专利名称：一种不对称双联拱隧道结构及其施工方法
技术领域：
本发明涉及一种隧道工程结构及其施工方法，特别是一种断面为不对称双联拱隧道结构及其施工方法。
背景技术：
由于隧道工程的特点，在地下修建地铁、公路、铁路等工程时，需要在一定距离内设置转折线或错车线，以保证车辆的正常及安全运行。此部分转折线一般设计为不对称双联拱隧道断面形式，选择合理的施工方法，对保证其施工安全具有特别重要的意义。由于其断面形式不规则，长度相对较短，无法采用盾构机等大型机械设备进行施工。对于断面为双联拱隧道施工方法一般采用中导坑法，即先施作中导坑，导坑完成后在其内部施作中墙混凝土，后开挖两侧，此方法安全性低、作业量大、废弃工程量大、成本高、对总体的施工进度将造成较大的影响，不利于总体施工安排。若采用单拱大断面形式，将显著加大隧道结构的跨度及高度，不仅工程量大大增加，而且加大了施工的安全风险。
发明内容
本发明的目的是提供一种不对称双联拱隧道结构及其施工方法，要解决传统施工方法中作业量大，废弃工程量大，成本高，施工进度慢，施工安全得不到保证的技术问题。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
一种不对称双联拱隧道结构，包括小洞和与之相连的大洞，所述小洞的围岩上依次设有超前支护、小洞初期支护、小洞防水层和小洞二次衬砌，所述大洞的围岩上依次设有超前支护、大洞初期支护、大洞防水层和大洞二次衬砌，在小洞与大洞交界处，每榀所述小洞初期支护的钢构件即小洞初支钢构件上预埋有至少两块初支连接件，小洞初支钢构件拱脚处水平段向大洞方向延伸，每个延伸段的端部均预埋有一块钢构件连接板；
每榀所述大洞初期支护的钢构件即大洞初支钢构件与所述初支连接件和钢构件连接
板--连接形成整体，使大洞初期支护与小洞初期支护一起形成封闭结构；
所述小洞防水层与大洞防水层沿小洞与大洞交界处连为一体；所述小洞二次衬砌的边界预埋有钢筋接驳器，大洞二次衬砌钢筋伸入钢筋接驳器，使大洞二次衬砌与小洞二次衬砌成为一整体结构。这种不对称双联拱隧道结构的施工方法， 包括小洞和大洞的施工，施工步骤如下:
步骤一:先对小洞的围岩进行超前支护；
步骤二:采用台阶法开挖小洞土体并施作小洞初期支护；
步骤三:在小洞与大洞交界处，沿隧道开挖方向，每榀小洞初期支护的钢构件即小洞初支钢构件上预埋至少两块初支连接件，小洞初支钢构件拱脚处水平段向大洞方向延伸，每个延伸段的端部预埋一列钢构件连接板，即整个小洞内按小洞初支钢构件榀与榀的间隔，至少预埋形成间隔设置的两列初支连接件和一列钢构件连接板； 步骤四:小洞初期支护完毕后，铺设小洞防水层，沿小洞与大洞交界处的小洞防水层不封闭；
步骤五:绑扎钢筋，施作小洞二次衬砌，小洞二次衬砌的边界设有预留浇筑空间并预埋钢筋接驳器，用于与大洞二次衬砌钢筋进行对接；
步骤六:待小洞二次衬砌混凝土达到设计要求的强度后，再对大洞围岩进行超前支
护；
步骤七:采用交叉中隔壁法开挖大洞土体并施作大洞初期支护和大洞临时中隔壁，沿小洞与大洞交界处的所述大洞初期支护不封闭，且在小洞与大洞交界处，每榀大洞初期支护的钢构件即大洞初支钢构件与所述初支连接件和钢构件连接板一一连接形成整体，使大洞初期支护与小洞初期支护一起形成封闭结构；
