内部开口增加作业面的特大断面隧道原位扩建施工结构及施工方法
【专利摘要】本发明涉及一种内部开口增加作业面的特大断面隧道原位扩建施工结构及施工方法，其特征在于：包括既有隧道和在既有隧道内沿隧道长度方向设有间隔设置的第一临时钢套拱和第二临时钢套拱，所述第一临时钢套拱和第二临时钢套拱之间的既有隧道上挖除围岩后形成特大断面隧道轮廓，在特大断面隧道轮廓表面设有初期支护，所述特大断面隧道轮廓的径向布设有径向系统锚杆。本发明在不具备从地表开挖竖井（或斜井）增加作业面的城市密集环境中，通过从既有隧道内部开口来增加作业面，能显著提高施工进度，缩短施工工期。
【专利说明】
内部开口増加作业面的特大断面隧道原位扩建施工结构及施工方法
[0001 ] 技术领域:
本发明涉及山岭隧道的施工结构及施工方法，具体地讲，是在既有隧道内部开口增加作业面的一种特大断面隧道原位扩建施工结构及施工方法。
[0002]【背景技术】:
随着国民经济的飞速发展，交通量日益增大，许多修建年代久远的市政交通隧道已不能满足道路交通运输需求，须在既有隧道原址上进行扩建，才能达到相应的服务水平。原位扩建方案通常包括以下两种:将单洞隧道扩建成连拱隧道，或将单洞隧道扩建成特大断面隧道。相对连拱隧道而言，特大断面隧道虽然面临着跨度较大，支护结构设计复杂、施工工序转换频繁等不利因素，但具有道路展线方便、交通服务水平高、社会效益良好等优点，因此在市政交通隧道的原位扩建工程中得到越来越广泛的应用。
[0003]另一方面，市政道路的保通压力较大，因此对市政交通隧道原位扩建工程的工期要求较高。在常规山岭隧道中，通过地表开挖竖井(或斜井)以增加作业面，是提高施工进度的最有效方法;而在建构筑物密集的城市环境中，通常不具备从地表开挖竖井(或斜井)的场地条件。因此可以考虑从既有隧道内部开口的方式，来达到增加作业面，提高施工进度的目的。
[0004]
【发明内容】
:
本发明的目的在于解决市政交通隧道原位扩建工程中保通压力大、工期要求高的难题，提供一种从既有隧道内部开口增加作业面的特大断面隧道原位扩建施工结构及施工方法。
[0005]本发明内部开口增加作业面的特大断面隧道原位扩建施工结构，其特征在于:包括既有隧道和在既有隧道内沿隧道长度方向设有间隔设置的第一临时钢套拱和第二临时钢套拱，所述第一临时钢套拱和第二临时钢套拱之间的既有隧道上挖除围岩后形成特大断面隧道轮廓，在特大断面隧道轮廓表面设有初期支护，所述特大断面隧道轮廓的径向布设有径向系统锚杆。
[0006]进一步的，上述径向系统锚杆为长度l=3m、直径cp=22mm的水泥砂浆锚杆，以间距d=0.5m梅花形布置而成。
[0007]进一步的，上述初期支护包括5榀122钢拱架和覆盖其表面的25cm厚喷射混凝土。
[0008]进一步的，上述特大断面隧道轮廓的下侧部设有锁脚销杆，锁脚销杆包括2根长度I =6m、直径φ =3 2mm的中空注楽销杆。
[0009]进一步的，上述第一临时钢套拱和第二临时钢套拱由10榀122钢拱架通过4道U16槽钢系梁焊接而成。
[0010]进一步的，上述第一临时钢套拱和第二临时钢套拱间距4m，第一临时钢套拱和第二临时钢套拱长度为10m。
[0011 ]本发明特大断面隧道钻爆法原位扩建施工方法，其特征在于:施工方法包括三个步骤，依次是I)围岩注浆加固与洞内套拱加固；2)特大断面隧道右上部扩挖与初期支护;3)特大断面隧道左上部扩挖与初期支护。
