一种盾构与新奥法相结合的隧道施工方法
【专利摘要】本发明公开了一种盾构与新奥法相结合的隧道施工方法，步骤如下：步骤S1，隧道开挖。步骤S2，初期支护施工。步骤S3，将盾构机向前推进一个开挖长度。步骤S4，重复步骤S1至步骤S3，进行隧道开挖循环作业，直至隧道贯通，在隧道开挖过程中进行隧道防水板铺设和二次衬砌施工。本发明将新奥法施工和盾构法施工有益结合，实现隧道安全、快速施工，并同时将隧道建设成本控制在经济合理的范围内。本发明采用全机械化作业，大大降低人工作业强度，有力保障隧道作业环境安全，显著改善作业环境质量。
【专利说明】
一种盾构与新奥法相结合的隧道施工方法
技术领域
[0001]本发明专利涉及一种盾构法与新奥法相结合的隧道施工方法，属于地下工程领域。
【背景技术】
[0002]目前在无地下水或少地下水的软岩(IV、V级围岩，土质及岩质地层)中进行隧道暗挖施工，一般采用新奥法或盾构法。
[0003]新奥法是以维护和利用隧道围岩的自承能力为基点，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时的进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为隧道支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道施工和地下工程设计施工的方法和原则。采用新奥法施工隧道断面以马蹄形为主，也可采用圆形、矩形等，衬砌方式一般采用复合衬砌形式，即采用初期支护加二次衬砌相结合的方式，对衬砌受力非常有利；围岩在柔度较大的初期支护条件下，可产生较大的形变，释放了大部分的变形能，因而能使后设的二次衬砌减小受力，二次衬砌施作以后，又会对初期支护产生径向抗力，从而改善初期支护的受力条件;而且衬砌表面光洁平整，有利于隧道通风和防水，保护外层支护。但是IV、V级围岩中新奥法施工时，一般需分台阶开挖，机械化程度低，作业以人工为主，施工效率较低，安全风险高，隧道作业环境差。
[0004]盾构法是暗挖施工中的一种全机械化施工方法。它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌。同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。能够实现连续掘进，施工效率高，且采用机械化作业安全性高、工作环境好，施工对周边环境影响小；但衬砌结构采用预制管片拼装式结构，成本较高。
【发明内容】
[0005]本发明提出了一种盾构法与新奥法相结合的隧道施工方法，解决了新奥法施工效率低安全风险高、盾构法施工成本高的问题，并且将盾构法安全快速掘进和新奥法衬砌结构经济合理的优点相结合，根据软岩隧道新奥法施工“快挖、快支、快封闭”的原则，在不改变现有隧道结构设计的条件下，保证软岩隧道机械化快速掘进，初期支护快速封闭成环，实现了隧道快速、安全、经济的施工目标。
[0006]为实现上述目的，本发明采用下述技术方案:
一种盾构与新奥法相结合的隧道施工方法，步骤如下:步骤SI，隧道开挖。使用盾构机对待开挖的隧道进行一个开挖长度的非爆式开挖;开挖方式根据围岩的自稳性分为分部开挖或全断面开挖；当围岩自稳性好时，使用敞开式盾构机并结合岩土开挖设备采用台阶法对隧道掌子面进行分部开挖；当围岩自稳性差时，采用密闭式盾构机对隧道掌子面进行全断面开挖。