步骤八:大洞初期支护完毕后，按照先仰拱范围内、后边墙及顶拱范围内的施工顺序，分段拆除大洞临时中隔壁、铺设大洞防水层、绑扎大洞二次衬砌钢筋、浇筑大洞二次衬砌四个步骤交叉进行，其中大洞防水层与小洞防水层连为一体，大洞二次衬砌钢筋伸入预留浇筑空间中预埋的钢筋接驳器上连为一体，施工完毕。每榀所述小洞初期支护的钢构件即小洞初支钢构件上预埋至少两块初支连接件，分别位于小洞与大洞初支交界最高点处和预接大洞临时中隔壁处。所述步骤三中，初支连接件为预埋钢板或预埋钢筋。所述步骤七中，大洞初支钢构件与初支连接件采用螺栓锚固或焊接。所述步骤五中，小洞二次衬砌的浇筑顺序依次为小洞二衬仰拱、小洞二衬中隔墙和小洞二衬顶拱。所述步骤七中，所述交叉中隔壁法开挖大洞土体即将大洞土体分层分部开挖，先开挖远离小洞一侧的大洞土体，再开挖另一侧的大洞土体，每部分土体的外侧边界施作大洞初期支护，内侧边界施作临时中隔壁。所述步骤八中，大洞初期支护完毕后，先分段拆除仰拱范围内的大洞临时中隔壁和小洞与大洞交界处的部分小洞初期支护，铺设大洞仰拱防水层并与小洞防水层的底部连为一体，绑扎仰拱钢筋，浇筑仰拱混凝土形成大洞二衬仰拱；分段拆除其余的大洞临时中隔壁，施作大洞边墙及顶拱防水层并与小洞防水层的顶部连为一体，绑扎边墙及顶拱钢筋，浇筑边墙及顶拱混凝土形成大洞二衬边墙及顶拱。所述步骤八中，所述钢筋接驳器沿小洞与大洞交界共设两处，分别位于小洞与大洞二衬交界最高点和最低点。所述步骤八中，拆除大洞临时中隔壁时沿开挖方向采用跳段拆除。与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果:
本发明采取类似单侧壁导坑法的施工原理，先开挖小洞，再开挖大洞，可有效降低大断面隧道结构的高度和跨度，相比全断面法进行施工，一次开挖跨度较小，安全性较好。本发明在遵循新奥法施工原理的基础上，先完成不对称双联拱隧道中的小洞二衬后再开挖大洞，相比传统的中导坑法先施作中导坑，导坑完成后在其内部施作中墙混凝土，后开挖两侧的施工顺序减少了对相邻结构的扰动次数，安全性得到保证。本发明中小洞采用台阶法施工，相比中隔壁法或交叉中隔壁法进行施工，大大减少了工程量且施工进度较快，且可满足安全及质量要求。
本发明借助小洞初期支护上预埋的初支连接件，将大洞初期支护扣在与小洞初期支护上，使大洞初期支护与小洞初期支护一起形成封闭结构，减少施工步骤，加快施工进度。本发明中隧道的二衬施工顺序依次为小洞二衬仰拱、小洞二衬中隔墙、小洞二衬顶拱、大洞二衬仰拱以及大洞二衬顶拱，与传统的中导坑法小洞和大洞的二衬需分部多次施工相比，优化了施工工序，施工分步少，减少了施工缝设置，防水层分段少，防水质量得到提闻。本发明严格遵循“早成环、快封闭、控下沉”的施工原则，具有施工进度快、成本低、施工完成质量高的优点，本发明可应用于各种地质围岩的暗挖施工，特别适用于地铁、公路、铁路等隧道工程类似断面形式的暗挖施工。
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。图1为本发明施工方法步骤一、步骤二小洞上台阶的施工示意图。图2为本发明施工方法步骤二小洞下台阶的施工示意图。图3为本发明施工方法步骤四小洞二次衬砌的施工示意图。图4为本发明施工方法步骤六、步骤七第一洞的施工示意图。图5为本发明施工方法步骤七第二洞的施工示意图。图6为本发明施工方法步骤七第三洞的施工示意图。图7为本发明施工方法步骤七第四洞的施工示意图。图8为本发明施工方法步骤八大洞二衬仰拱的施工示意图。