大断面隧道开挖结构及开挖方法

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，涉及大断面隧道开挖结构及开挖方法。

背景技术

近年来，随着我国交通运输的跨越式发展，城市交通车流量越发提高，传统的两车道、三车道公路隧道现已无法满足同行需求，新建、扩建的公路隧道已广泛应用，高速公路隧道断面也增加到双向八车道，大跨度超大断面隧道施工技术相应产生，成为目前隧道工程建设主要攻克技术及研究热点。针对隧道建设过程出现超大断面的情况，现场一般采用单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、CD法、CRD法等分部开挖方法。

以双侧壁导坑法开挖为例，该工法将隧道断面分为9个部分进行开挖，存在施工工序繁琐、工序衔接较多、机械化程度低、施工效率偏低、施工工期较长、工程成本较高、施工安全隐患较多等问题。

发明内容

本发明的目的是提供大断面隧道开挖结构，解决现有技术中存在施工工序繁琐、工序衔接较多、机械化程度低、施工效率偏低、施工工期较长、工程成本较高、施工安全隐患较多的技术问题。

本发明的另一个目的是提供大断面隧道开挖方法。

本发明所采用的第一个技术方案是，大断面隧道开挖结构，包括待开挖地质体，待开挖地质体内形成有第一开挖区以及两个第二开挖区，两个第二开挖区间隔分布于第一开挖区的两侧，且第一开挖区以及两个第二开挖区均布置于隧道两侧拱腰之间，第一开挖区以及两个第二开挖区均包括至少两个沿隧道拱顶至仰拱的方向依次分布的开挖导洞，第一开挖区内与仰拱相邻的开挖导洞形成临时台阶。

本发明所采用的第二个技术方案是，大断面隧道开挖方法，采用大断面隧道开挖结构，具体按以下步骤实施：

步骤1，开挖两个第二开挖区内的开挖导洞，以在第二开挖区分别形成第一成型结构和第二成型结构；第一成型结构靠近第一开挖区的一侧为第一临时结构；第二成型结构靠近第一开挖区的一侧为第二临时结构；

步骤2，对第一开挖区中靠近隧道的拱顶的开挖导洞进行开挖施工，形成第一开挖区中靠近隧道仰拱的开挖导洞所对应的临时台阶；

步骤3，拆除第一临时结构、第二临时结构并对第一开挖区对应的拱顶、第一临时结构和第二临时结构的拱腰进行初期支护施工；

步骤4，继续对临时台阶以及隧道的仰拱进行开挖施工，形成隧道结构。

本发明第二个技术方案的特点还在于：

其中步骤1中第一成型结构的成型具体如下：

两个第二开挖区中任一第二开挖区按照沿隧道的拱顶至仰拱的方向依次开挖各导洞，以在第二开挖区形成第一成型结构具体为：按照沿隧道的拱顶至仰拱的方向对靠近隧道的拱顶方向的开挖导洞开挖第一预设深度并进行初期支护施工，形成第一洞体结构；第一洞体结构包括第一临时仰拱以及第一临时结构，第一临时仰拱形成于第一洞体结构的底端，第一临时结构形成于第一洞体靠近第一开挖区的一侧；

继续按照沿隧道的拱顶至仰拱的方向开挖位于第一洞体结构下方的开挖导洞至第二预设深度，直至开挖完成对应的第二开挖区；第二预设深度小于第一预设深度；

拆除第一临时仰拱并对已完成开挖的第二开挖区进行初期支护施工，得到第一成型结构；

其中步骤1中第二成型结构的成型具体如下：

另一第二开挖区按照沿隧道的拱顶至仰拱的方向依次开挖各导洞，以在另一第二开挖区形成第二成型结构，具体为：针对另一第二开挖区，按照沿隧道的拱顶至仰拱的方向对靠近隧道的拱顶方向的开挖导洞开挖第一预设深度并进行初期支护施工，形成第二洞体结构；第二洞体结构包括第二临时仰拱以及第二临时结构，第二临时仰拱形成于第二洞体结构的底端，第二临时结构形成于第二洞体靠近第一开挖区的一侧；

