隧道微三台阶上部核心土施工工法

摘要

本发明提供一种隧道微三台阶上部核心土施工工法，其包括：一、拱部超前支护，上台阶弧形导坑开挖，留置上部核心土且随着掌子面掘进逐步取消上部核心土；二、先行中台阶开挖，同时，挖出约2/3的中台阶开挖宽度的中台阶岩土体，留置约1/3的后行中台阶岩柱；三、后行中台阶开挖，逐步取消后行中台阶岩柱；四、先行下台阶开挖，同时，挖出约1/3的下台阶开挖宽度的下台阶岩土体，中部约1/3的岩土体修整成斜坡作为机具设备的通道，留置约1/3的后行下台阶岩柱；五、后行下台阶开挖，逐步取消后行下台阶岩柱及通道；六、隧底开挖。该工法有效的控制了初期支护体系的变形和变形破坏，确保了隧道施工安全，提高了隧道掘进效率。

权利要求

1.一种隧道微三台阶上部核心土施工工法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，拱部超前支护(2)，上台阶(1)弧形导坑开挖，留置上部核心土(3)且随着掌子面掘进逐步取消上部核心土(3)；

第二步，先行中台阶(4)开挖，同时，挖出约2/3的中台阶开挖宽度的中台阶岩土体，留置约1/3的后行中台阶岩柱(5)；

第三步，后行中台阶(6)开挖，逐步取消后行中台阶岩柱(5)；

第四步，先行下台阶(7)开挖，同时，挖出约1/3的下台阶开挖宽度的下台阶岩土体，中部约1/3的岩土体修整成斜坡作为机具设备的通道(8)，留置约1/3的后行下台阶岩柱(9)；

第五步，后行下台阶(10)开挖，逐步取消后行下台阶岩柱(9)及通道(8)；

第六步，隧底开挖。

2.根据权利要求1所述的隧道微三台阶上部核心土施工工法，其特征在于，在所述第一步中，上台阶(1)开挖高度为4m，上台阶(1)开挖矢跨比大于0.3；上部核心土(3)的纵向长度为4.8m，上部核心土(3)的留置高度和宽度分别为上台阶(1)开挖高度和宽度的2/3。

3.根据权利要求1所述的隧道微三台阶上部核心土施工工法，其特征在于，在所述第二、三步中，先行中台阶(4)及后行中台阶(6)纵向错开2.4m，开挖高度为3至3.5m。

4.根据权利要求1所述的隧道微三台阶上部核心土施工工法，其特征在于，在所述第四、五步中，先行下台阶(7)及后行下台阶(10)纵向错开2.4m，开挖高度为3至3.5m。

5.根据权利要求1所述的隧道微三台阶上部核心土施工工法，其特征在于，在所述第六步中，隧底开挖至掌子面的长度为20.4m，每循环开挖长度宜为3m，完成三个循环隧底开挖、初期支护后，一次施作仰拱衬砌10.4m。

6.根据权利要求1所述的隧道微三台阶上部核心土施工工法，其特征在于，所述工法的每一步均包括施作台阶周边的初期支护，初期支护全环采用HW175型钢钢架，钢架间距

60cm；喷射混凝土等级C30耐腐蚀混凝土，厚度25cm；系统锚杆拱部采用长4m直径22mm组合中空锚杆，边墙采用长8m直径22mm组合中空锚杆，间距1.2m×1.0m。

7.根据权利要求1所述的隧道微三台阶上部核心土施工工法，其特征在于，所述拱部超前支护(2)采用小导管支护施工时，上部核心土(3)留置长度4.8m，采用手持式凿岩机钻孔时，需采用长、短钻杆换杆作业，先采用2m长短钻杆开孔、钻进，退出2m长短钻杆后再换5m长长钻杆继续钻进至设计深度。