[0012]其中I)围岩注浆加固与洞内套拱加固:
沿既有隧道纵向上选取一小段区间(区间长度B=4m)作为内部开口段，其前后一定里程内的区间(区间长度Bl=1m)作为延展段;首先对开口段和延展段范围内的围岩进行壁后注浆加固，所形成的围岩注浆加固体的强度与稳定性，应相当于IV级以上岩体的标准；
在前后延展段的既有隧道衬砌内侧施作临时钢套拱，临时钢套拱由10榀122钢拱架通过4道U16槽钢系梁焊接而成，每榀钢拱架的拱脚处通过螺栓与既有隧道衬砌结构可靠连接；
2)特大断面隧道右上部扩挖与初期支护:
从右侧边墙开始依次向上，分段破除既有隧道衬砌结构，同时扩挖围岩至设定轮廓线，及时施作初期支护、锁脚锚杆和径向系统锚杆，其中初期支护包括5榀122钢拱架和覆盖其上表面的25cm厚喷射混凝土，锁脚锚杆包括2根长度l=6m、直径cp=32mm的中空注浆锚杆，径向系统锚杆由长度l=3m、直径φ =22mm的水泥砂浆锚杆，按间距d=0.5m梅花形布置而成；
当扩挖至既有隧道拱顶时，使用拱顶临时钢支撑，将扩挖隧道初期支护所承担的围岩压力，临时钢支撑斜向地向两侧传递给钢套拱，当扩挖至既有隧道左边墙时，使用边墙临时钢支撑，将扩挖隧道初期支护所承担的围岩压力，斜向地向两侧传递给钢套拱，通过临时钢支撑和临时钢支撑的支承作用，提高了初期支护的竖向承载能力，保证了扩挖后隧道围岩的整体稳定性；
3)特大断面隧道左上部扩挖与初期支护:
从左侧拱腰开始依次向下，分段扩挖围岩至设定轮廓线，及时施作初期支护、径向系统锚杆和锁脚锚杆，其支护参数与右侧相同；开挖形成的洞渣侧向排出，并堆填于既有隧道内，形成洞渣回填，有利于扩挖后隧道围岩的整体稳定性。
[0013]上述开挖与支护完毕后，施作2榀122钢架竖向支撑，其上端与初期支护可靠焊接，下端直接支承在既有隧道的衬砌结构上，可显著提高初期支护的竖向承载能力，完成竖向传力的转化后，可拆除临时钢支撑和，拆除临时钢套拱。
[0014]本发明施工方法中还包括第四步骤，后续扩挖与出渣:
形成B=4m宽度的作业空间后，增加了 2个掌子面，就可与普通隧道掘进类似，从中间向两侧掘进，但与普通隧道通过竖井出渣方式不同，新增掌子面上的爆破出渣，须经过B=4m的内部开口段侧向排出，由于出渣效率较低，新增作业面上仅扩挖特大断面隧道的右上部与左上部，其洞渣回填于既有隧道内，既可节约运距，又有利于扩挖后隧道围岩的整体稳定性。
[0015]本发明在不具备从地表开挖竖井(或斜井)增加作业面的城市密集环境中，通过从既有隧道内部开口来增加作业面，能显著提高施工进度，缩短施工工期。
[0016]【附图说明】:
图1为内部开口增加作业面的扩建施工步骤一(横断面)；
图2为内部开口增加作业面的扩建施工步骤一(纵断面)；
图3为内部开口增加作业面的扩建施工步骤二 (横断面)；
图4为内部开口增加作业面的扩建施工步骤二 (纵断面)；
图5为内部开口增加作业面的扩建施工步骤三(横断面)； 图6为内部开口增加作业面的扩建施工步骤三(纵断面)。
[0017]【具体实施方式】:
以下结合附图对本发明特征及应用流程进一步详细说明，以便于理解。
[0018]本发明内部开口增加作业面的特大断面隧道原位扩建施工结构(如图3、4所示)，包括既有隧道A和在既有隧道内沿隧道长度方向设有间隔设置的第一临时钢套拱31a和第二临时钢套拱31b，所述第一临时钢套拱和第二临时钢套拱之间的既有隧道上挖除围岩后形成特大断面隧道轮廓B，在特大断面隧道轮廓表面设有初期支护41，所述特大断面隧道轮廓的径向布设有径向系统锚杆43。
