一种极小净距斜下穿既有运营隧道的隧道开挖施工方法

摘要

本发明涉及一种极小净距斜下穿既有运营隧道的隧道开挖施工方法，包括以下步骤：步骤1：获取待开挖隧道掌子面前方岩层分布与围岩物理力学参数；步骤2：对掌子面前方的围岩进行非对称注浆加固；步骤3：预留核心土，采用切削研磨的方式开挖开挖槽，步骤4：在开挖槽中安装支护结构；步骤5：采用切削研磨的方式对预留的核心土进行开挖；步骤3和步骤5中对既有运营隧道的支护应力状态和位移进行监测，步骤6：获得既有运营隧道的差异沉降情况；步骤7：对既有运营隧道差异沉降值大于设定值的区域下方的围岩进行注浆；步骤8：采用步骤1‑7的方法，依次进行多个步距的注浆和开挖工作，本发明的施工方法能够有效保持既有运营隧道的稳定性。

权利要求

1.一种极小净距斜下穿既有运营隧道的隧道开挖施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：综合地质勘查资料及超前探孔取芯测试结果，获取待开挖隧道掌子面前方隧道开挖影响范围内岩层分布与围岩物理力学参数；

步骤2：在沿待开挖隧道轴线方向一个步距范围内，对待开挖隧道掌子面前方的围岩进行非对称注浆加固，用于提高待开挖隧道与既有运营隧道重叠区域围岩的力学性能；

步骤3：预留核心土，采用切削研磨的方式对掌子面前方岩体开挖出沿待开挖隧道边缘轮廓线设置的深度等于步距的开挖槽，开挖过程中监测既有运营隧道的支护应力状态与位移；

步骤4：在开挖槽中安装支护结构；

步骤5：采用切削研磨的方式对预留的核心土进行开挖，开挖过程中监测既有运营隧道的支护应力状态与位移；

步骤6：根据步骤3和步骤5得到的运营隧道的支护应力状态和位移，获得既有运营隧道同一断面上不同位置的差异沉降情况；

步骤7：对既有运营隧道差异沉降值大于设定值的区域下方的围岩进行注浆，使既有运营隧道差异沉降值大于设定值的区域的差异沉降值小于设定值；

步骤8：采用步骤1-步骤7的方法，依次进行沿待开挖隧道轴线方向多个步距的注浆和开挖工作，直至完成所有注浆与开挖工作。

2.如权利要求1所述的一种极小净距斜下穿既有运营隧道的隧道开挖施工方法，其特征在于，所述步骤2中，非对称注浆加固的围岩的水平范围内区域为待开挖隧道和既有运营隧道在水平面内投影重叠的区域，竖向范围内区域为待开挖隧道轮廓线与既有运营隧道轮廓线之间的区域。

3.如权利要求1所述的一种极小净距斜下穿既有运营隧道的隧道开挖施工方法，其特征在于，所述步骤2中，注浆材料采用水泥单液浆，水泥浆液的水灰比范围为0.8-1。

4.如权利要求1所述的一种极小净距斜下穿既有运营隧道的隧道开挖施工方法，其特征在于，所述步骤3中，开挖槽的开挖方法为：首先在隧道一侧边墙沿轮廓线切削研磨出第一开挖槽部，然后在另一侧边缘沿轮廓线切削研磨出第二开挖槽部，最后沿隧道拱顶边缘轮廓线切削研磨出第三开挖槽部，第一开挖槽部、第二开挖槽部及第三开挖槽部构成开挖槽。

5.如权利要求1所述的一种极小净距斜下穿既有运营隧道的隧道开挖施工方法，其特征在于，所述步骤5中，对预留的核心土的切削研磨运动轨迹为自下而上的S型轨迹，核心土的开挖深度与步距相等。

6.如权利要求1所述的一种极小净距斜下穿既有运营隧道的隧道开挖施工方法，其特征在于，所述步骤3进行之前，在既有运营隧道内设置多个监测点，用于对支护的应力状态和位移进行监测，所述监测点设置在既有运营隧道设定区域内的多个监测截面上，每个监测截面设置多个监测点，所述设定区域的确定方法为：确定待开挖隧道掌子面在既有运营隧道中所对应的区域，以该区域为中心，沿既有运营隧道轴线前后方向设定距离处为设定区域的边界，两个边界之间为设定区域。