8.根据权利要求6所述的隧道微三台阶上部核心土施工工法，其特征在于，所述系统锚杆采用锚杆后做法和一次成孔安装轮注法，设备采用两臂凿岩机钻孔、安装锚杆，并实施注浆，上部系统锚杆于该段上部核心土(3)取消后及时施作，边墙系统锚杆于初期支护喷射混凝土完成后及时施作，凿岩机钻进方向垂直于初期支护面的切向方向，确保锚杆垫板密贴初期支护表面，锚杆安装后，孔口杆体与孔周空隙采用锚固剂嵌塞后，安装锚杆垫板及螺帽，为加强系统锚杆注浆施工质量，采用一次成孔安装后分区段轮流注浆，锚杆施工完成后于初期支护表面喷射5至6cm混凝土。

说明书

隧道微三台阶上部核心土施工工法

技术领域

[0001] 本发明涉及隧道施工技术领域，特别涉及一种隧道微三台阶上部核心土施工工法。

背景技术

[0002] 新建铁路成都至兰州线松潘隧道和红桥关隧道位于四川省阿坝州松潘县境内，地面高程2950至3510m。(一)松潘隧道起讫里程D4K239+630至D3K247+678，全长8048m，为双线铁路隧道，隧道洞身位于全新世岷江活动断裂带南段右侧170至600m；隧道围岩为三叠系炭质板岩夹砂岩、板岩，呈灰白、灰色，粉细粒-细粒结构，层理清晰，薄层状结构，可见白色方解石脉；受区域构造的影响，岩体挤压破碎严重，次生小断层及揉皱较发育，层理产状变化较大，岩体极为破碎松散，自稳性差，岩质软，遇水易软化，易风化剥落，抗风化能力差，属典型的散体结构构造软岩；地下水主要为基岩裂隙水，贮存于破碎岩体中，富水性一般，岩体节理裂隙发育，贯通性较好，局部可见股状渗流。(二)红桥关隧道起讫里程D2K253+710至D1K256+890，洞身段有一处断链，短链长10.67m，全长3169.33m，为双线铁路隧道，隧道D2K254+500至D2K255+040段洞身穿过全新世岷江活动断裂带，线路与其交角约22°，该段洞身上部为泥石流堆积层，堆积层厚度约10至40m，该段埋深约40至45m。该段洞身穿过泥石流堆积层底部，上覆堆积层沿线路走向呈“锯齿状”分布，岩性主要为碎石土、块石土为主，保水、透水性好；洞身穿过岷江活动断裂断层角砾，岩性为炭质板岩为主，呈薄片状，强分化带较厚，次生小断层及揉皱较发育，层理产状变化较大，加之岷江活动断裂的严重挤压、错动和地下水等共同作用，岩体极为松散、软弱、破碎，自稳性差，岩质软强度低，遇水易软化，易风化剥落，抗风化能力差。

[0003] 松潘隧道和红桥关隧道设计开挖工法采用三台阶开挖法，开挖断面面积141.66至150.57m2，预留变形量45cm，最大开挖高度13m，最大开挖宽度14.56m；初期支护全环采用HW175型钢钢架，钢架间距60cm；喷射混凝土等级C30耐腐蚀混凝土，厚度25cm；超前支护拱部120°采用8m长Φ89大管棚+大外插角4.5m长Φ42小导管，大管棚和小导管交错布置；系统锚杆拱部采用4m长Φ22组合中空锚杆，边墙采用采用4m长Φ22组合中空锚杆，间距1.2×
1.0m(环×纵)。

[0004] 采用上述三台阶开挖法开挖松潘隧道和红桥关隧道时出现了如下工程问题：

[0005] 一是掌子面沿纵向出现挤出，局部出现坍塌；二是初期支护的变化速率大，主要以拱顶下沉为主，达2至3cm/天，速率递增且持续时间长，直至仰拱初期支护封闭成环后方呈现下降趋势，逐步收敛稳定，最终拱顶下沉累计变形可达40至50cm；三是拱腰部位喷射混凝土开裂严重，出现环向贯通拉裂裂缝，局部剥落、掉块；有水地段，初期支护严重变形，局部变形侵限。

