一种铁路洞内引出岔线大断面隧道施工方法与流程

1.本发明属于隧道工程施工技术领域，具体涉及一种铁路洞内引出岔线大断面隧道施工方法。


背景技术：

2.随着我国高速铁路、高速公路的大规模建设，大跨径隧道日益增多。一些地区的隧道建设，如重庆山城等地域受地形条件影响，有时站场或岔线不得不设置在隧道中，形成车站或引出岔线隧道，隧道断面跨度急剧增大。
3.国内外特大断面隧道施工技术日益成熟，开挖工法主要有交叉中隔壁(crd)法、双侧壁导坑法(眼镜法)、中洞法、洞桩法等，主要是针对浅埋暗挖车站、地质条件较差大断面隧道施工方法。
4.重庆东环铁路正线联接重庆东站，需在樵坪山隧道洞内设置大跨段，引出重庆东站右联络线，右联络线大跨段起讫里程为dk43+150～dk43+304，长154m；大跨段全长154m，在dk43+150处左侧不变，右侧直拐，隧道断面由15.12m
×
13.61m的标准断面突变为19.77m
×
14.33m的大断面。基于这种围岩岩性较好、岩层整体完整的深埋大断面隧道，以上开挖工法针对性不强，需要进一步研究，探讨新的施工方法。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种铁路洞内引出岔线大断面隧道施工方法，其施工工法简便，适用性强，施工速度快，可操作性强，在深埋隧道自身围岩地质条件较好的前提条件下，其在钢拱架间连接多个纵向加强杆，采用台阶法开挖取代双侧壁等大断面浅埋、软岩工法，使得钢拱架能够从拱顶向两端顺畅连接，受力结构稳定，可为大型施工作业装备提供足够的作业空间，克服了双侧壁等大断面浅埋、软岩隧道开挖工法，大型设备难以展开、施工速度慢，安全风险高的缺点，拓展了隧道台阶法开挖工法的适用范围。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种铁路洞内引出岔线大断面隧道施工方法，其特征在于，所施工隧道的大断面洞室的开挖宽度为16m～20m，大断面洞室的开挖高度为13m～15m，所施工隧道为深埋无水隧道，所施工隧道中洞室的围岩级别为ⅲ级或ⅳ级；
7.该方法包括以下步骤：
8.步骤一、施工大断面洞室辅助开挖段：从已经开挖成型的标准断面洞室中继续向前开挖5m～10m形成大断面洞室施工的辅助开挖段；
9.步骤二、扩挖辅助开挖段：根据大断面洞室的施工图纸，沿辅助开挖段的内壁向上、向右直拐扩挖，完成辅助开挖段的扩挖和初期支护；
10.步骤三、隧道监测点的布设：沿所施工隧道的大断面洞室的延伸方向由后至前依次指定多个隧道断面作为监测断面来进行隧道拱顶的沉降监测和边墙的收敛，第一个监测
断面布设在扩挖辅助开挖段后形成的第一环衬砌支护钢拱架上，每个监测断面内均设置有3个或5个监测点；
11.步骤四、大断面洞室的开挖和支护：在第一个监测断面拱顶的监测点处均安装一个沉降监测机构来进行隧道拱顶的沉降监测，同时在边墙的监测点处安装边墙收敛监测机构来进行边墙的收敛监测；从已扩挖辅助开挖段形成的大断面洞室中，采用三台阶法继续向前进行大断面洞室的开挖，对已开挖部分及时架设钢拱架，并对架设的钢拱架喷射混凝土，使初期支护尽早封闭成环，同时施工仰拱和二衬；
12.随着大断面洞室的开挖，当大断面洞室开挖至下一个监测断面处时，在该监测断面的测点处安装对应的沉降监测机构和边墙收敛监测机构；
13.所述钢拱架由多个钢拱架拼接段拼接而成，相邻两个钢拱架拼接段之间通过连接板固定连接，相邻两榀钢拱架之间连接有多个纵向加强杆，每相邻两榀钢拱架之间连接的纵向加强杆的数量等于钢拱架中钢拱架拼接段的数量；纵向加强杆与连接板之间的间距不小于30cm；