7.如权利要求6所述的一种极小净距斜下穿既有运营隧道的隧道开挖施工方法，其特征在于，所述设定距离为待开挖隧道直径的1.5倍，相邻监测截面的距离与步距相等。

8.如权利要求6所述的一种极小净距斜下穿既有运营隧道的隧道开挖施工方法，其特征在于，同一个监测截面中，既有运营隧道的拱顶位置、拱底位置和两个拱腰位置各设置一个监测点，拱顶和两个拱腰的监测点之间分别等间距插入一个监测点，拱底和两个拱腰的监测点之间分别等间距插入一个监测点。

9.如权利要求1所述的一种极小净距斜下穿既有运营隧道的隧道开挖施工方法，其特征在于，所述步骤7中，注浆材料采用水泥单液浆，水泥浆液的水灰比范围为0.8-1。

说明书

一种极小净距斜下穿既有运营隧道的隧道开挖施工方法

技术领域

[0001] 本发明涉及隧道及地下工程技术领域，具体涉及一种极小净距斜下穿既有运营隧道的隧道开挖施工方法。

背景技术

[0002] 城市地铁运营隧道线路一般呈网络状分布，不可避免存在线路相互交叉的情况，在新地铁线路建设过程中，大量存在拟建隧道下穿既有运营隧道的情况。下穿隧道开挖施工对既有运营隧道具有显著的扰动影响，常导致既有运营隧道沉降、衬砌结构变形开裂、道床脱空等问题，尤其当拟建隧道以极小净距斜下穿既有运营隧道时，会造成既有运营隧道明显的扭转效应，在垂直运营隧道轴线断面上发生不均匀变形，既有运营隧道靠近拟建隧道一侧沉降变形较大，而另一侧沉降变形较小，隧道结构有可能发生扭转破坏。

[0003] 针对极小净距斜下穿既有运营隧道的工况，钻爆法是常用的施工方法，该方法主要采用钻孔爆破的方式破除掌子面前方岩体，从而实现开挖掘进。发明人发现，上述方法存在以下不足：①从短期施工来看，钻爆法施工过程中的爆破冲击力会对拟建隧道掌子面上方岩体造成强烈扰动，围岩强度被降低，当拟建隧道与上方既有运营隧道间距较小时，有可能造成既有运营隧道失稳；②从长期运营来看，由于钻爆施工造成既有运营隧道下方岩体力学性能降低，其抵抗运营列车长期动荷载的能力下降，既有运营隧道地基可能会发生疲劳破坏，无法保证运营隧道的长期稳定性。

发明内容

[0004] 本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种极小净距斜下穿既有运营隧道的隧道开挖施工方法，能够有效降低对既有运营隧道的扭转效应和扰动，保证了既有运营隧道的稳定性。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

[0006] 一种极小净距斜下穿既有运营隧道的隧道开挖施工方法，包括以下步骤：

[0007] 步骤1：综合地质勘查资料及超前探孔取芯测试结果，获取待开挖隧道掌子面前方隧道开挖影响范围内岩层分布与围岩物理力学参数。

[0008] 步骤2：在沿待开挖隧道轴线方向一个步距范围内，对待开挖隧道掌子面前方的围岩进行非对称注浆加固，用于提高待开挖隧道与既有运营隧道重叠区域围岩的力学性能。

[0009] 步骤3：预留核心土，采用切削研磨的方式对掌子面前方岩体开挖出沿待开挖隧道边缘轮廓线设置的深度等于步距的开挖槽，开挖过程中监测既有运营隧道的支护应力状态与位移。

[0010] 步骤4：在开挖槽中安装支护结构。

[0011] 步骤5：采用切削研磨的方式对预留的核心土进行开挖，开挖过程中监测既有运营隧道的支护应力状态与位移。

[0012] 步骤6：根据步骤3和步骤5得到的运营隧道的支护应力状态和位移状态，获得既有运营隧道同一断面上不同位置的差异沉降情况。

[0013] 步骤7：通过待开挖隧道掌子面对既有运营隧道差异沉降值大于设定值的区域下方的围岩进行注浆，使既有运营隧道差异沉降值大于设定值的区域的差异沉降值小于设定值。

[0014] 步骤8：采用步骤1-步骤7的方法，依次进行沿待开挖隧道轴线方向多个步距的注浆和开挖工作，直至完成所有注浆与开挖工作。

[0015] 进一步的，所述步骤2中，非对称注浆加固的围岩的水平范围内区域为待开挖隧道和既有运营隧道在水平面内投影重叠的区域，竖向范围内区域为待开挖隧道轮廓线与既有运营隧道轮廓线之间的区域。

