CN107191206B - 一种浅埋大跨隧道两单元六步施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及隧道施工技术领域，具体是一种浅埋大跨隧道两单元六步施工方法，解决了现有的饱水地区软弱土层隧道施工中缺少一种工艺简单、同时可在隧道施工中起到一定分隔及支护作用的工法的问题，包括开挖上单元上台阶并施作初期支护；开挖上单元下台阶并施作初期支护；在上单元体和下单元体的分隔处安装横梁并施作混凝土中隔板；在中隔板上安装支撑拱架；开挖下单元上台阶并施作初期支护；开挖并施作仰拱及仰拱填充，完成掌子面的封闭成环。利用本发明工法采用本工法有效地阻止了水库储水渗流，既保护了水库周边环境，又确保了施工安全，且施工无需投入特殊设备，施工质量满足结构要求，操作便捷，具有较强的推广性。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，具体是一种浅埋大跨隧道两单元六步施工方法。
背景技术
铁路工程中不可避免会遇到各种地貌类型的隧道，其中施工难度以软弱地层中的大断面隧道最为突出。随着社会进步和建筑技术的不断更新，针对大断面隧道中采用的施工工法有弧形导坑预留核心土法、CD法、CRD法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、三台阶七步开挖法等成熟工艺。
当隧道不可避免的需穿过水源丰富、地质条件差等类似水库等地下工程时，其施工安全风险大，易产生大变形，容易发生塌方等事故。在隧道下穿水库施工中，重点对围岩止水、隧道施工及防排水、监控量测等方面内容进行把控，施工中尤其对隧道的支护以及快速封闭成环等提出了更高的要求。
目前，针对饱水的土、岩结合面施工无法保证饱和土体沿饱水基岩面的坍塌，故常使用CRD法进行施工，即交叉中隔墙法施工，它是一种适用于软弱地层的隧道施工方法，特别是对于控制地表沉陷有很好的效果，一般主要用于城市地下铁道施工中。采用CRD法预留核心土的方法，将大断面隧道分成4个相对独立的小洞室分部施工。CRD工法遵循“小分部、短台阶、短循环、快封闭、勤量测、强支护”的施工原则，自上而下，分块成环，随挖随撑，及时做好初期支护。并待初期支护结构的拱顶沉降和收敛基本稳定后，自上而下拆除初期支护结构中的临时中隔壁墙及临时仰拱，再进行施工。CRD法适用开挖跨度较大，对围岩沉降变形控制严格，采用CRD法开挖，开挖的每一步都各自封闭成环，兼有台阶法和双侧壁导坑法的优点，有利于围岩稳定，保证施工安全。但CRD工法虽然能够很好的保证隧道的安全支护和开挖质量，但是其施工成本较高，进度缓慢；同时CRD工法将隧道施工掌子面分成了四个相对独立的腔体，在后期拆除隔墙、隔板的过程中容易反复扰动围岩，不利于隧道结构的稳定。
专利CN104314571A公开了一种大断面隧道的三台阶六步超短台阶的施工方法，包括以下步骤：1、将隧道的横截面又高到低一次分为第一部分、第二部分、第三部分及第四部分，再开挖第一部分，然后一次施作第一部分洞身结构的超前支护及初期支护；2、当第一部分开挖至N米后进行第二部分的开挖，并延长钢架，再施作第二部分洞身结构的初期支护及临时仰拱支护，然后开挖第三部分，并施作第三部分洞身结构的初期支护；3、开挖第四部分，并施作第四部分洞身结构的初期支护，再在预设时间内施作洞身的仰拱，施作洞身内拱墙二衬；4、重复步骤1、2、3完成隧道的开挖进洞。从内容来看，此发明专利仅仅阐述了一种理想状态下的六步法施工理念，技术核心与三台阶七步开挖法相同，避免了后期拆除隔板、隔墙对隧道围岩的反复扰动，但其工法没有结合具体的施工情况，如果在段时间内无法做到隧道的快速封闭成环，存在极大的安全隐患。
