软弱及复杂地质隧道等缺点。目前针对山岭软弱大跨隧道开挖支护没有一套安全、简便的施工方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种山岭软弱大跨隧道两台阶四步开挖支护的施工方法，以克服现有技术存在的工序多、施工组织困难、工效低、施工进度慢、成本高，对围岩扰动次数多、围岩变形大和仰拱封闭时间长等不足。本发明的技术方案是山岭软弱大跨隧道采用两台阶四步(四步骤)开挖支护的施工方法为，在开挖前，洞口段先采用Φ 108mm大管棚进行超前支护，隧道洞身段，先采用
042mm小导管或Φ 108mm大管棚超前支护，然后隧道分上台阶环形开挖，下台阶左右开挖，根据软层、软硬互层围岩的特点，具体包括以下步骤具体包括以下四个步骤步骤一，上台阶预留核心土环形开挖与初期支护；步骤二，核心土开挖与初期支护；步骤三，下台阶左侧开挖与初期支护；步骤四，下台阶右侧开挖与初期支护。所述的在隧道开挖前，洞口段采用Φ 108mm大管棚进行超前支护，隧道洞身段采用Φ 42mm小导管或Φ 108mm大管棚进行超前支护；即采用Φ 108mm大管棚进行超前支护，长15 30m,环向间距40cm,夕卜插角2 3度,注I :1水泥衆,注衆压力O. 5 IMPa ;采用
042mm小导管超前支护，长3. 5 4m，环形间距30cm，纵向搭接长度不小于I. Om,外插角
10 15度，在无水地段注水水泥=1 1 (重量比)的单液水泥浆，在有水地段注水泥一7K玻璃双液浆(A浆液水水玻璃=8 1 (体积比)；B浆液水水泥=1 1 (重量比))，水玻璃模数为2. 4 2. 8，水玻璃浓度使用范围为30 45波美度，水泥、水玻璃浆体积比为I :I I :0. 3，初凝时间采用不同配合比来控制。所述的“步骤一，上台阶预留核心土环形开挖与初期支护”包括以下过程
第一，开挖①开挖时针对全土层采用反铲挖掘机开挖，在反铲挖掘机开挖时沿轮廓线预留20cm 土体，然后采用人工风镐进行开挖；②针对软硬互层围岩采用弱爆破，装载机装载出碴；③针对不同地层采用相应大管棚、小导管超前注浆加固措施后开挖开挖时预留核心土；第二，初期支护开挖后，进行拱部开挖初期支护，即安装拱部型钢或格栅钢架，相邻两榀型钢之间纵向钢筋采用双向直钩型在型钢内外缘交错焊接，钢筋网片相互之间搭接；在两侧拱脚处安设拱脚牛腿垫板，并各打设2根锁脚锚杆，拱部型钢、拱脚牛腿垫板的各节点之间均焊接连接板采用螺栓进行连接；进行拱部挂网喷射混凝土拱部支护。所述的“步骤二，核心土开挖与初期支护”，包括以下过程
第一，开挖挖除核心土 ；
第二，初期支护当临时仰拱底部软弱时，核心土开挖后，安装水平型钢横撑和中隔墙上型钢竖撑，采用螺栓连接，并在临时仰拱上喷射混凝土封闭层；当临时仰拱底遇硬层时，水平型钢横撑和中隔墙上型钢竖撑可滞后3 4m安设，遇有水时，则喷射混凝土封闭层。所述的“步骤三，下台阶左侧开挖与初期支护”，包括以下过程 第一，开挖沿左侧轮廓线开挖下台阶左侧土体，左侧土体和下面的仰拱一起开挖，每榀间距与拱部一致；
