10km以上特长软弱围岩隧道快速掘进施工方法与流程

本发明属于隧道施工领域，更具体地，涉及一种10km以上特长软弱围岩隧道快速掘进施工方法。

背景技术：

修建10km以上特长隧道对于开挖方法、工期控制、安全性以及费用的要求通常较高，而对于砂质黄土、风积砂质黄土和湿陷性土质隧道等ⅳ、ⅴ、ⅵ级围岩隧道，更需要在施工前根据隧道设计地质围岩和施工现场调查实际情况确定合理安全的施工方法，防止在掘进过程中由于围岩应力大于软弱围岩直立方向的强度造成开挖工作面失稳，确保隧道坍塌等施工安全事故和质量事故不会发生。

但是，在目前采用的一般隧道施工方法中并没有设置针对10km以上特长软弱围岩隧道的快速施工方法及相应的施工参数，因此工程界亟待设计出一种规范的特长软弱围岩隧道施工方法，以达到快速、安全、节约成本的施工要求。

技术实现要素：

针对现有技术的上述缺陷或不足，本发明提供了一种10km以上特长软弱围岩隧道快速掘进施工方法，能实现隧道施工时快速、安全、节约成本等施工要求。

为实现上述目的，本发明提供了一种10km以上特长软弱围岩隧道快速掘进施工方法，所述施工方法包括：

斜井施工步骤：沿隧道长度方向，在所述隧道两侧依次布置斜井并开挖至主洞隧道，其中所述斜井与所述主洞隧道之间的夹角为60°～90°，所述斜井的纵坡最大不超过-13％；以及

主洞隧道施工步骤：采用分部台阶法掘进施工主洞隧道。

优选地，沿所述隧道长度方向布置的所述斜井的个数m满足：m≥l1/k，其中l1为隧道长度，k为5km。

优选地，在所述斜井施工步骤之前，沿所述隧道长度方向间隔采样隧道岩层标本，并根据所述隧道岩层标本展示的隧道岩层变化相应调整斜井布置。

优选地，沿所述隧道长度方向，隧道落差越大和/或转折越多，相邻两个所述斜井之间的间距越小。

优选地，在所述斜井施工步骤中，当斜井施工掘进至所述主洞隧道时，清除所述斜井与所述主洞隧道交叉处的顶部的软弱围岩部分，并实施临时支护。

优选地，所述隧道为铁路单线隧道、双线隧道、公路双车道隧道或水工小断面隧洞，所述软弱围岩的等级为ⅳ、ⅴ级。

优选地，在进行所述分部台阶法掘进施工时，各台阶的预留核心土长度为3～4m、高度不小于1.5m，且所述预留核心土距开挖拱顶的距离不大于5m；以及

在开挖各台阶后，采用锚、喷、网、钢拱架联合支护以防止围岩变形，且在每榀所述钢拱架的拱脚处增设至少4根不小于3.5m的锁脚锚管；

其中，每个循环掘进的长度不大于2榀钢拱架间距。

优选地，每个循环掘进的长度不大于2m。

优选地，控制仰拱安全步距在15m之内，衬砌的安全步距不大于80m。

优选地，采用所述分部台阶法掘进施工主洞隧道时，每天完成开挖至少2个循环。

通过上述技术方案，本发明的特长软弱围岩隧道快速掘进施工方法通过在主洞隧道的两侧布置若干个斜井并开挖至主洞隧道，特长隧道能分多段同时开挖，大大缩短了施工工期，达到快速施工的效果。以及，由于各个斜井的纵坡最大不超过-13％，避免了斜井过于陡峭，保证施工机械设备等在斜井中爬行时不会出现因自身重量或负载较重导致爬坡困难的情况，为斜井施工提供了安全可靠的环境。再者，各斜井与主洞隧道的水平面之间的夹角为60°～90°，此时斜井与主洞隧道的衔接处相对平缓，确保斜井与主洞隧道的交叉口处的支护相对容易，且此时斜井长度较短，节省工程造价成本。

另外，主洞隧道施工所采用的分部台阶法通过将主洞隧道的掘进工作面划分为上、下两个断面同时开挖，减小不稳定掘进工作面的面积，保证在开挖过程中围岩结构不会受到过于急剧的形变，且分部台阶法在确保软弱围岩稳定性的同时，上下两个断面同时开挖也保证了主洞隧道的快速掘进。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1为主洞隧道与斜井的位置关系图；