14.步骤五、已开挖洞室拱顶沉降处理应急预案：进行大断面洞室的开挖时，通过已开挖洞室内设置的沉降监测机构，监测已开挖的大断面洞室的拱顶下沉量，根据监控量测数据，当已开挖的大断面洞室的拱顶发生沉降且下沉值大于监控量测设计允许值，同时已开挖的大断面洞室不存在收敛时，在已开挖的大断面洞室内形成的中台阶与拱顶之间、以及上台阶和拱顶之间由前至后依次支撑多组竖向支撑构件对拱顶进行有效支撑。
15.上述的一种铁路洞内引出岔线大断面隧道施工方法，其特征在于：步骤三中，多个所述监测断面沿大断面洞室的延伸方向由前至后呈等间距布设，相邻两个所述监测断面之间的距离为10m～20m；
16.每个所述监测断面内均设置有五个监测点，其中，监测断面的拱顶布设有一个监测点，监测断面的左右侧拱墙分界处分别布设有一个监测点，监测断面的两侧边墙处各布设有一个监测点。
17.上述的一种铁路洞内引出岔线大断面隧道施工方法，其特征在于：步骤四中，采用三台阶法分部分层进行大断面洞室的开挖时，上部台阶开挖高度为2.5m～3m；中部台阶分上下两级开挖，且开挖高度均为3m，下部台阶开挖高度为3m，仰拱开挖高度1.5m～3.5m。
18.上述的一种铁路洞内引出岔线大断面隧道施工方法，其特征在于：步骤四中，采用三台阶法进行大断面洞室的开挖时，下台阶和仰拱采用分步分层法开挖，下台阶的开挖长度为5m～10m，仰拱的开挖长度为3m～6m，开挖后及时实施初期支护，尽早使初期支护封闭成环；仰拱初期支护完成12m后，开始实施仰拱二次衬砌及仰拱填充混凝土施工，拱墙二次衬砌紧跟仰拱进行施工。
19.上述的一种铁路洞内引出岔线大断面隧道施工方法，其特征在于：步骤四中，相邻两榀钢拱架之间的间距为0.5m～0.7m，所述钢拱架相对于x轴的截面惯性矩i
x
不小于5280cm4,所述钢拱架相对于y轴的截面惯性矩i
y
不小于309cm4。
20.上述的一种铁路洞内引出岔线大断面隧道施工方法，其特征在于：步骤五中，每组所述竖向支撑构件均包括两个竖向钢管支撑，两个所述竖向钢管支撑对称布设在大断面洞室的中线的两侧，所述竖向钢管支撑的顶部支撑在钢拱架上，所述竖向钢管支撑的底部设置有底板。
21.上述的一种铁路洞内引出岔线大断面隧道施工方法，其特征在于：步骤五中，在整个大断面洞室的开挖过程中，都需要对已开挖洞室的拱顶进行沉降监测，同时对已开挖洞室的边墙进行收敛监测，当在已开挖的大断面洞室内形成的中台阶与拱顶之间以及上台阶和拱顶之间支撑多组竖向支撑构件时，大断面洞室继续向前开挖。
22.上述的一种铁路洞内引出岔线大断面隧道施工方法，其特征在于：步骤五中，采用竖向支撑构件对已开挖的大断面洞室的拱顶进行支撑时，竖向支撑构件采用隔榀支撑的方法，即每间隔一榀钢拱架底部支撑有一组竖向支撑构件。
23.本发明与现有技术相比具有以下优点：
24.1、本发明进行大断面洞室的开挖前，首先从已经开挖成型的标准断面洞室中继续向前开挖5m～10m作为大断面洞室施工的辅助开挖段，能够为大断面洞室的扩挖提供一定的工作空间，能有效提高大断面洞室的开挖效率和施工效果。
25.2、本发明通过在大断面洞室内设置多个沉降监测断面，同时在每个监测断面上均设置有多个监测点，能够实现大断面洞室内每隔一段距离就进行拱顶的沉降和边墙的收敛监测，且沉降及收敛监测数据可靠，进而能够对整个大断面洞室的拱顶进行沉降监测，对其边墙进行收敛监测，保证大断面洞室的可靠开挖，保证施工安全。
26.3、本发明通过在钢拱架间连接多个纵向加强杆，进而提高钢拱架的整体强度，同时基于大断面洞室所处围岩的深埋、无水、岩性较好、岩层整体完整的特性，采用台阶法开挖工法取代双侧壁等大断面浅埋、软岩隧道开挖工法，拓展了隧道“台阶法”开挖工法的适用范围，且施工工法简便，适用性强，可为大型施工作业装备提供足够的作业空间，施工速度快；克服了双侧壁等大断面浅埋、软岩隧道开挖工法，大型设备难以展开、施工速度慢，安全风险高的缺点。
