一种上软下硬地层隧洞施工方法

技术领域

本发明涉及隧洞、隧道施工技术领域，具体涉及一种上软下硬地层隧洞施工方法。

背景技术

围岩指隧道周围一定范围内对隧道洞身的稳定性有影响的岩体，在如Ⅳ、Ⅴ类围岩这种软弱、破碎围岩地质条件下进行大断面隧洞/道开挖施工的过程中，开挖后应及时进行强支护以稳定围岩、减少围岩扰动，但针对整体Ⅳ、Ⅴ类围岩条件，且上层为松散人工回填土地层、下层为较硬的弱风化基岩的软硬互层段这种特殊的地质条件，为减少对上部分松散地层的扰动，机械开挖下部较硬岩层时施工效率低，进度慢、成本高。而采取全断面或者整体分上下钻爆法施工技术施工则对周围围岩扰动大，施工风险高，整体软弱围岩不能得到有效的支撑，极易引起隧洞/道的塌方。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种能最大限度上的减小爆破对周围岩体和支护结构产生的扰动，开挖效率高，施工成本低的上软下硬地层隧洞施工方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种上软下硬地层隧洞施工方法，其特征在于：在进行隧洞开挖工作时，将隧洞断面分割为位于上方左右两侧第一区域和第二区域、位于下方左右两侧的第三区域和第四区域；按照开挖进尺，依次循环进行第一区域、第二区域、第三区域、第四区域的施工；

在进行各区域的开挖施工时，先进行超前支护工作，再进行开挖工作，达到开挖进尺后，初喷混凝土封闭该区域的开挖面、掌子面，然后架立隧洞拱部拱架、与相邻区域的中隔壁拱架，并打设该区域的锚杆，并在隧洞拱部拱架、中隔壁拱架上挂网并复喷混凝土以覆盖隧洞拱部拱架；然后清理该区域底部土体，并在该区域底部架设仰拱架，打设锁脚锚杆后，针对仰拱架喷混凝土，进而完成该区域当前开挖进尺的封闭支护；如此循环进行各区域的开挖施工直至完成隧洞的开挖工作；

开挖工作完成后，则拆除位于中部的中隔壁拱架以及仰拱架，针对隧洞的开挖基面进行抹平处理，再进行底部仰拱基面处理，在仰拱基面上绑扎底板钢筋并浇筑底板混凝土以完成底板衬砌，然后针对隧洞的开挖基面绑扎边墙和拱部钢筋，进行立模工作后浇筑边墙和拱部混凝土，进而完成边墙和拱部的衬砌工作。

为了保证施工安全，在进行第一区域和第二区域的开挖工作时，采用预留核心土的方式进行开挖工作。

为了提高围岩的牢固性，提高施工安全性，针对土质松散、破碎的第一区域和第二区域，在围岩强度低于设定强度的工况下，在掌子面开挖前首先进行超前注浆，对围岩进行超前注浆加固后再进行掌子面的开挖工作。