继续按照沿隧道的拱顶至仰拱的方向开挖位于第二洞体结构下方的开挖导洞至第二预设深度，直至开挖完成对应的第二开挖区；

拆除第一临时仰拱并对已完成开挖的第二开挖区进行初期支护施工，得到第二成型结构；

其中步骤2中临时台阶的成型具体如下：

对第一开挖区中靠近隧道拱顶的开挖导洞进行开挖施工第一预设深度并进行初期支护施工，得到第三洞体；第一临时结构以及第二临时结构与位于隧道的拱顶的地质体共同围合形成第三洞体；

在第三洞体的底部施作第三临时仰拱，以使第一开挖区中靠近隧道的仰拱的开挖导洞所对应的地质体形成临时台阶；

其中步骤4中隧道结构形成具体如下：

对临时台阶以及隧道仰拱进行开挖施工至第三预设深度；第三预设深度小于第二预设深度；

对已完成开挖施工的第一开挖区域以及两个第二开挖区域进行支护施工，形成隧道结构；

其中步骤4中对已完成开挖施工的第一开挖区域以及两个第二开挖区域进行支护施工，形成隧道结构具体如下：对已完成开挖施工的第一开挖区域的仰拱以及两个第二开挖区域的仰拱进行初期支护施工并对隧道进行二次衬砌施工，形成隧道结构；

其中二次衬砌施工，形成隧道结构具体为：

对已完成开挖施工的第一开挖区域的仰拱以及两个第二开挖区域的仰拱进行初期支护施工并对隧道进行二次衬砌施工；

重复执行针对任一第二开挖区按照沿隧道的拱顶至仰拱的方向依次开挖各导洞，以在第二开挖区形成第一成型结构的步骤，直至洞通隧道，形成隧道结构；

其中对已完成开挖施工的第一开挖区域的仰拱以及两个第二开挖区域的仰拱进行初期支护施工并对隧道进行二次衬砌施工，形成隧道结构具体为：

对已完成开挖施工的第一开挖区域的仰拱以及两个第二开挖区域的仰拱二次衬砌施工，形成隧道结构进行支护施工；

在已完成开挖施工的隧道的仰拱上填充渣土，并对已完成渣土填充之后的仰拱进行路面施工，形成隧道结构；

其中针对任一第二开挖区按照沿隧道的拱顶至仰拱的方向依次开挖各导洞，以在第二开挖区形成第一成型结构的步骤之前，还包括利用具有预设参数的超前支护构件对第一开挖区以及两个第二开挖区进行超前支护施工。

本发明的有益效果是：

本发明的大断面隧道开挖结构通过在待开挖地质体内形成有第一开挖区以及两个第二开挖区，两个第二开挖区间隔分布于第一开挖区的两侧，且第一开挖区以及两个第二开挖区均布置于隧道的两侧拱腰之间，第一开挖区以及两个第二开挖区均包括至少两个沿隧道的拱顶至仰拱的方向依次分布的开挖导洞，并且第一开挖区内与仰拱相邻的开挖导洞形成临时台阶，使得本发明在使用时对大断面隧道采用分部开挖，减小每部分开挖跨度和开挖高度，分部支护体系能够及时成环，减少对软弱围岩的多次扰动，有效控制围岩变形，确保开挖作业安全；同时的，在将第一开挖区内与隧道的仰拱相连的开挖导洞作为临时台阶，使得本发明在使用时可以充分发挥下部围岩的承载力，由下台阶预留土和上台阶临时钢架支撑组成临时支撑体系，减少了支撑材料用料，降低了工程成本，提高了施工效率。