图9为本发明施工方法步骤八大洞二衬顶拱的施工示意图。图10为图7中节点A的小洞和大洞初支钢构件连接局部放大图。图11为图9中节点B的小洞和大洞二衬钢筋连接局部放大图。图12为本发明实施例中隧道结构断面完成后的示意图。附图标记:1 一小洞、2 —小洞初期支护、2.1 一小洞初期支护顶拱、2.2 一小洞初期支护仰拱、3 —小洞二次衬砌、3.1 一小洞二衬仰拱、3.2 一小洞二衬中隔墙、3.3 一小洞二衬顶拱、4 一大洞、5 —大洞初期支护、5.1 一第一洞初期支护、5.2 一第二洞初期支护、5.3 一第三洞初期支护、5.4 一第四洞初期支护6 —大洞临时中隔壁、7 —大洞二次衬砌、7.1 —大洞二衬仰拱、7.2 一大洞二衬边墙及顶拱、8 —超前小导管、9 一小洞上台阶、10 —小洞下台阶、11 一小洞防水层、12 —第一洞、13 —第二洞、14 一第二洞、15 —第二洞、16 —大洞仰拱防水层、17—大洞边墙及顶拱防水层、18—大洞隧道中线、19 一大洞线路中线、20 —小洞隧道中线、21 —小洞线路中线、22 —小洞初支钢构件、23 —初支连接件、24 —大洞初支钢构件、25 —钢构件连接板、26 —小洞与大洞初支交界最高点处、27 —预接大洞临时中隔壁处、28 一预留浇筑空间、29 —大洞二次衬砌钢筋、30 —钢筋接驳器、31 —中隔壁钢构件。
具体实施例方式实施例参见图1-12所示，一种不对称双联拱隧道的断面为小洞与大洞相交叉型结构，包括小洞I和与之相连的大洞4，所述小洞的围岩上依次设有超前支护8、小洞初期支护2、小洞防水层11和小洞二次衬砌3，所述大洞的围岩上依次设有超前支护8、大洞初期支护5、大洞防水层和大洞二次衬砌7，在小洞与大洞交界处，每榀所述小洞初期支护的钢构件即小洞初支钢构件22上预埋有至少两块初支连接件23，小洞初支钢构件拱脚处水平段向大洞方向延伸，每个延伸段的端部预埋有一块钢构件连接板25 ；
每榀所述大洞初期支护的钢构件即大洞初支钢构件24与所述初支连接件23和钢构件连接板25 —一连接形成整体，使大洞初期支护与小洞初期支护一起形成封闭结构；
所述小洞防水层沿小洞与大洞交界处不封闭，大洞防水层与小洞防水层在此处连为一体；所述小洞二次衬砌的边界预埋有钢筋接驳器30，大洞二次衬砌钢筋29伸入钢筋接驳器30，使大洞二次衬砌与小洞二次衬砌成为一整体结构。这种不对称双联拱隧道的施工方法，施工步骤如下:
步骤一:参见图1所示，先对小洞的围岩进行超前支护8，沿小洞I拱部的开挖轮廓线外侧打设超前小导管。步骤二:参见图1-2所示，采用台阶法开挖小洞土体并施作小洞初期支护2，其中小洞土体可分两层施工:先开挖小洞上台阶9并施作小洞初期支护顶拱2.1，然后开挖小洞下台阶10并施作小洞初期支护仰拱2.2，小洞上台阶9与小洞下台阶10错开一定距离，错开距离可为3-5m。步骤三:参见图10所示，在小洞与大洞交界处，沿隧道开挖方向，每榀小洞初期支护的钢构件即小洞初支钢构件22上预埋至少初支连接件23，小洞初支钢构件22可以是钢格栅或钢支架，按小洞初支钢构件(22)榀与榀的间隔，预埋形成间隔设置的两列初支连接件，分别位于小洞与大洞初支交界最高点处26和预接大洞临时中隔壁处27，本实例中可使用预埋钢板或预埋钢筋作为初支连接件，预埋的连接方式为焊接或锚固；