[0006] 针对上述工程问题的原因分析如下：

[0007] 一、松散、软弱、破碎的围岩条件

[0008] 受岷江活动断裂的影响，洞室围岩极为松散、软弱、破碎，层理产状比较发育等，具有较低的岩体抗压强度和弹性模量等物理力学参数。因隧道开挖使得岩体原有天然应力状态被破坏以及开挖扰动应力等叠加影响，引起围岩应力状态的重分布，一部分应力以变形能的形式释放，引起洞周和掌子面局部区域应力集中，导致该区域围岩的强度应力比急剧下降，产生显著的黏、塑性变形；另一部分应力则向洞周深部转移、扩展，扩大洞周岩体的塑性区，随着塑性区进一步扩大，势必扩展至洞顶上覆的以碎石土、块石土为主的泥石流堆积层，甚至波及至地表，势必加大了作用于支护体系的应力，从而加剧了支护体系的变形。

[0009] 二、地下水的不利作用

[0010] 地下水进一步软化、泥化围岩，使围岩极限强度急剧下降，同时加剧了结构面间的相互错动，同时因隧道开挖揭穿和扩大了地下水的排泄通道，导致地下水持续下渗，携裹层间固体物质流失，破坏了岩体原有的结构和强度，恶化了岩土体的自稳性，导致掌子面及洞壁岩体沿结构面向洞内变形、失稳崩解、滑移。

[0011] 针对松潘隧道和红桥关隧道穿过地层的特点，结合掌子面和已施工支护体系的变形破坏特征，需进一步研究、创造性的提出一种安全、经济、快速施工的工程措施。

发明内容

[0012] 鉴于以上所述，本发明提供一种隧道微三台阶上部核心土施工工法，该工法有效控制了初期支护体系的变形破坏，确保了隧道施工安全，提高了隧道掘进效率。

[0013] 本发明涉及的技术解决方案：

[0014] 一种隧道微三台阶上部核心土施工工法，，包括如下步骤：

[0015] 第一步，拱部超前支护，上台阶弧形导坑开挖，留置上部核心土且随着掌子面掘进逐步取消上部核心土；

[0016] 第二步，先行中台阶开挖，同时，挖出约2/3的中台阶开挖宽度的中台阶岩土体，留置约1/3的后行中台阶岩柱；

[0017] 第三步，后行中台阶开挖，逐步取消后行中台阶岩柱；

[0018] 第四步，先行下台阶开挖，同时，挖出约1/3的下台阶开挖宽度的下台阶岩土体，中部约1/3的岩土体修整成斜坡作为机具设备的通道，留置约1/3的后行下台阶岩柱；

[0019] 第五步，后行下台阶开挖，逐步取消后行下台阶岩柱及通道；

[0020] 第六步，隧底开挖。

[0021] 进一步地，在所述第一步中，上台阶开挖高度为4m，上台阶开挖矢跨比大于0.3；上部核心土的纵向长度为4.8m，上部核心土的留置高度和宽度分别为上台阶开挖高度和宽度的2/3。

[0022] 进一步地，在所述第二、三步中，先行中台阶及后行中台阶纵向错开2.4m，开挖高度为3至3.5m。

[0023] 进一步地，在所述第四、五步中，先行下台阶及后行下台阶纵向错开2.4m，开挖高度为3至3.5m。

[0024] 进一步地，在所述第六步中，隧底开挖至掌子面的长度为20.4m，每循环开挖长度宜为3m，完成三个循环隧底开挖、初期支护后，一次施作仰拱衬砌10.4m。

[0025] 进一步地，所述工法的每一步均包括施作台阶周边的初期支护，初期支护全环采用HW175型钢钢架，钢架间距60cm；喷射混凝土等级C30耐腐蚀混凝土，厚度25cm；系统锚杆拱部采用长4m直径22mm组合中空锚杆，边墙采用长8m直径22mm组合中空锚杆，间距1.2m×1.0m。