[0007]步骤S2，初期支护施工。盾构机的盾尾分块缩回，每缩回一个分块就对该分块对应的隧道围岩区域进行拱架、钢筋网片和锚杆的安装，整环安装后喷射混凝土，并完成整环初期支护施工。
[0008]步骤S3，将盾构机向前推进一个开挖长度。
[0009]步骤S4，重复步骤SI至步骤S3，进行隧道开挖循环作业，直至隧道贯通，在隧道开挖过程中进行隧道防水板铺设和二次衬砌施工。
[0010]在步骤SI中，所述岩土开挖设备包括挖掘机和悬臂掘进机，在敞开式盾构机的盾壳的保护下，当围岩为土质围岩时，采用挖掘机对隧道掌子面进行分部开挖；当围岩为石质围岩时，采用悬臂掘进机对隧道掌子面进行分部开挖。
[0011 ]在步骤SI中，敞开式盾构机采用台阶法进行分部施工一般分为上下两台阶施工，台阶长度的设置以满足围岩自稳和方便施工为原则，且在敞开式盾构机的前端，安装可伸缩的支撑挡板，具体步骤如下；I)、在开挖上下台阶的同时分部开挖一个开挖长度的隧道掌子面周边的环形区域，并预留上下台阶的核心土防止隧道掌子面失稳，每开挖隧道掌子面周边环形区域的一个分块，盾构机前端相对应的支撑挡板伸出支撑开挖面；
2)、环形区域开挖完成后进行上下台阶核心土的开挖，核心土的开挖长度与环形区域开挖长度相同；
3)、在下台阶进行排渣作业;上台阶开挖的土体通过敞开式盾构机上下两层之间隔板上的空隙转至下台阶，扒渣及出渣作业全部在下台阶进行。
[0012]在步骤SI中，密闭式盾构机对隧道掌子面进行全断面开挖具体为，在密闭式盾构机的刀盘上布设有开挖岩土的刀具，通过刀盘的转动将隧道掌子面上的岩土切削下来，切削的岩土块通过出渣系统排出，每次开挖一个开挖长度。
[0013]所述盾构机的盾尾是分块构成的，每个分块都可以沿盾构机的纵向水平伸缩运动，使隧道外周开挖的围岩面分块露出。
[0014]在步骤S2中，初期支护的施工从盾构机的盾尾处开始，盾尾分块向隧道掌子面方向缩回，每缩回一个分块就对该分块对应的隧道围岩区域进行拱架、钢筋网片和锚杆的安装;安装完成后对该区域喷射混凝土，直至完成一个开挖长度的隧道掌子面的初期支护施工。
[0015]在步骤S3中，盾构机后方的支撑腿及撑靴换步前移，将盾构机向前推进一个开挖长度;盾构机的盾尾向外伸出支撑在隧道掌子面上，约束已开挖但未进行初期支护施工的围岩不向隧道内位移;盾构机向前顶进的推力由撑靴和支撑腿提供，撑靴和支撑腿作用在隧道的初期支护上。
[0016]本发明的有益效果为:
(I)本发明将新奥法施工和盾构法施工有益结合，实现隧道安全、快速施工，并同时将隧道建设成本控制在经济合理的范围内。
[0017](2)本发明适用于无水或少水的软岩(IV、V级围岩，土质及岩质地层)，断面形状不受限制，可进行圆形、马蹄形、矩形和类矩形断面的隧道施工。
[0018](3)本发明采用全机械化作业，大大降低人工作业强度，有力保障隧道作业环境安全，显著改善作业环境质量。
【附图说明】
[0019]图1为实施例2的施工方法示意图。
[0020]图2为实施例3的施工方法示意图。
【具体实施方式】
[0021 ]实施例1: 一种盾构与新奥法相结合的隧道施工方法，步骤如下:
步骤SI，隧道开挖。使用盾构机对待开挖的隧道进行一个开挖长度的非爆式开挖。开挖方式根据围岩的自稳性分为分部开挖和全断面开挖。当围岩自稳性好时，使用敞开式盾构机并结合岩土开挖设备采用台阶法对隧道掌子面进行分部开挖。所述挖掘设备包括挖掘机和悬臂掘进机，在敞开式盾构机的盾壳的保护下，当围岩为土质围岩时，采用挖掘机对隧道掌子面进行分部开挖;当围岩为石质围岩时，采用悬臂掘进机对隧道掌子面进行分部开挖。
[0022]敞开式盾构机采用台阶法进行分部施工一般分为上下两台阶施工，台阶长度的设置以满足围岩自稳和方便施工为原则，且在敞开式盾构机的前端，安装可伸缩的支撑挡板，具体步骤如下；1)、在开挖上下台阶的同时分部开挖一个开挖长度的隧道掌子面周边的环形区域，并预留上下台阶的核心土防止隧道掌子面失稳，每开挖隧道掌子面周边环形区域的一个分块，盾构机前端相对应的支撑挡板伸出支撑开挖面，在开挖过程中，盾构机的盾尾伸出支撑在隧道掌子面上；
2)、环形区域开挖完成后进行上下台阶核心土的开挖，核心土的开挖长度与环形区域开挖长度相同；
3)、在下台阶进行排渣作业;上台阶开挖的土体通过敞开式盾构机上下两层之间隔板上的空隙转至下台阶，扒渣及出渣作业全部在下台阶进行。
[0023]当围岩自稳性差时，采用密闭式刀盘对隧道掌子面进行全断面开挖。
[0024]密闭式盾构机对隧道掌子面进行全断面开挖具体为，在密闭式盾构机的刀盘上布设有开挖岩土的刀具，通过刀盘的转动将隧道掌子面上的岩土切削下来，切削的岩土块通过出渣系统排出，每次开挖一个开挖长度。
[0025]所述一个开挖长度为一榀拱架的长度。
[0026]步骤S2，初期支护施工。盾构机的盾尾分块缩回，每缩回一个分块就对该分块对应的隧道围岩区域进行拱架、钢筋网片和锚杆的安装，整环安装完毕后喷射混凝土，并完成整环初期支护施工。
[0027]初期支护的施工从盾构机的盾尾处开始，盾尾分块向隧道掌子面方向缩回，每缩回一个分块就对该分块对应的隧道掌子面区域进行拱架、钢筋网片和锚杆的安装;全部安装完成后对该区域喷射混凝土，直至完成一个开挖长度的隧道掌子面的初期支护施工。
[0028]步骤S3，将盾构机向前推进一个开挖长度。盾构机后方的支撑腿及撑靴换步前移，将盾构机向前推进一个开挖长度;盾构机的盾尾向外伸出支撑在隧道掌子面上，约束已开挖但未进行初期支护施工的围岩不向隧道内位移;盾构机向前顶进的推力由撑靴和支撑腿提供，撑靴和支撑腿作用在隧道的初期支护上。
[0029]步骤S4，重复步骤SI至步骤S3，进行隧道开挖循环作业，直至隧道贯通，在隧道开挖过程中进行隧道防水板铺设和二次衬砌施工。
[0030]在本实施例，所述盾构机的盾尾是分块构成的，每个分块都可以沿盾构机的纵向水平伸缩运动，使隧道外周开挖的围岩面分块露出。
[0031]实施例2:下面以典型黄土地层中双线铁路隧道项目为例，进一步具体说明本发明。
[0032]如图1所示，隧道处于黄土地层，无地下水。围岩等级以IV级为主，断面为马蹄形，断面宽度14.5m，高度在12m(含仰拱)。隧道全环采用I22a钢拱架，拱架I间距0.Sm。喷混凝土采用C25混凝土，厚度30cm ；边墙锚杆长3.0m，锁脚锚管长4m。纵向连接筋每根长102cm，环向间距lm。
[0033]采用本方法施工的步骤如下:
步骤SI，以敞开式盾构机采用台阶法对隧道进行一个开挖长度的分部开挖。
[0034]隧道开挖分上下两台阶进行，上台阶长度3m，开挖高度为7m，下台阶长度开挖高度5m。在盾壳2的保护下上台阶采用自行式挖掘机3开挖，下台阶采用悬臂掘进机4的开挖臂进行开挖作业。
