开挖前预先施工永久结构的大断面隧道暗挖施工方法

本发明涉及一种开挖前预先施工永久结构的大断面隧道暗挖施工方法，适用于软弱岩层或者土层中的大断面隧道施工工程，属于地下工程建设领域。

背景技术：

1、地下工程与地面结构工程的差别就是缺少施工空间，所以地下工程的常规施工程序一般都是先通过暗挖方法来形成结构施工空间，在形成空间内部通过浇筑混凝土结构的地面结构施工方法来形成地下结构工程。在构建地下空间的暗挖施工阶段，为了维护开挖后周围地层稳定性，一般都需要在开挖断面周围施工临时支撑、锚杆等初支结构，来提供开挖范围周围水土压力的平衡作用。随着开挖断面的增大，维护周围地层稳定性的初支结构技术需求越来越高，如在大断面隧道施工中，由于开挖断面大，维护开挖后软弱地层稳定的难度大，需要强度较高和尺寸较大的初支结构，作为开挖阶段的临时措施工程，大大增加了工程投入。特别是软弱地层的暗挖施工时，由于隧道开挖断面面积大，为了控制周围地层变形，一般还需要采用cd、crd等设置临时中隔墙的初支结构，来分割隧道开挖断面以减小变形，维护开挖面的稳定性，而待全部断面开挖贯通后，再在形成空间周圈施工永久结构。待永久结构强度满足设计要求后，拆除内部中隔墙，所以所有初支结构仅是开挖阶段的临时维护措施，其作用仅是提供地下空间暗挖过程中维护周围土体稳定性，不影响永久结构的形式和作用，而且初支结构及隧道内临时中隔墙施工，还会造成开挖及永久结构施工过程组织复杂，所以作为临时措施的初支结构施工，会增加工程投资，延长施工工期，特别是开挖断面较大时，其施工问题更为明显。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足之处提供一种开挖前预先施工永久结构的大断面隧道暗挖施工方法，其施工简单，安全可靠且效率高，能够解决地下工程大断面开挖施工中存在的工作组织复杂、利用临时支护做支撑再拆除的低效率问题。

2、为实现上述目的，本发明的一种开挖前预先施工永久结构的大断面隧道暗挖施工方法，在隧道全断面暗挖前预先设计能够支撑隧道开挖支撑力的永久结构，之后在设计的永久结构位置内外两侧按照隧道走向围绕永久结构设置多根冻结管，利用冻结管将设计的永久结构位置以及周围土体都冻结成冻土帷幕，在形成的冻土帷幕中挖出施工永久结构的空间，随着开挖则在施工永久结构的空间的内外两侧在两层冻结管的作用下形成内外两层冻结壁，确保在开挖过程中冻结壁能够阻挡水土压力并隔绝地下水；然后向施工永久结构的空间内安装钢筋并浇铸混凝土，在永久结构钢筋混凝土凝固形成支护作用，无需对开挖面进行临时支护，在永久结构内挖掘内部土体，贯通后形成隧道。

3、具体步骤如下：

4、a.规划好预先要挖掘的隧道，并预设隧道施工地层全断面的位置；在预设隧道施工地层全断面的外边缘设计一层能够保证支撑隧道施工的永久结构，永久结构为拱形结构；

5、b.在设计的永久结构内外两侧按照隧道走向打入与永久结构匹配的多根冻结管，从而按照永久结构的设计轮廓形成内外两层冻结管；

6、c.向冻结管中通入冷媒，从而将永久结构的周围土体冻结形成冻土帷幕，在冻土帷幕的维护作用下对设计的永久结构位置进行地层开挖；

7、d.随着永久结构的施工空间被开挖出来，冻土帷幕形成位于施工空间内外的两层冻结壁，当预设永久结构中的冻土被完全挖掘出来后，向永久结构施工空间内设置钢筋并绑扎构成钢筋网，之后利用内外两层的冻结壁作为模板浇筑混凝土；

8、e.待混凝土凝固后形成永久结构，停止冻结管释冷，让土体自然解冻；

9、f.在永久结构的支护作用下，在永久结构内侧进行隧道内部地层的开挖施工，由于永久结构可以抵抗外部的水土压力并隔绝地下水，内部地层不承受外部的水土压力，内部地层的开挖以方便施工组织为标准，不需要采取额外的应对措施；