[0016] 进一步的，所述步骤2中，注浆材料采用水泥单液浆，水泥浆液的水灰比范围为0.8-1,水泥浆液水灰比范围要求不能过高或过低，过高的水灰比会导致注浆加固范围内自由水过多，注浆加固效果不满足要求，过低的水灰比会导致浆液的可注性较差，围岩裂隙充填率过低，进而注浆加固效果不满足要求。

[0017] 进一步的，所述步骤3中，开挖槽的开挖方法为：首先在隧道一侧边墙沿轮廓线切削研磨出第一开挖槽部，然后在另一侧边缘沿轮廓线切削研磨出第二开挖槽部，最后沿隧道拱顶边缘轮廓线切削研磨出第三开挖槽部，第一开挖槽部、第二开挖槽部及第三开挖槽部构成开挖槽。

[0018] 进一步的，所述步骤5中，对预留的核心土的切削研磨运动轨迹为自下而上的S型轨迹，核心土的开挖深度与步距相等。

[0019] 进一步的，所述步骤3和步骤5进行之前，在既有运营隧道内设置多个监测点，用于对支护的应力状态和位移进行监测，所述监测点设置在既有运营隧道设定区域内的多个监测截面上，每个监测截面设置多个监测点，所述设定区域的确定方法为：确定待开挖隧道掌子面在既有运营隧道中所对应的区域，以该区域为中心，沿既有运营隧道轴线前后方向设定距离处为设定区域的边界，两个边界之间为设定区域。

[0020] 进一步的，所述设定距离为待开挖隧道直径的1.5倍，相邻监测截面的距离与步距相等。

[0021] 进一步的，同一个监测截面中，既有运营隧道的拱顶位置、拱底位置和两个拱腰位置各设置一个监测点，拱顶和两个拱腰的监测点之间分别等间距插入一个监测点，拱底和两个拱腰的监测点之间分别等间距插入一个监测点。

[0022] 进一步的，所述步骤7中，注浆材料采用水泥单液浆，水泥浆液的水灰比范围为0.8-1，水泥浆液水灰比范围要求不能过高或过低，过高的水灰比会导致注浆范围内自由水过多，注浆加固效果及抬升效果不满足要求，过低的水灰比会导致浆液的可注性较差，围岩裂隙充填率过低，进而注浆加固效果及抬升效果不满足要求。

[0023] 进一步的，所述步骤7中，所述设定值为0.3cm，不超过能保证既有运营隧道的列车运行安全与衬砌结构安全的差异沉降限值。

[0024] 本发明的有益效果：

[0025] 1.本发明的施工方法，掌子面开挖前，对既有运营隧道和待开挖隧道重叠部分的围岩区域进行注浆加固，可有效减少待开挖隧道施工时既有运营隧道的空间扭转效应，减少既有运营隧道的不均匀沉降和不均匀受力。

[0026] 2.本发明的施工方法，采用切削研磨的方式开挖开挖槽，之后直接进行安装支护结构，此种方式极大降低了对围岩的扰动，进而保证了既有运营隧道下方的围岩力学性能的稳定性，保证了围岩对既有运营隧道的承载能力。

[0027] 3.本发明的施工方法，开挖开挖槽后直接进行安装支护结构，缩短了从开挖至进行支护作业的时间，更有利于工程的安全。

[0028] 4.本发明的施工方法，开挖开挖槽时预留了核心土，有利于保证开挖及支护作业过程中掌子面的稳定性。

[0029] 5.本发明的施工方法，能够对既有运营隧道的支护应力状态和位移状态进行监测，进而获取既有运营隧道沉降过大的区域，对该区域下方进行注浆使该区域既有运营隧道抬升，保证了运营隧道的沉降值在允许限值内。

附图说明

[0030] 构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

[0031] 图1为本发明实施例1既有运营隧道和待开挖隧道交叉部分两个端部的一个步距内注浆加固围岩区域示意图；

[0032] 图2为本发明图1中的A向截面示意图；

[0033] 图3为本发明图1中的B向截面示意图；

[0034] 图4为本发明实施例1开挖槽和核心土开挖横向截面示意图；

[0035] 图5为本发明实施例1开挖槽和核心土开挖纵向截面示意图；

[0036] 图6为本发明实施例1监测点在既有运营隧道监测截面的布置示意图；

[0037] 其中，1.既有运营隧道，2.待开挖隧道，3.交叉部分，4.掌子面，4-1.上部工作面，4-2.下部工作面，5.注浆加固的围岩区域，6.步距，7.注浆孔，8.开挖槽，8-1.第一开挖槽部，8-2.第二开挖槽部，8-3.第三开挖槽部，9.左侧隧道边墙，10.右侧隧道边墙，11.拱顶隧道边墙，12.支护结构，13.监测点，14.核心土。

