城市浅埋条件下叠加隧道开挖施工方法

摘要

本发明公开了一种城市浅埋条件下叠加隧道开挖施工方法，涉及隧道施工工法技术领域，上层主隧道开挖采用CRD法施工，上层主隧道左右两侧自上而下依次分为至少两个导坑，分侧由上到下依次进行开挖，并进行必要的初期支护、临时支护；上层主隧道的分左右两侧先后进行施工，每侧的上导坑采用钻孔机水平钻进取芯+破碎锤破碎的方式开挖，其余导坑采用静态爆破的方式开挖；先开挖上层主隧道，再开挖下层隧道，下层隧道采用机械切割+破碎锤破碎的方式开挖。适用于埋深不小于5米、开挖断面不大于150平米的无不利地质条件(如断层、破碎带等)的浅埋隧道，周边环境要求高，需进行无振动保护性施工，且施工进程快。

权利要求

1.一种城市浅埋条件下叠加隧道开挖施工方法，其特征在于，所述叠加隧道包括上层主隧道和下层隧道，下层隧道位于上层主隧道的正下方，且下层隧道的施工断面比上层主隧道的施工断面小，施工按以下步骤进行：第一步，上层主隧道开挖采用CRD法施工，上层主隧道左右两侧自上而下依次分为至少两个导坑，分侧由上到下依次进行开挖，并进行相应的初期支护、临时支护；

(1)上层主隧道的上导坑采用钻孔机沿着上导坑轮廓线进行水平钻进取芯，之后再采用破碎锤破除上导坑中的岩体，为后期静态爆破其余导坑施工提供足够的临空面；

(2)对上层主隧道的其余导坑采用静态爆破开挖,使用无声破碎剂通过化学反应产生膨胀力，破坏岩体自稳抗拉力达到岩体破碎效果，再采用破碎锤破碎导坑中的岩体；

第二步，下层隧道开挖采用从上到下，逐层扩大开挖面的方式进行，除第一层开挖断面的横截面为矩形外，其余各层开挖断面的横截面均为“凹”字形，先采用岩石切割机沿开挖层轮廓线切割形成临空面后，再采用破碎锤破碎开挖层中的岩体；

所述上层主隧道为公路隧道，下层隧道为电力隧道，公路隧道开挖完成后施作仰拱时，仰拱中部正对电力隧道的部分为上层主隧道预留电力隧道部分，上层主隧道预留电力隧道部分不做混凝土，但左右两端预留中部仰拱的钢筋接头，待下层隧道开挖完成后再通过预留的钢筋接头机械连接仰拱中部的钢筋，并施作混凝土；

所述上层主隧道左右两侧自上而下依次分为上导坑、中导坑和下导坑，中导坑静态爆破施工时，中导坑中部的围岩采用竖向钻孔装药静态爆破，中导坑左右两侧的围岩采用沿隧道径向水平钻孔装药静态爆破，且中导坑采用先中间、后两边的开挖方式；下导坑静态爆破施工采用竖向钻孔装药静态爆破，所有导坑静态爆破装药均采用由临空面反向装药的方式。

2.按照权利要求1所述的城市浅埋条件下叠加隧道开挖施工方法，其特征在于：通过上层主隧道上导坑开挖的出露岩芯详细记录岩层分布情况，进行超前地质预报，为后续施工提供地质依据。

说明书

城市浅埋条件下叠加隧道开挖施工方法

技术领域

[0001] 本发明涉及隧道施工工法，具体涉及一种城市浅埋条件下叠加隧道的开挖施工方法。

背景技术

[0002] 目前公路隧道施工中，受城市总体规划及运营线路影响，不可避免地要在密集的地面建(构)筑物下方穿过，不仅需要保证隧道工程本体施工的安全，还须妥善地解决隧道工程对附近既有建筑物的影响问题。

[0003] 在城市浅埋条件下修建公路隧道及电力隧道的叠加形式，目前尚属首创。公路隧道为上层主隧道，电力隧道为下层隧道，电力隧道位于公路隧道的正下方，由于叠加隧道上部地表构筑物密集且陈旧，在施工过程中要求：对周边围岩及地表构筑物无扰动，不影响周围居民的正常工作生活；开挖创伤面控制良好，无多余开挖，减少了开挖工程量；加快施工进程，提高人力、物力的有效利用率。