小洞初支钢构件拱脚处水平段向大洞方向延伸，每个延伸段的端部预埋一列钢构件连接板25，按小洞初支钢构件(22)榀与榀的间隔，预埋形成间隔设置的一列钢构件连接板，至此小洞初期支护上设置了三列预埋连接点。步骤四:参见图3所示，小洞初期支护2完毕后，铺设小洞防水层11，沿小洞与大洞交界处的小洞防水层不封闭，即小洞左侧与大洞交界处不铺设小洞防水层。步骤五:参见图11所示，绑扎钢筋，施作小洞二次衬砌3，小洞二次衬砌的边界设有预留浇筑空间28并预埋钢筋接驳器30，用于与大洞二次衬砌钢筋29进行对接，浇筑顺序依次为浇筑小洞二衬仰拱3.1、小洞二衬中隔墙3.2和小洞二衬顶拱3.3。步骤六:参见图4所示，待小洞二次衬砌混凝土达到设计要求的强度后，再对大洞围岩进行超前支护8，沿大洞4拱部的开挖轮廓线外侧打设超前小导管8。步骤七:所述交叉中隔壁法开挖大洞土体即将大洞土体分层分部开挖，先开挖远离小洞一侧的大洞土体，再开挖另一侧的大洞土体，每部分土体的外侧边界施作大洞初期支护5，内侧边界施作临时中隔壁6，本实施例采用中隔壁法双层四导洞的形式开挖大洞土体并施作大洞初期支护5，以左上，左下，右上，右下四个顺序进行施工，分别为第一洞12，第二洞13、第三洞14，第四洞15;
参见图4所示，首先开挖第一洞12并施作第一洞初期支护5.1即大洞初期支护顶拱的左半部分，然后施作第一洞12的临时中隔壁6 ;参见图5所示，继续向下开挖第二洞13并施作第二洞初期支护5.2即大洞初期支护仰拱的左半部分，然后施作第二洞13的临时中隔壁6，第二洞13与第一洞12的台阶错开3-5m ;参见图6所示，继续向右开挖第三洞14并施作第三洞初期支护5.3即大洞初期支护顶拱的右半部分；
参见图10所示，小洞与大洞交界处，每榀第三洞初期支护5.3的钢构件即钢格栅或钢支架的端头钢板与小洞与大洞初支交界最高点处26的初支连接件23连接，可采用螺栓固定连接或焊接形成整体，这样第三洞初期支护5.3底端搭接在小洞初期支护的拱腰上，以保证上部应力能够有效传递，然后施作第三洞14的临时中隔壁6，中隔壁钢构件31与预接大洞临时中隔壁处27的初支连接件23连接，可采用螺栓固定连接或焊接形成整体；
参见图7所示，继续向下开挖第四洞15并施作第四洞初期支护5.4即大洞初期支护仰拱的右半部分，参见图10所示，这部分大洞初期支护的钢构件即大洞初支钢构件24与所述初支连接件23和钢构件连接板25 —一连接形成整体，三处预埋连接点连接完毕，使大洞初期支护借助小洞初期支护一起形成封闭结构。步骤八:参见图8所示，大洞初期支护完毕后，根据变形监测情况，按照先仰拱范围内、后边墙及顶拱范围内的施工顺序，分段拆除大洞临时中隔壁、铺设大洞防水层、绑扎大洞二次衬砌钢筋29和浇筑大洞二次衬砌7四个步骤交叉进行，其中拆除大洞临时中隔壁6时沿开挖方向采用跳段拆除，即上一段二衬完成后再进行下一段的拆除工作；
先分段拆除仰拱范围内的大洞临时中隔壁和小洞与大洞交界处的部分小洞初期支护，这部分小洞初期支护包括预接大洞临时中隔壁处27的中隔壁钢构件31和初支连接件23，铺设大洞仰拱防水层16并与小洞防水层11的底部连为一体，绑扎仰拱钢筋，浇筑仰拱混凝土形成大洞二衬仰拱7.1 ;参见图9所示，分段拆除其余的大洞临时中隔壁，施作大洞边墙及顶拱防水层17并与小洞防水层11的顶部连为一体，绑扎边墙及顶拱钢筋，浇筑边墙及顶拱混凝土形成大洞二衬边墙及顶拱7.2，填充预留浇筑空间的空隙；
