专利名称：一种硬岩大断面隧道施工的支撑结构及其施工方法
技术领域：
本发明涉及隧道施工领域，具体涉及一种硬岩大断面隧道施工的支撑结构及其施工方法。
背景技术：
大断面隧道通常主要是指铁路、公路和地铁隧道，也泛指开挖断面在40m2以上的隧道，借以区别断面较小的水工隧洞等隧道。随着国民经济的提升以及国家基础设施建设的加快，随着经济的迅速发展和技术水平的不断提高，我国修建的铁路、公路和地铁隧道越来越多，地下工程中大断面、特大断面隧道的兴建也越来越多。由于(特)大断面隧道开挖跨度大且扁平，加上施工期间诸多工序的相互影响、围岩的多次扰动以及支护衬砌相互之间的非同步施工等诸多因素，结构将承受较大的围岩压力，其受力条件极为复杂，在施工过程中，围岩极易发生失稳乃至坍塌事故。因此，对(特)大断面隧道的施工开挖方法须地下工程技术人员慎之又慎地考虑。目前，对于(特)大断面隧道施工一般采用双侧壁导坑法以及中壁工法(CD法)、交叉中壁工法(CRD法)。这些施工方法中的临时支撑完全竖向或者竖向与横向一并使用的，且竖向临时支撑延伸到隧道断面底部，例如，CD法的临时支撑方法(如图1所示)是侧洞开挖后，架设隧道拱部钢架和临时横撑5及竖撑6，使之在侧洞内联接成环，临时竖向支撑和横向支撑焊接固定，竖向支撑需要随开挖延伸到隧道底部，上述临时支撑方法存在如下不足 一)工序繁多、严重影响施工进度；二)临时支撑不易拆除，使得其重复利用率低，造成施工成本高；三)由于临时支撑依靠爆破施工时的爆破冲击拆除，因此硬岩隧道中依靠爆破拆除固定支撑，对隧道初期支护甚至岩体破坏较大。中国专利CN101769154A公开了一种隧道施工的开挖支护方法，该方法在三台阶开挖方法基础上采用十字钢架临时支护，该支护相对于上述的CD法的临时支撑更易于操作、缩短了施工工期，但其临时竖向钢架支撑仍延伸到隧道断面底部，其实质与CD法的临时支撑差别不大，同样增加了施工工序，而且不易拆除，拆除时易破坏已经施工好的初期支护，此外，该开挖支护方法中上台阶采用一次开挖成型，虽然能使上台阶拱部一次达到设计轮廓要求，及时完成初期支护，但其不适合稳定性差和高破碎性的围岩即大断面隧道的施工。
发明内容
本发明的主要目的旨在解决在(特)大断面硬岩多步爆破开挖施工中支护工序繁琐、缓慢，临时支护拆爆破破坏大等问题，提供一种结构简单、施工进度快、施工安全、可最大化地减少硬岩爆破对临时支护系统的破坏的用于硬岩大断面隧道施工的支撑结构及其施工方法。本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的一种硬岩大断面隧道施工的支撑结构，包括初期支护、临时支撑，其特征在于所述临时支撑由多根竖向临时支撑和与隧道拱顶的初期支护相连的纵向临时支撑组成；所述竖向临时支撑设于隧道拱顶与隧道起拱线之间的隧道中心线处，其底部支撑在起拱线处未开挖的岩石上。本发明的竖向临时支撑在起拱线处未开挖的岩石上，无需延伸到隧道断面底部， 因此本发明所述的临时支撑为半腿式，该半腿式临时支撑只在分部开挖时发挥临时支撑作用。因此，该临时支撑不仅可提供断面围岩的稳定性，而且可简化硬岩(特)大断面爆破施工工法，同时最大化地减少硬岩爆破对临时支护系统的破坏，解决了硬岩(特)大断面隧道爆破施工工序复杂、临时支护拆爆破破坏大的问题。作为本发明的优选，所述竖向临时支撑与纵向临时支撑活动连接，而非焊接，易于拆除，有利于减少下步岩石爆破开挖对既有初期支护的破坏。作为本发明的优选，所述竖向临时支撑底部用混凝土加固，以便临时支撑底部支撑牢固。作为本发明的优选，所述相邻竖向临时支撑纵向间距为lm。作为本发明的优选，所述竖向临时支撑与所述纵向临时支撑均为工字钢钢架，工字钢型号可根据围岩级别及稳定性、隧道埋深、跨度等性质进行选择，其中竖向临时支撑适宜选用I22A、I22B、I24A、I24B型中任一种工字钢钢架；纵向临时支撑适宜选用I18、I20A、 I20B型中任一种工字钢钢架。一种上述硬岩大断面隧道施工的支撑结构的施工方法，其特征在于所述方法包括下述步骤