附图说明

图1为本发明的大断面隧道开挖结构的结构示意图；

图2为本发明的大断面隧道开挖方法的流程图；

图3为本发明的大断面隧道开挖方法步骤1中第一成型结构成型的流程图；

图4为本发明的大断面隧道开挖方法中步骤1.1中的隧道断面示意图；

图5为本发明的大断面隧道开挖方法中步骤1.2中的隧道断面示意图；

图6为本发明的大断面隧道开挖方法步骤1中第二成型结构成型的流程图；

图7为本发明的大断面隧道开挖方法中形成第二洞体结构时的隧道断面示意图；

图8为本发明的大断面隧道开挖方法中形成第二开挖区时的隧道断面示意图；

图9为本发明的大断面隧道开挖方法中形成临时台阶的流程示意图；

图10为本发明的大断面隧道开挖方法中得到第三洞体时的隧道断面示意图；

图11为本发明的大断面隧道开挖方法中形成临时台阶时的隧道断面示意图；

图12为本发明的大断面隧道开挖方法中完成隧道结构设计的流程图；

图13为本发明的大断面隧道开挖方法中开挖至第三预设深度时的隧道断面示意图；

图14为本发明的大断面隧道开挖方法中进行二次衬砌施工后的隧道断面示意图；

图15为本发明的大断面隧道开挖方法中进行二次衬砌施工的流程图；

图16为本发明的大断面隧道开挖方法添加准备工作流程后的整体流程图；

图17为本发明大断面隧道开挖方法具体实施后形成的隧道断面示意图；

图18为本发明大断面隧道开挖方法不同工况下形成的隧道断面示意图。

图中，1.待开挖地质体，2.第一开挖区，3.第二开挖区，4.第一临时结构，5.第二层初期支护，6.第二临时结构，7.临时台阶，8.第一层初期支护，9.二次衬砌。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了大断面隧道开挖结构，具体如下述实施例所示：

实施例1，大断面隧道开挖结构具体如下：

本实施例中，如图1所示，大断面隧道开挖结构，包括待开挖地质体1，待开挖地质体1内形成有第一开挖区2以及两个第二开挖区3，两个第二开挖区3间隔分布于第一开挖区2的两侧，且第一开挖区2以及两个第二开挖区3均布置于隧道的两侧拱腰之间，第一开挖区2以及两个第二开挖区3均包括至少两个沿隧道的拱顶至仰拱的方向依次分布的开挖导洞，且，第一开挖区2内与仰拱相邻的开挖导洞形成临时台阶7；

在本实施例中，通过在待开挖地质体1内形成有第一开挖区2以及两个第二开挖区3，两个第二开挖区3间隔分布于第一开挖区2的两侧，且第一开挖区2以及两个第二开挖区3均布置于隧道的两侧拱腰之间，第一开挖区2以及两个第二开挖区3均包括至少两个沿隧道的拱顶至仰拱的方向依次分布的开挖导洞，并且第一开挖区2内与仰拱相邻的开挖导洞形成临时台阶7，使得本发明在使用时对大断面隧道采用分部开挖，减小每部分开挖跨度和开挖高度，分部支护体系能够及时成环，减少对软弱围岩的多次扰动，有效控制围岩变形，确保开挖作业安全；同时的，在将第一开挖区2内与隧道的仰拱相连的开挖导洞作为临时台阶7，使得本发明在使用时可以充分发挥下部围岩的承载力，由下台阶预留土和上台阶临时钢架支撑组成临时支撑体系，减少了支撑材料用料，降低了工程成本，提高了施工效率。

实施例2，大断面隧道开挖结构的开挖方法具体如下：

本发明提出大断面隧道施工方法，应用于大断面隧道开挖结构；为了便于理解本发明，下述将第一开挖区2以及两个第二开挖区3均包括两个在竖向依次层叠设置的开挖导洞为例进行说明，如图2所示：

具体地，具体按以下步骤实施：

步骤1，如图3所示，针对任一第二开挖区3按照沿隧道的拱顶至仰拱的方向依次开挖各导洞，以在第二开挖区3形成第一成型结构；第一成型结构靠近第一开挖区2的一侧为第一临时结构4；

在本实施例中，将隧道断面从起拱线位置按左导洞、中导洞和右导洞(其中，左右导洞为第二开挖区3，中导洞为第一开挖区2分别分成上下台阶(其中上下导洞均为开挖导洞)，左导洞分2部开挖，中导洞分2部开挖，右导洞分2部开挖，共分为6部分别开挖支护；先行钻眼爆破开挖左导洞上台阶，开挖进尺控制在1榀钢架距离，开挖完成后施作正洞第一层初期支护8，形成第一临时结构4：φ25中空注浆锚杆，锚杆长4.5m，间距100×60mm，梅花形布置每环18根、φ8钢筋网片：间距200×200mm、I22b型钢拱架：间距0.6m，全环施作，与围岩间保护层厚度4cm，临空一侧保护层厚度2cm、锁脚锚杆：8根长4.5m的φ42注浆小导管，最后喷射28cm厚C20混凝土；

