一种碎屑流地层隧道开挖施工方法及结构与流程

本发明涉及隧道施工技术领域，尤其是涉及一种碎屑流地层隧道开挖施工方法及结构。

背景技术：

在隧道隧道正洞开挖前，一般会根据地质条件为主要依据，并结合工期、隧道长度、施工技术水平等因素综合考虑，选择切实可行的开挖方法。常见的隧道施工方法有全断面开挖法、新奥法、导坑超前+扩挖方法等。但是，对于穿越碎屑流地层的隧道正洞，以上的施工方法均不适用。这是因为碎屑流地层是一种特殊的地质结构，俗称地下泥石流。其中，碎屑流地层中主要包含的碎屑流体为塑性流体，其为地质构造运动中形成的以碎屑状的颗粒石、角砾土、黏土、水组成的高密度混合物，其具有高浓度流动特性，表现为变形量大、变形速度快、变形随时间变化特征非常明显。碎屑流体存在于碎屑流体溶腔中，开挖时容易导致溶腔破裂，碎屑流体随水涌出；因此，在碎屑流地层的隧道掘进过程中，容易引发碎屑流体瞬间大规模涌动、流变，堵塞掌子面，容易造成大变形导致大面积坍塌等工程地质灾害，导致人员伤亡及财产损失。因此，施工中碎屑流地层坍腔问题一直是困扰隧道工程的技术难题，穿越碎屑流地层的隧道施工难度非常大。

目前，国内外对隧道穿越碎屑流地段的工程技术尚处于摸索阶段。针对碎屑流高浓度流动特性，现有技术中采用反压、封堵、高位泄水等技术防止掌子面岩体大规模坍塌。中国专利(cn105464669b)公开了一种富水软弱围岩长大隧道施工方法，其通过设置超前排水通道，以降低碎屑流地层的水头压力，即通过高位泄水的方式将积水通过管道抽排出洞外。但是，这种施工技术仅将碎屑流体中的水排出，由于碎屑流是一种带有很高压力的流体，其中还含有泥沙、碎石、黏土等固态物质，仅仅通过高位泄水的方式，无法对碎屑流地层中储存的高浓度高密度的碎屑体势能进行有效释放，导致隧道施工时所做的超前支护和初期支护难以对隧道起到有效的支撑作用，容易造成掌子面岩体大规模坍塌。因此，对于碎屑流地层隧道的开挖亟需一种能有效降低碎屑体势能的施工方法。

技术实现要素：

本发明的第一个目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种碎屑流地层隧道开挖施工方法，其能有效降低碎屑流地层中碎屑流体的势能。

本发明的第二个目的在于提供一种适用于碎屑流地层隧道开挖施工结构。

为达到第一个目的，本发明提供一种碎屑流地层隧道开挖施工方法，包括以下步骤：

s1、探测掌子面附近的地质情况，确认碎屑流体溶腔在拟挖隧道正洞路径的位置和范围；

s2、在碎屑流体溶腔附近设置释能降压洞，使其满足对碎屑流体溶腔的碎屑流体势能进行释放的工艺条件；

s3、利用释能降压洞揭开所述碎屑流体溶腔，对碎屑流体溶腔中的碎屑流体势能进行释放，势能释放完毕后封闭所述释能降压洞；

s4、在隧道正洞一侧设置迂回导洞，并在拟挖隧道正洞的路径中形成多个工作面；

s5、对隧道正洞的剩余部分进行施工。

相对于现有技术，本发明提供的碎屑流地层隧道开挖施工方法，充分利用碎屑流体的溶腔特性，通过设置释能降压洞提前将碎屑流体溶腔中的高压势能进行释放，不仅能够排出碎屑流体溶腔内的液态物质，还能够充分释放碎屑流体溶腔内的固态物质。

进一步地，所述释能降压洞与所述碎屑流体溶腔相对设置并设有一定距离，利用爆破的方式揭开所述释能降压洞，使所述势能降压洞与所述碎屑流体的溶腔连通。该释能降压洞能够排出溶腔内的碎屑流体，包括水、泥沙等物质，能够有效降低溶腔内的能量，减少后续隧道施工的压力；另外，所述释能降压洞与所述碎屑流体的溶腔具有一定安全距离，防止在开挖释能降压洞时碎屑流体涌出造成施工事故。