参见图11所示，其中大洞防水层与小洞防水层连为一体，大洞二次衬砌钢筋29锚入步骤五所述预留浇筑空间28预埋的钢筋接驳器30上连为一体，锚入深度大于等于lm，所述钢筋接驳器30沿小洞与大洞交界共设两处，分别位于小洞与大洞二衬交界最高点和最低点，施工完毕。参见图12所示，断面施工完成后，小洞为封闭式马蹄形断面，大洞作为后施工断面，其初期支护及二次衬砌均扣在已成型的小洞上，形成封闭结构。大洞隧道中线18、大洞线路中线19、小洞隧道中线20和小洞线路中线21如图12所示。临时中隔壁拆除过程中，加强对拱顶沉降及净空收敛的监测，通过信息化施工指导拆除作业。若变形过大，应及时暂停拆除、工字钢恢复或采取其他补强措施。拆除长度不可过长，拆除过程中加强对拱顶沉降及净空收敛的监测，做到信息化施工。本发明每个单元在施工过程中需要进行临时固定，可在单元两侧打设锁脚锚管并注浆加固。本发明若应用在围岩为中风化板岩或辉绿岩等硬质岩层时，开挖第三洞14及第四洞15时需要采用减震爆破施工，使爆破对小洞二衬的影响降到最低。
权利要求
1.一种不对称双联拱隧道结构，包括小洞(I)和与之相连的大洞(4)，所述小洞的围岩上依次设有超前支护(8)、小洞初期支护(2)、小洞防水层(11)和小洞二次衬砌(3)，所述大洞的围岩上依次设有超前支护(8)、大洞初期支护(5)、大洞防水层和大洞二次衬砌(7)，其特征在于:在小洞与大洞交界处，每榀所述小洞初期支护的钢构件即小洞初支钢构件(22)上预埋有至少两块初支连接件(23)，小洞初支钢构件拱脚处水平段向大洞方向延伸，每个延伸段的端部均预埋有一块钢构件连接板(25)；每榀所述大洞初期支护的钢构件即大洞初支钢构件(24)与所述初支连接件(23)和钢构件连接板(25) —一连接形成整体，使大洞初期支护与小洞初期支护一起形成封闭结构；所述小洞防水层与大洞防水层沿小洞与大洞交界处连为一体；所述小洞二次衬砌的边界预埋有钢筋接驳器(30)，大洞二次衬砌钢筋(29)伸入钢筋接驳器(30)，使大洞二次衬砌与小洞二次衬砌成为一整体结构。
2.—种权利要求1所述不对称双联拱隧道结构的施工方法，包括小洞(I)和大洞(4)的施工，其特征在于:施工步骤如下: 步骤一:先对小洞的围岩进行超前支护(8)； 步骤二:采用台阶法开挖小洞土体并施作小洞初期支护(2)； 步骤三:在小洞与大洞交界处，沿隧道开挖方向，每榀小洞初期支护的钢构件即小洞初支钢构件(22)上预埋至少两块初支连接件(23)，小洞初支钢构件拱脚处水平段向大洞方向延伸，每个延伸段的端部预埋一列钢构件连接板(25)，即整个小洞内按小洞初支钢构件(22)榀与榀的间隔，至少预埋形成间隔设置的两列初支连接件和一列钢构件连接板； 步骤四:小洞初期支护完毕后，铺设小洞防水层(11)，沿小洞与大洞交界处的小洞防 水层不封闭； 步骤五:绑扎钢筋，施作小洞二次衬砌(3)，小洞二次衬砌的边界设有预留浇筑空间(28)并预埋钢筋接驳器(30)，用于与大洞二次衬砌钢筋(29)进行对接； 步骤六:待小洞二次衬砌混凝土达到设计要求的强度后，再对大洞围岩进行超前支护(8)； 步骤七:采用交叉中隔壁法开挖大洞土体并施作大洞初期支护(5)和大洞临时中隔壁(6)，沿小洞与大洞交界处的所述大洞初期支护(5)不封闭，且在小洞与大洞交界处，每榀大洞初期支护的钢构件即大洞初支钢构件(24)与所述初支连接件(23)和钢构件连接板(25)--连接形成整体，使大洞初期支护与小洞初期支护一起形成封闭结构； 步骤八:大洞初期支护完毕后，按照先仰拱范围内、后边墙及顶拱范围内的施工顺序，分段拆除大洞临时中隔壁、铺设大洞防水层、绑扎大洞二次衬砌钢筋(29)、浇筑大洞二次衬砌(7)四个步骤交叉进行，其中大洞防水层与小洞防水层连为一体，大洞二次衬砌钢筋(29)伸入预留浇筑空间(28)中预埋的钢筋接驳器(30)上连为一体，施工完毕。
