基于双层小导管超前支护的隧道出洞施工方法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及基于双层小导管超前支护的隧道出洞施工方法。

背景技术

在山区公路建设中，由于桥隧比例较高，经常遇到桥隧直接相连,隧道出洞口位于陡坡上，增加了山岭隧道施工难度，山区地形地质条件复杂，特别在桥隧连接处隧道洞口，往往施工空间不足，缺少开挖工作面，隧道如何安全出洞是一大难题。

对于短隧道或者一端洞口地形陡峭的情况，现场施工常需考虑独头掘进从地形地质条件不利的一端出洞。一般而言，出洞施工与进洞施工存在多方面的差异，出洞施工技术较进洞施工要求相对较高。现阶段现场工程出现了越来越多的隧道出洞情况，由此带来了不少施工技术方面的难题。如何在安全、经济、环保和高效施工等方面综合考虑，形成合理可行的隧道出洞施工技术，是值得深入研究的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供基于双层小导管超前支护的隧道出洞施工方法，该隧道出洞施工方法采用双层小导管超前支护，对掌子面前方进行预加固措施，降低了施工难度，可一边掘进一边采用双层小导管超前支护向前支护，同时无需修筑出洞便道；能够适用于施工空间不足缺少开挖工作面，贯通口位置无便道进入、机械无法正常进入施工的场景。

本发明通过下述技术方案实现：

基于双层小导管超前支护的隧道出洞施工方法，包括以下步骤：

S1、隧道开挖至距离出口端14-16m的掌子面处，采用双排小导管支护单向掘进出洞；

双排小导管支护采用的小导管设置于衬砌拱部120°范围，环向间距40cm，每5榀一循环，搭接长度为1.36m；

S2、采用三台阶方法施工开挖隧道最后的14-16m；

S3、出口端边坡开挖防护及排水施工，包括洞顶截水沟施工和出口端边仰坡施工。

本发明在隧道的出洞段采用双排小导管支护单向掘进出洞，即本发明将单项贯通技术应用在在隧道出洞段，其中的双排小导管支护的作用主要稳定固结即将开挖隧道外轮廓线附近的围岩，形成第一层注浆固结圈；外侧一层斜外插角的注浆小导管与第一层注浆圈形成搭接的同时，形成第二层注浆加固圈，进一步加大围岩固结区的范围，为小导管的梁效应提供良好的支撑，从而确保开挖过程中的安全，开挖后的洞口下沉控制。

综上，隧道出洞施工方法采用双层小导管超前支护，对掌子面前方进行预加固措施，降低了施工难度，可一边掘进一边采用双层小导管超前支护向前支护，同时无需修筑出洞便道；能够适用于施工空间不足缺少开挖工作面，贯通口位置无便道进入、机械无法正常进入施工的场景。

进一步地，步骤S1中，双排小导管的外插角分别为10°～15°和30°～45°。

进一步地，步骤S1中，双排小导管支护单向掘进出洞所采用的小导管，采用

进一步地，步骤S1中，双排小导管的安装过程为：

S11、小导管安装：根据测量结果钻上排孔，清孔后将小导管送入孔内，然后钻下排孔，清孔后将小导管送入孔内；

S12、注浆：首先将掌子面用喷射砼封闭，然后对小导管进行注浆，注浆顺序由下而上。

进一步地，步骤S2中，三台阶方法施工开挖隧道的具体过程为：

S21、上台阶开挖：在拱部双排小导管支护施工后，沿隧道开挖轮廓线环向开挖上台阶Ⅰ；开挖后立即初喷砼封闭，并架设钢架；按照设计要求施作锚杆喷射砼，上台阶Ⅰ支护完成后开挖上台阶Ⅱ；

S22、中台阶Ⅲ处开挖，支护过程同步骤S21；

S23、下台阶Ⅳ处开挖；护过程同步骤S21。

进一步地，步骤S21中，初喷砼作业紧跟开挖工作面进行；先将围岩面初喷砼4-6cm厚，布置锚杆孔位，而后钻孔，安装锚杆；然后将钢筋网固定在锚杆尾部；将锚杆的尾部焊于钢架上；锚杆、钢筋网、钢架安装后再进行复喷砼至设计厚度。

进一步地，钢筋网采用单层Φ8mm钢筋网片，网格间距均为20cm×20cm。

进一步地，步骤S3中，洞顶截水沟施工的过程为：

根据测量测出仰坡开口线位置，截水沟向外5m处采用人工开挖，开挖尺寸为60cm*60cm；开挖出的截水沟及时采用浆砌片石砌好；砌筑完毕应洒水养护，养护不得少于7天。