左导洞的上台阶开挖支护长度大于30m后，需要特别和明确说明的是，实施例中示例的第一预设深度为30m，进行左导洞下台阶部围岩的开挖；当中导洞的下台阶围岩承载力满足临时钢架支撑要求时，左导洞下台阶部开挖上端预留4m宽行车道，下端开挖至设计轮廓线，开挖进尺为1榀钢架距离，开挖完成后，采用第一临时结构400的支护参数施作初期支护，形成第一成型结构；

左右导洞开挖步距不小于30m时，进行右导洞上台阶开挖，开挖进尺控制在1榀钢架距离，开挖完成后采用第一临时结构4的支护参数施作初期支护，得到第二临时结构6；

如图6所示，对另一第二开挖区3按照沿隧道的拱顶至仰拱的方向依次开挖各导洞，以在另一第二开挖区3形成第二成型结构；其中，第二成型结构靠近第一开挖区2的一侧为第二临时结构6；

在本实施例中，右导洞的上台阶开挖支护长度大于30m后，进行右导洞下台阶围岩的开挖。当中导洞的下台阶围岩承载力满足临时钢架支撑要求时，右导洞下台阶开挖上端预留4m宽行车道，下端开挖至设计轮廓线。开挖进尺为1榀钢架距离，开挖完成后，采用第一临时结构4的支护参数施作第一层初期支护8，得到第二成型结构；

步骤2，如图9所示，对所第一开挖区2中靠近隧道的拱顶的开挖导洞进行开挖施工，以使第一开挖区2中靠近隧道的仰拱的开挖导洞所对应的地质体形成临时台阶7；

在本实施例中，当左导洞与右导洞掌子面与中导洞掌子面相距6m～8m，需要特别和明确说明的是，第三预设深度为6m～8m时，可独立同步开挖和支护；中导洞开挖安全步距IV级围岩为40m，V级围岩50m，中导洞上台阶开挖进尺为1榀钢架距离，开挖完成后，采用第一临时结构4的支护参数施作第一层初期支护8；

步骤3，拆除第一临时结构4、第二临时结构6并对第一开挖区2对应的拱顶、第一临时结构4和第二临时结构6的拱腰进行初期支护施工；

在本实施例中，待初期支护拱顶变形稳定后，拆除第一临时结构4以及第二临时结构6，拆除过程中加强拱顶沉降量测，保证隧道安全；首先采取隔3m拆1m的方法，在两侧壁或中隔壁钢架顶部切开3m～5cm，量测隧道变形量和变形速率；隧道变形量和变形速率在正常范围内时，采取隔1m拆1m的方法，切开两侧壁或中隔壁支撑钢架顶部，观测隧道变形量和变形速率；严禁连续切开钢架，以防止临时支撑突然失稳，倒塌伤人；变形稳定后，分析监控量测结果，确保隧道初期支护的稳定性；

步骤4，如图12所示，继续对临时台阶7以及隧道的仰拱进行开挖施工，形成隧道结构：

在本实施例中，第一临时结构4以及第二临时结构6拆除后，开挖中导洞下台阶，开挖进尺控制在1榀钢架距离，开挖完成后采用第一临时结构4的支护参数施作第一层初期支护8；

中导洞下台阶初期支护施作完毕且达到设计强度后，进行第二层初期支护5施工。第二层初期支护5施工前，先将仰拱用洞渣回填平整，为第二层初期支护5施作提供场地，第二层初支护采用I22b型钢拱架：60cm/榀、间距为200×200mm的φ8钢筋网和喷射24cm厚的C20混凝土，钢架靠围岩侧(隧道外侧)保护层厚度不小于4cm，临空侧(隧道内侧)不小于2cm；本发明采用双层初期支护形式，有效保证了隧道埋深较浅、开挖断面大情况下周边围岩的稳定性，且双层初支能够及时施作封闭成环，降低了隧道垮塌风险，提高了施工安全；

完成第二次初期支护之后再进行二次衬砌施工，二次衬砌9施作应通过监控量测，在围岩与双层初期支护变形基本稳定后进行；二衬采用70cm厚C30钢筋混凝土结构，采用模板台车和有压泵送混凝土整体浇注，并在浇注过程中保证电、料的持续供应，浇注不得中断；

