矿山法隧道单层衬砌结构体系及施工方法与流程

1.本发明涉及城市轨道交通、铁路、热力、电力、水利、综合管廊、市政工程等地下结构的技术领域，尤其涉及一种城市浅埋暗挖法隧道的矿山法隧道单层衬砌结构体系及施工方法。


背景技术：

2.20世纪80年代，在新奥法原理基础上，我国技术人员研发出了一种复合式衬砌结构，初期支护在围岩条件好的情况下可采用柔性支护，充分发挥围岩结构能力。在浅埋及围岩条件差的情况下可采用刚性支护，减小地层变形。在大瑶山铁路隧道中首次应用，并在北京地铁工程中推广和发展。
3.地铁浅埋暗挖法区间隧道一般处于v级或vi级围岩，采用格栅钢架结合喷射混凝土作为初期支护，采用模筑钢筋混凝土作为二次衬砌结构。施工作业需先逐榀开挖土方，初喷混凝土，架立格栅拱架，再复喷混凝土。在此基础上继续循环开挖及支护。在隧道初期支护洞通后，按照20m-30m分段敷设防水板，人工绑扎二衬钢筋，架立模板，浇筑混凝土。待混凝土达到设计强度后，逐段向前推进重复浇筑二衬结构。存在施工环境恶劣、施工工艺繁琐、混凝土浇筑质量不到位等诸多工艺缺陷。
4.矿山法修建的单跨区间隧道断面适用于a型、b型地铁车辆的单洞单线标准段区间隧道(跨度约6.5m)、区间人防段隧道人防段(跨度约9.5m)、以及带配线或双线(跨度约9m-14m)的区间隧道。所修建的区间隧道适用于有水和无水工况的砂性土、粘性土、砂卵石、岩石等多种地层。
5.在目前采用的矿山法隧道支护体系中，采用的是复合式衬砌结构断面。初期支护用以抵抗施工期间的地层土荷载并控制地层变形，二次衬砌可抵抗隧道使用期间在不考虑初期支护条件下的水土荷载及人防、地震荷载等。
6.在单洞单线标准段区间(跨度约6.5m)隧道条件下，一般可采用台阶法暗挖进行施工，先施工隧道上半断面并架设上半断面初支格栅拱架进行支护，再进行下半断面开挖及架设下半断面格栅拱架；二衬结构施工时，先人工浇筑仰拱结构，再采用台车逐段施工拱墙结构。区间人防段隧道人防段(跨度约9.5m)隧道条件下，一般采用crd 法暗挖进行施工，将隧道分成四块，逐块开挖土方、架设格栅拱架，而形成带有纵横支撑的隧道断面支护结构；二衬结构施工时，需纵向逐段拆除隧道内的下隔墙，浇筑仰拱结构，再逐段拆除剩余上隔墙和中隔板，利用人工支模的方式浇筑拱墙结构。带配线或双线区间(跨度约9m-14m)隧道，一般采用双侧壁导坑法暗挖施工，将隧道分成六块，逐块开挖土方、架设格栅拱架，而形成带有纵横支撑的隧道断面支护结构；二衬施工时需要先逐段拆除两侧的下隔墙，浇筑仰拱结构，在仰拱两端架设水平支撑，再逐段拆除剩余隔墙、隔板等初支结构，浇筑拱墙结构。
7.基于浅埋暗挖法十八字方针，“强支护”的原则，需加强初期支护结构的刚度；大断面隧道采用分仓进行隧道开挖，但是二衬施工条件恶劣，混凝土浇筑质量差，施工工艺复杂，施工速度慢，一直是暗挖隧道设计和施工的痛点。
8.传统复合式衬砌结构，需要先进行隧道开挖和初期支护的架设，待到隧道初支洞通后，需进行防水层施工，再进行初期支护和二次衬砌结构之间的转换，小断面隧道相对简单，但是大断面隧道，需要分仓、分段施工，施工工艺复杂，施工效率低。且由于施工作业条件差，二衬施工缝、拱顶混凝土施工质量一般不佳。
9.为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种矿山法隧道单层衬砌结构体系及施工方法，以克服上述缺陷。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于提供一种矿山法隧道单层衬砌结构体系及施工方法，应用于浅埋暗挖法隧道，有效克服现有技术的缺陷，可提升围岩抗力，在施工阶段进行隧道止水，还可提升围岩-隧道体系在使用阶段的抗渗能力。
11.通过上述内容可知，本发明的矿山法隧道单层衬砌结构体系及施工方法具有如下效果：