发明内容

[0004] 本发明旨在提供一种专用于城市浅埋条件下叠加隧道的开挖施工方法，适用于埋深不小于5米、开挖断面不大于150平米的无不利地质条件(如断层、破碎带等)的浅埋隧道，周边环境要求高，需进行无振动保护性施工，且施工进程快。

[0005] 为此，本发明所采用的技术方案为：一种城市浅埋条件下叠加隧道开挖施工方法，所述叠加隧道包括上层主隧道和下层隧道，下层隧道位于上层主隧道的正下方，且下层隧道的施工断面比上层主隧道的施工断面小，施工按以下步骤进行：

[0006] 第一步，上层主隧道开挖采用CRD法施工，上层主隧道左右两侧自上而下依次分为至少两个导坑，分侧由上到下依次进行开挖，并进行必要的初期支护、临时支护；

[0007] (1)上层主隧道的上导坑采用钻孔机沿着上导坑轮廓线进行水平钻进取芯，之后再采用破碎锤破除上导坑中的岩体，为后期静态爆破其余导坑施工提供足够的临空面；

[0008] (2)对上层主隧道的其余导坑采用静态爆破开挖,使用无声破碎剂通过化学反应产生膨胀力，破坏岩体自稳抗拉力达到岩体破碎效果，再采用破碎锤破碎导坑中的岩体；

[0009] 第二步，下层隧道开挖采用从上到下，逐层扩大开挖面的方式进行，除第一层开挖断面的横截面为矩形外，其余各层开挖断面的横截面均为“凹”字形，先采用岩石切割机沿开挖层轮廓线切割形成临空面后，再采用破碎锤破碎开挖层中的岩体。

[0010] 作为上述方案的优选，所述上层主隧道为公路隧道，下层隧道为电力隧道，公路隧道开挖完成后施作仰拱时，仰拱中部正对电力隧道的部分为上层主隧道预留电力隧道部分，上层主隧道预留电力隧道部分不做混凝土，但左右两端预留中部仰拱的钢筋接头，待下层隧道开挖完成后再通过预留的钢筋接头机械连接仰拱中部的钢筋，并施作混凝土。设置上层主隧道仰拱预留电力隧道部分，暂时不做混凝土，一方面可节约混凝土使用量，另一方面减少破除钢筋混凝土量，进一步节约成本，提高施工效率，加快施工进程；预留中部仰拱的钢筋接头，方便在下层隧道开挖完成后机械连接钢筋再施作混凝土，从而完成上层主隧道的仰拱施工。

[0011] 进一步，所述上层主隧道左右两侧自上而下依次分为上导坑、中导坑和下导坑，中导坑静态爆破施工时，中导坑中部的围岩采用竖向钻孔装药静态爆破，中导坑左右两侧的围岩采用沿隧道水平钻孔装药静态爆破，且中导坑采用先中间、后两边的开挖方式；下导坑静态爆破施工采用竖向钻孔装药静态爆破，所有导坑静态爆破装药均采用由临空面反向装药的方式。由于中导坑靠近起拱位置，靠近起拱位置的一侧空间位置受限，不方便钻孔机竖向钻孔，那么先利用上导坑施工后形成的临空面进行中导坑中部的竖向钻孔、爆破和破碎；再利用中导坑中部开挖后形成的临空面进行中导坑两侧的沿隧道水平钻孔、爆破和破碎，同时将中导坑分三部分开挖，对于提高施工效率也有显著的效果。

[0012] 更进一步，通过上层主隧道上导坑的出露岩芯详细记录岩层分布情况，进行超前地质预报，为后续施工提供地质依据。通常水平钻进取芯是为了方便破碎锤破碎，此处利用出露岩芯进行超前地质预报，对后续施工具有很好的指导作用。