在本实施例中，通过在待开挖地质体1内形成有第一开挖区2以及两个第二开挖区3，两个第二开挖区3间隔分布于第一开挖区2的两侧，且第一开挖区2以及两个第二开挖区3均布置于隧道的两侧拱腰之间，第一开挖区2以及两个第二开挖区3均包括至少两个沿隧道的拱顶至仰拱的方向依次分布的开挖导洞，并且第一开挖区2内与仰拱相邻的开挖导洞形成临时台阶7，使得本发明在使用时对大断面隧道采用分部开挖，减小每部分开挖跨度和开挖高度，分部支护体系能够及时成环，减少对软弱围岩的多次扰动，有效控制围岩变形，确保开挖作业安全；同时的，在将第一开挖区2内与隧道的仰拱相连的开挖导洞作为临时台阶7，使得本发明在使用时可以充分发挥下部围岩的承载力，由下台阶预留土和上台阶临时钢架支撑组成临时支撑体系，减少了支撑材料用料，降低了工程成本，提高了施工效率。

实施例3

如图16所示，大断面隧道开挖方法，具体按以下步骤实施：

步骤1具体按以下步骤实施，如图4和图5所示：

步骤1.1，针对任一第二开挖区3，按照沿隧道的拱顶至仰拱的方向对靠近隧道的拱顶方向的开挖导洞开挖第一预设深度并进行初期支护施工，形成第一洞体结构；其中，第一洞体结构包括第一临时仰拱以及第一临时结构4，第一临时仰拱形成于是第一洞体结构的底端，第一临时结构4形成于第一洞体靠近第一开挖区2的一侧；

步骤1.2，继续按照沿隧道的拱顶至仰拱的方向开挖位于第一洞体结构下方的开挖导洞至第二预设深度，直至开挖完成对应的第二开挖区3；第二预设深度小于第一预设深度；

步骤1.3，拆除第一临时仰拱并对已完成开挖的第二开挖区3进行初期支护施工，得到第一成型结构；

如图7和图8所示：

步骤1.4，针对另一第二开挖区3，按照沿隧道的拱顶至仰拱的方向对靠近隧道的拱顶方向的开挖导洞开挖第一预设深度并进行初期支护施工，形成第二洞体结构；其中，第二洞体结构包括第二临时仰拱以及第二临时结构6，第二临时仰拱形成于是第二洞体结构的底端，第二临时结构6形成于第二洞体靠近第一开挖区2的一侧；

步骤1.5，继续按照沿隧道的拱顶至仰拱的方向开挖位于第二洞体结构下方的开挖导洞至第二预设深度，直至开挖完成对应的第二开挖区3；

步骤1.6，拆除第一临时仰拱并对已完成开挖的第二开挖区3进行初期支护施工，得到第二成型结构；

在本实施例中，将大断面隧道采用分部开挖，减小每部分开挖跨度和开挖高度，分部支护体系能够及时成环，减少对软弱围岩的多次扰动，有效控制围岩变形，确保开挖作业安全；

步骤2具体按以下步骤实施，如图10和图11所示：

步骤2.1，对第一开挖区2中靠近隧道的拱顶的开挖导洞进行开挖施工第一预设深度并进行初期支护施工，得到第三洞体；其中，第一临时结构4以及第二临时结构6与位于隧道的拱顶的地质体共同围合形成第三洞体；

步骤2.1，在第三洞体的底部施作第三临时仰拱，以使第一开挖区2中靠近隧道的仰拱的开挖导洞所对应的地质体形成临时台阶7；

在本实施例中，充分发挥下部围岩的承载力，由下台阶预留土和上台阶临时钢架支撑组成临时支撑体系，减少了支撑材料用料，降低了工程成本；

步骤3，拆除第一临时结构4、第二临时结构6并对第一开挖区对应的拱顶、第一临时结构和第二临时结构的拱腰进行初期支护施工；

步骤4具体按以下步骤实施，如图13和图14所示：

步骤4.1，继续对临时台阶7以及隧道的仰拱进行开挖施工至第三预设深度；其中，第三预设深度小于第二预设深度；

步骤4.2，对已完成开挖施工的第一开挖区2域的仰拱以及两个第二开挖区3域的仰拱进行初期支护施工并对隧道进行二次衬砌施工，形成隧道结构；

在本实施例中，下台阶预留土作为承载墙的同时，还作为左右导坑上台阶的施工便道，可使各工作面同时施工，相较传统双侧壁多次开挖，仅需少量的开挖次数即可开挖完成，减少了两个侧壁下部的临时支护，工序简单，有效降低了对围岩的多次扰动，显著加快施工效率；