12.1、通过提高单层衬砌的结构刚度和耐久性能。通过提升喷射混凝土施工工艺，在混凝土中添加密实剂、耐久性增强纤维提高混凝土密实性，采用特殊的降低混凝土回弹率的喷射工艺，从而提升喷射混凝土的抗渗能力达到防水混凝土抗渗等级。在混凝土中添加钢纤维、纤维素纤维、合成纤维等材料，提高混凝土抗拉强度，提升抗裂能力及耐久性能。在高水头隧道衬砌上预埋注浆管、对隧道周围进行注浆止水，一方面可提升围岩抗力，在施工阶段进行隧道止水，一方面提升围岩-隧道体系在使用阶段的抗渗能力。
13.2、提升了隧道外周结构强度，可在隧道全长范围一次性拆除临时支撑结构，并且不需施作二次衬砌结构，大大简化了矿山法隧道暗挖施工工艺，缩短了施工周期。由于不需要施作二次衬砌结构，在同等条件下减小了隧道开挖断面尺寸，减少了大量的隧道土方开挖量和钢筋、混凝土工程量。根本性的提高了矿山法隧道结构刚度、承载能力、抗变形能力、抗渗能力、耐久性要求，保证了结构安全。根本性规避了运营暗挖隧道后期的多种病害，提高了城市基础设施安全性，并为国家双碳计划提供了支撑。
14.本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
附图说明
15.图1a至图1d显示了本发明的矿山法隧道单层衬砌结构施工方法中台阶法的施工工序图。
16.图2a至图2d显示了本发明的矿山法隧道单层衬砌结构施工方法中cd法的施工工序图。
17.图3a至图3d显示了本发明的矿山法隧道单层衬砌结构施工方法中crd法的施工工序图。
18.图4a至图4e显示了本发明的矿山法隧道单层衬砌结构施工方法中双侧壁导洞法的施工工序图。
19.图5a和图5b分别显示了地铁单洞单线暗挖隧道断面的复合式衬砌和单层衬砌的截面图。
20.图6a和图6b显示了图5a和图5b中近期低水位的弯矩曲线图。
21.图7a和图7b显示了图5a和图5b中近期低水位的轴力曲线图。
22.图8a和图8b显示了图5a和图5b中远期抗浮水位的弯矩曲线图。
23.图9a和图9b显示了图5a和图5b中远期抗浮水位的轴力曲线图。
24.图10a和图10b分别显示了地铁配线区大断面暗挖隧道断面的复合式衬砌和单层衬砌的截面图。
25.图11a和图11b显示了图10a和图10b中近期低水位的弯矩曲线图。
26.图12a和图12b显示了图10a和图10b中近期低水位的轴力曲线图。
27.图13a和图13b显示了图10a和图10b中远期抗浮水位的弯矩曲线图。
28.图14a和图14b显示了图10a和图10b中远期抗浮水位的轴力曲线图。
具体实施方式
29.参见图1a至图4e，显示了本发明的矿山法隧道单层衬砌结构体系及施工方法。
30.如图所示，所述矿山法隧道单层衬砌结构施工方法包括如下步骤：
31.步骤一、判断隧道开挖断面尺寸，选择台阶法、cd法、crd法或双侧壁导洞法等分部暗挖法施工；
32.步骤二、按分部开挖方案开挖先行导洞第一榀土体；
33.步骤三、在四周围岩临空面铺设钢筋网片并进行初喷形成基层，同时对开挖掌子面进行保护；
34.步骤四、架立格栅钢架，及时对围岩进行支护；
35.步骤五、复喷混凝土，形成钢筋混凝土结构支护体系；
36.步骤六、开挖先行导洞第二榀土体，并循环初喷、架立格栅、复喷等工艺逐段形成先行导洞支护结构；
37.步骤七、循环先行导洞第三榀至第n榀施工；
38.步骤八、距先行导洞一定距离后，进行第二导洞的土方开挖、初喷、格栅架立、复喷等工艺形成第二导洞的结构体系；
39.步骤九、依次施工第三导洞至第n导洞，形成完整的隧道结构后，继续逐步施工完成隧道至洞通；
40.步骤十、同期拆除临时中隔壁、中隔板等结构，形成单层衬砌隧道结构并交付使用。
41.通过上述步骤，本发明的矿山法隧道单层衬砌结构施工方法针对复合式衬砌结构体系存在的问题，取消了防水板和二衬结构，采用单层衬砌。结合对含水地层的超前预处理，进行隧道止水圈的设置。从根本上提高了结构刚度和耐久性能，并且最大化的提高了隧道预处理措施及隧道结构的最大性能和效用。简化了施工工艺，降低了隧道土方开挖量，节省了衬砌结构钢筋用量及混凝土用量，以致施工速度可有大幅提升。