第二，初期支护安装左边墙型钢或格栅钢架、左仰拱型钢或格栅钢架，采用螺栓连接；相邻两榀型钢之间纵向钢筋采用双向直钩型在型钢内外缘交错焊接，钢筋网片相互之间搭接；安装中隔墙下型钢竖撑，进行左侧边墙挂网喷射混凝土左侧边墙支护和左侧仰拱挂网喷射混凝土左侧仰拱支护。所述的“步骤四，下台阶右侧开挖与初期支护”，包括以下过程
第一，开挖左右侧开挖支护距离为I倍洞径，沿右侧轮廓线开挖下台阶右侧土体，右侧土体和下面的仰拱一起开挖，每榀间距与拱部一致，同样的仰拱开挖沿右侧仰拱轮廓线进行，开挖长度与左侧保持一致；
第二，初期支护安装右边墙型钢或格栅钢架、右仰拱型钢或格栅钢架，采用螺栓连接，使拱部型钢、左边墙型钢、左仰拱型钢、右仰拱型钢、右边墙型钢连接为整体闭合成环，相邻两榀型钢之间纵向钢筋采用双向直钩型在型钢内外缘交错焊接，钢筋网片相互之间搭接；右侧边墙挂网喷射混凝土右侧边墙支护和右侧仰拱挂网喷射混凝土右侧仰拱支护；由此形成全断面封闭成环的初期支护；初期支护24小时后利用洞碴填筑仰拱形成通道，在施作仰拱防水及二衬混凝土时，清除仰拱上的洞碴。所述个步骤中拱部、边墙、仰拱支护可采用型钢或格栅钢架，水平横撑和中隔墙竖撑采用型钢，钢架及型钢牛腿等各节点之间均焊接连接板采用螺栓进行连接。本发明与现有技术相比具有以下有益效果
I)施工空间大，每一步均可引入大型施工机械，多作业面平行作业，工效高，很大程度上加快了施工进度。2)在地质结构复杂多变的隧道施工中，便于灵活、及时地调整施工方法，进度稳定，工期保障性强。3)适应不同跨度和多种断面形式，需要拆除的临时施工支护少，安全性高，同时节省投资。4)仰拱初支与边墙同步封闭成环，减少沉降，改善施工安全。5)解决了软塑地层地基承载力低情况下的沉降控制问题。6)无需投入特种设备，投入小，操作性强，易推广。
图I为本发明的施工顺序示意图，即上台阶预留核心土环形开挖。图I,为本发明的施工顺序示意图，即上台阶拱部初期支护。图2为本发明的施工顺序示意图，即核心土开挖。图2'为本发明的施工顺序示意图，即上台阶临时仰拱及中隔墙竖撑支护。图3为本发明的施工顺序示意图，即下台阶左侧开挖。图3'为本发明的施工顺序示意图，即下台阶左侧支护。图4为本发明的施工顺序示意图，即下台阶右侧开挖。图4'为本发明的施工顺序示意图，即下台阶右侧支护。 图5为本发明的四个施工步骤所涉及的全断面示意图。
具体实施例方式本发明具体实施例在隧道开挖前，洞口段采用OlOSmm大管棚进行超前支护；隧道洞身段采用Φ42mm小导管或OlOSmm大管棚进行超前支护；隧道开挖分上台阶环形开挖和下台阶左右开挖，具体包括以下四个步骤步骤一，上台阶预留核心土 2环形开挖与初期支护；步骤二，核心土 2开挖与初期支护；步骤三，下台阶左侧开挖与初期支护；步骤四，下台阶右侧开挖与初期支护。所述的超前支护，即在软弱、软硬互层隧道开挖前，洞口段采用OlOSmm大管棚进行超前支护，长15 30m，环向间距40cm，外插角2 3度；注I :1水泥浆，注浆压力O. 5 IMPa。隧道洞身段米用Φ42ι πι小导管(或Φ 108mm大管棚)超前支护，长3. 5 4m,环形间距30cm，纵向搭接长度不小于I. Om，外插角10 15度，在无水地段注单液水泥浆(水水泥=1 1 (重量比))；在有水地段注水泥一水玻璃双液浆(A浆液水水玻璃=8 1 (体积t匕)；B浆液水水泥=1 1 (重量比))，水玻璃模数为2. 4 2. 8，水玻璃浓度使用范围为30 45波美度，水泥、水玻璃浆体积比为I :1 I :0. 3，初凝时间采用不同配合比来控制。然后隧道分上台阶环形开挖，下台阶左右开挖。根据软层、软硬互层围岩的特点，具体包括以下步骤