如图15所示，步骤4.2具体如下：

步骤4.2.1，对已完成开挖施工的第一开挖区2域的仰拱以及两个第二开挖区300域的仰拱进行初期支护施工并对隧道进行二次衬砌施工；

步骤4.2.2，重复执行针对任一第二开挖区3按照沿隧道的拱顶至仰拱的方向依次开挖各导洞，以在第二开挖区3形成第一成型结构的步骤，直至洞通隧道，形成隧道结构；

实施例4

步骤4.2隧道结构的搭建具体还包括：

步骤4.2.1，对已完成开挖施工的第一开挖区2域的仰拱以及两个第二开挖区3域的仰拱二次衬砌施工，形成隧道结构进行支护施工；

步骤4.2.2，在已完成开挖施工的隧道的仰拱上填充渣土，并对已完成渣土填充之后的仰拱进行路面施工，形成隧道结构；

在本实施例中，充分利用双侧壁分部开挖时隧道围岩安全稳定的有利因素，在分部开挖工序较多的情况下简化开挖分部，增大各部分开挖的作业空间，机械化作业效率得到较大提高，加快了施工进度。

上述实施例中在步骤1之前，如图16所示，还包括：

利用具有预设参数的超前支护构件对第一开挖区2以及两个第二开挖区3进行超前支护施工；

在本实施例中，隧道开挖施工前，现场成立专业的超前地质预测预报小组，并将该项工作纳入施工工序管理；采用地面预报和洞内超前预报相结合的模式，主要以洞内超前预报为主，洞内超前预报主要通过TSP203地质超前预报系统、超前钻孔等手段进行；

需要特别和明确说明的是，在本实施例中示例的预设参数的超前支护构件包括：超前支护采用φ42×4mm超前小导管，管口0.5m范围内不开孔，其余部分按10cm间距交错设置注浆孔，孔径8mm，水平搭接长度不小于1m。小导管长4.5m，环向间距35cm～45cm，每环70根(双层140根)，外插角分别为缓倾角10°～14°，和陡倾角30°～40°，上下两层交错布置，按拱部125°范围布置，临时支护小导管长4.5m，环向间距40cm，每环30根，外插角10°～14°；

在具体实施时，如图17和图18所示，左导洞上台阶开挖支护长度大于30m后，进行左导洞下台阶围岩的开挖；当中导洞下台阶围岩承载力不满足临时钢架支撑要求时，先对其进行注浆加固围岩，开挖左导洞下台阶时上端预留1.5m宽度，下端预留4m宽行车道(也即是，左导洞的下台阶的顶面靠近中导洞一侧预留宽度为1.5m，左导洞的下台阶的底部预留宽度为4m作为车行道)。开挖进尺为1榀钢架距离，开挖完成后，采用第一临时结构400的支护参数施作第一层初期支护。

右导洞上台阶开挖支护长度大于30m后，进行右导洞下台阶围岩的开挖。当中导洞下台阶围岩承载力不满足临时钢架支撑要求时，先对其进行注浆加固围岩，开挖右导洞下台阶时上端预留1.5m宽度，下端预留4m宽行车道(也即是，右导洞的下台阶的顶面靠近中导洞一侧预留宽度为1.5m，左导洞的下台阶的底部预留宽度为4m作为车行道)；开挖进尺为1榀钢架距离，开挖完成后，采用第一临时结构400的支护参数施作第一层初期支护；

在本实施例中，可根据掌子面前方下台阶围岩情况进行动态调整开挖工序，若下台阶预留土承载力不满足作为承载墙的要求时，可先对其进行注浆加固，待承载力达到要求时，继续进行施工。