27.4、本发明采用台阶法开挖使得大断面洞室的钢拱架能够从拱顶通过节点连接板向两端顺畅连接，受力结构稳定；克服了双侧壁法型钢拱架先两侧壁、后拱顶，难以顺畅连接为一个整体，受力结构不稳定的安全质量隐患。
28.5、本发明通过在已开挖的大断面洞室内拱顶发生沉降的区域支撑多组竖向支撑构件，能有效对隧道拱顶进行有效支撑，避免未成环的钢拱架由于支撑力度不足而导致隧道塌陷的问题，保证隧道顺利施工。
29.综上所述，本发明施工工法简便，适用性强，施工速度快，可操作性强，在深埋隧道自身围岩地质条件较好的前提条件下，其在钢拱架间连接多个纵向加强杆，采用台阶法开挖取代双侧壁等大断面浅埋、软岩工法，使得钢拱架能够从拱顶向两端顺畅连接，受力结构稳定，可为大型施工作业装备提供足够的作业空间，克服了双侧壁等大断面浅埋、软岩隧道开挖工法，大型设备难以展开、施工速度慢，安全风险高的缺点，拓展了隧道台阶法开挖工法的适用范围。
30.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
31.图1为本发明的流程框图。
32.图2为本发明的施工平面示意图。
33.图3为本发明的施工纵断面图。
34.附图标记说明:
35.1—大断面洞室；2—标准断面洞室；3—竖向钢管支撑；
具体实施方式
36.一种铁路洞内引出岔线大断面隧道施工方法，如图1至图3所示，所施工隧道的大断面洞室1的开挖宽度为19.77m，大断面洞室1的开挖高度为14.33m，所施工隧道为埋深为164m～253m的深埋无水隧道，所施工隧道中洞室的围岩级别为ⅳ级；
37.该方法包括以下步骤：
38.步骤一、施工大断面洞室辅助开挖段：从已经开挖成型的标准断面洞室2中继续向前开挖5m～10m形成大断面洞室施工的辅助开挖段；
39.具体实施时，辅助开挖段的断面尺寸和标准断面洞室2的断面尺寸相同，进行大断面洞室1的开挖前，首先从已经开挖成型的标准断面洞室2中继续向前开挖5m～10m作为大断面洞室1施工的辅助开挖段，能够为大断面洞室1的扩挖提供一定的工作空间，能有效提高大断面洞室1的开挖效率和施工效果。
40.步骤二、扩挖辅助开挖段：根据大断面洞室1的施工图纸，沿辅助开挖段的内壁向上、向右直拐扩挖，完成辅助开挖段的扩挖和初期支护；
41.具体实施时，由于隧道掌子面岩层整体较完整，在标准断面洞室2和大断面洞室1的分界点dk43+150处首先按15.12m
×
13.61m的标准断面继续开挖5m～10m，再按设计要求向右、向上直拐扩挖，加宽加高突变为19.77m
×
14.33m的大断面。
42.步骤三、隧道监测点的布设：沿所施工隧道的大断面洞室的延伸方向由后至前依次指定多个隧道断面作为监测断面来进行隧道拱顶的沉降监测和边墙的收敛，第一个监测断面布设在扩挖辅助开挖段后形成的第一环衬砌支护钢拱架上，每个监测断面内均设置有3个或5个监测点；
43.实际使用时，通过在大断面洞室内的多个断面上设置监测点，即能够实现大断面洞室内每隔一段距离就进行拱顶的沉降监测，进而能够对整个大断面洞室的拱顶进行沉降监测，保证大断面洞室1的可靠开挖，保证施工安全。
44.需要说明的是，通过在每个监测断面内均设置3个至5个监测点，保证隧道的拱顶至少布设有一个监测点，拱顶与两侧边墙的交界处也分别布设一个监测点，保证监测数据的可靠性。
45.步骤四、大断面洞室的开挖和支护：在第一个监测断面拱顶的监测点处均安装一个沉降监测机构来进行隧道拱顶的沉降监测，同时在边墙的监测点处安装边墙收敛监测机构来进行边墙的收敛监测；从已扩挖辅助开挖段形成的大断面洞室中，采用三台阶法继续向前进行大断面洞室的开挖，对已开挖部分及时架设钢拱架，并对架设的钢拱架喷射混凝土，使初期支护尽早封闭成环，同时施工仰拱和二衬；
46.随着大断面洞室的开挖，当大断面洞室开挖至下一个监测断面处时，在该监测断面的测点处安装对应的沉降监测机构和边墙收敛监测机构；
