一种大跨洞室开挖施工方法
【专利摘要】本发明涉及一种大跨洞室开挖施工方法，包括：步骤S1：先分左、右、中三部对各分部洞室围岩进行初期支护；步骤S2：隧道上部洞室左、右、中三部开挖，各分部洞室底部设置临时支撑，将上部洞室支承固定在下部坚硬围岩上；步骤S3：采用光面爆破技术开挖隧道下部洞室左、右、中三部；步骤S4：隧道下部的左分部与中分部洞室之间、中分部与右分部洞室之间均留出岩柱；步骤S5：先拆除上部洞室的临时支撑，再拆除中部预留的岩柱，最后施作整个洞室的二衬。与现有技术相比，本发明具有安全可靠、施工工期短、节省材料、特别适用上部全强风化地层下部坚硬围岩的大跨洞室开挖等优点。
【专利说明】一种大跨洞室开挖施工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种洞室开挖方法，尤其是涉及一种大跨洞室开挖施工方法。
【背景技术】
[0002]随着我国城市地下空间的开拓和交通建设新一轮高潮的掀起，需要修建更多的大跨洞室的隧道，许多隧道经过的地质多是上部为软弱残坡积土层和全强风化岩层，而下部是物理力学性质较好的坚硬岩层。由于大跨洞室上部成洞条件差，围岩易产生坍塌、冒顶，所以为保证这些地方的施工安全，一般都采用传统CD法、传统双侧壁导坑施工。
[0003]⑶法的开挖面分部形式为:一般将洞室断面分成两块:左分部和右分部洞室。⑶法的施工作业顺序为:
[0004]①先行导坑上部开挖及施作该部一次支护、中隔墙支护和临时横撑；
[0005]②先行导坑下部开挖及施作该部一次支护和中隔墙支护；
[0006]③后行导坑上部开挖及施作该部一次支护和临时横撑；
[0007]④后行导坑下部开挖及施作该部一次支护；
[0008]⑤灌注仰拱砼；
[0009]⑥拆除中隔墙和临时横撑；
[0010]⑦全断面二次衬砌；
[0011]⑧灌注填充隧道底部砼。
[0012]双侧壁导坑法的开挖面分部形式为:一般将洞室断面分为四块:左、右侧壁导坑；上部核心土 ；下台阶。侧壁导坑尺寸应本着充分利用台阶的支撑作业，并考虑施工条件和机械设备而定。但宽度不宜超过洞室断面最大宽度的1/3，高度以到以到起拱线为宜。这样，导坑可分两次开挖和支护，不需要另外架设工作平台，人工架立钢支撑也较方便。在短隧道中可先挖通导坑，再开挖台阶。双侧壁导坑法的施工作业顺序为:
[0013]①开挖一侧导坑，并及时地将其初支护闭合；
[0014]②相隔适当距离后开挖另一侧导坑，并修筑此处的初期支护；
[0015]③开挖上部核心土，修筑拱部的初期支护，拱脚支承在两侧壁导坑的初支护上；
[0016]④开挖下台阶，修筑底部的初期支护，并使初期支护全断面闭合；
[0017]⑤拆除临空部分的导坑中隔墙；
[0018]⑥全断面二次衬砌；
[0019]⑦灌注填充隧道底部砼。
[0020]传统CD法和双侧壁导坑施工方法需进行了多次的初期支护，施工工期长，施工材料多，一定程度上造成隧道建设成本的增加，特别针对上部是软弱全强风化地层而下部是物理力学性能较好的坚硬岩石的大跨洞室，未能充分考虑、利用坚硬岩石的特点。
【发明内容】
[0021]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种安全可靠、施工工期短、节省材料、特别适用上部全强风化地层下部坚硬围岩的大跨洞室开挖施工方法。
[0022]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0023]一种大跨洞室开挖施工方法，包括:
[0024]步骤S1:先分左、右、中三部对各分部洞室围岩进行初期支护；
[0025]步骤S2:隧道上部洞室左、右、中三部开挖，每分部开挖纵向错开1.5?2倍的分部洞室宽度，各分部洞室底部设置临时支撑，将上部洞室支承固定在下部坚硬围岩上；
