一种山体隧道改建扩挖施工方法
【专利摘要】本发明公开了一种山体隧道改建扩挖施工方法，步骤如下：在隧道没有塌腔地段，按照隧道施工规范要求进行扩挖支护和施工；在隧道有塌腔地段，当塌腔小于新建隧道轮廓时，直接对其进行爆破，然后按照隧道施工规范要求进行扩挖支护和施工；当隧道塌腔大于新建隧道轮廓时，在隧道有塌腔地段进一步采用如下步骤为：在该段隧道中，通过管棚支护和插板形成棚架，起支护作用；向新建隧道轮廓外的塌腔中充填轻质材料,采用改进的扩挖支护方法，对该段隧道进行扩挖施工。与现有技术相比，本发明直接用能量法分析隧道塌腔施工风险，寻找宏观定性控制方法，制定实施方案，并严格控制，防止不利作用力和能量都向结构的薄弱部位转移或集中作用；有利于控制施工风险，确保工程施工安全与质量。
【专利说明】
一种山体隧道改建扩挖施工方法
技术领域
[0001]本发明属于施工方法领域，具体涉及一种山体隧道改建扩挖施工方法。
【背景技术】
[0002]随着国家新型城镇化规划(2014— 2020年)的实施，许多上世纪修建的小型乡镇公路山体隧道需要改建扩挖，而这些隧道修建质量相对差些，甚至存在一些大小不等的塌腔(图1)，给改建扩挖带来了施工风险。现有隧道规范虽然有许多规定，但没有从力学概念说明隧道改建扩挖时如何处理大小不等的隧道塌腔施工风险问题。而直接用工程力学分析隧道塌腔施工风险非常复杂，且尚不实用;采用能量方法分析隧道塌腔施工风险就相对简单，并能找到处理隧道塌腔施工风险的控制方法。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于解决上述技术问题，本发明提出一种山体隧道改建扩挖施工方法。
[0004]本发明针对现有隧道规范没有从力学概念说明隧道改建扩挖时如何处理大小不等的隧道塌腔施工风险问题，直接用能量方法分析隧道塌腔施工风险，并找到处理隧道塌腔施工风险的控制方法。本发明的理论基础如下:
[0005]第一步直接用能量法分析隧道塌腔施工风险，寻找宏观定性控制方法；
[0006]控制隧道塌腔施工风险的能量法本质即是确保系统抗力做功ΔU大于荷载做功ΔT0
[0007]Δυ>ΔΤ (1.1)
[0008]式中:AU为系统抗力做功；ΔT为荷载做功。
[0009]通过管棚支护和插板形成棚架，起支护作用，提高系统抗力做功AU;通过充填轻质材料控制隧道塌腔扩大和掉块，减轻支护荷载，减少荷载做功AT;防止不利作用力和能量都向结构的薄弱部位转移或集中作用。
[0010]AT = PASi+WAS2 (1.2)
[0011]式中:P为隧道塌腔掉块重量；ΔSi为掉块塌落距尚，充填轻质材料后控制Δ Si很小;W为轻质材料重量，也很小；Δ S2为轻质材料压缩距离。只要控制好Δ S1、W两个量值，就能减少荷载做功A T0
[0012]第二步依据宏观定性控制方法，制定实施方案，并严格控制；
[0013](I)利用式(1.1)通过管棚支护和插板形成棚架，起支护作用，提高了系统抗力做功A U;
[0014](2)同时利用式(1.2)通过充填轻质材料控制隧道塌腔扩大和掉块，减轻支护荷载，从而减少了荷载做功A T。
[0015]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0016]山体隧道改建扩挖施工方法，步骤如下:
[0017]S1:探明老隧道塌腔位置和相对大小，并进行标记；
[0018]S2:在隧道没有塌腔地段，按照隧道施工规范要求进行扩挖支护和施工；
