[發明專利]穿越斷層破碎帶的富水軟弱圍巖隧道施工方法

有效

• 申請號: 201911258593.0
• 申請日: 2019-12-10
• 公開（公告）號: CN110924959B
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 郭瑞;劉海松;王寅;李繼光;惠樹民
• 申請（專利權）人: 中鐵二十局集團第二工程有限公司
• 主分類號: E21D9/04
• 分類號: E21D9/04;E21D9/14;E21D11/10;E21D11/18;E21D11/28;E21D20/02;E21D21/00
• 代理公司: 西安創知專利事務所 61213
• 代理人: 景麗娜

1.一種穿越斷層破碎帶的富水軟弱圍巖隧道施工方法，其特征在于：所施工隧道(1)的隧道支護結構包括對所施工隧道(1)進行超前支護的隧道超前支護結構、對所施工隧道(1)進行初期支護的隧道初期支護結構和布設于所述隧道初期支護結構內側的隧道二次襯砌(14)，所述隧道初期支護結構和隧道二次襯砌(14)均為對所施工隧道(1)的隧道洞進行全斷面支護的全斷面支護結構，所述隧道二次襯砌(14)為鋼筋混凝土襯砌；所述隧道洞的橫斷面積大于100m²，所述隧道洞分為上洞體(1-5)和位于上洞體(1-5)正下方的下洞體(1-6)；所述隧道洞的開挖高度大于10m，所述上洞體的開挖高度為6.5m～8m，所述下洞體(1-6)的開挖高度為3.5m～4.5m；所述上洞體(1-5)分為預留核心土區域洞體(1-1)和位于預留核心土區域洞體(1-1)外側的上部周側洞體(1-2)，所述下洞體(1-6)分為左右兩個下部洞體(1-3)，所述下洞體(1-6)中的一個所述下部洞體(1-3)為先開挖洞體，另一個所述下部洞體(1-3)為后開挖洞體；所述隧道洞的圍巖級別為Ⅴ級；

所施工隧道(1)沿隧道縱向延伸方向由后向前分為多個隧道節段(18)，每個所述隧道節段(18)的長度為28m～34m；

所述隧道超前支護結構包括多個沿隧道縱向延伸方向由后向前對所述上洞體進行超前支護的超前管棚支護結構，所述超前管棚支護結構的數量與所施工隧道(1)中所包括隧道節段(18)的數量相同，每個所述超前管棚支護結構均位于一個所述隧道節段(18)外側，每個所述隧道節段(18)均通過一個所述超前管棚支護結構進行超前支護；

每個所述超前管棚支護結構沿隧道縱向延伸方向的長度均為l，其中l＝b+c；b為該超前管棚支護結構所支護隧道節段(18)的長度，b的取值范圍為28m～34m；c為該超前管棚支護結構的管棚前段支撐長度，θ為該超前管棚支護結構所支護隧道節段(18)的圍巖巖體的內摩擦角，h為上洞體(1-5)的開挖高度；

每個所述超前管棚支護結構均為自鉆式管棚且其包括多根由后向前鉆進至所支護隧道節段(18)掌子面前方巖層內的管棚管(16)，多根所述管棚管(16)沿所述上洞體的開挖輪廓線由左至右進行布設，所述管棚管(16)的外傾角為3°；每個所述超前管棚支護結構中多根所述管棚管(16)呈均勻布設，相鄰兩根所述管棚管(16)后端之間的環向間距為400mm～800mm，所述管棚管(16)的外徑為φ70mm～φ80mm且其壁厚為13mm～18mm；

每根所述管棚管(16)均為自鉆式管棚管，所述自鉆式管棚管包括平直管體和安裝在所述平直管體前端的鉆頭，所述鉆頭上沿圓周方向開有多個注漿孔，所述平直管體由多個由前向后布設于同一直線上的管段拼裝而成，每個所述管段均為外壁上由前至后均設置有外螺紋的螺紋鋼管；多個所述管段的橫截面結構和尺寸均相同，相鄰兩個所述管段之間均通過一個螺紋連接套進行緊固連接；

所述隧道初期支護結構包括對所述隧道洞進行全斷面支護的全斷面支撐結構，所述全斷面支撐結構外側布設有錨固體系；所述全斷面支撐結構和所述錨固體系均沿隧道縱向延伸方向布設；