3.根据权利要求2所述的一种不对称双联拱隧道的施工方法，其特征在于:所述步骤三中，每榀所述小洞初期支护的钢构件即小洞初支钢构件(22)上预埋至少两块初支连接件(23)，分别位于小洞与大洞初支交界最高点处(26)和预接大洞临时中隔壁处(27)。
4.根据权利要求2所述的一种不对称双联拱隧道的施工方法，其特征在于:所述步骤三中，初支连接件(23)为预埋钢板或预埋钢筋。
5.根据权利要求4所述的一种不对称双联拱隧道的施工方法，其特征在于:所述步骤七中，大洞初支钢构件(24)与初支连接件(23)采用螺栓锚固或焊接。
6.根据权利要求2所述的一种不对称双联拱隧道的施工方法，其特征在于:所述步骤五中，小洞二次衬砌(3)的浇筑顺序依次为小洞二衬仰拱(3.1)、小洞二衬中隔墙(3.2)和小洞二衬顶拱(3.3)。
7.根据权利要求2所述的一种不对称双联拱隧道的施工方法，其特征在于:所述步骤七中，所述交叉中隔壁法开挖大洞土体即将大洞土体分层分部开挖，先开挖远离小洞一侧的大洞土体，再开挖另一侧的大洞土体，每部分土体的外侧边界施作大洞初期支护(5)，内侧边界施作临时中隔壁(6)。
8.根据权利要求2所述的一种不对称双联拱隧道的施工方法，其特征在于:所述步骤八中，大洞初期支护完毕后，先分段拆除仰拱范围内的大洞临时中隔壁和小洞与大洞交界处的部分小洞初期支护，铺设大洞仰拱防水层(16)并与小洞防水层(11)的底部连为一体，绑扎仰拱钢筋，浇筑仰拱混凝土形成大洞二衬仰拱(7.1);分段拆除其余的大洞临时中隔壁，施作大洞边墙及顶拱防水层(17)并与小洞防水层(11)的顶部连为一体，绑扎边墙及顶拱钢筋，浇筑边墙及顶拱混凝土形成大洞二衬边墙及顶拱(7.2)。
9.根据权利要求2所述的一种不对称双联拱隧道的施工方法，其特征在于:所述步骤八中，所述钢筋接驳器( 30)沿小洞与大洞交界共设两处，分别位于小洞与大洞二衬交界最闻点和最低点。
10.根据权利要求8所述的一种不对称双联拱隧道的施工方法，其特征在于:所述步骤八中，拆除大洞临时中隔壁时沿开挖方向采用跳段拆除。
全文摘要
一种不对称双联拱隧道结构及其施工方法，其结构包括小洞和与之相连的大洞，其施工步骤依次包括小洞超前支护，小洞初期支护，小洞初支上预埋初支连接件，小洞二次衬砌，大洞超前支护，大洞初期支护，大洞临时中隔壁，大洞初期支护与小洞初支上的初支连接件连为一体，跳段拆除大洞临时中隔壁，大洞二次衬砌。本发明解决了传统不对称双联拱隧道施工方法中作业量大，废弃工程量大，成本高，施工进度慢，施工安全得不到保证的技术问题。
文档编号E21D9/14GK103174434SQ20131008194
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月15日 优先权日2013年3月15日
发明者肖龙鸽, 孙贵华, 杨昆鹏, 傅启路, 杨兵 申请人:中国建筑土木建设有限公司