安全且效率高地，在进行第三区域和第四区域的开挖工作时，针对各区域分上下台阶进行开挖。

优选地，在进行第三区域和第四区域的开挖工作时，针对上、下台阶均采用弱爆破方法进行开挖工作，并且弱爆破过程中，炮眼远离隧洞拱部拱架位置。

优选地，针对第三区域和第四区域的上台阶区域，同心设置多个环形分布的炮眼阵列；

针对第三区域和第四区域的下台阶区域，沿爆破区域的外周设置环形分布的外周炮眼阵列，并在外周炮眼阵列的内部区域设置沿宽度方向设置至少两条直线分布的直线炮眼阵列。

优选地，包括以下步骤

S1、对隧洞施工地进行超前地质探测，进而获取隧洞施工地的地质信息；

S2、对隧洞施工区域的围岩进行超前注浆加固；

S3、在隧洞的洞口区域进行套拱施工以及大管棚施工；

S4、在隧洞开挖前，沿开挖轮廓线向掘进方向的岩层内打入多根沿开挖轮廓线分布的小导管，将各小导管的末端固定在套拱上，并对小导管进行注浆以加固围岩；

S5、按照开挖进尺，依次循环进行第一区域、第二区域、第三区域、第四区域的开挖施工，进而完成隧洞的开挖工作；

S6、拆除中部的中隔壁拱架以及仰拱架这些临时支护结构；

S7、进行隧洞的底板衬砌；

S8、进行隧洞的边墙和拱部衬砌工作。

为了进一步保证施工安全，在进行第一区域、第二区域、第三区域、第四区域的循环开挖施工过程中，第一区域、第二区域、第三区域、第四区域的导坑深度不同，并且第一区域、第二区域的导坑深度大于第三区域、第四区域的导坑深度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明中的上软下硬地层隧洞施工方法，将隧洞断面分割为多个小的分区，针对各小分区进行短循环开挖施工，并能针对各个区域及时进行强支护，每个区域开挖后都能及时进行支撑和混凝土封闭，如此随挖随撑，支护能够分区成环，有效控制围岩的变形，确保施工安全，使得隧洞能够在稳定的状态下快速施工，施工风险小且施工效率高。

附图说明

图1为本发明实施例中隧洞的洞口区域进行套拱施工以及大管棚施工状态图。

图2为图1的施工现场图。

图3为本发明实施例中隧洞断面分割区域图。

图4为本发明实施例中隧洞开挖工作过程图。

图5为本发明实施例中隧洞开挖掘进状态图。

图6为本发明实施例中隧洞第一区域和第二区域的预留中心施工现场图。

图7为本发明实施例中隧洞第三区域和第四区域的上下台阶开挖施工现场图。

图8为本发明实施例中隧洞第三区域和第四区域的炮眼阵列分布图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本实施例中的上软下硬地层隧洞施工方法，可以应用在各种隧洞的施工应用中，特别适用于Ⅳ、Ⅴ类围岩这种软弱、破碎围岩地质条件下进行大断面隧洞/道开挖施工的过程中。

该上软下硬地层隧洞施工方法，包括以下几个步骤。

S1、对隧洞施工地进行超前地质探测，进而获取隧洞施工地的地质信息。

如可以通过钻探和物探手段，主动获取隧洞开挖面前方的地质信息，预报开挖面前方不良地段的位置、规模和性质。为进一步的施工提供指导，及早采取相应的技术和安全措施，避免施工过程中发生涌水、瓦斯突出、岩爆、大变形等地质灾害，保证施工的安全、顺利进行。超前地质预报应包括但不限于以下内容：

1)地层岩性；重点进行软弱夹层、破碎地层、煤层及特殊岩土等进行预报。

2)地质构造；重点对断层、节理密集带、褶皱轴等影响岩体完整性的构造发育情况进行预报。

3)不良地质；特别是对溶洞、暗河、人为坑洞、放射性、有害气体、高地应力等发育情况进行预报。

4)地下水；特别是对岩溶管道水、富水断层、富水褶皱轴及富水地层等情况进行预报。

S2、对隧洞施工区域的围岩进行超前注浆加固。

具体地，在施工前，首先对上层回填土层等松散地层进行超前注浆加固，即利用浆液充分填充土体缝隙固结，保证围岩强度达到要求，保证围岩稳定，进而保证后期的施工安全。超前注浆加固施工时可采用钻机清水钻进，钻深12米，并利用双液压注浆泵进行注浆，双液压注浆泵的注浆压力为稳压1MPa。

S3、如图1和图2所示，在隧洞的洞口区域进行套拱施工以及大管棚施工。

根据地质情况进行护拱基础处理，以保证护拱基础的稳定性。在护拱基础上进行套拱、大管棚的施工。具体地，套拱采用C20混凝土制成，并且套拱内设有2榀I20工字钢架，两榀钢架之间的间距为80cm，钢架各单元由钢板连接成型。本实施中套拱沿掘进方向的长度为1米。

大管棚则采用直径108mm、壁厚6mm的热轧无缝钢管，这些钢管的端部焊接在套拱上并向隧洞掘进方向延伸。这些钢管的环向间距为0.4m、外插角1°。在钢管的周壁钻注浆孔，孔径为10mm,并在钢管内安装钢筋笼。注浆材料采用水泥浆，浆液配合比、注浆压力根据现场具体施工情况适当调整。

S4、在隧洞开挖前，沿开挖轮廓线向掘进方向的岩层内打入多根沿开挖轮廓线分布的小导管，即沿隧洞的轮廓线分布设置这些小导管，将各小导管的末端固定在套拱上，并对小导管进行注浆以加固围岩。

通过该步骤不仅增加了小导管的刚度，还固结了前方松散围岩，提高围岩自身承载能力，有效约束围岩在开挖后的一定时间内不发生松弛坍塌。本实施例中小导管采用外径38～50mm，长度3.5m～5.0m的热轧无缝钢管，各小导管的外倾角约10°～12°，小导管在套拱上的纵向搭接长度不小于100cm，对小导管的灌浆压力为0.5～2Mpa。

