一种隧道断面突变大跨度断面时横向扩挖转换的施工方法与流程

1.本发明属于隧道工程领域，更具体地，涉及一种隧道断面突变大跨度断面时横向扩挖转换的施工方法，更具体地，涉及一种隧道断面突变大跨度断面时横向扩挖转换的开挖、支护施工方法。


背景技术：

2.近年来，我国铁路全面贯彻新发展理念，更加重视地下空间的集约化利用，大断面隧道和地下空间工程建造技术不断取得新突破，大断面隧道内变径断面设计也逐渐增多。樵坪山隧道是重庆铁路枢纽东环线重庆东站站位调整ⅰ类变更新增隧道，隧道位于重庆巴南区和南岸区，该隧道内有引出联络线段大跨段施工。断面为a，大跨度断面b，断面变化处向引出线侧突变，见图1。
3.突变断面处不同开挖工法转换过渡工序复杂，作业空间狭小，限制了设备施工困难，开挖支护无序极易导致坍塌，安全风险高，尚无较成熟的方法。
4.所以急需探索一种隧道断面突变大跨度断面时扩挖过渡转换的施工方法，提高工效，确保施工安全。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种确保施工安全、提高施工效率且施工空间足够大、方便作业的隧道断面突变大跨度断面时的施工方法。以克服变断面处工法转换时，在围岩较为破碎的工况下隧道断面突变大跨度断面且向一侧扩大距离在3m以上的开挖施工，提供一种隧道断面突变大跨度断面时横向扩挖转换的施工方法。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种隧道断面突变大跨度断面时横向扩挖转换的施工方法，包括如下步骤：
7.在隧道断面进入突变大跨度断面的过渡段，对该过渡段上台阶依次开挖纵向先行导坑和纵向后行导坑，其中开挖后行导坑的同时向突变大跨度断面的拱部扩挖；
8.完成所述后行导坑以及突变大跨度断面的拱部扩挖后，向该突变大跨度断面需要扩挖的一侧直拐90
°
以进行直拐导坑的扩挖，开挖所述直拐导坑时采用门架作为临时支护，及时架立紧贴拱部围岩、掌子面侧围岩以及直立端面侧围岩的门架横梁和门架竖撑，且将所述门架横梁安装在所述大跨度断面轮廓线外部；
9.对所述直拐导坑开挖至大跨度断面边墙拱脚位置后，在所述门架横梁下侧一次性架立该大跨度断面的环向拱架，并与所述后行导坑的环向拱架接长至落底，以此完成该过渡段上台阶的施工；
10.所述过渡段后续的下部台阶按照先行导坑、后行导坑、拱部扩挖和直拐导坑的顺序进行开挖、初期支护及临时支护施工，最后随着掌子面方向施工推进，在保证安全的前提下，逐榀拆除过渡段临时支护，最终完成隧道断面突变大跨度断面时的横向扩挖施工转换。
11.优选地，在隧道断面进入突变大跨度断面的过渡段，对该过渡段上台阶按照如下
施工工序进行施工：
12.(1)开挖纵向先行导坑，施工先行导坑初期支护，施作先行导坑临时竖向支撑；
13.(2)开挖纵向后行导坑，同时向突变大跨度断面拱部扩挖，施工后行导坑初期支护并与所述先行导坑初期支护连接牢固，施作后行导坑临时竖向支撑；且确保所述先行导坑掌子面超前所述后行导坑掌子面；
14.(3)所述后行导坑掌子面封闭后，逐榀拆除后行导坑临时竖向支撑的中间部分，保留其两端临时竖向支撑并使其形成直拐门洞，通过该直拐门洞开挖直拐导坑，直拐导坑扩挖时其开挖轮廓半径比突变大跨度断面轮廓半径大，以保证门架横梁的架立不影响横梁下侧大跨度断面环向拱架的接长和架立；开挖后及时紧贴拱部、掌子面侧和直立端面侧的围岩架立门架的横梁和竖撑，并依次挂网、打设锚杆和喷射混凝土；
15.(4)对所述直拐导坑扩挖至大跨度断面边墙拱脚位置后，一次性架立所述直拐导坑内的环向拱架，并与所述后行导坑的环向拱架全部接长至落底，拱脚处打设锁脚锚管；
16.(5)初期支护达到一定强度后，在保证安全的条件下，逐榀拆除先行导坑临时竖向支撑以及直拐导坑除直立端面侧的竖撑。