进一步地，所述释能降压洞包括相互连接的洞身和洞主体，所述洞身的底端与所述隧道正洞的一侧连通，所述洞身呈一定坡度爬升，使得位于其顶端的所述洞主体与所述碎屑流体溶腔相对并设有一定距离。

进一步地，在步骤s4中，所述迂回导洞包括主洞和至少一条支路，所述主洞的延伸路径与所述隧道正洞的延伸路径平行，且其出口与所述隧道正洞连通，所述每条支路的一端与所述主洞连通，其另一端则与碎屑流体溶腔后方的拟挖隧道正洞路径连接，从而在所述隧道正洞中形成多个工作面。通过设置迂回导洞，可以形成多个工作面同时对隧道正洞进行施工，并且当发现掌子面前方存在碎屑流体溶腔，且无法立即释放碎屑流体溶腔的高压势能时，可以利用迂回导洞绕开该碎屑流体溶腔继续沿着隧道正洞的方向挖掘隧道，避免工期延误，提高隧道挖掘效率。

进一步地，在步骤s5中，对穿越碎屑流体溶腔的隧道正洞部分进行注浆加固和超前管棚支护；所述注浆加固采用超前小导管；所述超前管棚支护为双层结构。

进一步地，在s1步骤中，利用超前地质预报确认碎屑流体溶腔的位置和范围；所述超前地质预报包括tsp超前预报、地质雷达、红外探水和超前钻探。

进一步地，在步骤s5中，对隧道正洞进行施工包括以下步骤：(1)开挖所述隧道正洞的上台阶，并对所述上台阶进行初级支护，施工临时仰拱与竖向支撑；(2)开挖所述隧道正洞的中台阶，并进行初级支护，施工临时仰拱与竖向支撑；(3)开挖所述隧道正洞的下台阶，施工仰拱，进行仰拱回填，对所述隧道正洞的拱顶及边墙进行二衬浇筑。

为达到第二个目的，本发明还提供一种碎屑流地层隧道开挖施工结构：包括隧道正洞和碎屑流体溶腔，所述隧道正洞部分穿过或完全穿过所述碎屑流体溶腔；还包括释能降压洞，所述释能降压洞包括相互连通的洞身和洞主体，所述洞身与水平面呈一定坡度，所述洞主体位于所述洞身的顶端，并位于所述碎屑流体溶腔附近，将所述洞主体与所述碎屑流体溶腔连通后，能够释放所述碎屑流体溶腔的势能。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1是本发明的碎屑流地层隧道开挖施工结构图。

图2是本发明的碎屑流地层隧道开挖施工截面图。

其中，附图标记为：100-隧道正洞、100a-第一开口、100b-第二开口、101-释能降压洞、102-封堵墙、102a-排水管、103-迂回导洞、103a-第一支路、103b-第二支路、104-超前小导管、105-超前长管棚、106-上台阶、107-中台阶、108-下台阶、a-碎屑流体的溶腔、10-掌子面、11，12，13-工作面。

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的描述。

具体实施方式

申请人对以下专业术语进行统一说明，在本实施例中，隧道正洞为拟施工的主线隧道主体，其在施工过程中可划分为上台阶、中台阶和下台阶，上台阶为隧道正洞的上部断面，中台阶为隧道正洞的中部断面，下台阶为隧道正洞的下部断面；掌子面为施工隧道正洞时不断向前推进的工作面；碎屑流地层中存在碎屑流体溶腔，碎屑流体包含在碎屑流体溶腔中。

请同时参阅图1和图2，其是本发明碎屑流地层隧道开挖施工结构图和施工截面图。本发明提供了一种碎屑流地层隧道开挖施工方法，主要包括s1、探测掌子面附近的地质情况，确认碎屑流体溶腔在拟挖隧道正洞路径的位置和范围；s2、在碎屑流体溶腔附近设置释能降压洞，使其满足对碎屑流体溶腔的碎屑流体势能进行释放的工艺条件；s3、利用释能降压洞揭开所述碎屑流体溶腔，对碎屑流体溶腔中的碎屑流体势能进行释放，势能释放完毕后封闭所述释能降压洞；s4、在隧道正洞一侧设置迂回导洞，并在拟挖隧道正洞的路径中形成多个工作面；s5、对隧道正洞的剩余部分进行施工。具体地，包括以下步骤：