[0019]S3:在隧道有塌腔地段，分两种情况:当隧道塌腔小于新建隧道轮廓时，直接对其进行爆破，然后按照隧道施工规范要求进行扩挖支护和施工；当隧道塌腔大于新建隧道轮廓时，在隧道有塌腔地段进一步采用如下步骤为:
[0020]S301:在该段隧道中，通过管棚支护和插板形成棚架，起支护作用；
[0021 ] S302:向新建隧道轮廓外的塌腔中充填轻质材料，以控制隧道塌腔扩大和掉块；
[0022]S303:采用改进的扩挖支护方法，对该段隧道进行扩挖施工。
[0023]本发明所述的隧道塌腔小于新建隧道轮廓是指:隧道塌腔位小于新建隧道轮廓，开挖作业不会产生施工风险;隧道塌腔大于新建隧道轮廓是指隧道塌腔大于新建隧道轮廓或接近者，开挖作业容易产生施工风险。
[0024]作为优选，所述的棚架设置范围为隧道塌腔地段前沿5m至后沿5m。
[0025]作为优选，所述的S303具体为:在隧道周边和掌子面控制变形的情况下，首先对新建隧道轮廓内的上半断面分左右两块纵向开挖I?2m，并及时封闭支护，以钢拱架与喷混凝土初期支护承担全部荷载;然后再对下半断面分左右两块纵向开挖I?2m，并及时封闭支护，以钢拱架与喷混凝土初期支护承担全部荷载;按照上述先上半断面后下半断面的方式循环不断对该段隧道进行开挖，确保控制隧道周边和掌子面的变形。这样分步循环施工的优点是隧道开挖支护过程每一步隧道结构与地层相互作用都处于稳定平衡状态，隧道结构受力变形状态是可控的，有利于控制施工风险，确保工程质量。
[0026]作为优选，所述的轻质材料为以下任一类:第一类:废旧泡沫外包装通过粉碎机粉碎后的粉碎料;第二类:泡沫颗粒;第三类:泡沫砂浆(配合比为泡沫粒:沙:水泥:水:外加剂=25.0: 100:150:150:6.0、其容重4.3kN/m3〈水容重 10kN/m3)。
[0027]与现有技术相比，本发明主要优点在于:首先直接用能量法分析隧道塌腔施工风险，寻找宏观定性控制方法;其次通过管棚支护和插板形成棚架，起支护作用，提高系统抗力做功A U;通过充填轻质材料控制隧道塌腔扩大和掉块，减轻支护荷载，减少荷载做功ΔT;防止不利作用力和能量都向结构的薄弱部位转移或集中作用;有利于控制施工风险，确保工程施工安全与质量。
【附图说明】
[0028]图1是新老隧道相对位置示意图；
[0029]图2是本发明的隧道穿越塌腔施工能量分析与控制方法示意图；
[0030]图3是本发明的隧道改进扩挖支护图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
[0032]山体隧道改建扩挖施工方法，步骤如下:
[0033](I)探明老隧道塌腔位置和相对大小
[0034]采用地质雷达等设备探明老隧道塌腔位置和相对大小，标记在老隧道衬砌表面，做好施工记录，作为老隧道改建设计依据。
[0035](2)在隧道没有塌腔地段，按照常规的隧道施工规范要求进行扩挖支护和施工；
[0036](3)在隧道有塌腔地段，分两种情况进行施工:当隧道塌腔小于新建隧道轮廓时，直接对轮廓线以内的岩壁进行爆破，然后按照常规的隧道施工规范要求进行扩挖支护和施工；当隧道塌腔大于新建隧道轮廓时，由于爆破可能导致塌腔进一步扩大甚至坍塌，造成人身财产危险。因此在隧道有塌腔地段进一步采用如下步骤为:
[0037](3.1)在隧道有塌腔地段前沿5m位置至后沿5m位置，在该区段通过管棚支护和插板形成棚架，起支护作用，提高系统抗力做功AU;