17.优选地，步骤(1)具体为：首先打设先行导坑一侧管棚并注浆，然后开挖该先行导坑，循环进尺遵循规范要求；并在该先行导坑周边及时支护喷混，避免开挖后围岩长期裸露；其中该先行导坑的初期支护靠近拱架分节处通过型钢或槽钢纵连加强，焊接牢固；竖向临时支撑底部用钢垫板或混凝土垫块支衬，防止下沉。
18.优选地，步骤(2)具体为：开挖纵向后行导坑的同时向突变大跨度断面拱部扩挖，每循环进尺1～3榀，及时接长架立后行导坑拱部初期支护拱架，该后行导坑拱部初期支护拱架一端与所述先行导坑初期支护拱架通过垫板、螺栓连接牢固，另一端分节处用型钢或槽钢纵连加强，对应每榀拱架立竖向临时支撑，底部支衬钢垫板或混凝土垫块，拱部每循环安装完拱架后打设锚杆，挂网喷混至设计厚度。
19.优选地，步骤(2)确保所述先行导坑掌子面超前所述后行导坑掌子面3～5榀拱架间距。
20.优选地，所述后行导坑开挖5～6m后，封闭其掌子面。
21.优选地，步骤(3)逐榀拆除所述后行导坑线路方向临时竖向支撑的中间部分，保留其两端的临时竖向支撑，使之与所述后行导坑拱部初期支护拱架纵向连接的槽钢或型钢共同形成直拐门洞，该门洞宽度为5～6m。
22.优选地，步骤(3)直拐导坑扩挖时其开挖轮廓半径比突变大跨度断面设计开挖轮廓半径至少大35cm。
23.优选地，步骤(3)除隧道掌子面侧门架竖撑外，该直拐导坑拱部和直立端面侧的门架竖撑拱脚处均打设锁脚锚管，以防止开挖该过渡段下部台阶时拱架下沉或掉拱。
24.优选地，步骤(5)逐榀拆除先行导坑纵向临时竖撑和直拐导坑掌子面侧的竖撑，保留直拐导坑直立端面侧的竖撑以及门架拱部横梁作为永久支护。
25.优选地，该施工方法适用于隧道断面突变大跨度断面且向一侧扩大距离在3m以上，且围岩级别为iv级、v级或
ⅵ
级的工况。
26.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
27.(1)本发明提出的隧道断面突变大跨度断面时的施工方法实质上是隧道在两种不同跨度断面交界处90
°
向左或右直拐扩挖时的开挖、支护施工方法，其将隧道断面进入突变大跨度断面的过渡段横向划分为纵向先行导坑、后行导坑、拱部扩挖以及直拐导坑扩挖四个纵向区域开挖，各部分相对独立且初期支护、临时支护及时闭合，受力结构稳定。
28.(2)本发明隧道断面突变大跨度断面时横向扩挖转换的施工方法中，在开挖后行导坑的同时向突变大跨度断面拱部扩挖；完成后行导坑拱部扩挖后，向该扩挖的方向进行90
°
左拐或右拐直拐导坑扩挖，且直拐导坑采用门架支撑防护，开挖安全性高，作业空间大，同时门架横梁在正洞初支拱架外侧，不影响正洞环向拱架接长或架立，且门架横梁、两断面交界处直立端墙门架竖撑可作为其永久初期支护，减少了临时门架的拆除工作量。
29.(3)本发明拱架在分节处采用型钢或槽钢纵向连接以及竖撑底部支衬钢板或设临时仰拱，避免了软弱围岩中拱架的变形、下沉。
30.(4)本发明提出的直拐门架支护方法，适用范围大，在相对较差围岩中仍然适用，通过短进尺、快速门架支护，将边墙不稳定的围岩变得安全可控，且开挖至正洞拱脚后一次接长环向拱架，在提高右拐扩挖安全性的同时保证了安装质量。
31.(5)本发明提出的横向扩挖过渡施工方法，从整体上克服了变断面处施工方法转换时，设备难以展开、施工速度慢，安全风险高的缺点，同时永临结合，大大降低了措施费，节约成本。
附图说明
32.图1为本发明变截面段开挖平面布置图。
33.图2为本发明断面a进入大跨度断面b的施工断面示意图；图中1
‑
锁脚锚管；2
‑
纵向槽钢或型钢；3
‑
超前管棚；4
‑
钢垫板；5
‑
a断面中线；6
‑
b断面中线；
34.图3为本发明l
‑
l纵向开挖支护平面示意图。
具体实施方式