[0019]进一步的，上述径向系统锚杆43为长度l=3m、直径cp=22mm的水泥砂浆锚杆，以间距d=0.5m梅花形布置而成。
[0020]进一步的，上述初期支护41包括5榀122钢拱架和覆盖其表面的25cm厚喷射混凝土。初期支护41包括5榀122钢拱架即为具有5个122钢拱架，122钢拱架为国家标准件。
[0021]进一步的，上述特大断面隧道轮廓B的下侧部设有锁脚锚杆42，锁脚锚杆42包括2根长度I =6m、直径φ =3 2mm的中空注楽销杆。
[0022]进一步的，上述第一临时钢套拱和第二临时钢套拱由10榀122钢拱架通过4道U16槽钢系梁焊接而成。第一、二临时钢套拱由10榀122钢拱架，即为具有10个122钢拱架，122钢拱架为国家标准件，U16槽钢系梁即为型号为U16的槽钢梁。
[0023]进一步的，上述第一临时钢套拱和第二临时钢套拱间距4m，第一临时钢套拱和第二临时钢套拱长度为10m。
[0024]本发明特大断面隧道钻爆法原位扩建施工方法，施工方法包括三个步骤，依次是I)围岩注浆加固与洞内套拱加固；2)特大断面隧道右上部扩挖与初期支护;3)特大断面隧道左上部扩挖与初期支护。
[0025]其中I)围岩注浆加固与洞内套拱加固(如图1、2所示):
沿既有隧道纵向上选取一小段区间(区间长度B=4m)作为内部开口段，其前后一定里程内的区间(区间长度Bl=1m)作为延展段;首先对开口段和延展段范围内的围岩进行壁后注浆加固，所形成的围岩注浆加固体32的强度与稳定性，应相当于IV级以上岩体的标准;IV级以上的岩体为等级为IV级的岩体，其为国家标准，其RQD/%为75-90。
[0026]在前后延展段的既有隧道衬砌内侧施作临时钢套拱31(包括第一临时钢套拱31a和第二临时钢套拱31b)，临时钢套拱31由10榀122钢拱架通过4道U16槽钢系梁焊接而成，每榀钢拱架的拱脚处通过螺栓与既有隧道衬砌结构可靠连接。
[0027]2)特大断面隧道右上部扩挖与初期支护(如图3、4所示):
从右侧边墙开始依次向上，分段破除既有隧道衬砌结构，同时扩挖围岩至设定轮廓线，及时施作初期支护41、锁脚锚杆42和径向系统锚杆43，其中初期支护41包括5榀122钢拱架和覆盖其上表面的25cm厚喷射混凝土，锁脚锚杆42包括2根长度l=6m、直径cp=32mm的中空注浆锚杆，径向系统锚杆43由长度I=3m、直径φ =22mm的水泥砂浆锚杆，按间距d=0.5m梅花形布置而成。
[0028]当扩挖至既有隧道拱顶时，使用拱顶临时钢支撑33，将扩挖隧道初期支护41所承担的围岩压力，临时钢支撑33斜向地向两侧传递给钢套拱31，当扩挖至既有隧道左边墙时，使用边墙临时钢支撑34，将扩挖隧道初期支护41所承担的围岩压力，斜向地向两侧传递给钢套拱31，通过临时钢支撑33和临时钢支撑34的支承作用，提高了初期支护41的竖向承载能力，保证了扩挖后隧道围岩的整体稳定性。
[0029]3)特大断面隧道左上部扩挖与初期支护(如图5、6所示):
从左侧拱腰开始依次向下，分段扩挖围岩至设定轮廓线，及时施作初期支护4101、径向系统锚杆4301和锁脚锚杆4201，其支护参数与右侧相同；开挖形成的洞渣侧向排出，并堆填于既有隧道内，形成洞渣回填23，有利于扩挖后隧道围岩的整体稳定性。