进一步地，步骤S3中，出口端边仰坡施工的过程为：

隧道进暗洞前应对洞口边仰坡采用喷锚挂网防护，同时对临时边坡采用喷锚网防护。

进一步地，在施工过程中，进行洞内监测和地表监测，其中，洞内监测包括围岩及支护状态、隧道出口端拱顶下沉和净空收敛；地表监测为地表沉降监测，且地表监测的观测点与洞内量测点尽量布置在同一断面上。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、发明将单项贯通技术应用在在隧道出洞段，其中的双排小导管支护的作用主要稳定固结即将开挖隧道外轮廓线附近的围岩，形成第一层注浆固结圈；外侧一层斜外插角的注浆小导管与第一层注浆圈形成搭接的同时，形成第二层注浆加固圈，进一步加大围岩固结区的范围，为小导管的梁效应提供良好的支撑，从而确保开挖过程中的安全，开挖后的洞口下沉控制。

2、本发明可以打破传统的隧道贯通方式，结合现场实际，取消设计长管棚，对洞口边仰坡实现"零开挖，单向出洞"工法，该工法节约工程成本，技术可靠，安全和使用效果皆能满足要求，节约工期，减小洞身初支结构的变形，最大限度保护生态环境，对类似的工程具有重要参考意义。

3、本发明通过在接近出洞时采用双层小导管超前支护对掌子面前方进行预加固措施，降低了施工难度，省去了洞口施工时必要的施工机具布置等，是一种行之有效的掘进方式，能适用于隧道出洞端地表陡峻，不易到达的情况，具有适应性强的优点。

4、本发明由于本技术从洞内开始向洞外进行超前支护，减少了隧道表面覆盖层的开挖，响应了国家对自然生态保护的理念，实现了“零开挖”进出洞的原则。

5、本发明的双排小导管每层都相互搭接，搭接长度为1.86m，可控性更强，安全性能更高，施工速度快，支护效果好。

6、本发明同传统方式采用大管棚出洞相比，双排小导管出洞可以节省人工、机器约1/2左右，施工周期更短，可一边掘进一边采用本技术向前支护，同时无需修筑出洞便道，大大节约项目成本，且不耽误项目进度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明双层小导管超前支护布置的示意图；

图2为本发明小导管施工工艺流程图；

图3为本发明出口端三台阶开挖示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定，以下所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、材料或方法。以下实施例中所使用的材料、仪器和试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。实施例中所使用的技术手段，如无特殊说明，均为本领域技术人员所熟知的常规手段。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1：

如图1-图3所示，基于双层小导管超前支护的隧道出洞施工方法，包括以下步骤：

S1、隧道开挖至距离出口端14-16m的掌子面处，采用双排小导管支护单向掘进出洞；

双排小导管支护采用的小导管设置于衬砌拱部120°范围，环向间距40cm，每5榀一循环，搭接长度为1.36m；双排小导管的外插角分别为10°～15°和30°～45°。注浆浆液采用水泥液浆，水泥浆水灰比1：1，注浆压力应为0.5～1.0MPa。

如图2所示，双排小导管支护的施工准备：

1)、调查分析地质情况，按可灌比或渗透系数确定注浆类型，经过试验确定注浆半径、注浆压力、间距及浆液配比，加工小导管，准备及检修施工设备，工作面测量、放线、定孔位。

2)、小导管加工制作：小导管长4m，采用

小导管安装及注浆：

1)、小导管安装：根据测量把钻孔定位采用人工手持风枪钻孔，为防止穿孔首先调节风枪支腿控制角度为30°打设上排小导管，清孔后将小导管送入孔内；再次调节风枪支腿角度为10°打孔施工下排小导管。

2)、注浆：首先将掌子面用喷射砼封闭，以防漏浆。注浆顺序由下而上，注浆可以单管也可以多管并联注浆。注浆完后，立即关闭止浆阀，防止浆液外流。

S2、采用三台阶方法施工开挖隧道最后的14-16m。

如图3所示，由进口向出口最后15m采用三台阶开挖法施工，上台阶预留核心土(上台阶Ⅱ)。此段施工严格控制爆破，根据实际地质情况，必要时实行挖机破碎头掘进，实行1榀进尺控制。断面采用Va复合衬砌参数。

三台阶方法施工开挖隧道的具体过程为：

S21、上台阶开挖：在拱部双排小导管支护施工后，沿隧道开挖轮廓线环向开挖上台阶Ⅰ；开挖进尺控制在每循环1榀拱架；开挖后立即初喷4cm砼封闭，并架设钢架；按照设计要求施作锚杆(锁脚锚杆和系统锚杆)喷射砼，上台阶Ⅰ支护完成后开挖上台阶Ⅱ；