[0035]在上台阶与下台阶之间设置隔板5;在盾构前端位于上台阶的位置处设置可伸缩的支撑挡板6。具体如下:
1)、在开挖上下台阶的同时分部开挖一个开挖长度的隧道掌子面周边的环形区域，并预留上下台阶的核心土防止隧道掌子面失稳，每开挖隧道掌子面周边环形区域的一个分块，盾构机前端相对应的支撑挡板6伸出支撑开挖面，开挖长度为0.8m。
[0036]2)、环形区域开挖完成后进行上下台阶核心土的开挖，核心土的开挖长度与环形区域开挖长度相同。
[0037]3)、在下台阶进行排渣作业;上台阶开挖的土体通过敞开式盾构机上下两层之间隔板5上的空隙转至下台阶，扒渣及出渣作业全部在下台阶进行。
[0038]步骤S2，对开挖后的一个开挖长度的隧道围岩进行分部施工初期支护。初期支护的施工从盾构机的盾尾处开始，盾尾分块向隧道掌子面方向缩回，每缩回一个分块就对该分块对应的隧道围岩区域进行拱架、钢筋网片和锚杆的安装;安装完成后对该区域喷射混凝土，直至完成一个开挖长度的隧道掌子面的初期支护施工。
[0039]步骤S3，将盾构机向前推进一个开挖长度。盾构机后方的支撑腿8及撑靴7换步前移，将盾构机向前推进一个开挖长度，盾构机前端的支撑挡板6保持不动被收纳至盾构机的盾壳2内；盾构机的盾尾向外伸出支撑在隧道掌子面上，约束已开挖但未进行初期支护施工的围岩不向隧道内位移;盾构机向前顶进的推力由撑靴7和支撑腿8提供，撑靴7和支撑腿8作用在隧道的初期支护上。
[0040]步骤S4，重复步骤SI至步骤S3，进行隧道开挖循环作业，直至隧道贯通，在隧道开挖过程中进行隧道防水板铺设和二次衬砌施工。
[0041]实施例3:下面以围岩自稳性较差的V级泥质页岩地层中单线铁路隧道项目为例，进一步具体说明本发明。
[0042]如图2所示，断面为马蹄形，宽度为9m，高度为10m(含仰拱)。少量地下水，使用密闭式盾构机进行全断面开挖。施工步骤如下:
步骤SI，以密闭式刀盘对隧道进行一个开挖长度的全断面开挖。在密闭式盾构机的刀盘11上布设有开挖岩土的刀具，通过刀盘11的转动将掌子面上的岩土切削下来，切削的岩土块通过出渣系统排出。每次开挖进尺为一榀拱架。
[0043]步骤S2，对开挖后的一个开挖长度的隧道围岩进行分部施工初期支护。初期支护的施工从盾构机的盾尾处开始，盾尾分块向隧道掌子面方向缩回，每缩回一个分块就对该分块对应的隧道围岩区域进行拱架、钢筋网片和锚杆的安装;安装完成后对该区域喷射混凝土，直至完成一个开挖长度的隧道掌子面的初期支护施工。
[0044]步骤S3，将盾构机向前推进一个开挖长度。盾构机后方的支撑腿8及撑靴7换步前移，将盾构机向前推进一个开挖长度，盾构机前端的支撑挡板保持不动被收纳至盾构机的盾壳2内；盾构机的盾尾向外伸出支撑在隧道掌子面上，约束已开挖但未进行初期支护施工的围岩不向隧道内位移;盾构机向前顶进的推力由撑靴7和支撑腿8提供，撑靴和支撑腿作用在隧道的初期支护上。
[0045]步骤S4，重复步骤SI至步骤S3，进行隧道开挖循环作业，同时进行隧道防水板铺设和二次衬砌施工，直至隧道贯通。
【主权项】