35.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
36.本发明提出的一种隧道断面突变大跨度断面时横向扩挖转换的施工方法，包括如下步骤：在隧道断面进入突变大跨度断面的过渡段，对该过渡段上台阶依次开挖纵向先行导坑和纵向后行导坑，其中开挖后行导坑的同时向突变大跨度断面的拱部扩挖；完成所述后行导坑以及突变大跨度断面的拱部扩挖后，向该突变大跨度断面需要扩挖的一侧直拐90
°
而进行直拐导坑的扩挖，开挖所述直拐导坑时采用门架作为临时支护，及时架立紧贴拱部围岩、掌子面侧围岩以及直立端面侧围岩的门架横梁和门架竖撑，且将所述门架横梁安装在所述大跨度断面轮廓线外部；所述直拐导坑为左拐90
°
或右拐90
°
导坑；对所述直拐导坑开挖至大跨度断面边墙拱脚位置后，在所述门架横梁下侧一次性架立该大跨度断面的环向拱架，并与所述后行导坑环向拱架接长至落底，以此完成该过渡段上台阶的施工。
37.所述过渡段后续的下部台阶按照先行导坑、后行导坑、拱部扩挖和直拐导坑的顺序进行开挖、初期支护及临时支护施工，最后随着掌子面方向施工推进，在保证安全的前提
下，逐榀拆除过渡段临时支护，最终完成隧道断面突变大跨度断面时横向快速扩挖施工转换。
38.门架横梁安装在所述大跨度断面轮廓线外部，也即安装在先行导坑和后行导坑开挖轮廓线的外部，相应地，直拐导坑扩挖时其开挖轮廓半径要比突变大跨度断面设计轮廓半径大。一些实施例中，直拐导坑扩挖时其开挖轮廓半径比突变大跨度断面设计开挖轮廓半径至少大35cm。一方面保证门架横梁的架立，使其不影响横梁下侧大跨度断面环向拱架的接长和架立，另一方面根据围岩沉降情况，预留沉降量，避免立架后沉降侵限。可根据现场实际情况调整直拐导坑扩挖轮廓半径。
39.一些实施例中，对于需要向右扩挖的隧道，在断面变化处设置约5～6m过渡段，为保证直立端面初期支护(20cm)和衬砌厚度(100cm)，在断面变化处提前2榀的距离开始右拐扩挖，扩挖前根据围岩稳定性、机械设备施工便利性将上台阶调整至一定的安全高度。进入大断面后过渡段划分为3个小导坑，先开挖纵向2个小导坑，支立初期支护拱架，设置临时竖撑，见图2，并且在初支拱架连接点下部30cm处采用型钢加强，其余按设计参数支护。
①
部开挖8～10m，
②
部导坑开挖5～6m，横向右拐扩挖第3个导坑。第3个导坑(洞)支立门架作为临时支撑，拱部横梁安装在初支钢架轮廓线外部，两侧的门架竖撑，隧道方向后方紧靠直立端面，前方靠近掌子面，在门架等防护下横向逐步开挖至大断面拱脚，然后在其下侧环向接长初期支护拱架，挂网、打设锚杆并喷射混凝土，快速完成过渡段上台阶初期支护，之后按三台阶临时仰拱法进行中、下台阶开挖及初期支护施工。具体包括如下步骤：
40.步骤一、从断面a进入大跨度断面b时，根据围岩稳定情况、施工安全性、机械设备开挖便利性等因素设定一个合理的台阶高度，将断面b上台阶划分为
①
、
②
、
③
三部分。
41.步骤二、打设
①
部左侧管棚并注浆，然后开挖
①
部，循环进尺遵循规范要求。
①
部周边及时支护喷混，即“一开挖一支护”，避免开挖后围岩长期裸露，见图2、图3，其中初期支护i
‑
1靠近拱架分节处通过型钢或槽钢纵连加强，焊接牢固；竖向临时支撑ⅱ底部用钢垫板或混凝土垫块支衬，防止下沉。
42.步骤三、开挖
②
部。开挖
②‑
1同时，向右上方扩挖
②‑
2，每循环进尺1～2榀，及时接长架立
ⅰ‑
2拱部初期支护拱架，左侧与
①
部初支拱架
ⅰ‑
1通过垫板、螺栓连接牢固，同时
ⅰ‑
2拱架右端分节处用型钢或槽钢两两纵连加强，对应每榀拱架立竖向临时支撑ⅲ，见图3，底部支衬钢垫板或混凝土垫块，开挖过程中
②
部滞后
①
部3～5榀拱架间距，拱部每循环安装完拱架后打设锚杆，挂网喷混至设计厚度。