S5、如图3和图4所示，进行开挖工作，本实施例中，在进行隧洞开挖工作时，将隧洞断面分割为位于上方左右两侧第一区域和第二区域、位于下方左右两侧的第三区域和第四区域。为了方便描述，本实施例中将左上区域定义为第一区域，将右上区域定义为第二区域，将左下区域定义为第三区域，将右下区域定义为第四区域。按照开挖进尺，依次循环进行第一区域、第二区域、第三区域、第四区域的施工，进而完成隧洞的开挖工作。本实施例中，各区域的开挖进尺控制在1～1.5m，围岩破碎严重时，开挖进尺可以缩小到1m。

具体地，当洞口的上台阶部分施工至与第一区域、第二区域底面齐平的位置时，开始开挖工作，可以首先进行第一区域的开挖工作，然后依次进行第二区域、第三区域、第四区域的开挖工作。

在进行各区域的开挖施工时，先进行该区域的支护工作，具体的支护手段可以采用现有技术中的各种支护手段。然后再进行该区域的开挖工作，达到开挖进尺后，初喷混凝土封闭该区域的开挖面、掌子面，初喷混凝土的厚度为5cm，然后架立隧洞拱部拱架、与相邻区域的中隔壁拱架，并打设该区域的锚杆。再在隧洞拱部拱架、中隔壁拱架上挂网并复喷混凝土以覆盖隧洞拱部拱架。然后清理该区域底部土体，并在该区域底部架设仰拱架，打设锁脚锚杆后，针对仰拱架喷混凝土，进而完成该区域当前开挖进尺的封闭支护，如此形成初期支护。

如此循环进行各区域的开挖施工直至完成隧洞的开挖工作。如图5所示，在进行第一区域、第二区域、第三区域、第四区域的循环开挖施工过程中，第一区域、第二区域、第三区域、第四区域的导坑深度不同，并且第一区域、第二区域的导坑深度大于第三区域、第四区域的导坑深度。本实施例中第一区域、第二区域、第三区域、第四区域的导坑深度分别为A、B、C、D，其中A＞B＞C＞D，两个相邻导坑深度之间的间距为3m～15m。

另外，本实施例中，如图6所示，在进行第一区域和第二区域的开挖工作时，采用预留核心土的方式进行开挖工作。并且在进行第一区域、第二区域的开挖工作前，针对土质松散、破碎的情况，在围岩强度低于设定强度的工况下，在第一区域、第二区域的掌子面开挖前首先进行超前注浆，对围岩进行超前注浆加固后再进行掌子面的开挖工作。

如图7所示，而在进行第三区域和第四区域的开挖工作时，针对各区域分上下台阶进行开挖。上下台阶之间台阶长度控制在3～5m内。具体施工时，可根据实际施工情况对台阶长度进行适当调整，以方便出渣外运。

本实施例中，在进行第三区域和第四区域的上、下台阶开挖工作时，均采用弱爆破方法进行开挖工作，并且弱爆破过程中，炮眼远离隧洞拱部拱架位置。如图8所示，进行弱爆破操作时，针对第三区域和第四区域的上台阶区域，同心设置多个环形分布的炮眼阵列。针对第三区域和第四区域的下台阶区域，沿爆破区域的外周设置环形分布的外周炮眼阵列，并在外周炮眼阵列的内部区域设置沿宽度方向设置至少两条直线分布的直线炮眼阵列。具体操作时的爆破参数设置可以根据现有的爆破理论进行设计。

当前区域的当前开挖进尺施工完毕后，根据围岩情况，对围岩进行初喷混凝土施工、初期支护。

S6、开挖工作完成后，则拆除中部的中隔壁拱架以及仰拱架这些临时支护结构，其中中隔壁拱架包括第一区域、第二区域、第三区域、第四区域施工过程中架立的中隔壁拱架，而仰拱架则主要指在进行第一区域、第二区域施工过程中架立的仰拱架。

拆除后，针对隧洞的开挖基面进行抹平处理，以方便进行后续的衬砌施工。

S7、进行底部仰拱基面处理，在仰拱基面上绑扎底板钢筋并浇筑底板混凝土以完成底板衬砌工作。

S8、针对隧洞的开挖基面绑扎边墙和拱部钢筋，进行立模工作后浇筑边墙和拱部混凝土，进而完成边墙和拱部的衬砌工作。