[0026] 进一步地，所述拱部超前支护采用小导管支护施工时，上部核心土留置长度4.8m，采用手持式凿岩机钻孔时，需采用长、短钻杆换杆作业，先采用2m长短钻杆开孔、钻进，退出2m长短钻杆后再换5m长长钻杆继续钻进至设计深度。

[0027] 进一步地，所述系统锚杆采用锚杆后做法和一次成孔安装轮注法，设备采用两臂凿岩机钻孔、安装锚杆，并实施注浆，上部系统锚杆于该段上部核心土取消后及时施作，边墙系统锚杆于初期支护喷射混凝土完成后及时施作，凿岩机钻进方向垂直于初期支护面的切向方向，确保锚杆垫板密贴初期支护表面，锚杆安装后，孔口杆体与孔周空隙采用锚固剂嵌塞后，安装锚杆垫板及螺帽，为加强系统锚杆注浆施工质量，采用一次成孔安装后分区段轮流注浆，锚杆施工完成后于初期支护表面喷射5至6cm混凝土。

[0028] 本发明的有益效果：

[0029] 一是大大缩短了仰拱初期支护成环时间，使隧道初期支护在短时间内形成一个整体的结构受力体系，有效控制了初期支护体系的变形破坏，确保了隧道施工安全；

[0030] 二是各作业面组织协同施工，形成隧道“全断面”推进；中、下台阶不留核心土，可组织机械化配套作业，对大型机具设备有较强适应性，提高了隧道掘进效率；

[0031] 三是无需增设临时仰拱之类的后期需要拆除的临时支护，减少临时支护“工、料、机”等费用投入，不产生固体废弃物，降低施工成本的同时绿色环保。

附图说明

[0032] 图1为本发明隧道微三台阶上部核心土施工工序透视图；

[0033] 图2为本发明隧道微三台阶上部核心土施工工序横断面示意图；

[0034] 图3为本发明隧道微三台阶上部核心土施工工序纵断面示意图。

具体实施方式

[0035] 下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明保护范围。

[0036] 请参阅图1至图3，本发明提供一种隧道微三台阶上部核心土施工工法，该工法包括如下步骤：

[0037] 第1步，上台阶1开挖：施作拱部超前支护2，开挖上台阶1，上台阶1开挖高度约4m，上台阶1开挖矢跨比宜大于0.3。施工中，环向开挖上台阶1弧形导坑，留置上部核心土3，上部核心土3纵向长度为4.8m(钢架间距60cm，8榀钢架)，留置高度和宽度分别为上台阶1开挖高度和宽度的2/3，上部核心土3随着掌子面掘进逐步取消。

[0038] 第2、3步，中台阶开挖：中台阶紧跟上台阶1，先行中台阶4开挖，同时，挖除约2/3的中台阶开挖宽度的中台阶岩土体，留置约1/3的后行中台阶岩柱5且随后行中台阶6的跟进初步取消，先行中台阶4、后行中台阶6纵向错开2.4m(钢架间距60cm，4榀钢架)，开挖高度为3至3.5m。

[0039] 第4、5步，下台阶开挖：下台阶紧跟中台阶，先行下台阶7开挖，同时，挖除约1/3的下台阶开挖宽度的下台阶岩土体，中部约1/3的岩土体修整成斜坡作为机具设备的通道8，留置约1/3的后行下台阶岩柱9且随后行下台阶10的跟进初步取消，先行下台阶7、后行下台阶10纵向错开2.4m(钢架间距60cm，4榀钢架)，开挖高度为3至3.5m。

[0040] 第6步，隧底开挖：隧底开挖至掌子面的长度为20.4m。每循环开挖长度宜为3m，完成三个循环隧底开挖、初期支护后，一次施作仰拱衬砌10.4m(与拱墙一次浇筑长度相同)。