[0013] 本发明的有益效果：上层主隧道的分左右两侧先后进行施工，每侧的上导坑采用钻孔机水平钻进取芯+破碎锤破碎的方式开挖，其余导坑采用静态爆破的方式开挖；先开挖上层主隧道，再开挖下层隧道，下层隧道采用机械切割+破碎锤破碎的方式开挖。该工法具有以下特点：

[0014] (1)对周边围岩及地表构筑物无扰动，不影响周围居民的正常工作生活；

[0015] (2)开挖创伤面控制良好，无超欠挖，减少了开挖工程量；

[0016] (3)工艺先进、可行、操作性强，具有较高的推广应用价值。

附图说明

[0017] 图1为本工法的施工工艺流程图。

[0018] 图2为公路隧道上导坑钻孔取芯工艺流程图。

[0019] 图3为公路隧道中、下导坑静态爆破工艺流程图。

[0020] 图4为公路隧道CRD法施工步序立面图。

[0021] 图5为公路隧道CRD法施工步序俯视图。

[0022] 图6为公路隧道左上导坑钻孔取芯立面布置图。

[0023] 图7为电力隧道开挖施工工艺流程。

[0024] 图8为电力隧道开挖立面布置图。

[0025] 图9为电力隧道开挖前公路隧道的俯视图。

具体实施方式

[0026] 下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：

[0027] 一种城市浅埋条件下叠加隧道开挖施工方法，如图1所示，按以下步骤进行施工：

[0028] 第一步，上层主隧道(如公路隧道)开挖采用CRD法施工，上层主隧道左右两侧自上而下依次分为上、中、下三个导坑，分侧由上到下进行开挖，并在每个导坑开挖后进行相应的初期支护、临时支护。上层主隧道左右两侧自上而下至少设置有两个导坑。

[0029] (1)上导坑水平钻进取芯+破碎锤破碎：上层主隧道的上导坑采用钻孔机沿着上导坑轮廓线进行水平钻进取芯，之后再采用破碎锤破除上导坑中的岩体，为后期静态爆破其余导坑施工提供足够的临空面，并修整成型；另外，通过出露岩芯详细记录岩层分布情况，进行超前地质预报，为后续施工提供地质依据。

[0030] (2)中、下导坑采用静态爆破：对上层主隧道的其余导坑采用静态爆破开挖,使用无声破碎剂通过化学反应产生膨胀力，破坏岩体自稳抗拉力达到岩体破碎效果，再采用破碎锤破碎导坑中的岩体，修整成型。

[0031] 上层主隧道的施工，既能有效控制隧道超欠挖，亦无对周边岩体及地表构筑物扰动，使主体隧道安全顺利地完成施工。

[0032] 最好是，中导坑静态爆破施工时，中导坑中部的围岩采用竖向钻孔装药静态爆破，中导坑左右两侧的围岩采用沿隧道径向水平钻孔装药静态爆破，且中导坑采用先中间、后两边的开挖方式；下导坑静态爆破施工采用竖向钻孔装药静态爆破，所有导坑静态爆破装药均采用由临空面反向装药的方式。

[0033] 第二步，下层隧道机械切割+破碎锤破碎的方式开挖：下层隧道(如电力隧道)开挖采用从上到下，逐层扩大开挖面的方式进行，除第一层开挖断面的横截面为矩形外，其余各层开挖断面的横截面均为“凹”字形，先采用岩石切割机沿开挖层轮廓线切割形成临空面后，再采用破碎锤破碎开挖层中的岩体。

[0034] 比如，下层隧道采用四层开挖，但不限于四层；岩石切割机最好采用圆盘锯，操作方便，施工效率高。

[0035] 最好是，公路隧道开挖完成后施作仰拱时，仰拱中部正对电力隧道的部分为上层主隧道预留电力隧道部分，上层主隧道预留电力隧道部分不做混凝土，但左右两端预留中部仰拱的钢筋接头，待下层隧道开挖完成后再通过钢筋接头机械连接仰拱中部的钢筋，并施作混凝土。

[0036] 上层主隧道(公路隧道)施工中的操作要点及要求：

[0037] 1、上导坑操作要点：

[0038] 上导坑钻孔取芯采用φ110mm钻孔机进行，钻孔机形成的探孔大小可根据施工需要进行相应调整(φ110mm水平钻孔施工工艺流程参见图2)，施工中的具体要求有如下几点：