42.其中，还可包含如下步骤：
43.1)根据地下水治理方案，如需要堵水施工，一般可先确定隧道含水层位置，在所述软弱破碎及含水量较大的围岩层，采用快凝的水泥基注浆材料，进行全断面超前深孔注浆，以达到止水的效果。或选用其他堵水施工工艺。
44.隧道开挖过程中需严格打设超前小导管，其设置角度适当加大，为25
°
～35
°
，长度为2.2m～2.4m，按照格栅钢架逐榀设置，并与格栅钢架焊接，相邻两榀小导管水平搭接，搭接长度需达到1m。小导管管壁上可设置花孔，利用小导管对地层进行注浆，起到地层加固效果，小导管。所设置的小导管与钢筋网片、格栅钢架焊接，与地层共同形成联合支护结构体。
45.2)对围岩铺设钢筋网片并进行3cm初喷形成基层，与超前小导管一同形成拉锚式结构，及时对围岩临空面进行保护。
46.3)架设格栅钢架，复喷混凝土，形成钢筋混凝土结构支护体系
47.喷射混凝土均采用湿喷工艺进行，湿喷混凝土具有强度增长快，早期强度高，粘结力强，密度大，抗渗性好的特点，能较好地充填围岩与支护结构间的空隙，增加支护与围岩的整体性，并与支护共同工作，且不需要模具，节省造价成本，施工速度快。
48.混凝土可采用纤维混凝土，可提高了湿喷混凝土的耐久性。通过均匀乱向分布的高强纤维能够明显改善了混凝土的脆性材料本质，使得初支结构的抗冲击剪切、耐磨性级抗侵蚀乃就能能有明显改善。另外，高强纤维喷射混凝土在发生较大变形后仍能保持承载能力，可有效改善喷射混凝土早期强度偏低时对软弱围岩的支护效果与粘结能力。
49.单层衬砌混凝土的强度和耐久性指标比一般喷射混凝土的指标要求要高，因此在混凝土中添加纤维以提高抗裂性的基础上，同时可以在混凝土中使用硅粉、矿粉等外掺料，使得喷射混凝土自身具有较高的抗渗性能。采用聚烯烃纤维作为高强纤维代替钢筋网片可使混凝土内小于0.2mm的裂缝均匀分布，提高喷射混凝土的密实性。
50.4)采用cd法、crd法或双侧壁导洞法等分部暗挖施工的隧道，在洞通后可同步凿除临时中隔壁和临时中隔板的混凝土，然后切除该部位钢筋，形成单层衬砌隧道结构交付使用。
51.其中，在台阶法中，如图1a至图1d所示，包含如下步骤：
52.1.1.1施做超前小导管5，开挖上台阶洞室1；
53.1.1.2铺设导洞上台阶钢筋网片并进行初喷混凝土，架立上台阶格栅钢架2，打设锁脚锚管6，复喷混凝土；
54.1.1.3开挖下台阶洞室3；
55.1.1.4与1.1.2相同施做下台阶衬砌4，完成衬砌结构。
56.在cd法中，如图2a至图2d所示，包含如下步骤：
57.1.2.1施工左侧导洞超前小导管10，开挖上台阶7土方，并施做衬砌9、中隔壁8，打设锁脚锚管11；
58.1.2.2进行左侧导洞下台阶12土方开挖，并施做衬砌13、中隔壁；
59.1.2.3施工右侧导洞超前小导管10，开挖上台阶14土方，并施做衬砌16，打设锁脚锚管，施工右侧导洞下台阶15土方和衬砌17；
60.1.2.4切除中隔壁，完成衬砌结构。
61.在crd法中，如图3a至3d所示，包含如下步骤：
62.1.3.1施工左上导洞超前小导管，开挖洞室，并施做衬砌、中隔板、中隔壁，打设锁脚锚管；
63.1.3.2开挖左下导洞洞室，并施做衬砌、中隔壁；
64.1.3.3同前两步开挖右侧导洞洞室，施做衬砌、中隔板；
65.1.3.4衬砌结构成环并达到设计强度后，切除中隔壁、中隔板，完成衬砌结构。
66.在双壁导洞法中，如图4a至4e所示，包含如下步骤：
67.1.4.1施工两侧上导洞超前小导管，开挖洞室，并施做衬砌、中隔板、中隔壁，打设锁脚锚管；
68.1.4.2施工两侧下导洞，开挖洞室，并施做衬砌、中隔板；
69.1.4.3施工中上导洞超前小导管，开挖洞室，并施做衬砌、中隔板；
