专利名称：一种软弱围岩隧道交叉口弧形导坑施工方法
技术领域：
本发明涉及一种软弱围岩隧道交叉口弧形导坑施工方法。
背景技术：
随着我国国民经济和技术的发展，我国交通等基础建设迎来了新的发展高峰期，铁路、公路等交通工程发展迅速。当前铁路、公路等工程，为满足场地、工期和环境保护等的需要，隧道施工中大量采用交叉隧洞施工的情况。在隧洞的交叉洞段施工中，后施工洞的开挖常常引起先施工洞的围岩和结构的扰动，影响先施工洞的稳定性，甚至导致先期施工洞结构的失稳破坏。同样，后建洞结构的环境是先期已建隧道施工所引起的二次应力场，先建隧道的施工对后建隧道的稳定性同样至关重要，因此，交叉隧洞施工中，两洞的影响是相互的，要保证交叉隧道的稳定性，需要系统分析围岩和交叉隧道施工的相互影响，合理安排施工顺序。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种软弱围岩隧道交叉口弧形导坑施工方法，解决了上述问题。本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的:一种软弱围岩隧道交叉口弧形导坑施工方法，其特征在于:由以下步骤组成:(I)横洞洞口开挖及支护；(2)实施做超前大管棚；(3)横洞洞身开挖以及支护；(4)横洞仰拱施工以及底板施工；(5)交叉口门洞施工；(6)弧形导坑直接挑顶式开挖以及支护；(7)正洞上导拱架安装及支护；(8)拆除弧形导坑临时支护；(9)台阶法实施正洞开挖支护；(10)施做横洞洞身衬砌钢筋砼；(11)正洞开挖支护并加临时仰拱；(12)施做正洞仰拱,并加临时横撑；(13)施做交叉口正洞仰拱；(14))施做交叉口衬砌钢筋砼；(15)转入正洞正常施工。所述的大管棚直接于横洞洞口拱部打设一环，管棚环向间距0.5m,每根20m长，对横洞及交叉口部分实施超前加固。所述横洞采用台阶法施工，钢拱架支护；过渡段钢拱架采用扇形布置；该扇形部分钢拱架基础采用C30钢筋混凝土扩大基础，拱脚直接埋入混凝土内。交叉口横洞部分短边3m范围内，初期支护厚度增加到35cm，以增加交叉口部分的承载力。所述全部的横洞增置仰拱，及时封闭成环；当仰拱开挖时，对掌子面进行挂网，并喷射IOcm厚C20砼封闭。所述在横洞与正洞交叉口段设置门架，门架法线与正洞中心线平行，在此门架上焊接型钢横梁，并在横梁两端螺栓连接型钢立柱，为正洞钢架提供落脚平台。所述横洞进入正洞采用弧形导坑，弧形导坑支护采用临时钢拱架支护，横向临时钢拱架设置在正洞钢拱架上方，弧形导坑开挖面控制在正洞开挖面上30cm，初期支护作为永久性防护。所述弧形导坑施工完成后，开始正洞上台阶支护，安装正洞钢拱架，正洞钢拱架基础支撑在岩体或横洞门架横梁上，异型拱架长度及弧形作相应调整。所述弧形导坑临时支护及正洞3.5m范围上台阶支护完成后，拆除弧形导坑竖向临时钢拱架，转入正洞施工；所述的正洞施工采取台阶法预留核心土法施工，先由弧形导坑位置向小里程方向施工至横洞短边，完成上台阶初期支护，左右错开落下台阶，完成下台阶初期支护；再向大里程方向施工至横洞长边，完成上台阶初期支护，左右错开落下台阶，完成下台阶初期支护；交叉口正洞部分作业空间提供后，及时施工交叉口横洞部分衬砌，并保证距正洞上台阶掌子面距离不超过25m。