[0039] (1)钻孔深度：由于隧道开挖围岩条件较好，根据施工实际情况，确定探孔一次钻进深度为3米，保证安全施工。

[0040] (2)机械成孔：选用专业水平钻孔机械，在破除岩体的同时对前方岩体进行超前地质勘探。

[0041] (3)岩芯记录：出露岩石要详细记录，为后期静态爆破参数设置提供有效依据。

[0042] 2、中、下导坑操作要点：

[0043] 静态爆破包括无声破碎剂破碎岩体和机械破除两部分，已开挖上导坑为临空面，使用无声破碎剂通过化学反应产生膨胀力，破坏岩体自稳抗拉力达到岩体破碎效果，再采用机械破碎岩体，修整成型(中、下导坑静态爆破施工工艺流程参见图3)。

[0044] 3、施工中的具体要求有如下几点：

[0045] 3.1钻孔参数确定

[0046] 静态爆破钻孔布眼前首先要确定至少有一个以上的临空面，钻孔方向应尽可能做到与临空面平行；同一排钻孔应尽可能保持在一个平面上。临空面越多，单位破石量就越大，经济效益也更高。破碎方案确定后，首先使用钻机钻孔。关于孔径、孔距、孔深和破碎设计，应根据被破碎物的具体情况而定。如岩石性态、节理、被破碎物的大小等。孔距与排距(抵抗线距离)布置：孔距与排距的大小与岩石硬度有直接关系，硬度越大，孔距与排距越小，反之则大，孔距与排距布置，钻孔数据可参考下表进行：

[0047] 钻孔参数参考表

[0048]

[0049] 3.2开挖方式

[0050] 上层主隧道开挖采用CRD法开挖施工，开挖步序如图4所示。CRD法施工主要步序如图4中序号所示：

[0051] (1)施作超前支护；

[0052] (2)开挖左导坑上部；

[0053] (3)左导坑上部初期支护及临时支护；

[0054] (4)开挖左导坑中部；

[0055] (5)左导坑中部初期支护及临时支护；

[0056] (6)开挖左导坑下部；

[0057] (7)左导坑下部初期支护及临时支护；

[0058] (8)开挖右导坑上部；

[0059] (9)右导坑上部初期支护及临时支护；

[0060] (10)开挖右导坑中部；

[0061] (11)右导坑中部初期支护；

[0062] (12)开挖右导坑下部；

[0063] (13)右导坑下部初期支护并拆去临时支护；

[0064] (14)施工仰拱；

[0065] (15)根据监控量测结果确定进行边墙、拱部二次模注砼的浇筑。

[0066] 图5所示为上层主隧道施工步序俯视图，适当地增加每循环开挖长度，加快施工进程；断面分段分布形成流水线作业形式，提高人力、物力的有效利用率。

[0067] 3.3小临空面左上导坑施工

[0068] 当开挖完成上导坑后及时施工初期支护和临时支护，使之封闭成环，结合图4、图6所示，从而形成小临空面上导坑。其中孔眼参数设计为：孔径110mm，严格按照测量放样中的开挖轮廓线进行开挖钻孔。

[0069] 3.4大临空面左中导坑施工

[0070] 为便于施工，中导坑中部采取竖向钻孔静态爆破形式开挖，与水平静态爆破相比，竖向布孔施工钻孔、装药速度更快，反应时间可相对缩短，药剂产生侧向压力大于竖向压力，有效利用率更高。考虑到左右两侧人工钻孔的操作宽度不足，且中部爆破完毕后给左右两侧留出了足够大的临空面，故中导坑左右两侧的围岩采用沿隧道水平钻孔，其中孔眼参数设计为：孔径40mm，孔距300mm，排拒300mm，药剂反应时间均以30～35分钟为宜。