1.一种盾构与新奥法相结合的隧道施工方法，其特征在于:步骤如下: 步骤SI，隧道开挖;使用盾构机对待开挖的隧道进行一个开挖长度的非爆式开挖;开挖方式根据围岩的自稳性分为分部开挖或全断面开挖；当围岩自稳性好时，使用敞开式盾构机并结合岩土开挖设备采用台阶法对隧道掌子面进行分部开挖；当围岩自稳性差时，采用密闭式盾构机对隧道掌子面进行全断面开挖； 步骤S2，初期支护施工;盾构机的盾尾分块缩回，每缩回一个分块就对该分块对应的隧道围岩区域进行拱架、钢筋网片和锚杆的安装，整环安装完毕后喷射混凝土，完成初期支护施工； 步骤S3，将盾构机向前推进一个开挖长度； 步骤S4，重复步骤SI至步骤S3，进行隧道开挖循环作业，直至隧道贯通，在隧道开挖的过程中进行隧道防水板铺设和二次衬砌施工。2.根据权利要求1所述的一种盾构与新奥法相结合的隧道施工方法，其特征在于:在步骤SI中，所述岩土开挖设备包括挖掘机和悬臂掘进机，在敞开式盾构机的盾壳的保护下，当围岩为土质围岩时，采用挖掘机对隧道掌子面进行分部开挖；当围岩为石质围岩时，采用悬臂掘进机对隧道掌子面进行分部开挖。3.根据权利要求1或2所述的一种盾构与新奥法相结合的隧道施工方法，其特征在于:在步骤SI中，敞开式盾构机采用台阶法进行分部施工一般分为上下两台阶施工，台阶长度的设置以满足围岩自稳和方便施工为原则，且在敞开式盾构机的前端，安装可伸缩的支撑挡板，具体步骤如下:I)、在开挖上下台阶的同时分部开挖一个开挖长度的隧道掌子面周边的环形区域，并预留上下台阶的核心土防止隧道掌子面失稳，每开挖隧道掌子面周边环形区域的一个分块，盾构机前端相对应的支撑挡板伸出支撑开挖面； 2)、环形区域开挖完成后进行上下台阶核心土的开挖，核心土的开挖长度与环形区域开挖长度相同； 3)、在下台阶进行排渣作业；上台阶开挖的土体通过敞开式盾构机上下两层之间隔板上的空隙转至下台阶，扒渣及出渣作业全部在下台阶进行。4.根据权利要求1或2所述的一种盾构与新奥法相结合的隧道施工方法，其特征在于:在步骤SI中，密闭式盾构机对隧道掌子面进行全断面开挖具体为，在密闭式盾构机的刀盘上布设有开挖岩土的刀具，通过刀盘的转动将隧道掌子面上的岩土切削下来，切削的岩土块通过出渣系统排出，每次开挖一个开挖长度。5.根据权利要求1所述的一种盾构与新奥法相结合的隧道施工方法，其特征在于:所述盾构机的盾尾是分块构成的，每个分块都可以沿盾构机的纵向水平伸缩运动，使隧道外周开挖的围岩面分块露出。6.根据权利要求1所述的一种盾构与新奥法相结合的隧道施工方法，其特征在于:在步骤S2中，初期支护的施工从盾构机的盾尾处开始，盾尾分块向隧道掌子面方向缩回，每缩回一个分块就对该分块对应的隧道围岩区域进行拱架、钢筋网片和锚杆的安装;全部安装完成后对该区域喷射混凝土，直至完成一个开挖长度的隧道掌子面的初期支护施工。7.根据权利要求1所述的一种盾构与新奥法相结合的隧道施工方法，其特征在于:在步骤S3中，盾构机后方的支撑腿及撑靴换步前移，将盾构机向前推进一个开挖长度;盾构机的盾尾向外伸出支撑在隧道掌子面上，约束已开挖但未进行初期支护施工的围岩不向隧道内位移;盾构机向前顶进的推力由撑靴和支撑腿提供，撑靴和支撑腿作用在隧道的初期支护上。
【文档编号】E21D11/10GK105863651SQ201610366892
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】李建斌, 高毅, 于少辉, 李洋, 王全胜, 刑泊, 范磊, 肖威, 董艳萍, 刘娇, 李辉, 程鹏
【申请人】中铁工程装备集团有限公司