图2为分部台阶法的示意图。

附图标记说明

1：主洞隧道；2：斜井；3：斜井与主洞隧道的水平面之间的夹角；

i：上台阶；ii：下左台阶；iii：下右台阶；iv：预留核心土。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置关系描述用词。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参照图1，本发明提供了一种10km以上特长软弱围岩隧道快速掘进施工方法，该施工方法包括：

斜井施工步骤：沿隧道长度方向，在隧道两侧依次布置斜井2并开挖至主洞隧道1，其中斜井2与主洞隧道1之间的夹角为60°～90°，斜井2的纵坡最大不超过-13％；以及主洞隧道施工步骤：采用分部台阶法掘进施工主洞隧道1。

可见，斜井施工步骤中的若干个斜井2通过在主洞隧道1的两侧的某一有利地形以一定角度斜向开挖至主洞隧道1以增加主洞隧道1的掘进工作面，能使特长隧道分多段同时开挖，大大缩短了施工工期，达到快速施工的效果。

且由上述可知，斜井口与主洞隧道1之间在垂直高度上存在一定落差，斜井2开挖至主洞隧道1后必定形成一定斜度的纵坡，纵坡就是斜井口和主洞隧道1的设计深度之差与斜井2的坡长的比值。本实施例中各个斜井2的纵坡最大不超过-13％，避免斜井2过于陡峭，保证施工机械设备等在斜井2中爬行时不会出现因自身重量或负载较重导致爬坡困难的情况，为斜井施工提供了安全可靠的环境。

此外，在实际的斜井施工过程中，每延长1米斜井隧道的施工造价大概为0.8～1.2万元，昂贵的斜井施工造价使得在开挖斜井以实现特长隧道“长隧短打”的同时，必须合理设计斜井2的长度，而斜井2的长度主要根据斜井与主洞隧道的水平面之间的夹角3而定。当斜井与主洞隧道的水平面之间的夹角3小于60°时，斜井2与主洞隧道1的交叉处是以较小锐角衔接的，此时较难对已通过机械开挖、辅以爆破的掘进工作面实施稳定支护。因此本实施例中设定各斜井与主洞隧道的水平面之间的夹角3为60°～90°，能解决上述存在的交叉口处支护困难的问题，且当夹角越大，斜井口与主洞隧道1的距离越短，即斜井2长度越短，越节省工程造价成本。

参照图2，主洞隧道施工所采用的分部台阶法是通过将主洞隧道1的掘进工作面划分为上、下两个断面同时开挖的，且在开挖进度上，上断面对应的上台阶i要超前下断面对应的下台阶，且下左台阶ii与下右台阶iii错开一定距离开挖。由于软弱围岩的岩层结构相对不够稳定，分断面的目的在于通过减小不稳定掘进工作面的面积，保证在开挖过程中围岩结构不会受到过于急剧的形变，加上各断面均设有相应的支护结构，能进一步增加围岩的稳定性；此外，分部台阶法在确保软弱围岩稳定性的同时，上下两个断面同时开挖也保证了主洞隧道1的快速掘进。当围岩结构过于脆弱时，可以考虑将掘进工作面划分为上中下三个断面同时开挖，在开挖进度上，上断面要超前中断面，中断面要超前下断面。

具体地，对于上述施工方法，在沿隧道长度方向布置的斜井2的个数m满足：m≥l1/k，其中l1为隧道长度，k为5km。

根据本实施例的施工方法且由上述斜井个数关系式可知，对于10km以上的特长软弱围岩隧道，至少需要在沿隧道长度方向布置2个斜井2。也就是说，至少要将10km以上的特长软弱围岩隧道分成四段同时施工，中间段的隧道必须配合上述布置的至少两个斜井2掘进，其余入口段和出口段的隧道相应地分别从隧道的入口和隧道的出口开始掘进，总之，主洞隧道1越长，需要在沿隧道长度方向布置的斜井2的个数也越多，这样确保不同段的隧道能同时开挖施工，实现快速全线贯通。