具体实施方式

[0038] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

[0039] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

[0040] 为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0041] 正如背景技术所介绍的，目前对于位于既有运营隧道下方、与既有运营隧道交叉设置且与既有运营隧道净距较小的隧道进行施工时，既有运营隧道的稳定性能不保证，针对上述问题，本申请提出了一种极小净距斜下穿既有运营隧道的隧道开挖施工方法。

[0042] 本申请的一种典型实施方式实施例1中，如图1-5所示，既有运营隧道拱顶埋深5.1-13.5m，主要位于中风化花岗岩地层中，覆岩厚度0.4-11.5m，隧道结构为马蹄形断面，隧道采用矿山法施工，支护形式为初支+二衬复合式衬砌，隧道支护设计尺寸宽×高为6.3m×6.6m。下部待开挖隧道拱顶埋深18.3m-20.8m，隧道洞身主要位于强风化、中风化及微风化花岗岩中，设计采用矿山法上、下台阶施工，开挖步距为0.5m，马蹄形断面，支护形式为初支+二衬复合式衬砌，隧道支护设计尺寸宽×高为7m×7.4m。下部待开挖隧道以小净距斜下穿既有运营隧道，下部隧道轴线与既有运营隧道轴线所呈角度为25°，下穿段施工范围内最近距上部既有运营隧道仅1.7米，属于一级重大风险源。

[0043] 本实施例中，待开挖隧道2未穿过既有运营隧道1的部分采用台阶法进行施工，待开挖隧道施工至斜下穿既有运营隧道的部分3时，掌子面4被台阶分为上部工作面4-1和下部工作面4-2。

[0044] 其具体施工包括以下步骤：

[0045] 步骤1：综合地质勘查资料及超前探孔取芯测试结果，获取掌子面前方隧道开挖影响范围内岩层分布与围岩物理力学参数，所述步骤1采用现有隧道施工的常用方法，其具体步骤在此不进行详细叙述。

[0046] 步骤2：如图1-3所示，对待开挖隧道掌子面的上部工作面前方的围岩进行非对称注浆加固，具体的，沿待开挖隧道轴线方向一个步距6的距离范围内，对待开挖隧道上部轮廓线与既有运营隧道下部轮廓线之间的围岩进行注浆加固，注浆加固的围岩区域5为待开挖隧道和既有运营隧道在竖直方向上重叠部分之间的围岩区域，即在待开挖隧道轴线方向一个步距范围内，非对称注浆加固的围岩的水平范围内区域为待开挖隧道和既有运营隧道在水平面内投影重叠的区域，竖向范围内区域为待开挖隧道轮廓线与既有运营隧道轮廓线之间的区域。

[0047] 所述注浆加固采用小导管注浆方式进行，将多个超前导管通过掌子面的上部工作面设置的注浆孔7钻入掌子面前方的岩体中，利用超前导管向上部工作面前方的围岩进行注浆，所述超前导管的插入深度和角度应满足需要注浆加固的围岩区域的要求，所述注浆材料采用水泥单液浆，水泥浆液水灰比范围要求不能过高或过低，过高的水灰比会导致注浆加固范围内自由水过多，注浆加固效果不满足要求，过低的水灰比会导致浆液的可注性较差，围岩裂隙充填率过低，进而注浆加固效果不满足要求，最终水泥单液浆的水灰比控制在0.8-1的范围内。注浆过程中，当注浆压力达到1MPa且单孔注浆量达到设定标准值时，停止该注浆孔的注浆作业。

[0048] 步骤3：如图4-5所示，拆除超前导管，采用悬臂式掘进机利用切削研磨的方式在掌子面的上部工作面上开挖开挖槽8，具体的，预留核心土14，首先，在上部工作面一侧沿左侧隧道边墙9轮廓线开挖第一开挖槽部8-1，然后在上部工作面另一侧沿右侧隧道边墙10轮廓线开挖第二开挖槽部8-2，最后沿隧道的拱顶隧道边墙11轮廓线位置开挖第三开挖槽部8-3，第一开挖槽部、第二开挖槽部和第三开挖槽部共同构成开挖槽，所述开挖槽的深度等于一个步距的长度。

[0049] 开挖槽开挖过程中，实时监测既有运营隧道的支护应力状态和位移，支护应力状态包括衬砌的应力与应变状态，位移状态包括支护的竖向位移和水平位移。

[0050] 悬臂式掘进机工作过程中，掘进头的侧面对土体起到切削作用，掘进头的前端面对土体起到研磨作用，相对于传统的钻爆法施工方式，能够大幅度的减少开挖施工对围岩的扰动，开挖开挖槽时，预留核心土，可以有效保持掌子面的稳定性。