步骤一，上台阶预留核心土 2环形开挖与初期支护，包括以下过程
第一，开挖①开挖时针对全土层采用反铲挖掘机开挖，在反铲挖掘机开挖时沿轮廓线I预留20cm 土体，然后采用人工风镐进行开挖。②针对软硬互层围岩采用弱爆破，装载机装载出碴。③针对不同地层采用相应大管棚、小导管超前注浆加固措施后开挖。④开挖时预留核心土 2。(见图I)
第二，初期支护开挖后，马上进行拱部开挖初期支护，即安装拱部型钢6 (或格栅钢架)，每榀拱部型钢6的间距O. 5 O. 75m，相邻两榀型钢之间纵向钢筋采用双向直钩型在型钢内外缘交错焊接间距为80cm。钢筋网片相互之间搭接长度大于30倍的钢筋直径。在两侧拱脚处安设拱脚牛腿垫板4，并各打设2根锁脚锚杆5，拱部型钢6、拱脚牛腿垫板4等各节点之间均焊接连接板采用螺栓进行连接。进行拱部挂网喷射混凝土拱部支护7，使混凝土厚度达到30cm。在基底软弱时，在两侧拱脚处安装扩大的拱脚牛腿垫板4 (即扩大垫板面积，对应的牛腿也加大)，并对临时仰拱喷射混凝土封闭层3。拱部型钢6、拱脚牛腿垫板4等各节点之间均焊接连接板采用螺栓进行连接。(见图P )步骤二，核心土 2开挖与初期支护，包括以下过程
第一，开挖在拱部开挖初期支护约4 6 m时(约O. 5倍洞径时)，开始挖除核心土2，核心土开挖进尺每次O. 5 I. 5 m(即I 2榀拱部型钢6的长度，每榀拱部型钢6的间距 O. 5 O. 75m。)。(见图 2)
第二，初期支护当临时仰拱底部软弱时，核心土 2开挖后，及时安装水平型钢横撑8和中隔墙上型钢竖撑9，采用螺栓连接；并在临时仰拱上喷射混凝土封闭层3，使混凝土厚度达到30cm。当临时仰拱底遇硬层时，水平型钢横撑8和中隔墙上型钢竖撑9可滞后3 4m安设，不喷射混凝土封闭层3，但是遇有水时，则要喷射混凝土封闭层3支护。(见图2’ )
步骤三，下台阶左侧开挖与初期支护，包括以下过程
第一，开挖在上台阶初期支护稳定的条件下及进尺约30m时，开始沿左侧轮廓线10开挖下台阶左侧土体，左侧土体和下面的仰拱一起开挖，左侧开挖长度为O. 5 I. 5 m(即I 2榀拱部型钢6的长度，每榀拱部型钢6的间距O. 5 O. 75m。)。每榀间距与拱部一致，同样的仰拱开挖沿左侧仰拱轮廓线11进行。(见图3)
第二，初期支护开挖尺寸满足要求后，先安装左边墙型钢12 (或格栅钢架)、左仰拱型钢14 (或格栅钢架)，采用螺栓连接。相邻两榀型钢之间纵向钢筋采用双向直钩型在型钢内外缘交错焊接间距为80cm。钢筋网片相互之间搭接长度大于30倍的钢筋直径。再安装中隔墙下型钢竖撑15，进行左侧边墙挂网喷射混凝土左侧边墙支护13和左侧仰拱挂网喷射混凝土左侧仰拱支护16，使混凝土厚度达到30cm。(见图3')
步骤四，下台阶右侧开挖与初期支护，包括以下过程