[0071] 3.5左下导坑施工

[0072] 当左中导坑施工完成，进行左下导坑施工时，采取竖向钻孔静态爆破形式开挖。其中孔眼参数设计为：孔径40mm，孔距300mm，排距300mm，孔深2500～3500mm不等，以设计分级高度划分。每次开挖进尺在确保支护安全的前提下可相应加大。采取每进尺分区域集中装药预裂形式施工，遵循由临空面反向装药形式操作，药剂反应时间根据孔数、装药人数不等确定。

[0073] 3.6右导坑施工

[0074] 右导坑施作方法同左导坑，且需在左导坑初期支护及临时支护封闭成环后开始施作。

[0075] 3.7钻孔操作

[0076] (1)钻孔直径与破碎效果有直接关系，钻孔过小，不利于药剂充分发挥效力；钻孔太大，易冲孔。爆破孔优选参数：孔径35～40mm，孔距30cm，排距30cm，深度根据部位不同相应调整。

[0077] (2)钻孔内余水和余灰渣应用高压风吹洗干净，孔口旁应干净无土石渣。

[0078] 3.8装药操作

[0079] (1)水平装药：先用比钻孔直径略小的高强长纤维纸袋装入药剂，按一个操作循环所需要的药卷数量，放在盆中倒入洁净水完全浸泡，50S左右药卷充分湿润、完全不冒气泡时，取出药卷从孔底开始逐条装入并捅紧，密实地装填到孔口，即集中浸泡、充分浸透、逐条装入、分别捣实。

[0080] (2)竖向装药：将药剂搅拌后用器皿或直接灌入孔内，孔口周边不得有小石块堆积，防止冲孔伤人。

[0081] (3)破碎施工操作人员应采用小组的方式，每组施工工人在每次操作循环过程中负责装孔的孔数不能过多。

[0082] (4)每次拌药量不能超过实际能够完成的工作量。

[0083] (5)各灌装小组在取药、加水、拌和、灌装过程中应基本保持同步，可以让每个孔内药剂的最大膨胀压基本保持同期出现，有利于岩石的破碎。

[0084] (6)灌装过程中，已经开始发生化学反应的药剂(表现为开始冒气和温度烫手)不允许装入孔内。

[0085] (7)从药剂加入水到灌装结束，这个过程的时间不能超过十分钟，否则容易冲孔。

[0086] (8)岩石刚开裂后，可向裂缝中加水，支持药剂持续反应,可获得更好效果。

[0087] 3.9破碎操作

[0088] (1)选用适用断面要求且带液压破碎头的挖机，配备技术娴熟的操作手。

[0089] (2)确定药剂反应完全后，进行岩石破碎，施工时安排专人值守，严禁交叉作业，防止岩石崩落伤人。

[0090] 下层隧道(电力隧道)施工中的操作要点：

[0091] 电力隧道开挖施工工艺流程参见图7，电力隧道采用明挖法开挖，从上到下、逐层扩大开挖面，按照从①～④顺序开挖(如图8所示)，电力隧道开挖立面布置图如图8所示，电力隧道开挖前公路隧道的俯视图如图9所示，由图9可以看出，公路隧道开挖完成后施作仰拱时，仰拱中部正对电力隧道的部分为上层主隧道预留电力隧道部分，上层主隧道预留电力隧道部分不做混凝土，但左右两端预留中部仰拱的钢筋接头，待下层隧道开挖完成后再通过钢筋接头机械连接仰拱中部的钢筋，并施作混凝土。

[0092] 施工过程中的监测技术与分析

[0093] 确保工程建设安全的关键是全过程监测隧道周边建(构)筑物的变化情况，及时测量各主要工序施工阶段引起的动态沉降数值，并与分析计算值比较，及时反馈指导设计和施工。主要的监测内容参见下表。

[0094] 隧道现场监控量测项目及量测方法

[0095]

[0096] 本工法通过对浅埋条件下大断面隧道综合开挖技术研究运用，安全可行，施工运用简便，简单并具有可操作性。经验证，施工中未对周边围岩及地表构筑物产生扰动，不影响周围居民正常工作生活。为以后类似城市及野外下穿文物、建筑等保护性浅埋大断面隧道的规划建设提供了可靠的决策依据和技术指标，新创工法技术将促进地下工程施工技术进步，社会效益和环境效益显著。