43.步骤四、
②
部开挖一定距离(5～6m)后，掌子面封闭，根据监控量测结果逐榀拆除右侧
ⅲ‑
1与
ⅲ‑
n间竖向支撑，
ⅲ‑
1、
ⅲ‑
n与纵向连接初支拱架的槽钢或型钢共同形成右拐门洞，门洞宽5～6m。拆除前须确保拱部初支钢架纵连的加强槽钢或型钢焊接牢固、初支喷射密实，确保安全。
44.步骤五、右拐横向开挖
③
部导洞，每循环进尺0.6～1.5m(根据围岩稳定情况可调整)，其开挖轮廓半径不小于b断面设计轮廓半径35cm，优选开挖轮廓半径大于b断面设计轮廓半径35～50cm，目的是为b断面架立环向拱架预留空间，开挖后及时紧贴拱部、掌子面侧、直立端面侧的围岩架立门架的横梁、竖撑，并挂网、打设锚杆、喷射混凝土，遵循“一开挖一支护”原则，其中在a、b断面交界的直立端面拱脚处对应每榀门架竖撑打设2根锁脚锚管，防止开挖下部台阶时拱架下沉、掉拱。
16型钢纵向连接，竖向临时支撑及门架采用ⅰ18型钢等。
57.上述开挖前，打设
①
部左侧中管棚并注浆，再根据围岩稳定情况、施工安全性、机械设备开挖便利性等综合因素设一个上台阶高度后，开挖导坑
①
部，循环进尺遵循规范要求。见图2。
58.上述
①
部支护体系中，其导坑周边架立
ⅰ‑
1ⅰ22b型钢拱架及右侧ⅰ18临时支撑等，并喷混至设计厚度，遵循“一开挖一支护”原则，见图2、图3，严禁一次开挖过长。其中初期支护i
‑
1靠近拱架分节处通过ⅰ16型钢纵连加强，焊接牢固；右侧临时支撑
ⅱⅰ
18型钢底部支衬刚垫板或垫块防止下沉。
59.上述
②
部，开挖
②‑
1同时，向右上方扩挖
②‑
2，每循环进尺1～2榀，及时接长架立
ⅰ‑
2拱部初期支护拱架，左侧与
①
部初支拱架
ⅰ‑
1通过垫板、螺栓连接牢固，右端分节处用ⅰ16型钢两两纵连加强，对应每榀拱架立竖向临时支撑
ⅲⅰ
18型钢钢架，底部支衬钢垫板或混凝土垫块，开挖过程中
②
部滞后
①
部3～5m，拱部每循环安装完拱架后打设锚杆，挂网喷混至设计厚度。
60.上述
②
部开挖一定距离(5～6m)后，掌子面封闭，待初期支护达到一定强度后，根据监控量测结果逐榀拆除右侧
ⅲ‑
1与
ⅲ‑
n间竖向支撑，拆除前须确保拱部初支钢架采用ⅰ16型钢纵向焊接牢固、初支喷射密实，确保安全。
ⅲ‑
1、
ⅲ‑
n与纵向连接初支拱架的ⅰ16型钢共同形成右拐门洞，门洞宽5m～6m。
61.上述右拐
③
部导洞开挖，每循环进尺0.6～1.5m(根据围岩稳定情况可调整)，其开挖轮廓线比b断面设计轮廓半径大不小于35cm，开挖后及时紧贴拱部、掌子面侧、直立端面侧的围岩架立ⅰ18门架，并挂网、打设锚杆、喷射混凝土，遵循“一开挖一支护”原则。其中在a、b断面交界的直立端面拱脚处对应每榀门架竖撑打设2根长6m锁脚锚管。门架横梁的底部标高所在的环向轮廓半径需大于b断面初支拱架轮廓外侧半径至少10cm，便于后续施工时b断面初期支护拱架的架立。
62.上述
③
部开挖至b断面边墙拱脚位置后，一次性接长
ⅲ‑
1与
ⅲ‑
n之间小导洞内b断面环向初支拱架
ⅰ‑
3至落底，并对应每榀拱架打设2根长4m锁脚钢管，按设计锚喷混凝土至设计厚度，见图2。
63.上述
①
部临时竖撑、
③
部隧道方向掌子面处门架的竖向临时支撑，需在初期支护达到一定强度后，根据监控量测结果，逐榀拆除
③
部，并同步施做上台阶临时仰拱。
64.至此完成从a断面向b断面5m过渡段上台阶的扩挖和转换，采用同样的方法进行断面中台阶和下台阶的施工。
65.该施工方法在提高右拐扩挖安全性的同时减少了后续临时支护的拆除量，克服了变断面处工法转换时，设备难以展开、施工速度慢，安全风险高的缺点，同时降低了措施费，节约了成本。
66.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。