可见，一种既可减少施工步骤又可在隧道施工中起到一定分隔及支护作用的工法对于饱水地区的软弱土层隧道施工具有重大的指导意义。
发明内容
本发明为了解决现有的饱水地区软弱土层隧道施工中缺少一种工艺简单、同时可在隧道施工中起到一定分隔及支护作用的工法的问题，提供了一种浅埋大跨隧道两单元六步施工方法。
本工法适用于下穿水库、河流，隧道地质条件差，含水量大、易发生变形、塌方的公路、铁路隧道施工。本发明是通过如下技术方案实现的：一种浅埋大跨隧道两单元六步施工方法，是将隧道沿其截面径向从上到下分成上单元体和下单元体两个施工段，在完成施工准备、测量放样、隧道超前管棚支护工序后，对隧道进行开挖及支护施工，上单元体包括上单元上台阶和上单元下台阶，下单元体包括下单元上台阶和仰拱及仰拱填充，其施工方法包括如下步骤：
S1、 开挖上单元上台阶并施作初期支护；
S2、 开挖上单元下台阶并施作初期支护；
S3、 在上单元体和下单元体的分隔处安装横梁并施作混凝土中隔板；
S4、 在中隔板上安装支撑拱架；
S5、开挖下单元上台阶并施作初期支护；
S6、开挖并施作仰拱及仰拱填充，完成掌子面的封闭成环。
按照上述步骤进行流水施工，直至隧道开挖支护完成，也可在开挖支护到一定长度后紧跟二次衬砌施工。
步骤S1开挖上单元上台阶，采用环向开挖弧形导坑预留核心土法，核心土长度同上单元上台阶长度一致，并保证长度不大于3m，宽度为开挖宽度的1/3~1/2；上单元上台阶开挖矢跨比不小于0.3，开挖后先将开挖面初喷混凝土，进一步安装上台阶钢架，并进行挂网和混凝土复喷封闭。
步骤S2开挖上单元下台阶，采用左右两侧对称开挖，开挖后立即初喷混凝土，进一步安装上台阶钢架，并进行挂网和混凝土复喷封闭。
步骤S3待上单元下台阶长度大于3m时，并在上单元体和下单元体的分隔处安装横梁，横梁采用工字钢并通过定位钢筋与支护钢筋固定，进一步支模并浇筑混凝土中隔板，进一步挖除上单元上台阶核心土，混凝土中隔板包括横梁和混凝土板。中隔板的作用是实现隧道的小范围划分，有利于掌子面小范围快速封闭成环，同时也作为开挖机械的施工作业平台。
步骤S4在中隔板上安装支撑拱架，是指中隔板混凝土终凝后，沿着上单元体内轮廓面安装临时的工钢拱架，工钢拱架间距3米，拱脚用螺栓固定在中隔板上。
步骤S5开挖下单元上台阶，采用左右两侧对称开挖，开挖后立即初喷混凝土，进一步安装下单元上台阶钢架，并进行挂网和混凝土复喷封闭。
步骤S6开挖并施作仰拱及仰拱填充是指，待下单元上台阶长度大于3m且小于5m时，开挖仰拱，仰拱长度不超过3m/次，开挖后及时施作仰拱初期支护，并浇筑仰拱和仰拱填充。
作为优选，钢架在其钢架脚部位置往上30~50cm高度，紧贴钢架两侧边向下倾角30°打设锁脚锚管，锁脚锚管长4.5m，并与钢架焊接牢固。
作为优选，横梁要平行于掌子面设置，中隔板需保证其混凝土保护层不小于5cm，中隔板底部要保持平整，，中隔板长度为5～10米。
作为优选，初喷混凝土和混凝土复喷封闭均采用机械手混凝土喷射装置进行湿喷作业。
本发明所具有的优势和有益效果是：
采用本工法有效地阻止了水库储水渗流，既保护了水库周边环境，又确保了施工安全，采用本工法施工，作业空间大，可以实现施工机具平行作业，工效高，与CD、CRD法相比，具有临时支护少，施工进度快等优势，平均每延米节约4000多元的临时支护成本。利用本发明工法进行施工，无需投入特殊设备，施工质量满足结构要求，操作便捷，具有较强的推广性。
