山区公路隧道临界稳定围岩近似全断面开挖结构及方法与流程

本发明属于施工方法领域，具体涉及一种山区公路隧道临界稳定围岩近似全断面开挖结构及方法。

背景技术：

近年来，随着我国公路网的延伸，越来越多的山区隧道开始修建。总体而言在近似临界稳定(含破碎)围岩中修建公路隧道难度较稳定围岩中更大。目前，我国修建的许多近似临界稳定(含破碎)围岩隧道均采用cd/crd法、多台阶法、或多种组合方法进行施工，如图1所示。但存在各分部纵向开挖支护长度不同会造成隧道施工过程空间稳定性不足或难以形成有效承载结构层。隧道设计是平面力学问题，而隧道分部开挖支护施工又是空间力学问题，隧道设计与分部开挖支护施工力学问题存在分歧，当隧道近似临界稳定(含破碎)围岩较差时，往往发生隧道施工坍塌现象甚至伤亡事故。

另一方面，cd/crd法、多台阶法等施工方法工序较为繁琐，施工进度较慢，而全断面法、上下台阶法等施工方法工序相对简单，能够大大提升施工进度。然而，当前的全断面法、上下台阶法直接应用于临界稳定围岩时，容易造成坍塌事故。《公路隧道施工技术规范》(jtj042—94)中对不同类别围岩的开挖方法适用范围和施工要求做了相关规定：

5.2.2.1全断面法适用于ⅵ～ⅳ类围岩。该法可采用深孔爆破，其深度可取3～3.5m。全断面法不适用于3车道隧道和停车带区段开挖。

5.2.2.2台阶法适用于ⅳ～ⅱ类较软或节理发育的围岩，其施工要求如下：(1)上下台阶之间的距离，应能满足机具正常作业，并减少翻渣工作量。(2)当顶部围岩破碎，施工支护需紧跟时，可适当延长台阶长度，减少施工干扰。

因此，当前的全断面法、上下台阶法尚无法很好的应用于临界稳定围岩隧道的开挖施工中，有必要对其进行进一步的改进。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术中针对近似临界稳定(含破碎)围岩较差时，容易发生隧道施工坍塌现象的问题，并提供一种山区公路隧道临界稳定围岩近似全断面开挖结构及方法，使隧道分部开挖支护施工接近于平面力学问题，在提高开挖效率的同时保证施工安全。

本发明所采用的具体技术方案如下：

第一种山区公路隧道临界稳定围岩近似全断面开挖结构：隧道围岩中沿着隧道轮廓线外缘以2～10°倾角间隔打设超前管棚，超前管棚中注满水泥砂浆，形成隧道超前预支护结构；隧道轮廓线内的掌子面上开设有下导洞，所述的下导洞的开挖平面宽和高为4～5m且沿开挖方向纵向超前3～5m；所述的隧道轮廓线与下导洞外缘之间夹持的断面开挖进尺为1～2m；已开挖的隧道中设置有初期支护，用于承担全部围岩荷载。

第二种山区公路隧道临界稳定围岩近似全断面开挖结构：隧道围岩中沿着隧道轮廓线外缘以2～10°倾角间隔打设超前管棚，超前管棚中注满水泥砂浆，形成隧道超前预支护结构；隧道轮廓线内的掌子面上开设有上下台阶，上台阶比下台阶超前1～3m，上下台阶均预留有核心土；已开挖的隧道中设置有初期支护，用于承担全部围岩荷载。

作为上述任意一种结构优选，所述的超前管棚之间的间隔为45～55cm。

作为上述任意一种结构优选，所述的超前管棚直径为φ108～120mm。

作为上述任意一种结构优选，所述的初期支护包括钢架支撑以及混凝土层，其中所述的钢架支撑采用工字钢，沿隧道纵向每隔50～80cm间隔布设；所述的混凝土层厚15～30cm，由20～30号混凝土喷射于围岩表面而成。

本发明的另一目的在于提供一种山区公路隧道临界稳定围岩近似全断面施工方法。

第一种施工方法包括如下步骤：

s1：在隧道围岩中，沿着隧道轮廓线外缘以2～10°倾角，每隔45～55cm间距，打设φ108～120mm超前管棚，以5～8pa压力给在超前管棚注满20号水泥砂浆，形成隧道超前预支护；

s2：在隧道超前预支护的保护下，下导洞每次开挖平面宽和高为4～5m且纵向超前3～5m；

s3：在隧道超前预支护的保护下，对隧道轮廓线与下导洞外缘之间夹持的断面进行开挖，每次进尺1～2m；

s4：在隧道超前预支护的保护下，对已开挖的隧道纵向每隔50～80cm及时设置h180～h200工字钢作为钢架支撑并喷射15～30cm厚的20～30号混凝土，形成用于承担全部围岩荷载的初期支护。

第二种施工方法包括如下步骤：

s1：在隧道围岩中，沿着隧道轮廓线外缘以2～10°倾角，每隔45～55cm间距，打设φ108～120mm超前管棚，以5～8pa压力给在超前管棚注满20号水泥砂浆，形成隧道超前预支护；

s2：采用上下台阶法进行开挖且上下台阶均预留核心土，上台阶比下台阶超前1～3m，上下台阶平均每次进尺为1～2m；

s3：在隧道超前预支护的保护下，对已开挖的隧道纵向每隔50～80cm及时设置h180～h200工字钢作为钢架支撑并喷射15～30cm厚的20～30号混凝土，形成用于承担全部围岩荷载的初期支护。