正洞开挖支护采用台阶法加临时仰拱，上台阶施工完成25m形成作业空间后，暂停上台阶施工，进行中台阶开挖、支护，把上台阶拱架接至中台阶，中台阶施工距上台阶5m距离时，暂停中台阶施工，进行下台阶开挖、支护，把拱架接至下台阶，形成三台阶法施工。所述的正洞仰拱开挖支护采取加临时横撑，下台阶施工距中台阶5m距离时，停止洞身开挖，分部进行仰拱、填充混凝土施工；交叉口正洞仰拱开挖支护从大里程向小里程方向施工，每次开挖5榀钢拱架，开挖后加临时横撑，及时封闭成环；交叉口正洞部分仰拱施作完毕后，立即施作交叉口正洞部分衬砌。所述的横洞施工时，要设置隧底仰拱；交叉口挑顶完毕后，直接进入正洞施工，应优先施作横洞及交叉口段正洞洞身衬砌。本发明的有以下有益效果:本发明软弱围岩隧道交叉口施工采取弧形导坑直接挑顶的方案，较传统的渐变喇叭口挑顶方案和小导洞转弯挑顶方案存在如下优势:(I)弧形导坑施工断面比正洞开挖断面要小的多，同时避免了软弱围岩换拱存在的安全隐患，安全系数高。(2)弧形导坑临时支护采用钢拱架支护，拱部拱架一次性安装在正洞断面上方，不再拆除，立柱拱架正洞施工时拆除。临时工程量小，施工成本低。(3)交叉口挑顶完成后直接形成正洞三台阶作业的工况，施工效率高。(4)交叉口横洞不爬坡，正洞异型拱架受力效果好。在沪昆客专贵州段高家屯隧道1#横洞采用软弱围岩隧道弧形导坑施工技术后，改善了开挖后隧道围岩的受力状况，减小了隧道的变形和位移，节省了工期，取得了显著的经济和社会效益。隧道交叉口施工的经济效益主要分为两部分，一是交叉口进主洞的临时支护和拆除费用，二是节省工期的费用。由于传统渐变喇叭口进洞一般需提前扩大横洞断面，因此主洞部分需额外增加钢架支护费用，采用弧形导坑法施工与传统渐变喇叭口法相t匕，交叉口进主洞的临时支护和拆除费用约节省51.3万元，本工法在高家屯隧道1#横洞仅用42天就完成交叉口处理，比传统渐变喇叭口进洞约节约18天，节省费用约34.2万元，共计节省费用约85.5万元。由于高家屯隧道为沪昆客专贵州段控制性工程，通过采用软弱围岩隧道弧形导坑施工技术减少了关键线路的工期，为沪昆客专的正常通车提供了保障，取得较好的社会效益。
图1本发明施工工艺流程2本发明横洞拱架扇形过渡平面3本发明横洞门架结构示意4本发明横洞交叉口弧形导坑施工示意5本发明横洞交叉口弧形导坑支护示意6本发明横洞转入正洞后施工图如图所示，1-过渡段钢拱架，2-弧形导坑，3-正洞钢拱架横梁，4-正洞钢拱架落脚点，5-内轨顶，6-横洞钢拱架，7-横洞衬砌混凝土，8-坑底面，9-弧形导坑支柱，10-正洞上台阶拱架，11-正洞开挖线，12-交叉口正洞衬砌混凝土，13-弧形导坑最高拱顶线