[0038](3.2)在做好塌腔地段管棚支护和插板形成棚架的前提下，通过向塌腔中预先充填轻质材料控制隧道塌腔扩大和掉块，减轻支护荷载，减少荷载做功AT。轻质材料可选择以下任意一类:第一类:废旧泡沫外包装通过粉碎机粉碎后的粉碎料;第二类:专制泡沫颗粒;第三类:泡沫砂浆(配合比为泡沫粒:沙:水泥:水:外加剂=25.0:100:150:150:6.0、其容重4.3kN/m3〈水容重 10kN/m3)。
[0039](3.3)在做好隧道塌腔地段管棚支护和插板形成棚架以及充填轻质材料控制隧道塌腔扩大和掉块的前提下，改进扩挖支护方法，让钢拱架与喷混凝土等初期支护承担全部荷载。图3示出的为隧道的纵向剖面图，开挖过程中对隧道的横向截面从横向和纵向大致分为左上、右上、左下和右下四块，即图中的①、②、③和④。在隧道周边和掌子面控制变形的情况下，第一步以钢拱架与喷混凝土等初期支护承担全部荷载，对上半断面分左①、右②两块纵向开挖I?2m，及时封闭支护，此时以钢拱架与喷混凝土等初期支护承担全部荷载。然后第二步对下半断面分左③、右④两块纵向开挖I?2m，及时封闭支护，此时再以钢拱架与喷混凝土等初期支护承担全部荷载。每次上半断面分①、②两块纵向开挖支护和下半断面分③、④两块纵向开挖支护，即按上述两步循环进行掘进，确保控制隧道周边和掌子面的变形，有利于保证隧道施工质量和安全。
[0040](4)做好隧道二次衬砌。
[0041]对于山体隧道的较大塌腔且地面变形要求不高的情况，较好满足施工过程中隧道周边甚至掌子面的稳定，有效控制隧道周边变形和地面沉降，确保隧道施工安全和衬砌结构质量。
[0042]以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种山体隧道改建扩挖施工方法，其特征在于，步骤如下: S1:探明老隧道塌腔位置和相对大小，并进行标记； S2:在隧道没有塌腔地段，按照隧道施工规范要求进行扩挖支护和施工； S3:在隧道有塌腔地段，当隧道塌腔小于新建隧道轮廓时，直接对其进行爆破，然后按照隧道施工规范要求进行扩挖支护和施工；当隧道塌腔大于新建隧道轮廓时，在隧道有塌腔地段进一步采用如下步骤为: S301:在该段隧道中，通过管棚支护和插板形成棚架，起支护作用； S302:向新建隧道轮廓外的塌腔中充填轻质材料，以控制隧道塌腔扩大和掉块； S303:采用改进的扩挖支护方法，对该段隧道进行扩挖施工。2.如权利要求1所述的山体隧道改建扩挖施工方法，其特征在于，所述的棚架设置范围为隧道塌腔地段前沿5m至后沿5m。3.如权利要求1所述的山体隧道改建扩挖施工方法，其特征在于，所述的S303具体为:在隧道周边和掌子面控制变形的情况下，首先对新建隧道轮廓内的上半断面分左右两块纵向开挖I?2m，并及时封闭支护，以钢拱架与喷混凝土初期支护承担全部荷载;然后再对下半断面分左右两块纵向开挖I?2m，并及时封闭支护，以钢拱架与喷混凝土初期支护承担全部荷载;按照上述先上半断面后下半断面的方式循环不断对该段隧道进行开挖，确保控制隧道周边和掌子面的变形。4.如权利要求1所述的山体隧道改建扩挖施工方法，其特征在于，所述的轻质材料为以下三类中的任一种:第一类为废旧泡沫外包装通过粉碎机粉碎后的粉碎料;第二类为泡沫颗粒;第三类为泡沫砂浆，其配合比为泡沫粒:沙:水泥:水:外加剂=25.0:100:150:150:.6.0，容重 4.3kN/m3。
【文档编号】E21D9/01GK105952464SQ201610367292
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】朱汉华, 陈孟冲, 牛富生
【申请人】宁波市交通规划设计研究院有限公司