[0026]步骤S3:采用光面爆破技术开挖隧道下部洞室左、右、中三部，与上部洞室左、右、中三部的每分部开挖纵向错开2?3倍的分部洞室宽度；
[0027]步骤S4:隧道下部的左分部与中分部洞室之间、中分部与右分部洞室之间均预留出岩柱;
[0028]步骤S5:当隧道上部洞室的预设计初期支护施作后，围岩变形速率与测量断面实测围岩变形速率最大值的比值v/vmax降到设定阈值，同时围岩的变形值U1小于允许变形值Utl，先拆除上部洞室的临时支撑，再拆除中部预留的岩柱，最后施作整个洞室的二衬。
[0029]所述的初期支护包括:安装钢拱架或格栅钢架及钢筋网，打设超前管棚、超前注浆导管、锁脚锚管、中空注浆锚杆，并喷射混凝土。
[0030]所述的临时支撑包括:安装临时型钢拱、打设锚杆并喷射混凝土。
[0031]所述的隧道上部洞室左、右、中三部开挖时，每循环进尺0.5?1.0m。
[0032]所述的隧道上部洞室的裸洞开挖洞径比下部洞室的洞径大1.2m,即上部洞室两侧比下部洞室各缩进0.6m。
[0033]所述的岩柱预留宽度为1.2m。
[0034]所述的围岩变形速率和变形值由围岩变形监控量测数据所得，所述的允许变形值U0根据洞周允许相对收敛量计算得到。
[0035]所述的设定阈值为5_10%。
[0036]所述的岩柱采用爆破方式拆除。
[0037]所述的二衬施作为:先修筑拱底，再修筑边墙，最后修筑拱顶。
[0038]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0039]I)能充分利用下部坚硬岩石的良好物理力学特性，更加安全可靠。
[0040]2)分部开挖上部隧道洞室并对之进行初支护以及设置底部临时支撑，将上部洞室支承固定在洞室下部坚硬围岩上。在施作下部洞室时将坚硬围岩作为支护的一部分，达到节省下部围岩的初支护及节省或减小下部围岩二衬的目的，节省了隧道建设的成本，比起传统的设计与施工方法本发明更加经济。
[0041]3)隧道下部的左分部与中分部洞室之间和隧道下部的中分部与右分部洞室之间各留出1.2m岩柱，支承固定上部洞室，可以节省了隧道建设的成本，比起传统的设计与施工方法本发明更加经济。
[0042]4)特别适用于上部是软弱全强风化地层而下部是物理力学性能较好的坚硬岩石的大跨洞室。
【专利附图】
【附图说明】
[0043]图1为上部全强风化地层下部坚硬围岩大跨洞室隧道施工工序示意图；
[0044]图2为洞室外侧、中隔墙部位的超前支护图；
[0045]图3为上部左侧洞室开挖与支护图；
[0046]图4为上部左、右侧洞室开挖与支护图；
[0047]图5为上部左侧、右侧、中间洞室开挖与支护图；
[0048]图6为上部洞室与下部左侧洞室开挖与支护图；
[0049]图7为上部洞室与下部左、右侧洞室开挖与支护图；
[0050]图8为上部洞室与下部左侧、右侧、中间洞室开挖与支护图；
[0051]图9为洞室全断面开挖与初支护完成后二衬施作图。
[0052]图中:1、超前管棚或超前注浆导管，2、导管，3、中空注浆锚杆，4、钢拱架或格栅钢架5、锚杆，6、岩柱，7、底板混凝土，8、二衬混凝土支护。
【具体实施方式】
[0053]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0054]如图1所示，洞室开挖断面由6个部分组成，导洞1、I1、II1、IV、V、VI为按顺序所开挖形成的导坑，本发明的大跨洞室开挖施工方法，包括:
[0055]步骤S1:先分左、右、中三部对各分部洞室围岩进行初期支护。
[0056]所述的初期支护包括安装钢拱架或格栅钢架4和钢筋网，打设超前管棚或超前注浆导管1、锁脚锚管、中空注浆锚杆3，喷射C25或C30混凝土。
[0057]如图2所示，在开挖洞室上部的导洞1、I1、III之前，在洞室外侧分别打入管棚或导管I并注浆，并在中隔墙部位分别打入导管2并注浆进行超前支护，采用的导管为小导管。
