专利名称：一种适用于大断面黄土隧道的开挖方法
技术领域：
本发明属于软弱围岩中大断面隧道的施工技术领域，尤其属于黄土地层中大断面隧道的施工技术领域。
背景技术：
黄土具有垂直裂隙发育、剪切强度低的特点，因此在黄土地层中开挖隧道通常会引发土体突然坍塌和支护结构变形过大的现象。尤其是对于开挖断面积大于IOOm2的高速公路隧道和高速铁路隧道，当其穿越黄土地层时，隧道施工期间的安全风险更高。为减少隧道开挖期间黄土发生的沉降和变形，防止隧道坍塌、坍方和冒顶事故，保障施工人员的安全，通常采用人工或机械进行开挖，并且将开挖面范围内的土体划分为若干个分部或区域，并采用加强支撑的刚度和强度来减少和控制土体因开挖所引起的沉降和变形，以确保隧道施工的安全。目前，适合于大断面隧道的施工方法有:(I)留核心土环形开挖法；(2)中隔壁(CD)法；(3)交叉隔壁(CRD)法；(4)单侧壁导坑法；(5)双侧壁导坑法；(6)三台阶七步开挖法。在上述6种不同的施工方法当中，单侧壁导坑法与CD法相类似，而三台阶七步开挖法与留核心土环形开挖法的工艺相似。根据大量的工程实践，针对大断面黄土隧道一般采用留核心土环形开挖法、CD法、CRD法、双侧壁导坑法和三台阶七步开挖法进行施工。留核心土环形开挖法由于将隧道开挖断面的土体划分为4个分部，则每个分部开挖区域的断面积较大，而且拱部的开挖高度大于2.5m，人工架设拱部钢拱架的劳动强度和难度均很大，施工的安全风险高，隧道开挖引起的拱顶下沉和变形也较大。留核心土法要求开挖面围岩较为完整和稳定，适用于围岩级别为IV级-VI级的黄土地层。从开挖面土体开挖到衬砌结构封闭成环共需要约12个施工工序，施工的控制关键是要确保核心土和开挖面的稳定。中隔壁法即⑶法是将隧道开挖断面划分为6个分部，并且要在两个开挖区域设置中间隔墙。与留核心土环形开挖法相比，隧道的分部区域开挖断面积减少。由于左右导坑开挖时设置了中隔墙，因此可控制隧道拱顶发生的过大沉降。其施工的主要风险在于中隔墙拆除的过程。该方法从开挖面土体开挖到衬砌结构封闭成环共需要约22个施工工序。交叉中隔壁法即CRD法，将隧道开挖断面划分为6个分部，与⑶法不同之处在于每个导洞开挖后不仅要设置中隔壁，同时还设置临时仰拱，其可作为隧道的横撑。采用CRD法可使隧道下沉和边墙的位移均得到控制，减少隧道施工发生的坍塌和过大变形，有利于减少隧道的坍塌。但该方法从开挖面土体开挖到衬砌结构封闭成环共需要约22个主要的施工工序。CRD法施工的主要风险仍是拆除中隔壁和临时仰拱的工况。双侧壁导坑法采用左右两侧导洞先行的方式进行土体开挖，将隧道开挖断面划分为6个分部。由于左右导洞开挖均设置了初期支护和中隔墙与横撑，可有效控制地面的沉降和围岩变形。该方法施工的主要风险就在于中隔墙和横撑被拆除的过程。该方法从开挖面土体开挖到衬砌结构封闭成环共需要约21个主要的施工工序。
从上述常用的大断面黄土隧道施工方法而言，大多需要设置临时的中隔墙或横撑，从而隧道施工的工序繁杂，导致施工进度慢、效率低，而且工程造价高。留核心土环形开挖法不需要设置临时的中隔墙或横撑，但其拱部土体的开挖断面大，且其两侧土体全部挖除，造成拱部架设钢拱架的难度大、劳动强度高，施工的安全风险也大，因此需要寻求一种即经济实用又能够保证施工安全、快速的新施工方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于大断面黄土隧道的开挖方法，该种开挖法有利于减少隧道的下沉和变形，方便架设拱顶部位钢拱架，劳动强度低，施工工序简单，能有效降低工程造价，加快施工进度。