具体实施例方式如图1-6所示，交叉口施工方案包括三部分，分别为交叉口横洞部分施工方案、交叉口正洞部分施工方案、正洞施工方案。根据隧道横洞交叉口段软弱围岩、浅埋偏压的特点，通过对比分析渐变喇叭口挑顶法、交叉口横洞爬坡直接挑顶法等施工方法的优缺点和适用范围，提出弧形导坑法直接挑顶，不转弯直接进入主洞的施工方法。通过优化横洞施工方案；结合交叉口工字钢门架结构支撑体系；采用弧形导坑法施工交叉口，并形成正洞三台阶施工工况，确保了隧道横洞安全、顺利、快速的通过了交叉口段施工。交叉口横洞部分施工案:(I)超前支护:由于横洞洞身长度较短，直接于横洞洞口拱部打设一环Φ108大管棚，管棚环向间距0.5m,每根20m长，共计26根，对横洞及交叉口部分实施超前加固。(2)钢拱架:横洞采用台阶法施工，120钢拱架支护，拱架间距60cm。过渡段钢拱架采用扇形布置，其中短边长7m，长边长14m。横洞短边钢拱架间距40cm，长边10榀钢拱架间距100cm，8榀钢拱架间距60cm。扇形部分钢拱架基础采用C30钢筋混凝土扩大基础，拱脚直接埋入混凝土内。水沟侧钢拱架扩大基础加深30cm，以消除水沟对拱架基础的影响。(3)初支混凝土:交叉口横洞部分短边3m范围内(对应长边长度4.Sm)，初期支护厚度增加到35cm，以增加交叉口部分的承载力。(4)仰拱施工:全横洞增置仰拱，及时封闭成环，以增加支护的整体性，并限制横洞的位移。当仰拱开挖时，对掌子面进行挂网，网片采用Φ8圆钢，网格间距20CmX20Cm，喷射IOcm厚C20砼封闭。(5)衬砌混凝土:衬砌混凝土厚度40cm，采用C30钢筋混凝土。衬砌钢筋内外主筋采用Φ 22螺纹钢，纵向间距20cm，环向单肢箍筋采用Φ 14螺纹钢，间距250mm。(6)门架结构:为解决交叉口正洞上导钢拱架落脚的问题，在横洞与正洞交叉口段设置门架，为正洞钢架提供落脚平台。在横洞与正洞交叉口段，架立3榀I20a钢拱架，钢拱架法线与正洞中心线平行，在此钢拱架上焊接I25a型钢横梁，并在横梁两端螺栓连接I25a型钢立柱，为正洞钢架提供落脚平台。如图3所示。(7)排水措施通过在掌子面附近设置集水井，安排2 4台大功率抽水泵将水抽到横洞排水沟内，通过排水沟将水排出洞外。交叉口正洞部分施工方案(I)弧形导坑施工:横洞进入正洞采用弧形导坑，钻爆法施工，挖掘机扒碴，个别部位人工持风镐修面。弧形导坑断面3.5m(宽)X4m(高)，导坑支护采用临时钢拱架支护，横向临时钢拱架设置在正洞钢拱架上方，弧形导坑开挖面控制在正洞开挖面上30cm，初期支护作为永久性防护。钢拱架型号118，间距lm，竖向拱架基础支撑在岩体上，详见图4、图5。(2)交叉口正洞上台阶支护:弧形导坑施工完成后，开始正洞上台阶支护，可以安装7榀正洞钢拱架(钢拱架间距60cm)，左侧正洞拱架基础支撑在岩体上，右侧正洞拱架基础支撑在横洞门架横梁上，右侧异型拱架长度及弧形作相应调整。(3)转入正洞施工:弧形导坑临时支护及正洞3.5m范围上台阶支护完成后，拆除弧形导坑竖向临时钢拱架，转入正洞施工。正洞采取台阶法预留核心土法施工，先由弧形导坑位置向小里程方向施工至横洞短边，完成上台阶初期支护，左右错开落下台阶，完成下台阶初期支护。再向大里程方向施工至横洞长边，完成上台阶初期支护，左右错开落下台阶，完成下台阶初期支护。(4)交叉口横洞部分衬砌施工:交叉口正洞部分作业空间提供后，及时施工交叉口横洞部分衬砌，保证距正洞上台阶掌子面距离不超过25m。正洞施工方案，见图6:(I)正洞开挖支护:正洞开挖支护采用台阶法加临时仰拱，确保开挖后空间的横向稳定性。上台阶施工完成25m左右形成作业空间后，暂停上台阶施工，进行中台阶开挖、支护，把上台阶拱架接至中台阶。