70.1.4.4开挖中下导洞，施做初期支护；
71.1.4.5衬砌结构成环并达到设计强度后，切除临时中隔壁、中隔板，完成衬砌结构。
72.根据实际隧道所处地层情况采用有限元软件模拟隧道在地层中的受力状态。根据模拟结果调整隧道衬砌结构尺寸及钢筋配置结果。单层衬砌从对隧道结构抗变形能力、钢筋混凝土用量和受力性能方面有大量提升，耐久性设计同时满足规范要求。
73.单层衬砌结构厚度根据实际地层情况计算结果，进行调整。以单洞单线及单洞双线断面为例，本专利经计算对比，在单洞单线断面隧道条件下推荐在单层衬砌厚度取400mm，格栅钢架采用400mm间距，钢架主筋采用e25。在单洞双线断面隧道条件下，推荐在单层衬砌厚度取550mm，格栅钢架采用400mm间距，钢架主筋采用e25。采用 c35混凝土，满足设计年限100年的要求，钢筋保护层40mm，裂缝宽度按照外侧0.2mm，内侧0.3mm控制。
74.在目前采用的矿山法隧道支护体系中，采用的是复合式衬砌结构断面。初期支护结构用以抵抗施工期间的地层土荷载并控制地层变形，二次衬砌作为永久结构可在不考虑初期支护条件下抵抗隧道使用期间的水土荷载及人防、地震荷载等。
75.而本专利所述的单层衬砌隧道支护结构，可考虑施工阶段和使用阶段的承载力和耐久性要求。并在软土等大变形区域，可适当加大隧道断面尺寸，预留足够的后期加固条件，延长隧道服役周期。
76.1.1主要材料类型
77.混凝土及钢筋：复合式衬砌隧道结构二衬混凝土采用c40，钢筋采用hrb400；单层衬砌隧道结构混凝土采用c35，钢筋采用hrb400。
78.1.2受力主筋混凝土保护层厚度
79.(1)复合式衬砌，初衬：35mm；二衬：外侧35mm，内侧35mm；
80.(2)单层衬砌，外侧40mm，内侧40mm。
81.1.3计算说明
82.(1)衬砌计算采用荷载
─
结构法进行计算；衬砌与围岩的相互作用，采用符合文克尔假定的弹性支承来体现围岩的弹性抗力，本计算中采用只能承受压力(受拉自动失效)的弹簧模拟围岩的作用。
83.(2)施工阶段，按按照无水工况计算；使用阶段，考虑地下水的长期作用，根据抗浮水位按照水土分算进行计算。
84.(3)覆土厚度大于2.0倍初衬开挖宽度时，其垂直覆土荷载按照太沙基公式进行计算折减；小于2.0倍初衬开挖宽度时，垂直覆土荷载按照全土柱荷载进行计算。土体侧压力计算时，采用静止土压力计算，土体侧压力数值为等效覆土荷载乘以静止侧压力系数。
85.1.4拟定设计工况
86.拟定条件为隧道顶覆土12m，土体静止侧压力系数考虑0.35，水平及竖向地基弹簧
系数按照30mn/m，土体天然密度按照20kpa/m。地面超载考虑20kpa。
87.1.5荷载计算
88.计算隧道所受周边围岩荷载如下：
89.隧道顶覆土重：20kpa/m*12m＝240kpa
90.隧道顶土侧压力：240kpa*0.35＝84kpa
91.隧道底标高土侧压力：20kpa/m*(12m+7m)*0.35＝133kpa
92.现状水位考虑降水至隧道底板以下。远期抗浮水位按地面下4m 考虑。隧道顶板所受水压力：10kpa/m*(12m-4m)＝80kpa
93.隧道底板所受水压力：10kpa/m*(18m-4m)＝140kpa
94.1.6荷载组合如下表1：
95.表1
[0096][0097]
(注：括号内的数字用于该荷载对结构作用有利时的分项系数取值)
[0098]
1.7如图5a和5b所示，选取地铁单洞单线暗挖隧道断面进行内力计算，对复合式衬砌结构的300mm厚二衬和400mm厚单层衬砌进行计算，如下：
[0099]
(1)近期低水位的弯矩曲线/kn.m如图6a和6b所示，轴力/kn 曲线如图7a和7b所示，两种结构内力计算结果汇总在表2：
[0100]
表2
[0101][0102]