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种适用于大断面黄土隧道的开挖方法，适用于开挖断面积IOOm2以上的黄土隧道，其作法是:A、将隧道开挖断面内的土体划分为上部区域、中部区域、下部区域，首先在上部区域的两侧分别开挖出一个倒梯形的竖槽、同时开挖中部拱顶部位土体，形成“山”字形土体；当上部区域的“山”字形土体顶面的深度为2.5-3m后，则同时开挖“山”字形土体，使“山”字形土体顶面始终保持2.5-3m的深度；B、当“山”字形土体后面的中部区域的土体顶面的深度为17-21m后，再同时开挖中部区域的左侧土体，当中部区域的左侧土体后面的下部区域土体顶面的深度为8-lOm后，再同时开挖中部区域的右侧土体，并使中部区域的左侧土体和右侧土体之间的开挖面始终保持8-10m的距离；C、当中部区域的左侧土体后面的下部区域左侧土体顶面的深度达到13-15m后，再同时开挖下部区域的左侧土体，当下部区域的左侧土体的开挖面与下部区域的右侧土体的后表面相距5-7m后，再同时开挖下部区域的右侧土体；在整个隧道开挖过程中，各个开挖面之间始终保持上述的距离；各开挖处的土体被挖除后及时修筑隧道的初期支护，并在隧道底面距下部区域土体开挖面20m以外的位置架立模板并浇筑隧道的永久混凝土衬砌。与现有技术相比，本发明的有益效果是:一、本发明将整个隧道开挖面分为上部、中部、下部三个区域，共5个分部，在纵向(开挖方向)上交错进行，每个开挖处的开挖面积小，能有效地控制隧道施工期间拱顶的沉降和左右两侧土体的水平位移，可降低隧道施工期间的安全风险。二、与现有技术将整个上部区域土体一次性挖完的做法不同，本发明上部区域最先仅在上部区域开挖出两个竖槽及中部拱顶部位土体，形成“山”字形土体；“山”字形土体中部和两侧的土体顶部与隧道拱顶之间的距离小，一般小于2.0m，施工人员可非常方便地在此处架设拱顶部位的钢拱架，劳动强度明显降低，作业效率高。三、取消了常规施工方法中设置临时中隔墙和横撑的施工工序，不仅可以大幅度降低工程造价，而且能够加快施工进度。本发明的上部区域、中部区域、下部区域的高度与隧道整体高度的比值分别为0.15 0.17: 1、0.47 0.43: 1、0.38 0.40: I。下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
图1为用本发明实施例方法进行开挖的隧道的端部视图。图2为图1的A-A剖视图。图3为用本发明实施例方法进行开挖的隧道的立体结构示意图。
具体实施例方式实施例图1-3示出，本发明的一种具体实施方式
是，一种适用于大断面黄土隧道的开挖方法，适用于开挖断面积IOOm2以上的黄土隧道，其作法是:A、将隧道开挖断面内的土体划分为上部区域1、中部区域2、下部区域3，所述的上部区域1、中部区域2、下部区域3的高度与隧道整体高度的比值分别为0.15 0.17: 1、
0.47 0.43: 1、0.38 0.40: I。首先在上部区域I的两侧分别开挖出一个倒梯形的竖槽、同时开挖中部拱顶部位土体，形成“山”字形土体Ia ;当上部区域I的“山”字形土体Ia顶面的深度为2.5-3m后，则同时开挖“山”字形土体la，使“山”字形土体Ia顶面始终保持2.5-3m的深度；B、当“山”字形土体Ia后面的中部区域2的土体顶面的深度为17_21m后，再同时开挖中部区域2的左侧土体2a，当中部区域2的左侧土体2a后面的下部区域3 土体顶面的深度为8-10m后，再同时开挖中部区域2的右侧土体2b，并使中部区域2的左侧土体2a和右侧土体2b之间的开挖面始终保持8-10m的距离；C、当中部区域2的左侧土体2a后面的下部区域3左侧土体3a顶面的深度达到13-15m后，再同时开挖下部区域3的左侧土体3a，当下部区域3的左侧土体3a的开挖面与下部区域3的右侧土体3b的后表面相距5-7m后，再同时开挖下部区域3的右侧土体3b ；在整个隧道开挖过程中，各个开挖面之间始终保持上述的距离；各开挖处的土体被挖除后及时修筑隧道的初期支护4，并在隧道底面距下部区域3 土体开挖面20m以外的位置架立模板并浇筑隧道的永久混凝土衬砌5。