具体地，在斜井施工步骤之前，可沿隧道长度方向间隔采样隧道岩层标本，并根据隧道岩层标本展示的隧道岩层变化相应调整斜井2布置。

也就是说，在围岩的岩质变化较大的地形段，可以适当增加斜井2的个数或重新设计斜井2掘进至主洞隧道1的路线。这是由于当主洞隧道1掘进至围岩岩质变化较大的隧道段时，原来使用的支护方法或支护结构的强度可能已经不满足保证围岩稳定性的要求，此时若工作人员对隧道掘进前方的围岩强度检测不够准确，在接下来的掘进过程将会存在隧道坍塌等较大的安全隐患。因此，可以在岩质变化较大的隧道段增加斜井2的个数，使得岩质结构相差太大的各主洞隧道段独立施工，最后再实现贯通；或者，有时仅仅是斜井隧道通过的地形存在较大的岩质变化，此时可以重新设计斜井2掘进至主洞隧道1的路线，确保斜井2施工时的安全。

进一步地，沿隧道长度方向，隧道落差越大和/或转折越多，相邻两个斜井2之间的间距越小。主洞隧道1掘进至落差较大或转折较多的位置时，相应地对支护方法或支护结构的要求也越高，此时使用原来的支护方法或支护结构的强度可能已经不满足保证围岩稳定性的要求，若施工人员对隧道掘进前方的围岩强度检测不够准确，在接下来的掘进过程将会存在隧道坍塌等较大的安全隐患。此时，可以适当增加斜井2的个数，使处于允许落差范围内或较笔直的各主洞隧道段独立施工，最后再实现贯通。可见，斜井数的增加即相当于减小了相邻两个斜井2之间的间距，有利于确保主洞隧道1施工的安全，同时也能加快施工进度。

具体地，在上述斜井施工步骤中，当斜井施工掘进至主洞隧道1时，清除斜井2与主洞隧道1交叉处的顶部的软弱围岩部分，并实施临时支护。在斜井2与主洞隧道1交叉处的顶部，常有部分松动但未脱落的软弱围岩，此时可以通过爆破或借助机械设备的方式对其进行清除，在检测确保交叉处顶部围岩的稳定性后再架设支护结构，保证斜井2开挖至主洞隧道1的安全过渡。

具体地，上述施工方法适用的隧道为铁路单线隧道、双线隧道、公路双车道隧道或水工小断面隧洞，且软弱围岩的等级为ⅳ、ⅴ级。可见，本实施例的施工方法能广泛应用在软弱围岩等级较高的多种类型的隧道施工中，工程实用价值较高。

对于上述主洞隧道1，更具体地，在进行所述分部台阶法掘进施工时，各台阶的预留核心土iv长度为3～4m、高度不小于1.5m，且所述预留核心土iv距开挖拱顶的距离不大于5m；以及在开挖各台阶后，采用锚、喷、网、钢拱架联合支护以防止围岩变形，且在每榀钢拱架的拱脚处增设至少4根不小于3.5m的锁脚锚管；其中，每个循环掘进的长度不大于2榀钢拱架间距。

例如，参照图2，在分部台阶法掘进施工时，可以设定，各台阶的预留核心土iv长度为3m、高度为1.5m，预留核心土iv距开挖拱顶的距离为3.5m。通过在各台阶预留核心土iv并设定上述施工参数，主洞隧道1在向前掘进的过程中不会使软弱围岩产生过于急剧的形变，然后配合打设锚杆、喷混凝土、铺设钢筋网片以及架设钢拱架等初期支护，并在每榀钢拱架的拱脚处增设4根3.5m的锁脚锚管，进一步牢固了初期支护结构，保证了施工环境的安全性。此外，由于隧道属于软弱围岩，每个循环掘进的长度应控制在2榀钢拱架间距之内为宜，避免出现在掘进过程中由于软弱围岩产生过于急剧的形变而导致隧道坍塌的情况。

对于上述主洞隧道1的循环掘进长度，更具体地，每天完成开挖至少2个循环，满足快速施工的要求，但同时为维持围岩的稳定性，每个循环掘进的长度应不大于2m。总的来说，在采用分部台阶法进行主洞隧道1的掘进施工时，每天开挖不少于2个循环，且每个循环掘进的长度l2满足：l2≤2m，此时能实现软弱围岩隧道施工安全与快速开挖两不误。

具体地，在主洞隧道1施工时，应将仰拱安全步距控制在15m之内，衬砌的安全步距不大于80m。也就是说，在对软弱围岩等级较高的主洞隧道1施工时，施作仰拱时距离掘进工作面应控制在15m以内，且施作衬砌时距离掘进工作面应控制在80m以内，此时对软弱围岩施加的形变压力在可控范围内，能较好地确保隧道施工环境的稳定。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。