S22、中台阶Ⅲ处开挖：开挖进尺控制在每循环1榀拱架，开挖后立即初喷4cm砼封闭，并架设钢架。按照设计要求施作锁脚锚杆和系统锚杆，喷射砼。

S23、下台阶Ⅳ处开挖：开挖进尺控制在每循环1榀拱架，开挖后立即初喷4cm砼封闭，并架设钢架。按照设计要求施作锁脚锚杆和系统锚杆，喷射砼。

具体地：

上台阶初期支护包括：

1)、初期支护施工方法

喷锚作业紧跟开挖工作面进行。先将围岩面初喷砼4-6cm厚，布置锚杆孔位，而后钻孔，安装锚杆，钢筋网在洞外事先焊接绑扎成片，运至洞内铺设，固定在锚杆尾部。锚杆、钢筋网、钢架安装后再进行复喷砼至设计厚度。

2)、系统锚杆施工

21)、中空注浆锚杆：

①隧道系统锚杆形式Ⅴ级围岩采有

②首先按设计要求，在开挖面上准确画出需施设的锚杆孔位。钻孔方式同砂浆锚杆施工。检查导管。

③孔达到标准后，安装锚杆并按设计比例配浆，采用注浆机注浆，注浆压力符合设计要求；一般按单管达到设计注浆量以及注浆压力达到设计终压并持续一定时间后作为结束标准。最后在综合检查判定注浆质量合格后，用专用螺帽将锚杆头封堵，以防浆液倒流管外。

22)、砂浆锚杆：

锚杆采用风钻钻锚杆孔，锚杆钻孔利用台架施钻，按照设计间排距，尽可能垂直结构面打入，高压风吹孔。用注浆泵将孔内注满早强砂浆，再用风枪将锚杆送入孔内，使杆体位于孔位中央，然后安装垫板，垫板必须用螺帽紧固在岩面上，增强锚杆与喷砼的综合支护作用。

施工技术措施：

①开挖初喷后，尽快钻孔、安设锚杆，然后复喷至设计厚度。锚杆原材料规格、长度、直径符合设计要求，锚杆杆体除油污、除锈。

②锚杆孔位、孔深及布置形式符合设计要求，中空式注浆锚杆用的注浆材料、配比、注浆终压满足设计要求。

③钻锚杆孔：测量组按设计要求画出位置，孔距允许误差±150mm；保持锚孔顺直或与岩层走向垂直；钻孔深度及直径与杆体相匹配。

④锚杆安装：杆体插入锚杆孔时，保持位置居中，锚杆杆体露出岩面长度不大于喷层厚度；有水地段先引出孔内的水或在附近另行钻孔再安装锚杆；锚杆孔内砂浆饱满密实；锚杆垫板与孔口砼密贴。随时检查锚杆头的变形情况，紧固垫板螺帽。

⑤中空注浆锚杆杆体抗拉极限拉力不小于180KN,锚杆工作荷载不小于90KN；砂浆锚杆体抗拉极限拉力不小于150KN,锚固抗拔力不小于80KN。

23)、钢筋网施工

①钢筋网制作及安装

隧道V级围岩主洞初支设置单层Φ8mm钢筋网片,网格间距均为20cm×20cm。

a按图纸标定的位置挂钢筋网，钢筋网使用前清除锈蚀，钢筋网制作时其末端各方向定型的间距不少于10cm。

b制作网片：钢筋网片宽度根据开挖进尺确定，长度1m左右。

②钢筋网安设时应注意：

a施作前，初喷4cm-6cm厚砼形成钢筋保护层。

b制作前进行校直、除锈及油污等，确保施工质量。

c钢筋网钢材必须有出厂合格证并经现场检验合格,钢筋网间距必须符合设计；网格纵横钢筋必须点焊，钢筋网与初喷砼基本密贴。钢筋网片之间搭接长度不小于一个完整网格，在喷射砼时钢筋不得晃动。

24)、钢架施工

钢架施工方法：根据开挖方法和步骤分部分片安装，为了使左右侧支护上部拱架便于与下部连接，安装拱部钢架时在拱脚处垫上垫板和砂垫层并用锁脚锚杆锁固。安装好的拱架用纵向连接筋连成一体，按设计施作锚杆，将锚杆的尾部焊于拱架上。

施工技术措施：

①制作：钢架按设计尺寸在洞外下料分节焊接制作，钢格栅将主筋采用钢筋弯曲机进行预弯、各种构造筋用钢筋弯曲机弯曲，在定型模上焊接而成；型钢拱架采用冷弯机冷弯，在定型模上焊接连接板。制作时严格按设计图纸进行，保证每节的弧度与尺寸均符合设计要求，每节两端均焊连接板，节点间通过连接板用螺栓连接牢靠，加工后必须进行试拼检查，严禁不合格品进场。