本发明中所指的深度是隧道纵深方向(开挖方向)的长度。实际实施时，本发明也可先挖右侧土体，后挖左侧土体，并保持二者之间的开挖面距离相同，显然这种开挖方法也属于本发明保护的范围。
权利要求
1.一种适用于大断面黄土隧道的开挖方法，适用于开挖断面积100m2以上的黄土隧道，其作法是: A、将隧道开挖断面内的土体划分为上部区域(I)、中部区域(2)、下部区域(3)，首先在上部区域(I)的两侧分别开挖出一个倒梯形的竖槽、同时开挖中部拱顶部位土体，形成“山”字形土体(Ia);当上部区域(I)的“山”字形土体(Ia)顶面的深度为2.5-3m后，则同时开挖“山”字形土体(Ia)，使“山”字形土体(Ia)顶面始终保持2.5_3m的深度； B、当“山”字形土体(Ia)后面的中部区域(2)的土体顶面的深度为17-21m后，再同时开挖中部区域(2)的左侧土体(2a)，当中部区域(2)的左侧土体(2a)后面的下部区域(3)土体顶面的深度为8-lOm后，再同时开挖中部区域⑵的右侧土体(2b)，并使中部区域(2)的左侧土体(2a)和右侧土体(2b)之间的开挖面始终保持8-10m的距离； C、当中部区域(2)的左侧土体(2a)后面的下部区域(3)左侧土体(3a)顶面的深度达到13-15m后，再同时开挖下部区域(3)的左侧土体(3a)，当下部区域(3)的左侧土体(3a)的开挖面与下部区域(3)的右侧土体(3b)的后表面相距5-7m后，再同时开挖下部区域(3)的右侧土体(3b)； 在整个隧道开挖过程中，各个开挖面之间始终保持上述的距离；各开挖处的土体被挖除后及时修筑隧道的初期支护(4)，并在隧道底面距下部区域(3) 土体开挖面20m以外的位置架立模板并浇筑隧道的永久混凝土衬砌(5)。
2.根据权利要求1所述的一种适用于大断面黄土隧道的开挖方法，其特征在于；所述的上部区域(I)、中部区域(2)、下部区域(3)的高度与隧道整体高度的比值分别为0.15 .0.17: 1、0.47 0.43: 1、0.38 0.40: I。
全文摘要
一种适用于大断面黄土隧道的开挖方法，适用于开挖断面积100m2以上的黄土隧道，其主要作法是将隧道开挖断面范围内的土体划分为上部区域、中部区域、下部区域，先在上部区域开挖形成“山”字形土体；再同时开挖“山”字形土体，使“山”字形土体保持2.5-3.0m的深度；然后再依次开挖中部左侧、中部右侧和下部左侧、下部右侧的土体；在开挖过程中各开挖面之间始终保持相同的掘进速度，各开挖处的土体被挖除后及时修筑隧道的初期支护，并在隧道底面距下部区域土体开挖面20m以外的位置架立模板并浇筑隧道的永久混凝土衬砌。该法有利于减少隧道的下沉和变形，方便架设拱顶部位钢拱架，劳动强度低，施工工序简单，能有效降低工程造价，加快施工进度。如附图3所示。
文档编号E21D9/00GK103089270SQ20131002435
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月23日 优先权日2013年1月23日
发明者周晓军, 王晓峰, 胡鸿运, 汪精河, 俞学英 申请人:西南交通大学