47.所述钢拱架由多个钢拱架拼接段拼接而成，相邻两个钢拱架拼接段之间通过连接板固定连接，相邻两榀钢拱架之间连接有多个纵向加强杆，每相邻两榀钢拱架之间连接的纵向加强杆的数量等于钢拱架中钢拱架拼接段的数量；纵向加强杆与连接板之间的间距不
小于30cm；
48.实际使用时，沉降监测机构的安装与大断面洞室1的开挖同步进行，在进行沉降监测机构的安装时，不影响大断面洞室1的开挖支护，大断面洞室1继续向前开挖。
49.需要说明的是，基于大断面洞室1所处围岩的深埋、无水、岩性较好、岩层整体完整的特性，采用台阶法开挖工法取代双侧壁等大断面浅埋、软岩隧道开挖工法，拓展了隧道“台阶法”开挖工法的适用范围，且施工工法简便，适用性强，可为大型施工作业装备提供足够的作业空间，施工速度快；克服了双侧壁等大断面浅埋、软岩隧道开挖工法，大型设备难以展开、施工速度慢，安全风险高的缺点。
50.实际使用时，钢拱架全环采用ⅰ25b型钢，纵向加强杆优选的为ⅰ20a型钢，通过使该大断面隧道全环采用ⅰ25b型钢拱架，并且在相邻两榀钢拱架之间采用ⅰ20a型钢纵向焊接加强，减少了右侧壁及临时仰拱临时工程和围岩爆破对临时工程损坏加固等措施费，初步计算，总体节约工料成本10％～25％，同时比双侧壁法原设计ⅰ22b型钢拱架安全性能大大增强。
51.具体实施时，所述沉降监测机构包括安装在监测点处且竖直朝下布设的挂杆和大断面洞室的洞口处的精密水准仪，所述挂杆上朝向洞口的一侧设置有与精密水准仪相配合的反光板，通过实时监测隧道拱顶与底部岩体之间的距离，进而实现对隧道拱顶的沉降监测。
52.具体实施时，大断面洞室拱顶两侧的监测点呈对称布设，进行边墙收敛监测时，分别在边墙两侧的两个监测点上安装激光测距仪和反光片，实时监测大断面洞室的边墙收敛。
53.需要说明的是，台阶法开挖使得大断面洞室1的初期支护环向ⅰ25b型钢拱架，能够从拱顶通过节点连接板向两端顺畅连接，受力结构稳定；克服了双侧壁法型钢拱架先两侧壁、后拱顶，难以顺畅连接为一个整体，受力结构不稳定的安全质量隐患。
54.具体实施时，铁路洞内引出岔线大断面隧道长度大，拱墙二次衬砌要求采用钢模板衬砌台车，本实施例中采用长度为10m二衬台车，要求在19.77m
×
14.33m大断面至少25m长度范围拼装台车。拼装台车阶段要求全部侧壁临时工程全部拆除，此时，隧道全环采用ⅰ25b型钢拱架，且采用ⅰ20a型钢纵向焊接加强，比双侧壁法原设计ⅰ20b型钢拱架安全性能大大增强。
55.步骤五、已开挖洞室拱顶沉降处理应急预案：进行大断面洞室的开挖时，通过已开挖洞室内设置的沉降监测机构，监测已开挖的大断面洞室的拱顶下沉量，根据监控量测数据，当已开挖的大断面洞室的拱顶发生沉降且下沉值大于监控量测设计允许值，同时已开挖的大断面洞室不存在收敛时，在已开挖的大断面洞室内形成的中台阶与拱顶之间、以及上台阶和拱顶之间由前至后依次支撑多组竖向支撑构件对拱顶进行有效支撑。
56.实际使用时，在大断面洞室1的开挖施工过程中，通过沉降监测机构实时监测隧道拱顶的沉降，能够便于工作人员及时发现隧道拱顶是否发生沉降，进而采取一定的补救措施，保证施工的顺利进行。
57.需要说明的是，当隧道拱顶发生沉降时，通过在已开挖的大断面洞室内形成的中台阶与拱顶之间以及上台阶和拱顶之间由前至后依次支撑多组竖向支撑构件，能有效对隧道拱顶进行有效支撑，避免未成环的钢拱架由于支撑力度不足而导致隧道塌陷的问题。
58.具体实施时，当支撑有竖向支撑构件位置处的中台阶和下台阶依次开挖后，该位置处的竖向支撑构件也随之拆除，便于后续的周转使用；下台阶开挖完成后，及时将未成环的钢拱架封闭成环，同时施工仰拱和二衬，确保隧道施工安全。