[0041] 采用上述微三台阶上部核心土施工工法，机械设备作业平台除上台阶1弧形导坑开挖时，综合考虑挖掘机臂长，利用先行中台阶4及后行中台阶6或先行下台阶7及后行下台阶10作为作业平台，其余施工机具设备作业平台均布设于先行下台阶7及后行下台阶10。仰拱初期支护快速封闭成环，成环时间约7天。

[0042] 该工法，一是大大缩短了仰拱初期支护成环时间，使隧道初期支护在短时间(该工法6至7天，传统三台阶预留核心土法约10至15天)内形成一个整体的结构受力体系，有效控制了初期支护体系的变形破坏，确保了隧道施工安全；

[0043] 二是各作业面组织协同施工，形成隧道“全断面”推进；中、下台阶不留核心土，可组织机械化配套作业，对大型机具设备有较强适应性，提高了隧道掘进效率；

[0044] 三是无需增设临时仰拱之类的后期需要拆除的临时支护，减少临时支护“工、料、机”等费用投入，不产生固体废弃物，降低施工成本的同时绿色环保。

[0045] 上述工法的每一步均包括施作台阶周边的初期支护，初期支护全环采用HW175型钢钢架，钢架间距60cm；喷射混凝土等级C30耐腐蚀混凝土，厚度25cm；系统锚杆拱部采用4m长Φ22组合中空锚杆，边墙采用8m长Φ22组合中空锚杆，间距1.2×1.0m(环×纵)。如此加强了初期支护的刚度，可有效避免初期支护发生变形破坏。

[0046] 本发明隧道微三台阶上部核心土施工工法的注意事项如下：

[0047] (1)上台阶1开挖矢跨比不宜小于0.3，否则初期支护易形成类梁式结构，不利于上台阶1初期支护的稳定。

[0048] (2)拱部超前小导管(单根长4.5m)支护施工时，上部核心土3留置长度4.8m，采用手持式凿岩机钻孔时，需采用长、短钻杆换杆作业，先采用2m长短钻杆开孔、钻进，退出2m长短钻杆后再换5m长长钻杆继续钻进至设计深度。

[0049] (3)初期支护系统锚杆采用锚杆后做法和一次成孔安装轮注法，设备采用两臂凿岩机钻孔、安装锚杆，并实施注浆。上部系统锚杆于该段上部核心土3取消后及时施作，边墙系统锚杆于初期支护喷射混凝土完成后及时施作。凿岩机钻进方向垂直于初期支护面的切向方向，确保锚杆垫板密贴初期支护表面。锚杆(含排气管)安装后，孔口杆体与孔周空隙采用锚固剂嵌塞(嵌塞长度不小于20cm)后，安装锚杆垫板及螺帽。为加强系统锚杆注浆施工质量，采用一次成孔安装后分区段轮流注浆，确保锚杆的注浆质量。锚杆施工完成后于初期支护表面喷射5至6cm混凝土，减少锚杆头外露和确保初期支护表面平顺。

[0050] (4)开挖后及时喷射混凝土封闭开挖面及上部核心土3，必要时，于上部核心土3正面施作超前锚杆，提高其自稳性。

[0051] (5)上部核心土3的留置长度综合考虑掌子面的围岩自稳性、挖掘机的臂长和喷射混凝土设备施作空间等因素适当调整，但不宜过短或过长。

[0052] (6)后行中台阶岩柱5及后行下台阶岩柱9的留置宽度约其台阶长度的1/3，可根据岩体的破碎程度及稳定程度而定。必要时，采用锚网喷支护。

[0053] (7)有水地段，应及时将开挖渗水抽排至洞外，避免积水软化和泥化围岩，导致围岩强度进一步降低。

[0054] (8)下台阶支护完成后，仰拱初期支护尚未封闭成环的地段，对其拱脚及时回填反压，反压高度不小于2m。

[0055] 以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。