(1)开挖隧道左侧上台阶，在左侧上台阶的隧道拱顶施作初期支护；
(2)清理左侧上台阶底部基岩上的浮石，再在底部基岩靠近隧道中心线的位置设置竖向临时支撑，在竖向临时支撑顶部安装纵向临时支撑，将纵向临时支撑顶在拱顶的初期支护上；
(3)在竖向临时支撑下部施作锁脚锚杆，挂设钢筋网片，喷射混凝土，然后在距离隧道中线一定距离处开挖左侧中台阶；
(4)开挖右侧上台阶，然后在右侧上台阶隧道拱顶施作初期支护；
(5)开挖隧道右侧中台阶；
(6)进行底部仰拱左侧部分和仰拱右侧部分的开挖，并施作初期支护，使初期支护封闭成环。作为本发明的优选，所述步骤(3)中具体为在竖向临时支撑下部施作锁脚锚杆， 挂设钢筋网片，喷射混凝土，然后在距离隧道中线60(Tl000mm处开挖左侧中台阶，以便临时支撑底部支撑牢固。综上所述，本发明与现有技术相比，具有以下突出优点及有益效果
1、本发明中的临时支撑为半腿式，不仅有利于断面围岩的稳定性，而且可简化硬岩 (特)大断面爆破施工工法，同时最大化地减少硬岩爆破对临时支护系统的破坏；
2、本发明的临时支撑可减小岩石爆破对既有初期支护的影响，由于竖向临时支撑与纵向临时支撑为活动连接，方便拆除，从而可加快施工进度，按全断面计算，本发明平均每月综合进尺可达75m，而现有的双侧壁导坑法、⑶法及CRD法，平均每月最多进尺在40m左右；
3、本发明中的临时支撑结构简单、操作方便，施工步骤简短，且有利于施工结构安全， 可以应用在(特)大断面分块爆破施工中，达到安全简便施工的效果；4、本发明适用于(特)大断面隧道，尤其是跨度大于22米的特大断面隧道及围岩级别在 I IV级的硬岩隧道的爆破施工中。
图1是⑶法的结构横断面图2是本发明的结构及其施工工序横断面图； 图3是本发明的临时支撑纵断面图； 图4是图1的A放大图； 图5是本发明的施工工序纵断面图； 图6是本发明实施例的施工工序流程图。其中，1为初期支护，2为临时支撑，3为竖向临时支撑，4为纵向临时支撑，5为临时横撑，6为临时竖撑，7为左侧上台阶，8为左侧中台阶，9为右侧上台阶，10右侧中台阶，11 为仰拱左侧部分，12为仰拱右侧部分。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。如图2及图4所示，用于开挖中的支撑，它包括初期支护1、临时支撑2，临时支撑 2由竖向临时支撑3和与隧道拱顶的初期支护1相连的纵向临时支撑4组成；其中竖向临时支撑3设于隧道拱顶与隧道起拱线之间的隧道中心线处，其底部支撑在起拱线处未开挖的岩石上，为半腿式。竖向临时支撑3与纵向临时支撑4分别为I22B工字型和I20A工字型钢架，两者为活动连接，便于拆装，相邻竖向临时支撑3纵向间距为lm，如图3所示。如图2及图5所示，实施本发明上述结构的施工方法的步骤如下
(1)开挖左侧上台阶7，施作左侧初期支护1，左侧上台阶7施工2(T30m；
(2)施作中间临时支护2清理左侧上台阶7底部基岩上浮石，在再在底部基岩靠近隧道中心线的位置安装纵向间距为Im的竖向I22B工字钢3，在竖向I22B工字钢3顶部安装纵向I20A工字钢4，纵向I20A工字钢4将左侧顶部初期支护1与竖向I22B临时支撑3连接，I22B工字钢3顶靠在顶部初期支护1的下面，其为自然连接，目的是方便右侧上台阶9 爆破施工，减少对左侧既有初期支护的破坏；
(3)在竖向I22B工字钢3下部锁脚锚杆，挂设钢筋网片，喷射C20混凝土，然后在距离隧道中线800mm处开挖左侧中台阶8，施工l(T20m ；