(1)探测掌子面附近的地质情况，确认碎屑流体溶腔在拟挖隧道正洞路径的位置和范围：本发明利用超前地质预报技术探测拟挖隧道正洞路径中的碎屑流体溶腔a的位置和范围，该隧道正洞部分穿过或完全穿过所述碎屑流体溶腔a。所述超前地质预报技术采用物探和钻探结合，其中，所述物探主要包括tsp超前预报、地质雷达、红外探水；具体地，所述tsp超前预报是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报掌子面10前方及周围临近区域的地质情况；所述地质雷达可获得雷达剖面图以确定掌子面10前方岩体的空间位置和结构特征；所述红外探水可以判断出掌子面10前方一定范围内有无含水构造。所述钻探为超前钻探技术，其主要利用钻探机打设炮孔以进行地质预报分析。综合分析tsp超前预报、地质雷达、红外探水以及超前钻探的结果，最终确定出碎屑流体溶腔的位置和范围。

(2)在碎屑流体溶腔附近设置释能降压洞，使其满足对碎屑流体溶腔的碎屑流体势能进行释放的工艺条件：开挖隧道正洞100，使其掌子面10与前方碎屑流体溶腔a呈一定距离，并在所述隧道正洞100的右侧开设第一开口100a和在左侧第二开口100b，在所述第一开口100a处为起点设置释能降压洞100，所述第一开口100a为将碎屑流体溶腔a中的碎屑流体引流的出口，该隧道正洞的掌子面10与碎屑流体溶腔a的距离满足对碎屑流体溶腔的碎屑流体势能进行释放的工艺条件。

(3)利用释能降压洞揭开所述碎屑流体溶腔，对碎屑流体溶腔中的碎屑流体势能进行释放：在确定掌子面10前方的碎屑流体溶腔a位置和范围后，根据碎屑流体溶腔a的位置和范围设置释能降压洞101对碎屑流体溶腔中的碎屑流体势能进行释放。具体地，所述释能降压洞101包括相互连通的洞身和洞主体，所述洞身的底端与隧道正洞100的第一开口100a连通，所述洞身与水平面呈一定坡度，并沿着该坡度向上掘进，使其顶端的所述洞主体与前方的碎屑流体溶腔a相对，并与碎屑流体溶腔a之间设有一定安全距离，即使得所述碎屑流体溶腔a位于所述势能降压洞101的洞主体的正前方。在本实施例中，由于碎屑流体溶腔a位于隧道正洞100的右上方，因此，在隧道正洞100的右侧开挖所述释能降压洞101，所述释能降压洞101的洞身以11.9％的坡度爬升至隧道正洞结构的右上侧，使得所述洞主体设置在隧道正洞右侧斜上方45°的位置，所述洞主体宽5m，高6.5m，与所述隧道正洞净距10m，挖掘所述洞主体，使其与所述碎屑流体溶腔a之间预留3m岩柱后，开挖爆破所述洞主体的上部断面(即上台阶)，使得所述洞主体与碎屑流体溶腔a连通，该碎屑流体溶腔a内积聚的碎屑流体(包括水、泥沙和填充物)通过所述洞主体涌出，从而达到降低碎屑流体溶腔a内能量的目的。当从所述释能降压洞101中涌出的碎屑流体减小至一定程度时候，可以判定碎屑流体溶腔a内高压势能已经释放完毕。采用8cm厚喷射混凝土封闭所述洞主体的上台阶，再设置三层封堵墙102将爆破后的上台阶封闭，其中，在封堵墙的底部和中部预埋排水管102a，所述排水管102a可以辅助释放碎屑流体溶腔a中残留的碎屑流体。需要说明的是，所述释能降压洞的洞主体的大小、洞身的长度与碎屑流体溶腔a的范围有关，碎屑流体溶腔a的范围越大，碎屑流体溶腔a中碎屑流体的压力越大，洞主体的截面积、洞身的长度也相应地扩大。