本发明针对围岩稳定性较差的隧道建设中无法采用全断面施工方法的缺陷，采用缩短隧道分部开挖支护施工的纵向长度，使得隧道分部开挖支护施工接近平面力学问题，在山区公路隧道近似临界稳定(含破碎)围岩施工实践形成了两种有效的山区公路隧道近似临界稳定围岩近似全断面施工方法。

附图说明

图1隧道规划或手册中各种分部开挖支护方法示意图；其中a)～d)分别为4中不同的开挖支护方法，图中的数字代表开挖顺序。

图2下导洞适度超前近似全断面施工方法示意图；其中a)为横截面，b)为纵断面；

图3短台阶预留核心土近似全断面施工方法示意图；其中a)为横截面，b)为纵断面；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

本发明中，针对不同的围岩等级，提供了两种不同的山区公路隧道临界稳定围岩近似全断面施工方法：第一种为针对掌子面基本稳定时，宜采用下导洞适度超前近似全断面施工方法；第二种为针对掌子面临界稳定时，宜采用短台阶预留核心土近似全断面施工方法。当掌子面稳定程度较高时，优先选用第一种以提高施工效率，当掌子面稳定程度较低时，优先采用第二种保证施工安全。实际施工时，具体采用何种方法需要根据围岩等级等指标进行综合确定。本发明的两种方法适用于iii、iv、v级围岩隧道的开挖。

实施例1

如图2所示，当隧道施工过程中掌子面基本稳定时，宜采用下导洞适度超前近似全断面施工方法。

该方法的掌子面开挖结构如图2)所示，隧道围岩中沿着隧道轮廓线外缘以2～10°倾角间隔50cm打设有φ108～120mm超前管棚，超前管棚中注满水泥砂浆，形成隧道超前预支护结构。隧道轮廓线内的掌子面上开设有弧顶的下导洞，下导洞的开挖平面宽和高为4～5m且沿开挖方向纵向超前3～5m；隧道轮廓线与下导洞外缘之间夹持的断面开挖进尺为1～2m；已开挖的隧道中设置有初期支护，用于承担全部围岩荷载。

下导洞适度超前近似全断面施工方法的施工步骤如下：

(1.1)iii、iv、v级围岩隧道沿着隧道轮廓线外缘以2～10°倾角，每隔50cm间距，打设φ108～120mm超前管棚，以5～8pa压力给在超前管棚注满20号水泥砂浆，形成隧道超前强预支护。

(1.2)在隧道超前强预支护的保护下，开挖下导洞。下导洞每次开挖平面宽和高约4～5m，且纵向超前3～5m，只需导洞围岩排险，也有利于机械出渣。

(1.3)在隧道超前强预支护的保护下，近似全断面(包括隧道轮廓线与下导洞外缘之间夹持的断面，不包括已开挖下导洞断面)开挖，每次进尺1～2m。该断面开挖后，继续对下导洞纵向开挖相同的深度，循环掘进。

(1.4)在隧道超前强预支护的保护下，及时对隧道已开挖部分做好纵向每隔50～80cm设置h180～h200工字钢作为钢架支撑，同时向围岩表面喷射15～30cm厚的20～30号混凝土，形成强初期支护并承担全部荷载，确保隧道结构施工过程稳定平衡。

本实施例中，将隧道分部开挖支护施工的纵向循环掘进长度缩短至1～2m，使得隧道分部开挖支护施工接近平面力学问题，与隧道设计保持一致，在近似全断面的开挖方式下也能够保证隧道的围岩稳定。该方法还避免了初期钢支护中间节点薄弱环节的支护稳定性问题。同时由于下导洞超前开设，因此近似全断面开挖时，下导洞上方的断面碎渣在开挖机械作用下脱离岩体后可以直接落下，无需进行其他额外工序。相比于现有的针对临界稳定围岩隧道开挖的cd/crd法、多台阶法等，本发明能够大大提高施工效率。

实施例2

如图3所示，当隧道施工过程中掌子面临界稳定时，宜采用短台阶预留核心土近似全断面施工方法。

该方法的掌子面开挖结构如图3)所示，隧道围岩中沿着隧道轮廓线外缘以2～10°倾角间隔50cm打设有φ108～120mm超前管棚，超前管棚中注满水泥砂浆，形成隧道超前预支护结构；隧道轮廓线内的掌子面上开设有倾斜的上下台阶，上台阶比下台阶超前1～3m，上下台阶均预留有核心土；已开挖的隧道中设置有初期支护，用于承担全部围岩荷载。

短台阶预留核心土近似全断面施工方法的施工步骤如下：

(2.1)iii、iv、v级围岩隧道沿着隧道轮廓线外缘以2～10°倾角，每隔50cm间距，打设φ108～120mm超前管棚，以5～8pa压力给在超前管棚注满20号水泥砂浆，形成隧道超前强预支护。

(2.2)在隧道超前强预支护的保护下，采用短台阶方法开挖掌子面，上台阶首先超前开挖3～4m，然后下台阶开挖1～2m，且上下台均以预留核心土的方式开挖。开挖断面中，上台阶比下台阶超前1～3m，上下台阶循环掘进，平均每次进尺1～2m。

(2.3)在隧道超前强预支护的保护下，及时做好纵向每隔50～80cm设置h180～h200工字钢作为钢架支撑，同时向围岩表面喷射15～30cm厚的20～30号混凝土，形成强初期支护并承担全部荷载，确保隧道结构施工过程稳定平衡。

本实施例中，也缩短了隧道分部开挖支护施工的纵向循环掘进长度，在近似全断面的开挖方式下也能够保证隧道的围岩稳定。但与实施例1相比，本实施例的上下台阶预留有核心土法更适合于围岩稳定性较差的隧道。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。