第一，开挖左右侧开挖支护距离为I倍洞径，即在左侧下台阶开挖支护达到8 12 m时(约I倍洞径后)，开始沿右侧轮廓线17开挖下台阶右侧土体，右侧土体和下面的仰拱一起开挖，右侧开挖长度为O. 5 I. 5 m (即I 2榀拱部型钢6的长度，每榀拱部型钢6的间距O. 5 O. 75m。)。每榀间距与拱部一致，同样的仰拱开挖沿右侧仰拱轮廓线18进行，开挖长度与左侧保持一致。(见图4)
第二，初期支护开挖尺寸满足要求后，安装右边墙型钢19 (或格栅钢架)、右仰拱型钢21(或格栅钢架)，采用螺栓连接。使拱部型钢6、左边墙型钢12、左仰拱型钢14、右仰拱型钢 21、右边墙型钢19连接为整体闭合成环，相邻两榀型钢之间纵向钢筋采用双向直钩型在型钢内外缘交错焊接间距为80cm。钢筋网片相互之间搭接长度大于30倍的钢筋直径。进行右侧边墙挂网喷射混凝土右侧边墙支护20和右侧仰拱挂网喷射混凝土右侧仰拱支护22，使混凝土厚度达到30cm。由此形成全断面封闭成环的初期支护。初期支护24小时后(封闭后)利用洞碴填筑仰拱形成通道，在施作仰拱防水及二衬混凝土时，清除仰拱上的洞碴。(见图4')
重复上述开挖前先超前支护，然后按4个步骤进行开挖和初期支护，完成整个隧道开挖工序施工。
权利要求
1.一种山岭软弱大跨隧道两台阶四步开挖支护的施工方法，其特征在于在隧道开挖前，洞口段采用OlOSmm大管棚进行超前支护；隧道洞身段采用Φ42πιπι小导管或Φ 108mm大管棚进行超前支护；隧道开挖分上台阶环形开挖和下台阶左右开挖，具体包括以下四个步骤步骤一，上台阶预留核心土(2)环形开挖与初期支护；步骤二，核心土(2)开挖与初期支护；步骤三，下台阶左侧开挖与初期支护；步骤四，下台阶右侧开挖与初期支护。
2.根据权利要求I所述的山岭软弱大跨隧道两台阶四步开挖支护的施工方法，其特征在于所述的在隧道开挖前，洞口段采用Φ 108mm大管棚进行超前支护，隧道洞身段采用Φ42mm小导管或Φ 108mm大管棚进行超前支护；即采用Φ 108mm大管棚进行超前支护，长15 30m,环向间距40cm,夕卜插角2 3度,注I :1水泥衆,注衆压力O. 5 IMPa ;采用Φ42πιπι小导管超前支护，长3. 5 4m，环形间距30cm，纵向搭接长度不小于I. 0m，外插角10 15度，在无水地段注单液水泥浆，在有水地段注水泥一水玻璃双液浆，水玻璃模数为2.4 2. 8，水玻璃浓度使用范围为30 45波美度，水泥、水玻璃浆体积比为I :1 I :0. 3，初凝时间采用不同配合比来控制。
3.根据权利要求I所述的山岭软弱大跨隧道两台阶四步开挖支护的施工方法，其特征在于所述的“步骤一，上台阶预留核心土(2)环形开挖与初期支护”包括以下过程 第一，开挖①开挖时针对全土层采用反铲挖掘机开挖，在反铲挖掘机开挖时沿轮廓线(I)预留20cm 土体，然后采用人工风镐进行开挖；②针对软硬互层围岩采用弱爆破，装载机装载出碴；③针对不同地层采用相应大管棚、小导管超前注浆加固措施后开挖；④开挖时预留核心土(2)； 第二，初期支护开挖后，进行拱部开挖初期支护，即安装拱部型钢(6)或格栅钢架，相邻两榀型钢之间纵向钢筋采用双向直钩型在型钢内外缘交错焊接，钢筋网片相互之间搭接；在两侧拱脚处安设拱脚牛腿垫板(4)，并各打设2根锁脚锚杆(5)，拱部型钢(6)、拱脚牛腿垫板(4)的各节点之间均焊接连接板采用螺栓进行连接；进行拱部挂网喷射混凝土拱部支护(7)。