(4)在隧道正洞一侧设置迂回导洞，并在拟挖隧道正洞的路径中形成多个工作面：在隧道正洞100上的第二开口100b处开挖迂回导洞103，具体地，在掌子面10左侧开挖迂回导洞103。所述迂回导洞103为单洞，包括一主洞，所述主洞的延伸路径与所述隧道正洞平行，并距离所述隧道正洞30m。进一步，所述主洞上呈一定间距开设第一支路103a与第二支路103b，所述第一支路103a和第二支路103b的一端与所述主洞连通，其另一端与拟挖隧道正洞路径连接。其中，第一支路103a绕过碎屑流地层的溶腔a与拟挖隧道正洞相交，形成工作面11和工作面12，在施工时可以分别在工作面11和工作面12以两个相反的方向同时对隧道正洞进行施工；第二支路13b与隧道正洞100相交形成工作面13，由于所述第一支路103a和第二支路103b距离较近，在施工时可以仅设置一个工作面，即在工作面13沿着隧道的掘进方向对隧道正洞进行施工。另外，在所述迂回导洞103内设置一错车道，该错车道可供施工车辆通行。由此可知，通过设置迂回导洞103，可以形成多个工作面同时对隧道正洞进行施工，并且当发现掌子面前方存在碎屑流体溶腔，且无法立即释放碎屑流体溶腔的高压势能时，可以利用迂回导洞绕开该碎屑流体溶腔继续沿着隧道正洞的方向挖掘隧道，避免工期延误，提高隧道挖掘效率。

(5)对隧道正洞的剩余部分进行施工：

a、设置超前支护以稳固掌子面结构：根据碎屑流体溶腔a位置和范围，对前方穿越碎屑流区域的隧道正洞100进行超前支护，所述超前支护包括注浆加固和超前管棚支护；所述注浆加固圈固结范围为开挖轮廓线外5m，所述注浆加固采用超前小导管104注浆，根据碎屑流体溶腔a范围，设置多根所述超前小导管104。具体地，在隧道正洞100断面中心线上设置一钢管，并在所述隧道正洞的断面中心线左侧47°和右侧93°之间的范围内设置所述超前小导管104，所述超前小导管104的外插角为45°，所述超前小导管104设置在隧道正洞的同一横截面上，环向间距为1.2m，并构成1环；每1环中有16根所述超前小导管104，并沿着所述隧道正洞100的掘进方向共设有18环，纵向间距为2m；所述超前小导管104为管壁上开有多个注浆孔的钢花管，其长度为6m，外径为50mm，壁厚为5mm。

所述超前管棚支护为双层管棚支护，其中，第一层设置在所述隧道正洞上台阶106开挖范围外0.25m；第二层设置在所述隧道正洞拱顶开挖范围外0.5m，且环向120°范围内。所述超前管棚支护采用长管棚105，所述长管棚105的长度为40m，其外径为108mm，壁厚为8mm，每根所述长管棚105并沿隧道的纵向设置，并以环向间距0.3m沿环向设置若干所述长管棚105，外插角大于或等于3°。施工时，所述长管棚105末端嵌入基岩大于或等于2m。所述长管棚105采用钢管和钢花管交错设置，所述钢管为热轧无缝钢管，所述钢花管为热轧无缝钢花管。首先打入钢花管并注浆，再打设钢管，以检查钢花管的注浆质量。

b、对隧道正洞进行掘进：在设置完成超前支护后，在四个工作面(掌子面10、工作面11、工作面12和工作面13)同时对隧道正洞进行施工。所述隧道正洞可划分为上台阶106、中台阶107和下台阶108；首先利用爆破的方式开挖所述上台阶106，安装钢拱架，并进行初级支护，施工临时仰拱与竖向支撑；当开挖所述上台阶106使其超前一段距离后，再利用爆破的方式开挖所述中台阶107，安装钢拱架，并进行初级支护，施工临时仰拱与竖向支撑；最后拆除临时支撑，利用爆破的方式开挖所述下台阶108，施工仰拱并进行仰拱回填，施工隧道正洞拱顶及边墙的二衬浇筑。在多个工作面重复上述步骤，完成隧道的施工。

相对于现有技术，本发明提供的碎屑流地层隧道开挖施工方法和结构，充分利用碎屑流体的溶腔特性，通过设置释能降压洞提前将碎屑流体溶腔中的高压势能进行释放，不仅能够排出碎屑流体溶腔内的液态物质，还能够充分释放碎屑流体溶腔内的固态物质；进一步，本发明对穿越碎屑流区域的隧道正洞采用注浆加固和超前管棚支护，为隧道正洞的施工安全提供了双重保证。另外，通过设置迂回导洞，增加隧道的开挖工作面，加快隧道的掘进速度。因此，本发明的碎屑流地层隧道开挖方法解决了碎屑流地层的施工安全以及进度控制问题。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。