[0058]步骤S2:隧道上部洞室左、右、中三部开挖，每分部开挖纵向错开1.5?2倍的分部洞室宽度，各分部洞室底部设置临时支撑，将上部洞室支承固定在下部坚硬围岩上。隧道上部洞室左、右、中三部开挖采用小型轮胎式挖掘机开挖，每循环进尺0.5?1.0m。
[0059]所述的临时支撑包括安装临时型钢拱、打设锚杆5并喷射C30混凝土。
[0060]如图3所示，开挖洞室上部的导洞I。导洞I采用小型轮胎式挖掘机开挖，每循环进尺0.5?1.0m，此为每一榀或两榀钢拱架或格栅钢架4的距离。导洞出渣由小型轮胎式挖掘机或装载机装渣，开挖完毕及时施作中空注浆锚杆3和钢拱架或格栅钢架4，并喷射混凝土形成初支护。
[0061]如图4所示，当上部的导洞I开挖进尺不少于1.5?2倍的该导洞洞室宽度时，开挖洞室上部的导洞II。导洞II采用小型轮胎式挖掘机开挖，每循环进尺0.5?1.0m，此为每一榀或两榀钢拱架或格栅钢架4的距离。导洞出渣由小型轮胎式挖掘机或装载机装渣，开挖完毕及时施作中空注浆锚杆3和钢拱架或格栅钢架4，并喷射混凝土形成初支护。
[0062]如图5所示，当上部的导洞1、I1、III依次纵向错开不小于1.5?2倍的编号小一号的导洞洞室宽度时，开挖洞室上部的导洞III。导洞III采用小型轮胎式挖掘机开挖，每循环进尺0.5?1.0m，此为每一榀或两榀钢拱架或格栅钢架4的距离。导洞出渣由小型轮胎式挖掘机或装载机装渣，开挖完毕及时施作中空注浆锚杆3和钢拱架或格栅钢架4，并喷射混凝土形成初支护。
[0063]步骤S3:采用光面爆破技术开挖隧道下部洞室左、右、中三部，与上部洞室左、右、中三部的每分部开挖纵向错开2?3倍的分部洞室宽度；
[0064]所述的隧道上部洞室的裸洞开挖洞径比下部洞室的洞径大1.2m,即上部洞室两侧比下部洞室各缩进0.6m。
[0065]步骤S4:隧道下部的左分部与中分部洞室之间、中分部与右分部洞室之间均留出岩柱6 ；
[0066]所述的岩柱6预留宽度1.2m。
[0067]如图6所示，在上部的导洞I的围岩变形速率与测量断面实测围岩变形速率最大值的比值v/vmax降到阈值，即v/vmax为O?5%，同时围岩的变形值U1小于允许变形值Utl,而且导洞III纵向进尺小于6倍的该导洞洞室宽度时，开挖导洞IV。采用预留不少于1.0m厚光爆层的先小导洞爆破再施作光面爆破的技术，开挖导洞IV。导洞出渣由小型轮胎式挖掘机或装载机装渣。当下部为弱风化围岩时，光爆层爆破开挖完成后，需打入锚杆5并喷射薄层混凝土形成初支护；当下部为微风化围岩时，光爆层爆破开挖完成后无需进行初支护。
[0068]如图7所示，在上部的导洞1、11的围岩变形速率与测量断面实测围岩变形速率最大值的比值v/vmax降到阈值，即v/vmax为O?5%，同时围岩的变形值U1小于允许变形值Utl,而且导洞IV纵向进尺不小于3倍的该导洞洞室宽度时，开挖导洞V。采用预留不少于1.0m厚光爆层的先小导洞爆破再施作光面爆破的技术，开挖导洞V。导洞出渣由小型轮胎式挖掘机或装载机装渣。当下部为弱风化围岩时，光爆层爆破开挖完成后，需打入锚杆5并喷射薄层混凝土形成初支护；当下部为微风化围岩时，光爆层爆破开挖完成后无需进行初支护。
[0069]如图8所示，在上部的导洞1、I1、III的围岩变形速率与测量断面实测围岩变形速率最大值的比值v/vmax降到阈值，即v/vmax为O?5%，同时围岩的变形值U1小于允许变形值Utl，而且导洞IV、V、VI依次纵向错开不小于3倍的编号小一号的导洞洞室宽度时，开挖导洞VI。采用预留不少于1.0m厚光爆层的先小导洞爆破再施作光面爆破的技术，开挖导洞VI，光爆后中间需分别预留出1.2m宽的岩柱6以支撑上洞室的中隔墙。导洞出渣由小型轮胎式挖掘机或装载机装渣。
[0070]步骤S5:当隧道上部洞室的预设计初期支护施作后，围岩变形速率与测量断面实测围岩变形速率最大值的比值v/vmax降到阈值，即v/vmax为O?5%，并渐趋近于零，同时围岩的变形值U1小于允许变形值Utl，先拆除上部洞室的临时支撑，再拆除中部预留的岩柱6，最后施作整个洞室的二衬。