[0030]上述开挖与支护完毕后，施作2榀122钢架竖向支撑44，其上端与初期支护41可靠焊接，下端直接支承在既有隧道的衬砌结构上，可显著提高初期支护41的竖向承载能力，完成竖向传力的转化后，可拆除临时钢支撑33和34，拆除临时钢套拱31。
[0031 ]本发明施工方法中还包括第四步骤，后续扩挖与出渣:
形成B=4m宽度的作业空间后，增加了 2个掌子面，就可与普通隧道掘进类似，从中间向两侧掘进，但与普通隧道通过竖井出渣方式不同，新增掌子面上的爆破出渣，须经过B=4m的内部开口段侧向排出，由于出渣效率较低，新增作业面上仅扩挖特大断面隧道的右上部与左上部，其洞渣回填于既有隧道内，既可节约运距，又有利于扩挖后隧道围岩的整体稳定性。
[0032]本发明所述内部开口增加作业面的特大断面隧道原位扩建施工结构及方法，具有如下3个明显优点。
[0033]I)在不具备从地表开挖竖井(或斜井)增加作业面的城市密集环境中，本发明所述特大断面隧道原位扩建施工方法，通过从既有隧道内部开口来增加作业面，能显著提高施工进度，缩短施工工期。
[0034]2)本发明所述的原位扩建施工方法，通过临时钢支撑将扩挖隧道初期支护所承担的围岩压力，斜向地向两侧传递给临时钢套拱，能显著提高初期支护的竖向承载能力，保证扩挖后隧道围岩的整体稳定性。
[0035]3)本发明所述的原位扩建施工方法，在形成一定宽度的作业空间后，就可与普通隧道掘进类似，从中间向两侧掘进，同时其洞渣回填于既有隧道内，既可节约运距，又有利于扩挖后隧道围岩的整体稳定性。
[0036]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【主权项】
1.一种内部开口增加作业面的特大断面隧道原位扩建施工结构，其特征在于:包括既有隧道(A)和在既有隧道内沿隧道长度方向设有间隔设置的第一临时钢套拱(31a)和第二临时钢套拱(31b)，所述第一临时钢套拱和第二临时钢套拱之间的既有隧道上挖除围岩后形成特大断面隧道轮廓(B)，在特大断面隧道轮廓表面设有初期支护(41)，所述特大断面隧道轮廓的径向布设有径向系统锚杆(43)。2.根据权利要求1所述的内部开口增加作业面的特大断面隧道原位扩建施工结构，其特征在于:所述径向系统锚杆(43)为长度l=3m、直径φ =22mm的水泥砂浆锚杆，以间距d=0.5m梅花形布置而成。3.根据权利要求1所述的内部开口增加作业面的特大断面隧道原位扩建施工结构，其特征在于:所述初期支护(41)包括5榀122钢拱架和覆盖其表面的25cm厚喷射混凝土。4.根据权利要求1所述的内部开口增加作业面的特大断面隧道原位扩建施工结构，其特征在于:所述特大断面隧道轮廓(B)的下侧部设有锁脚锚杆(42)，锁脚锚杆42包括2根长度I =6m、直径φ =3 2mm的中空注楽销杆。5.根据权利要求1所述的内部开口增加作业面的特大断面隧道原位扩建施工结构，其特征在于:所述第一临时钢套拱和第二临时钢套拱由10榀122钢拱架通过4道U16槽钢系梁焊接而成。6.根据权利要求1所述的内部开口增加作业面的特大断面隧道原位扩建施工结构，其特征在于:所述第一临时钢套拱和第二临时钢套拱间距4m，第一临时钢套拱和第二临时钢套拱长度为10m。7.