附图说明
图1为本发明两单元六步施工方法的工艺流程图；
图2为本发明的开挖结构示意图；
图3为上单元体的结构示意图；
图4为下单元体的结构示意图。
图中：I-上单元体，II-下单元体，1-上单元上台阶，2-上单元下台阶，3-中隔板，4-支撑拱架，5-下单元上台阶，6-仰拱及仰拱填充，A- 超前管棚，B-核心土，C-横梁，D-混凝土板。
具体实施方式
结合图1—图4对本发明做进一步说明，一种浅埋大跨隧道两单元六步施工方法，是将隧道沿其截面径向从上到下分成上单元体I和下单元体II两个施工段，在完成施工准备、测量放样、隧道超前管棚A支护工序后，对隧道进行开挖及支护施工，上单元体I包括上单元上台阶1和上单元下台阶2，下单元体II包括下单元上台阶5和仰拱及仰拱填充6，其施工方法包括如下步骤：
S1、 开挖上单元上台阶1并施作初期支护；
S2、 开挖上单元下台阶2并施作初期支护；
S3、 在上单元体I和下单元体II的分隔处安装横梁C并施作混凝土中隔板3；
S4、 在中隔板3上安装支撑拱架4；
S5、开挖下单元上台阶5并施作初期支护；
S6、开挖并施作仰拱及仰拱填充6，完成掌子面的封闭成环。
按照上述步骤进行流水施工，直至隧道开挖支护完成，也可在开挖支护到一定长度后紧跟二次衬砌施工。
步骤S1开挖上单元上台阶1，采用环向开挖弧形导坑预留核心土法，核心土B长度同上单元上台阶1长度一致，并保证长度不大于3m，宽度为开挖宽度的1/3~1/2；上单元上台阶1开挖矢跨比不小于0.3，开挖后先将开挖面初喷混凝土，进一步安装上台阶钢架，并进行挂网和混凝土复喷封闭。步骤S2开挖上单元下台阶2，采用左右两侧对称开挖，开挖后立即初喷混凝土，进一步安装上台阶钢架，并进行挂网和混凝土复喷封闭。步骤S3待上单元下台阶2长度大于3m时，并在上单元体I和下单元体II的分隔处安装横梁C，横梁C采用工字钢并通过定位钢筋与支护钢筋固定，进一步支模并浇筑混凝土中隔板3。步骤S4在中隔板3上安装支撑拱架4，是指中隔板3混凝土终凝后，沿着上单元体I内轮廓面安装临时的工钢拱架，工钢拱架间距3米，拱脚用螺栓固定在中隔板3上。 步骤S5开挖下单元上台阶5，采用左右两侧对称开挖，开挖后立即初喷混凝土，进一步安装下单元上台阶5钢架，并进行挂网和混凝土复喷封闭。步骤S6开挖并施作仰拱及仰拱填充6是指，待下单元上台阶5长度大于3m且小于5m时，开挖仰拱，仰拱长度不超过3m/次，开挖后及时施作仰拱初期支护，并浇筑仰拱和及拱填充6。钢架在其钢架脚部位置往上30~50cm高度，紧贴钢架两侧边向下倾角30°打设锁脚锚管，锁脚锚管长4.5m，并与钢架焊接牢固。横梁C要平行于掌子面设置，中隔板3需保证其混凝土保护层不小于5cm，中隔板3底部要保持平整，中隔板3长度为5～10米。初喷混凝土和混凝土复喷封闭均采用机械手混凝土喷射装置进行湿喷作业。
实施例：厦深铁路梅林隧道是全线控制性工程，里程DK499+100～DK499+170段下穿水径水库，该段埋深11m，地质条件从上而下是：粉质粘土、全风化花岗岩、强风化花岗岩，拱部是粉质粘土，隧底处于强风化花岗岩，是梅林隧道建设安全风险点之一。隧道开挖前采用大管棚劈裂注浆，形成一道扇形防护堵水圈，防止水库储水渗流，危及隧道结构安全；根据地质条件特点，采用两单元开挖法，即将开挖面分成两个单元体，上单元体I和下单元体II，利用中隔板3加支撑拱架4抑制围岩收敛和沉降变形，进而保护堵水圈不被破坏。