中台阶施工距上台阶5m距离时，暂停中台阶施工，进行下台阶开挖、支护，把拱架接至下台阶，形成三台阶法施工。(2)正洞仰拱开挖支护:正洞仰拱开挖支护采取加临时横撑，确保开挖后空间的横向稳定性。下台阶施工距中台阶5m距离时，停止洞身开挖，分部进行仰拱、填充混凝土施工。(3)交叉口正洞仰拱开挖支护:交叉口正洞仰拱开挖支护从大里程向小里程方向施工(大里程方向已成成环)，每次开挖5榀钢拱架，开挖后加临时横撑，及时封闭成环。(4)交叉口正洞部分衬砌:交叉口正洞部分仰拱施作完毕后，立即施作交叉口正洞部分衬砌，交叉口衬砌段长11.2m，台车能满足要求。施工要点:(I)在浅埋偏压的情况下，横洞施工时，一定要设置隧底仰拱，以有效限制横洞的位移。(2)因横洞与正洞交叉角较小，在进行弧形导坑开挖及出碴作业时，挖掘机无法正常旋转，考虑到安全及机械作业的需要，在具备条件的情况下可将弧形导坑的宽度调整为4 4.5m。 (3)交叉口挑顶完毕后，直接进入正洞施工，应优先施作横洞及交叉口段正洞洞身衬砌。(4)施工中要高度重视监控量测工作，并预留足够的变形量。(5)加强交叉口处初期支护质量，尤其是交叉口处工字钢门架，测量放线时要精确，保证门架垂直，不得侵限。(6)注意控制台阶长度，每台阶长度不宜大于5m ;同时仰拱、衬砌及时跟进，确保
施工安全。(7)掌子面有水时，应加强掌子面的引排水，避免侵泡基础。
权利要求
1.一种软弱围岩隧道交叉口弧形导坑施工方法，其特征在于:由以下步骤组成:(1)横洞洞口开挖及支护；(2)实施做超前大管棚；(3)横洞洞身开挖以及支护；(4)横洞仰拱施工以及底板施工；(5)交叉口门洞施工；(6)弧形导坑直接挑顶式开挖以及支护；(7)正洞上导拱架安装及支护；(8)拆除弧形导坑临时支护；(9)台阶法实施正洞开挖支护；(10)施做横洞洞身衬砌钢筋砼；(11)正洞开挖支护并加临时仰拱；(12)施做正洞仰拱，并加临时横撑；(13)施做交叉口正洞仰拱；(14))施做交叉口衬砌钢筋砼；(15)转入正洞正常施工。
2.如权利要求1所述的软弱围岩隧道交叉口弧形导坑施工方法，其特征在于:所述的大管棚直接于横洞洞口拱部打设一环，管棚环向间距0.5m,每根20m长，对横洞及交叉口部分实施超前加固。
3.如权利要求1所述的软弱围岩隧道交叉口弧形导坑施工方法，其特征在于:所述横洞采用台阶法施工，钢拱架支护；过渡段钢拱架采用扇形布置；该扇形部分钢拱架基础采用C30钢筋混凝土扩大基础，拱脚直接埋入混凝土 内； 交叉口横洞部分短边3m范围内，初期支护厚度增加到35cm，以增加交叉口部分的承载力。
4.如权利要求3所述的软弱围岩隧道交叉口弧形导坑施工方法，其特征在于:所述全部的横洞增置仰拱，及时封闭成环；当仰拱开挖时，对掌子面进行挂网，并喷射IOcm厚C20砼封闭。
5.如权利要求1所述的软弱围岩隧道交叉口弧形导坑施工方法，其特征在于:所述在横洞与正洞交叉口段设置门架，门架法线与正洞中心线平行，在此门架上焊接型钢横梁，并在横梁两端螺栓连接型钢立柱，为正洞钢架提供落脚平台； 所述横洞进入正洞采用弧形导坑，弧形导坑支护采用临时钢拱架支护，横向临时钢拱架设置在正洞钢拱架上方，弧形导坑开挖面控制在正洞开挖面上30cm，初期支护作为永久性防护。