一种特大断面隧道钻爆法原位扩建施工方法，其特征在于:施工方法包括三个步骤，依次是I)围岩注浆加固与洞内套拱加固；2)特大断面隧道右上部扩挖与初期支护;3)特大断面隧道左上部扩挖与初期支护。8.根据权利要求7所述的特大断面隧道钻爆法原位扩建施工方法，其特征在于: 1)围岩注浆加固与洞内套拱加固: 沿既有隧道纵向上选取一小段区间(区间长度B=4m)作为内部开口段，其前后一定里程内的区间(区间长度Bl=1m)作为延展段;首先对开口段和延展段范围内的围岩进行壁后注浆加固，所形成的围岩注浆加固体(32)的强度与稳定性，应相当于IV级以上岩体的标准； 在前后延展段的既有隧道衬砌内侧施作临时钢套拱(31 )，临时钢套拱(31)由1榀12 2钢拱架通过4道U16槽钢系梁焊接而成，每榀钢拱架的拱脚处通过螺栓与既有隧道衬砌结构可靠连接； 2)特大断面隧道右上部扩挖与初期支护: 从右侧边墙开始依次向上，分段破除既有隧道衬砌结构，同时扩挖围岩至设定轮廓线，及时施作初期支护(41)、锁脚锚杆(4)和径向系统锚杆(43)，其中初期支护(41)包括5榀122钢拱架和覆盖其上表面的25cm厚喷射混凝土，锁脚锚杆(42)包括2根长度l=6m、直径φ =32mm的中空注浆锚杆，径向系统锚杆(43)由长度I=3m、直径φ =22mm的水泥砂浆锚杆，按间距d=0.5m梅花形布置而成； 当扩挖至既有隧道拱顶时，使用拱顶临时钢支撑(33)，将扩挖隧道初期支护(41)所承担的围岩压力，临时钢支撑(33)斜向地向两侧传递给钢套拱(31 )，当扩挖至既有隧道左边墙时，使用边墙临时钢支撑(34)，将扩挖隧道初期支护(41)所承担的围岩压力，斜向地向两侧传递给钢套拱(31)，通过临时钢支撑(33)和临时钢支撑(34)的支承作用，提高了初期支护(41)的竖向承载能力，保证了扩挖后隧道围岩的整体稳定性； 3)特大断面隧道左上部扩挖与初期支护: 从左侧拱腰开始依次向下，分段扩挖围岩至设定轮廓线，及时施作初期支护(4101)、径向系统锚杆(4301)和锁脚锚杆(4201)，其支护参数与右侧相同；开挖形成的洞渣侧向排出，并堆填于既有隧道内，形成洞渣回填(23)，有利于扩挖后隧道围岩的整体稳定性； 上述开挖与支护完毕后，施作2榀122钢架竖向支撑(44)，其上端与初期支护(41)可靠焊接，下端直接支承在既有隧道的衬砌结构上，可显著提高初期支护(41)的竖向承载能力，完成竖向传力的转化后，可拆除临时钢支撑(33)和(34)，拆除临时钢套拱(31)。9.根据权利要求7所述的特大断面隧道钻爆法原位扩建施工方法，其特征在于: 施工方法中还包括第四步骤，后续扩挖与出渣: 形成B=4m宽度的作业空间后，增加了 2个掌子面，就可与普通隧道掘进类似，从中间向两侧掘进，但与普通隧道通过竖井出渣方式不同，新增掌子面上的爆破出渣，须经过B=4m的内部开口段侧向排出，由于出渣效率较低，新增作业面上仅扩挖特大断面隧道的右上部与左上部，其洞渣回填于既有隧道内，既可节约运距，又有利于扩挖后隧道围岩的整体稳定性。
【文档编号】E21D11/00GK105822311SQ201610326430
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】陈良兵, 王事成, 张红华, 李永山, 宋永乐, 关振长, 阮庆晶
【申请人】中铁十五局集团有限公司, 中铁十五局集团第二工程有限公司