在隧道断面拱部120°范围内施工Ф89超前大管棚，管棚10m/环，纵向间距7m，环向间距0.8m。对超前管棚A编号，单号管注浆，双号管补浆。双液浆水泥和水玻璃配比1:0.5，单液浆水灰比1:1，注浆终压控制在3.5MPa。注浆开始先采用双液浆封堵，再进行单液浆压注，扩大扩散范围。若单液注浆进行一段时间后，压力没有提升，再次进行双液浆处理。双液浆胶凝时间控制在5min左右，注浆结束后用M7.5水泥砂浆充填钢管。
开挖上单元上台阶1，采用环向开挖弧形导坑预留核心土法，核心土B长度同上单元上台阶1长度一致，并保证长度不大于3m，宽度为开挖宽度的1/3~1/2；上单元上台阶1开挖矢跨比不小于0.3，开挖后先将开挖面初喷混凝土，进一步安装上台阶钢架，并进行挂网和混凝土复喷封闭。在钢架脚以上30～50cm高度处，紧贴钢架两侧边沿向下倾角30°打设Ф50锁脚锚管，锁脚锚管长4.5m，与钢架焊接牢固。
开挖上单元下台阶2，采用左右两侧对称开挖，开挖后立即初喷混凝土，进一步安装上台阶钢架，并进行挂网和混凝土复喷封闭。在钢架脚以上30～50cm高度处，紧贴钢架两侧边沿向下倾角30°打设Ф50锁脚锚管，锁脚锚管长4.5m，与钢架焊接牢固。
待上单元下台阶2长度大于3m时，并在上单元体I和下单元体II的分隔处安装横梁C，横梁C采用工字钢并通过定位钢筋与支护钢筋固定，进一步支模并浇筑混凝土中隔板3，中隔板3长度为8米。其中，横梁C与初支钢架之间用螺栓连接，每榀横梁C之间用钢筋纵向连接，然后浇筑30cm厚的C25混凝土。
中隔板3混凝土终凝后，沿着初支内轮廓面安装工钢I18支撑拱架4，支撑拱架4间距3米，拱脚用螺栓固定在中隔板3混凝土中，且每隔3米用定位钢筋与初支钢筋固定在一起，其中定位钢筋植入初支面30cm。
开挖下单元上台阶5，采用左右两侧对称开挖，开挖后立即初喷混凝土，进一步安装下单元上台阶5钢架，并进行挂网和混凝土复喷封闭。
待下单元上台阶5长度大于3m且小于5m时，开挖仰拱，仰拱长度不超过3m/次，开挖后及时施作仰拱初期支护，并浇筑仰拱和及拱填充6。
按照上述步骤进行流水施工，直至隧道开挖支护完成，也可在开挖支护到一定长度后紧跟二次衬砌施工。
需要注意的是：
在上单元上台阶1和下单元上台阶5开挖时，若岩面存在渗流现象，要进行径向高压注浆封堵流水；
施作中隔板3时，若出现上单元下台阶2掌子面溜塌现象，要采用锚喷支护加固掌子面，稳定上台阶核心B土。中隔板3施工完毕并到达混凝土强度的75%，可以除去上单元上台阶1的核心土B；
支撑拱架4连接均采用高强螺栓连接，施工时注意控制高强螺栓位置，以方便支撑拱架4的安装和拆卸；支撑拱架4安设要严格控制间距、垂直度等，严禁侵入二次衬砌，钢架连接螺丝必须足量、拧紧，喷射混凝土时要从下向上分层喷射，保证钢架背后不能留有空洞；
流水施工中须控制好安全步距，使二次衬砌和仰拱尽可能靠近掌子面；
隧道内每隔5m布一个量测断面，每个断面布置一个拱顶下沉观测点和两条水平净空收敛量测基准线。净空水平收敛量测和拱顶下沉量测采用相同量测频率，实际量测频率从表中根据变形速度和开挖工作面距离选择较高的一个量测频率。拱顶沉降和水平收敛量测采用激光断面仪量测，开挖后按要求迅速安装测点并编号，在开挖后12h内读取初值。根据量测结果，及时绘制位移-时间曲线，进行回归分析，判断围岩稳定情况，指导施工。
在中隔板3和支撑拱架4的拆除过程中避免过度扰动初期支护结构。