10、g.隧道内部地层(1)全部开挖完成后，即可实现隧道贯通，完成隧道施工。

11、进一步，每次施工永久结构的长度受冷冻管长度约束，当需要进行长距离隧道暗挖施工时，需要进行分段施工。

12、进一步，随着隧道内部地层的开挖，分段将影响施工的冻结管割除，待隧道全部范围土体开挖完成后，即可实现隧道贯通，完成隧道施工。

13、进一步，冻结管可利用顶管机进行安装。

14、进一步，隧道永久结构的厚度为预设隧道断面尺寸的1/10，跨度10～15m隧道的永久结构厚度为1～2m。

15、进一步，永久结构周圈冻结管的布置位置、间距等参数可根据永久结构的位置和埋深进行调整，并通过在永久结构位置的内部布置部分冻结管，可以将永久结构位置的开挖范围进行分割，实现永久结构的分区开挖和分段混凝土结构浇筑施工，减小永久结构施工的断面尺寸，提高开挖断面稳定性，减少对周围环境影响。

16、有益效果：

17、通过先冷冻构成冻土帷幕，之后在冻土帷幕中挖掘出永久结构的施工空间，之后利用冻土作为模板，采用钢筋混凝土制造出永久结构，大大减小了隧道暗挖施工的范围和断面尺寸，降低了地下工程暗挖施工难度，而永久结构代替了分段施工临时支护的承载作用，节省了临时支护的施工费用。隧道暗挖施工过程均在永久结构的支护作用下进行，减少了暗挖施工过程中周围地层的变形，降低暗挖施工的复杂程度，方便施工工艺组织。

技术特征：

1.一种开挖前预先施工永久结构的大断面隧道暗挖施工方法，其特征在于：在隧道全断面暗挖前预先设计能够提供隧道开挖后足够支撑力的永久结构(3)，之后在设计的永久结构(3)轮廓位置内外两侧按照隧道走向设置两层多根冻结管(2)，利用冻结管(2)将设计的永久结构(3)位置以及周围土体都冻结成冻土帷幕，在形成的冻土帷幕中挖出施工永久结构(3)的空间，施工永久结构(3)的空间内外两侧在两层冻结管(2)的作用下形成内外两层冻结壁(5)，确保在开挖过程中冻结壁(5)能够阻挡水土压力并隔绝地下水；然后向施工永久结构(3)的空间内安装钢筋并浇铸混凝土，在永久结构(3)钢筋混凝土凝固形成支护作用后停止冻结，无需对开挖面进行临时支护，在永久结构(3)内挖掘内部土体(6)而形成隧道。

2.根据权利要求1所述开挖前预先施工永久结构的大断面隧道暗挖施工方法，其特征在于，具体步骤如下：

3.根据权利要求2所述开挖前预先施工永久结构的大断面隧道暗挖施工方法，其特征在于：每次施工永久结构(3)的长度受冷冻管长度约束，当需要进行长距离隧道暗挖施工时，需要进行分段施工。

4.根据权利要求3所述开挖前预先施工永久结构的大断面隧道暗挖施工方法，其特征在于：随着隧道内部地层(1)的开挖，分段将影响施工的冻结管(2)割除，待隧道全部范围土体开挖完成后，即可实现隧道贯通，完成隧道施工。

5.根据权利要求2所述开挖前预先施工永久结构的大断面隧道暗挖施工方法，其特征在于：隧道永久结构(2)的厚度为预设隧道断面尺寸的1/10，跨度10～15m隧道的永久结构厚度为1～2m。

6.根据权利要求2所述开挖前预先施工永久结构的大断面隧道暗挖施工方法，其特征在于：永久结构(3)周圈冻结管(2)的布置位置、间距等参数可根据永久结构(3)的位置和埋深进行调整，并通过在永久结构(3)位置的内部布置部分冻结管(2)，可以将永久结构(3)位置的开挖范围进行分割，实现永久结构的分区开挖和分段混凝土结构浇筑施工，进一步减小开挖断面尺寸，提高开挖断面稳定性，减少对周围环境影响。

技术总结
本发明公开了一种开挖前预先施工永久结构的大断面隧道开挖施工方法，适用于软弱岩层或土层中大断面隧道开挖和构筑施工。通过小范围地层中施工永久结构提供的围护作用，进行大断面隧道的开挖施工，在隧道全断面暗挖前预先设计能够支撑隧道开挖后支撑力的永久结构，在设计永久结构位置内、外两侧分别设置多根冻结管，利用冻结管将设计的永久结构位置以及周围土体都冻结成冻土帷幕，在形成的冻土帷幕中挖出断面相对较小的施工永久结构空间，并在永久结构施工空间的内安装钢筋并浇铸混凝土，等待凝固后即可在永久结构的内部进行土体全断面开挖而形成隧道。施工过程不需要临时支撑结构，施工简单，安全可靠且施工效率高。

技术研发人员：石荣剑,龙彩红,岳丰田,张勇,陆路
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15