59.本实施例中，步骤三中，多个所述监测断面沿大断面洞室1的延伸方向由前至后呈等间距布设，相邻两个所述监测断面之间的距离为10m～20m；
60.每个所述监测断面内均设置有五个监测点，其中，监测断面的拱顶布设有一个监测点，监测断面的左右侧拱墙分界处分别布设有一个监测点，监测断面的两侧边墙处各布设有一个监测点。
61.实际使用时，相邻两个所述监测断面之间的距离优选的为15m，通过在每个监测断面内布设五个监测点，能够有效提高拱顶沉降监测数据的准确性和可靠性。
62.本实施例中，步骤四中，采用三台阶法分部分层进行大断面洞室的开挖时，上部台阶开挖高度为2.5m～3m；中部台阶分上下两级开挖，且开挖高度均为3m，下部台阶开挖高度为3m，仰拱的最大开挖高度为3.33m。
63.本实施例中，步骤四中，采用三台阶法进行大断面洞室的开挖时，下台阶和仰拱采用分步分层法开挖，下台阶的开挖长度为5m～10m，仰拱的开挖长度为3m～6m，开挖后及时实施初期支护，尽早使初期支护封闭成环；仰拱初期支护完成12m后，开始实施仰拱二次衬砌及仰拱填充混凝土施工，拱墙二次衬砌紧跟仰拱进行施工。
64.实际使用时，大断面洞室的下台阶和仰拱采用台阶法分部分层开挖，施工空间大，方便机械化施工，可以多作业面平行作业；能适应不同跨度和多种断面形式；在台阶法开挖的基础上，先两边再中间，两边错开开挖，利于开挖工作面稳定。
65.本实施例中，步骤四中，相邻两榀钢拱架之间的间距为0.5m～0.7m，所述钢拱架每延米的理论重量不小于42.03kg/m，所述钢拱架相对于x轴的截面惯性矩i
x
不小于5280cm4,所述钢拱架相对于y轴的截面惯性矩i
y
不小于309cm4。
66.实际使用时，钢拱架节段采用ⅰ25b型钢，将原设计双侧壁法ⅰ20b型钢拱架加强为ⅰ25b型钢钢架，型钢钢架重量增加35％；截面惯性矩i
x
、i
y
分别增加111％和83％，进而能有效提高钢拱架的支撑能力，便于采用台阶法实现大断面的开挖。
67.需要说明的是，x轴所在直线与钢拱架横断面中的腹板相互垂直且其通过钢拱架横断面中腹板的中心，y轴所在直线与钢拱架横断面中的两个翼缘板相互垂直且其通过钢拱架横断面中腹板的中心。
68.本实施例中，步骤五中，每组所述竖向支撑构件均包括两个竖向钢管支撑3，两个所述竖向钢管支撑3对称布设在大断面洞室1的中线的两侧，所述竖向钢管支撑3的顶部支撑在钢拱架上，所述竖向钢管支撑3的底部设置有底板。
69.具体实施时，竖向支撑3采用φ426钢管支撑，有沉降时用φ609钢管对竖向支撑3进行加强，竖向支撑3的底部设置有底板，能够有效增大竖向支撑3与大断面洞室1下半断面顶部之间的接触面积，进而保证竖向支撑3支撑稳固，防止竖向支撑3受力过大，中台阶岩体发生下陷，进而导致大断面洞室1的顶板产生塌陷。
70.本实施例中，步骤五中，在整个大断面洞室的开挖过程中，都需要对已开挖洞室的拱顶进行沉降监测，同时对已开挖洞室的边墙进行收敛监测，当在已开挖的大断面洞室内形成的中台阶与拱顶之间以及上台阶和拱顶之间支撑多组竖向支撑构件时，大断面洞室继
续向前开挖。
71.实际使用时，该大断面洞室所处围岩条件较好，因此边墙处没有收敛，不需要采取防护措施，能大大提高施工效率，缩短施工时间，同时降低施工人员的劳动强度。
72.上述的一种铁路洞内引出岔线大断面隧道施工方法，其特征在于：步骤五中，采用竖向支撑构件对已开挖的大断面洞室的拱顶进行支撑时，竖向支撑构件采用隔榀支撑的方法，即每间隔一榀钢拱架底部支撑有一组竖向支撑构件。
73.实际使用时，竖向支撑构件采用隔榀支撑，不仅能够有效的对大断面洞室1的拱顶进行支撑，同时还能尽量减少竖向支撑构件的数量，进而能有效提高施工效率，缩短施工时间和资金投入。
74.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。