采用本工法施工后，成功解决了水库储水流失、隧道下沉变形、全风化花岗岩遇水成砂等难题，确保了施工安全、质量、进度满足了业主要求，提高了综合效益。
Claims (9)
1.一种浅埋大跨隧道两单元六步施工方法，是将隧道沿其截面径向从上到下分成上单元体（I）和下单元体（II）两个施工段，在完成施工准备、测量放样、隧道超前管棚（A）支护工序后，对隧道进行开挖及支护施工，其特征在于：上单元体（I）包括上单元上台阶（1）和上单元下台阶（2），下单元体（II）包括下单元上台阶（5）和仰拱及仰拱填充（6），其施工方法包括如下步骤：
S1、 开挖上单元上台阶（1）并施作初期支护；
S2、 开挖上单元下台阶（2）并施作初期支护；
S3、 在上单元体（I）和下单元体（II）的分隔处安装横梁（C）并施作混凝土中隔板（3）；
S4、 在中隔板（3）上安装支撑拱架（4）；
S5、开挖下单元上台阶（5）并施作初期支护；
S6、开挖并施作仰拱及仰拱填充（6），完成掌子面的封闭成环；
按照上述步骤进行流水施工，直至隧道开挖支护完成。
2.根据权利要求1所述的一种浅埋大跨隧道两单元六步施工方法，其特征在于：步骤S1开挖上单元上台阶（1），采用环向开挖弧形导坑预留核心土法，核心土（B）长度同上单元上台阶（1）长度一致，并保证长度不大于3m，宽度为开挖宽度的1/3~1/2；上单元上台阶（1）开挖矢跨比不小于0.3，开挖后先将开挖面初喷混凝土，进一步安装上台阶钢架，并进行挂网和混凝土复喷封闭。
3.根据权利要求1所述的一种浅埋大跨隧道两单元六步施工方法，其特征在于：步骤S2开挖上单元下台阶（2），采用左右两侧对称开挖，开挖后立即初喷混凝土，进一步安装上台阶钢架，并进行挂网和混凝土复喷封闭。
4.根据权利要求1所述的一种浅埋大跨隧道两单元六步施工方法，其特征在于：步骤S3待上单元下台阶（2）长度大于3m时，并在上单元体（I）和下单元体（II）的分隔处安装横梁（C），横梁（C）采用工字钢并通过定位钢筋与支护钢筋固定，进一步支模并浇筑混凝土中隔板（3）。
5.根据权利要求1所述的一种浅埋大跨隧道两单元六步施工方法，其特征在于：步骤S4在中隔板（3）上安装支撑拱架（4），是指中隔板（3）混凝土终凝后，沿着上单元体（I）内轮廓面安装临时的工钢拱架，工钢拱架间距3米，拱脚用螺栓固定在中隔板（3）上。
6.根据权利要求1所述的一种浅埋大跨隧道两单元六步施工方法，其特征在于：步骤S5开挖下单元上台阶（5），采用左右两侧对称开挖，开挖后立即初喷混凝土，进一步安装下单元上台阶（5）钢架，并进行挂网和混凝土复喷封闭。
7.根据权利要求1所述的一种浅埋大跨隧道两单元六步施工方法，其特征在于：步骤S6开挖并施作仰拱及仰拱填充（6）是指，待下单元上台阶（5）长度大于3m且小于5m时，开挖仰拱，仰拱长度不超过3m/次，开挖后及时施作仰拱初期支护，并浇筑仰拱及拱填充（6）。
8.根据权利要求2或3或6所述的一种浅埋大跨隧道两单元六步施工方法，其特征在于：钢架在其钢架脚部位置往上30~50cm高度，紧贴钢架两侧边向下倾角30°打设锁脚锚管，锁脚锚管长4.5m，并与钢架焊接牢固。
9.根据权利要求1或4所述的一种浅埋大跨隧道两单元六步施工方法，其特征在于：横梁（C）要平行于掌子面设置，中隔板（3）需保证其混凝土保护层不小于5cm，中隔板（3）底部要保持平整，中隔板（3）长度为5～10米。
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