②安装：钢架按设计要求安装，安装尺寸允许偏差：横向和高程为±5cm，垂直度±2°。钢架的下端设在稳固的地层上，拱脚高度低于上部开挖底线以下15～20cm。拱脚开挖超深时，加设钢板或混凝土垫块。安装后利用锁脚锚杆定位。超挖较大时,拱背喷填同级混凝土,以使支护与围岩密贴,控制其变形的进一步发展。两排钢架间用

25)、喷射砼施工

初期支护喷射混凝土施工采用湿喷工艺作业。其施工要点为：

①砼制备：砼采用搅拌机拌和，入机时砼坍落度控制在8～15cm间，砼拌制时应注意运输过程中的坍落度损失。

②成品砼采用砼搅拌运输车运至湿喷机转子活塞凸轮喂料机构，速凝剂在湿喷机专用入口加入，由计量泵将速凝剂通过胶管压入喷咀，依靠喷射管中压缩空气将速凝剂雾化与物料充分混合后喷出。

③喷射前，应先清洗干净岩面，保证良好接触。

④喷头距岩面距离0.8m～1.2m，喷头垂直受喷面。喷射路线先边墙后拱部，分区、分段“S”形运动，喷头作连续不断的圆周运动，后一圈压前一圈1/3，螺旋状喷射。

⑤喷砼施工时，小凹坑要喷圆顺，小洞穴采用锚杆吊模模喷封堵平顺岩面，初次喷射在4-6cm，分4-6层来喷射完成，每层厚度不小于3-5cm。

⑥当岩面普遍渗水时，可先喷砂浆，并加大速凝剂掺量，在保证初喷后，按原配比施工。当局部出水量较大时采用埋管、凿槽、树枝状排水盲沟等措施，将水引导疏出后，再喷砼。

⑦喷射混凝土在终凝2小时后开始洒水养护，养护时间不少于7昼夜。

S3、出口端边坡开挖防护及排水施工，包括洞顶截水沟施工和出口端边仰坡施工。

洞顶截水沟施工：

1)、隧道出洞后由于现场施工条件受限，机械难以开挖截水沟，拟采用人工开挖；

2)、根据测量测出仰坡开口线位置，截水沟向外5m处采用人工开挖，开挖尺寸为60cm(深度)*60cm(宽度)；

3)、开挖出的截水沟及时采用M7.5浆砌片石砌好，防止地表水流沿沟下渗；

4)、砌筑完毕应洒水养护，养护不得少于7天。

出口端边仰坡施工：

隧道进暗洞前应对洞口边仰坡采用喷锚挂网防护，同时对临时边坡采用喷锚网防护，锚杆采用Ф22早强砂浆锚杆，长度为4m，间距1.5m×1.5m，梅花形布置，喷射混凝土采用10cm厚C20网喷混凝土，钢筋网采用Ф8，网格尺寸为20×20cm。

在一个优选案例中，在施工过程中，进行洞内监测和地表监测，其中，洞内监测包括围岩及支护状态、隧道出口端拱顶下沉和净空收敛；地表监测为地表沉降监测，且地表监测的观测点与洞内量测点尽量布置在同一断面上。

洞内监测：

1)、围岩及支护状态观察：采用观测的方法，对围岩的岩性、岩质、节理裂隙发育程度和方向、有无松散坍塌、剥落、掉块现象、有无漏水等；初期支护状态包括喷层时候产生裂缝、剥离和剪切破坏、钢支撑是否压屈等。观察分析，一一进行描述、记录，以此作为支护参数选择的参考与量测等级选择的依据。

2)、隧道出口端重点对拱顶下沉、净空收敛进行量测，每组量测点应布置在同一断面，从距离洞口15m段开始每3m设置一个量测断面，拱顶下沉量测测点布置在拱顶，净空收敛量测点布置在两侧。

3)、拱顶下沉、净空收敛量测在开挖后尽早进行，拱顶下沉、收敛量测起始读数宜在12小时内取得，并每隔4小时对每组断面点进行量测一次。测点应牢固可靠，易于识别，并注意保护，严防爆破损坏。

4)、通过回归曲线法对量测数据分析并根据量测结果进行综合判断，确定变形管理等级，据以指导下一循环施工。如表1所示：

表1

注：U0：实测变形值Un：允许变形值。

地表监测：

隧道出口端覆盖层薄，开挖后围岩难以自稳成拱，地表易沉陷，为了确保洞口浅埋段的施工安全，进行地表沉降监测。地表浅埋段设置地表观测点，观测点与洞内量测点尽量布置在同一断面上，以便反映量测数据的关联性，地表量测断面间距为5m，每个量测断面上测点间距为2m，每日量测3次。

每日对观测数据进行统计分析，特别是洞口范围的洞内外监测数据，要进行综合分析，通过分析成果及时反映围岩下沉、收敛动态，正确指导施工，及时调整支护参数。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要注意的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。