(2)远期抗浮水位的弯矩曲线/kn.m如图8a和8b所示，轴力/kn 曲线如图9a和9b所示，两种结构内力计算结果汇总在表3：
[0103]
表3
[0104][0105]
深埋隧道结构在人防及地震工况一般不控制，本处不进行计算分析。
[0106]
1.8选取如图10a和图10b所示的地铁配线区大断面暗挖隧道断面进行内力计算，对图10a复合式衬砌结构的550mm厚二衬和图10b 的550mm厚单层衬砌进行计算，如下：
[0107]
(1)近期低水位的弯矩曲线/kn.m如图11a和11b所示，轴力 /kn曲线如图12a和12b所示，两种结构内力计算结果汇总在表4：
[0108]
表4
[0109][0110]
(2)远期抗浮水位的弯矩曲线/kn.m如图13a和13b所示，轴力/kn曲线如图14a和14b所示，两种结构内力计算结果汇总在表5：
[0111]
表5
[0112][0113]
下面进行设计、施工及经济对比分析。
[0114]
2.1单洞单线隧道对比
[0115]
复合式衬砌二衬计算不考虑初支作用，采用模筑形式进行施工，采用c40混凝土，配置e25@100主筋。断面开挖面积36.4m2。在二衬外侧设置防水板，每延米长度19.8m。单层衬砌结构采用湿喷混凝土方式施工，采用c35混凝土，密排格栅架设，每2m设置5榀格栅，可折+合为e25@200主筋(近期工况控制)。断面开挖面积32.9m2。
[0116]
单层衬砌结构体系与原复合式衬砌结构在土体开挖量方面进行对比，每延米减少了10％。单层衬砌结构每延米结构断面主筋配筋量为80703mm2·
m，复合式衬砌结构为133705mm2·
m，减少了40％。单层衬砌结构每延米结构断面混凝土用量为0.4m2，复合式衬砌结构为 0.75m2，减少了46％。在施工周期方面，初支结构施工速度约1.5m/ 天，台阶法断面隧道二衬结构采用台车施工速度约2m/天。因此单层衬砌每延米隧道施工时间约0.6天，复合式衬砌隧道为1.1天。施工速度提高了45％。
[0117]
2.2单洞双线隧道对比
[0118]
复合式衬砌二衬计算不考虑初支作用，采用模筑混凝土形式进行施工，采用c40混凝土，配置e25@100主筋。断面开挖面积94.8m2，在二衬外侧设置防水板，每延米长度32.7m。单层衬砌结构采用湿喷混凝土方式施工，采用c35混凝土，密排格栅架设，每2m设置5榀格栅，格栅主筋设置双层钢筋，可折合为e25@100主筋。断面开挖面积82.3m2。必要时设置在隧道外侧设置注浆止水圈进行围岩自防水。
[0119]
单层衬砌结构体系与原复合式衬砌结构在土体开挖量方面进行对比，每延米减少了13％。单层衬砌结构每延米结构断面主筋配筋量为405916mm2·
m，复合式衬砌结构为493944mm2·
m，减少了17％。单层衬砌结构每延米结构断面混凝土用量为34.785m3，复合式衬砌结构为42.96m3，减少了19％。在施工周期方面，以100m长度隧道为例。初支结构施工速度约1.5m/天，考虑导洞间错距10m开挖，初支施工时间为(100m+50m)/1.5m/天＝100天，二衬逐段施工，一段拆除9m，施工仰拱7天，拆除中隔壁中隔板、搭设脚手架、绑钢筋、浇混凝土共计14天，共10段，考虑两个工作面，施工周期约21天 *5＝105天(如考虑地质较好时，一次拆除3仓初支，双侧壁导坑法断面隧道二衬结构采用台车施工速度约2m/天，7+100/2＝57天)。因此单层衬砌每延米隧道施工时间约1天，复合式衬砌隧道为1.5-2天。施工速度提高了33％-50％。
[0120]
综合来看，单层衬砌结构与复合式衬砌结构在土方开挖量方面减少10％-13％，在钢筋用量方面节省17％-40％，在混凝土用量方面节省 19％-46％，在施工速度方面可提高33％-50％。
[0121]
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。