(4)开挖右侧上台阶9，然后施作初期支护(图中未画出)，右侧上台阶9施工2(T30m；
(5)开挖隧道右侧中台阶10;
(6)进行底部左侧部分11和仰拱右侧部分12的开挖，并施作初期支护(图中未画出)， 使初期支护封闭成环，整个工序完成。上述施工方法的步骤见图6所示。本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出任何修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
权利要求
1.一种硬岩大断面隧道施工的支撑结构，包括初期支护(1)、临时支撑(2)，其特征在于所述临时支撑(2)由多根竖向临时支撑(3)和与隧道拱顶的初期支护(1)相连的纵向临时支撑(4)组成；所述竖向临时支撑(3)设于隧道拱顶与隧道起拱线之间的隧道中心线处， 其底部支撑在起拱线处未开挖的岩石上。
2.根据权利要求1所述的一种硬岩大断面隧道施工的支撑结构，其特征在于所述竖向临时支撑(3)与纵向临时支撑(4)活动连接。
3.根据权利要求2所述的一种硬岩大断面隧道施工的支撑结构，其特征在于所述竖向临时支撑(3 )底部用混凝土加固。
4.根据权利要求3所述的一种硬岩大断面隧道施工的支撑结构，其特征在于所述相邻竖向临时支撑(3)纵向间距为lm。
5.根据权利要求1所述的一种硬岩大断面隧道施工的支撑结构，其特征在于所述竖向临时支撑(3)与所述纵向临时支撑(4)均为工字钢钢架。
6.根据权利要求5所述的一种硬岩大断面隧道施工的支撑结构，其特征在于所述竖向临时支撑(3)选用I22A、I22B、I24A、I24B型中任一种工字钢钢架。
7.根据权利要求5所述的一种硬岩大断面隧道施工的支撑结构，其特征在于所述纵向临时支撑(4)选用118、I20A、I20B型中任一种工字钢钢架。
8.一种应用权利要求1所述硬岩大断面隧道施工的支撑结构的施工方法，其特征在于所述方法包括下述步骤(1)开挖隧道左侧上台阶(7)，在左侧上台阶(7)的隧道拱顶施作初期支护(1)；(2 )清理左侧上台阶(7 )底部基岩上的浮石，再在底部基岩靠近隧道中心线的位置设置竖向临时支撑(3)，在竖向临时支撑(3)顶部安装纵向临时支撑(4)，将纵向临时支撑(4)顶在拱顶的初期支护(1)上；(3)在竖向临时支撑(3)下部施作锁脚锚杆，挂设钢筋网片，喷射混凝土，然后在距离隧道中线一定距离处开挖左侧中台阶(8)；(4)开挖右侧上台阶(9)，然后在右侧上台阶(9)隧道拱顶施作初期支护；(5)开挖隧道右侧中台阶(10);(6)进行底部仰拱左侧部分(11)和仰拱右侧部分(12)的开挖，并施作初期支护，使初期支护封闭成环。
9.根据权利要求8所述的硬岩大断面隧道施工的支撑结构的施工方法，其特征在于 所述步骤(3)中的一定距离为60(Tl000mm。
全文摘要
本发明公开了一种用于硬岩大断面隧道施工的支撑结构及其施工方法，支撑结构包括初期支护、由多根竖向临时支撑和与隧道拱顶的初期支护相连的纵向临时支撑组成的临时支撑，其中竖向临时支撑设于隧道拱顶与隧道起拱线之间的隧道中心线处，其底部支撑在起拱线处未开挖的岩石上，无需延伸到隧道断面底部。本发明解决了(特)大断面硬岩多步爆破开挖施工中支护工序繁琐缓慢，临时支护拆爆破破坏大的问题，具有结构简单、施工进度快、施工安全、可最大化地减少硬岩爆破对临时支护系统的破坏等优点。
文档编号E21D11/10GK102305091SQ20111024586
公开日2012年1月4日 申请日期2011年8月25日 优先权日2011年8月25日
发明者凌树云, 杨征, 陈鹰 申请人:中铁十六局集团有限公司, 中铁十六局集团第三工程有限公司