[0051] 步骤4：开挖槽施工完成后，直接在开挖槽内部安装初期支护结构12，具体的在开挖槽中搭设格栅拱架，格栅拱架搭设完成后，喷射速凝混凝土，使格栅拱架埋入混凝土，形成初期支护结构。

[0052] 步骤:5：初期的支护结构施工完成后，利用悬臂式掘进机采用切削研磨的方式开挖预留的核心土，开挖核心土时，悬臂式掘进机的掘进头运动轨迹自下至上，左右依次循环呈S型轨迹，直至开挖完成，核心土的开挖深度等于一个步距的距离。

[0053] 核心土开挖过程中，实时监测既有运营隧道的支护应力状态和位移，支护应力状态包括衬砌的应力与应变状态，位移状态包括支护的竖向位移和水平位移。

[0054] 所述步骤5进行过程中，同时对掌子面的下部工作面开挖，开挖深度等于一个步距的距离，并同时搭设支护结构，其方法可采用现有的台阶法施工方法，在此不进行详细叙述。

[0055] 步骤6：根据步骤3和步骤5得到的运营隧道的支护应力状态和位移状态，获得既有运营隧道同一断面上不同位置的差异沉降情况。

[0056] 步骤7：通过待开挖隧道掌子面对既有运营隧道差异沉降值大于设定值的区域下方的围岩进行注浆，使既有运营隧道差异沉降值大于设定值的区域的差异沉降值小于设定值，本实施例中，所述设定值不超过能保证既有运营隧道的列车运行安全与衬砌结构安全的差异沉降限值，本实施例中所述设定值采用0.3cm，当既有运营隧道同一断面上的不同位置差异沉降差达到0.3cm时，便认为差异沉降值过大，对既有运营隧道差异沉降值过大的部分下方的围岩区域进行注浆，通过注浆，将既有运营隧道差异沉降值过大的部分进行抬升，使其差异沉降值满足要求，所述注浆加固采用小导管注浆方式，注浆材料采用水泥单液浆，水泥浆液水灰比范围要求不能过高或过低，过高的水灰比会导致注浆加固范围内自由水过多，注浆加固效果不满足要求，过低的水灰比会导致浆液的可注性较差，围岩裂隙充填率过低，进而注浆加固效果不满足要求，最终水泥单液浆的水灰比控制在0.8-1之间。

[0057] 步骤8：采用步骤1-步骤7的方法，沿待开挖隧道轴线方向，依次进行多个步距范围内的注浆和开挖工作，直至待开挖隧道斜下穿既有运营隧道的部分开挖完成。

[0058] 所述步骤3进行之前，在既有运营隧道内设置多个监测点，用于对既有隧道的支护应力状态和位移进行监测，如图6所示，在既有运营隧道内的设定区域设置多个监测截面，每个监测截面的距离为0.5m，每个监测截面上设置八个监测点13，拱顶位置设置一个、拱底位置设置一个，两侧拱腰位置设置一个，在上述相邻监测点之间等距插入一个监测点，共八个监测点，所述监测点处安装相应的监测仪器，对支护的应力状态和位移状态进行监测，所述监测仪器采用现有设备即可，在此不进行详细叙述。

[0059] 既有运营隧道上设定区域的确定方法为，步骤2进行前，确定掌子面上部工作面在既有运营隧道中的对应区域，将该对应区域沿既有运营隧道轴线方向前后扩展设定距离得到设定区域的两个边界，两个边界之间的区域为设定区域，所述设定距离要求不小于待开挖隧道的开挖影响范围，待开挖隧道的开挖影响范围取待开挖隧道直径的1.5倍,相邻监测截面的距离与步距相等，本实施例中，所述设定距离为10m。

[0060] 待开挖隧道的每个步距的步骤3工作前，均需要在既有运营隧道上布置监测点和监测仪器。

[0061] 本实施例的施工方法，通过步骤2的非对称注浆加固，可有效抵消待开挖隧道施工时对既有运营隧道产生的空间扭转效应，减少了既有运营隧道的不均匀沉降和不均匀受力，同时对开挖槽和核心土进行开挖时，采用了切削研磨的开挖方式，相比于传统的钻爆法施工，可以大幅度减少开挖施工对围岩的扰动，有效保证围岩力学性能满足既有运营隧道对围岩承载力的要求。

[0062] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。