4.根据权利要求I所述的山岭软弱大跨隧道两台阶四步开挖支护的施工方法，其特征在于所述的“步骤二，核心土(2)开挖与初期支护”，包括以下过程 第一，开挖挖除核心土(2)； 第二，初期支护当临时仰拱底部软弱时，核心土(2)开挖后，安装水平型钢横撑(8)和中隔墙上型钢竖撑(9)，采用螺栓连接，并在临时仰拱上喷射混凝土封闭层(3);当临时仰拱底遇硬层时，水平型钢横撑(8)和中隔墙上型钢竖撑(9)可滞后3 4m安设，遇有水时，则喷射混凝土封闭层(3)。
5.根据权利要求I所述的山岭软弱大跨隧道两台阶四步开挖支护的施工方法，其特征在于所述的“步骤三，下台阶左侧开挖与初期支护”，包括以下过程 第一，开挖沿左侧轮廓线(10)开挖下台阶左侧土体，每榀间距与拱部一致； 第二，初期支护安装左边墙型钢(12)或格栅钢架、左仰拱型钢(14)或格栅钢架，采用螺栓连接；相邻两榀型钢之间纵向钢筋采用双向直钩型在型钢内外缘交错焊接，钢筋网片相互之间搭接；安装中隔墙下型钢竖撑(15)，进行左侧边墙挂网喷射混凝土左侧边墙支护(13)和左侧仰拱挂网喷射混凝土左侧仰拱支护(16)。
6.根据权利要求I所述的山岭软弱大跨隧道两台阶四步开挖支护的施工方法，其特征在于所述的“步骤四，下台阶右侧开挖与初期支护”，包括以下过程 第一，开挖左右侧开挖支护距离为I倍洞径，沿右侧轮廓线(17)开挖下台阶右侧土体，每榀间距与拱部一致，同样的仰拱开挖沿右侧仰拱轮廓线(18)进行，开挖长度与左侧保持一致； 第二，初期支护安装右边墙型钢(19)或格栅钢架、右仰拱型钢(21)或格栅钢架，采用螺栓连接，使拱部型钢(6)、左边墙型钢(12)、左仰拱型钢(14)、右仰拱型钢(21)、右边墙型钢(19)连接为整体闭合成环，相邻两榀型钢之间纵向钢筋采用双向直钩型在型钢内外缘交 错焊接，钢筋网片相互之间搭接；右侧边墙挂网喷射混凝土右侧边墙支护(20)和右侧仰拱挂网喷射混凝土右侧仰拱支护(22);由此形成全断面封闭成环的初期支护；初期支护24小时后利用洞碴填筑仰拱形成通道，在施作仰拱防水及二衬混凝土时，清除仰拱上的洞碴。
全文摘要
本发明公开了一种山岭软弱大跨隧道两台阶四步开挖支护的施工方法，在隧道开挖前，洞口段采用Φ108mm大管棚进行超前支护；隧道洞身段采用Φ42mm小导管或Φ108mm大管棚进行超前支护；隧道开挖分上台阶环形开挖和下台阶左右开挖，具体包括以下四个步骤步骤一，上台阶预留核心土(2)环形开挖与初期支护；步骤二，核心土(2)开挖与初期支护；步骤三，下台阶左侧开挖与初期支护；步骤四，下台阶右侧开挖与初期支护。本发明解决了现有技术存在工序多、施工组织困难、工效低，仰拱封闭时间长，围岩变形大等不足。
文档编号E21D9/01GK102926757SQ20121032796
公开日2013年2月13日 申请日期2012年9月7日 优先权日2012年9月7日
发明者李永毅 申请人:中铁五局(集团)有限公司