[0071]所述的围岩变形速率和变形值由围岩变形监控量测数据所得，所述的允许变形值U0根据洞周允许相对收敛量计算得到。
[0072]所述的拆除中部预留的岩柱6采用小药量和密孔方式爆破的方法。
[0073]所述的二衬施作为先修筑拱底,再修筑边墙，最后修筑拱顶。
[0074]如图9所示，在上部的导洞1、I1、III的围岩变形速率与测量断面实测围岩变形速率最大值的比值v/vmax降到阈值，即v/vmax为O?5%，并渐趋近于零，同时围岩的变形值U1小于允许变形值Utl，而且导洞IV、V、VI的光薄层开挖完成后，该洞段可以拆除钢拱架或格栅钢架4，并采用小药量和密孔方式松动爆破技术拆除下部洞室中间两个预留岩柱6，然后，铺设底板混凝土 7和施作二衬混凝土支护8。
[0075]本发明能充分利用下部坚硬岩石的良好物理力学特性，更加安全可靠，在施作下部洞室时将坚硬围岩作为支护的一部分，达到节省下部围岩的初支护及节省或减小下部围岩二衬的目的，节省了隧道建设的成本，比起传统的设计与施工方法本发明更加经济，特别适用于上部是软弱全强风化地层而下部是物理力学性能较好的坚硬岩石的大跨洞室开挖设计与施工。
【权利要求】
1.一种大跨洞室开挖施工方法，其特征在于，包括: 步骤S1:先分左、右、中三部对各分部洞室围岩进行初期支护； 步骤S2:隧道上部洞室左、右、中三部开挖，每分部开挖纵向错开1.5?2倍的分部洞室宽度，各分部洞室底部设置临时支撑，将上部洞室支承固定在下部坚硬围岩上； 步骤S3:采用光面爆破技术开挖隧道下部洞室左、右、中三部，与上部洞室左、右、中三部的每分部开挖纵向错开2?3倍的分部洞室宽度； 步骤S4:隧道下部的左分部与中分部洞室之间、中分部与右分部洞室之间均预留出岩柱； 步骤S5:当隧道上部洞室的预设计初期支护施作后，围岩变形速率与测量断面实测围岩变形速率最大值的比值v/vmax降到设定阈值，同时围岩的变形值U1小于允许变形值Utl，先拆除上部洞室的临时支撑，再拆除中部预留的岩柱，最后施作整个洞室的二衬。
2.根据权利要求1所述的一种大跨洞室开挖施工方法，其特征在于，所述的初期支护包括:安装钢拱架或格栅钢架及钢筋网，打设超前管棚、超前注浆导管、锁脚锚管、中空注浆锚杆，并喷射混凝土。
3.根据权利要求1所述的一种大跨洞室开挖施工方法，其特征在于，所述的临时支撑包括:安装临时型钢拱、打设锚杆并喷射混凝土。
4.根据权利要求1所述的一种大跨洞室开挖施工方法，其特征在于，所述的隧道上部洞室左、右、中三部开挖时，每循环进尺0.5?1.0m。
5.根据权利要求1所述的一种大跨洞室开挖施工方法，其特征在于，所述的隧道上部洞室的裸洞开挖洞径比下部洞室的洞径大1.2m,即上部洞室两侧比下部洞室各缩进0.6m。
6.根据权利要求1所述的一种大跨洞室开挖施工方法，其特征在于，所述的岩柱预留宽度为1.2mο
7.根据权利要求1所述的一种大跨洞室开挖施工方法，其特征在于，所述的围岩变形速率和变形值由围岩变形监控量测数据所得，所述的允许变形值Utl根据洞周允许相对收敛量计算得到。
8.根据权利要求1所述的一种大跨洞室开挖施工方法，其特征在于，所述的设定阈值为 5-10%。
9.根据权利要求1所述的一种大跨洞室开挖施工方法，其特征在于，所述的岩柱采用爆破方式拆除。
10.根据权利要求1所述的一种大跨洞室开挖施工方法，其特征在于，所述的二衬施作为:先修筑拱底，再修筑边墙，最后修筑拱顶。
【文档编号】E21D19/00GK104047623SQ201410250523
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月6日 优先权日:2014年6月6日
【发明者】许建聪, 胡源 申请人:同济大学