6.如权利要求1所述的软弱围岩隧道交叉口弧形导坑施工方法，其特征在于:所述弧形导坑施工完成后，开始正洞上台阶支护，安装正洞钢拱架，正洞钢拱架基础支撑在岩体或横洞门架横梁上，异型拱架长度及弧形作相应调整。
7.如权利要求1所述的软弱围岩隧道交叉口弧形导坑施工方法，其特征在于:所述弧形导坑临时支护及正洞3.5m范围上台阶支护完成后，拆除弧形导坑竖向临时钢拱架，转入正洞施工； 所述的正洞施工采取台阶法预留核心土法施工，先由弧形导坑位置向小里程方向施工至横洞短边，完成上台阶初期支护，左右错开落下台阶，完成下台阶初期支护；再向大里程方向施工至横洞长边，完成上台阶初期支护，左右错开落下台阶，完成下台阶初期支护； 交叉口正洞部分作业空间提供后，及时施工交叉口横洞部分衬砌，并保证距正洞上台阶掌子面距离不超过25m。
8.如权利要求1所述的软弱围岩隧道交叉口弧形导坑施工方法，其特征在于:正洞开挖支护采用台阶法加临时仰拱，上台阶施工完成25m形成作业空间后，暂停上台阶施工，进行中台阶开挖、支护，把上台阶拱架接至中台阶，中台阶施工距上台阶5m距离时，暂停中台阶施工，进行下台阶开挖、支护，把拱架接至下台阶，形成三台阶法施工。
9.如权利要求1所述的软弱围岩隧道交叉口弧形导坑施工方法，其特征在于:所述的正洞仰拱开挖支护采取加临时横撑，下台阶施工距中台阶5m距离时，停止洞身开挖，分部进行仰拱、填充混凝土施工； 交叉口正洞仰拱开挖支护从大里程向小里程方向施工，每次开挖5榀钢拱架，开挖后加临时横撑，及时封闭成环； 交叉口正洞部分仰拱施作完毕后，立即施作交叉口正洞部分衬砌。
10.如权利要求1所述的软弱围岩隧道交叉口弧形导坑施工方法，其特征在于:所述的横洞施工时，要设置隧底仰拱； 交叉口挑顶完 毕后，直接进入正洞施工，应优先施作横洞及交叉口段正洞洞身衬砌。
全文摘要
本发明公开了一种软弱围岩隧道交叉口弧形导坑施工方法，其特征在于由以下步骤组成(1)横洞洞口开挖及支护；(2)实施做超前大管棚；(3)横洞洞身开挖以及支护；(4)横洞仰拱施工以及底板施工；(5)交叉口门洞施工；(6)弧形导坑直接挑顶式开挖以及支护；(7)正洞上导拱架安装及支护；(8)拆除弧形导坑临时支护；(9)台阶法实施正洞开挖支护；(10)施做横洞洞身衬砌钢筋砼；(11)正洞开挖支护并加临时仰拱；(12)施做正洞仰拱，并加临时横撑；(13)施做交叉口正洞仰拱；(14))施做交叉口衬砌钢筋砼；(15)转入正洞正常施工。本发明的弧形导坑施工断面比正洞开挖断面小，同时避免了软弱围岩换拱存在的安全隐患；临时工程量小，施工效率高，交叉口横洞不爬坡，正洞异型拱架受力效果好。
文档编号E21D11/00GK103195432SQ20131007402
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月8日 优先权日2013年3月8日
发明者陈汉, 徐冬青, 杨金有, 徐高山, 杨志安, 庞前凤, 杨成宁, 张明睿, 武安, 张峰辉, 王昌贵, 熊文标, 徐小燕 申请人:中铁二十二局集团第一工程有限公司, 中铁二十二局集团有限公司