所述全斷面支撐結構包括多榀對所施工隧道(1)進行全斷面支護的型鋼拱架和多個沿隧道縱向延伸方向由后向前布設的拱架連接結構，多榀所述型鋼拱架的結構均相同且其沿隧道縱向延伸方向由后向前布設，多榀所述型鋼拱架呈均勻布設，每榀所述型鋼拱架均位于所施工隧道(1)的一個隧道橫斷面上；

每榀所述型鋼拱架的形狀均與所述隧道洞的橫斷面形狀相同；每榀所述型鋼拱架均包括一榀對所述隧道洞的拱墻進行支護的拱墻鋼拱架、一個位于上部周側洞體(1-2)內的豎向臨時支撐柱(6)和一個布設于所述隧道洞內側底部的隧道仰拱支架(2)，所述隧道仰拱支架(2)位于所述拱墻鋼拱架的正下方且二者均位于同一隧道橫斷面上，所述隧道仰拱支架(2)的左端與所述拱墻鋼拱架的左側底部緊固連接，所述隧道仰拱支架(2)的右端與所述拱墻鋼拱架的右側底部緊固連接，所述隧道仰拱支架(2)與所述拱墻鋼拱架形成一個封閉式全斷面支架；所述拱墻鋼拱架包括一榀位于上部周側洞體(1-2)內的上部鋼拱架(4)和兩個對稱布設于上部鋼拱架(4)左右兩側底部下方的側部支架(5)，兩個所述側部支架(5)均位于下洞體(1-6)內；所述豎向臨時支撐柱(6)支撐于上部鋼拱架(4)的中部正下方，所述豎向臨時支撐柱(6)頂部與上部鋼拱架(4)中部緊固連接，所述上部鋼拱架(4)的中部底面上設置有一個用于連接豎向臨時支撐柱(6)的水平連接板(7)，所述豎向臨時支撐柱(6)底部支撐于上部周側洞體(1-2)的內側底部；每榀所述型鋼拱架中所述上部鋼拱架(4)、側部支架(5)、隧道仰拱支架(2)和豎向臨時支撐柱(6)均位于同一隧道橫斷面上；

多個所述拱架連接結構的結構均相同，前后相鄰兩榀所述型鋼拱架之間均通過一個所述拱架連接結構進行緊固連接；每個所述拱架連接結構均包括多道連接于前后相鄰兩榀所述拱墻鋼拱架之間的縱向連接件(3)，多道所述縱向連接件(3)沿所施工隧道(1)的拱墻開挖輪廓線布設于同一隧道斷面上；每道所述縱向連接件(3)均為一道呈水平布設的型鋼，每道所述縱向連接件(3)均沿隧道縱向延伸方向進行布設；相鄰兩個所述拱架連接結構中的縱向連接件(3)呈交錯布設；

所述錨固體系包括多個沿隧道縱向延伸方向由后向前布設的錨固結構，每榀所述上部鋼拱架(4)外側均設置有一個所述錨固結構，每榀所述上部鋼拱架(4)均與其外側所設置的錨固結構布設于同一隧道橫斷面上；每個所述錨固結構均布設于一榀所述上部鋼拱架(4)外側，每個所述錨固結構均包括左右兩個對稱布設的錨固組，兩個所述錨固組分別布設于一榀所述上部鋼拱架(4)的下部左右兩側；每個所述錨固組均包括一個下鎖腳錨管(9)和多個由上至下布設的上鎖腳錨桿(10)，多個所述上鎖腳錨桿(10)均位于下鎖腳錨管(9)正上方且其均布設于同一豎直面上，所述上鎖腳錨桿(10)和下鎖腳錨管(9)均由內至外進入所述隧道洞外側的巖層內且二者均由內向外逐漸向下傾斜；多個所述上鎖腳錨桿(10)均呈平行布設且其與水平面之間的夾角為A1，A1的取值范圍為25°～35°；所述下鎖腳錨管(9)與水平面之間的夾角為A2，A2的取值范圍為38°～45°；所述下鎖腳錨管(9)為中空自進式錨桿且其為注漿錨桿，所述下鎖腳錨管(9)的長度不小于4m；所述上鎖腳錨桿(10)為中空注漿錨桿，多個所述上鎖腳錨桿(10)的長度均相同且其長度均不小于3m；所述上鎖腳錨桿(10)和下鎖腳錨管(9)的內端均固定于位于其內側的上部鋼拱架(4)上；

對所施工隧道(1)進行施工時，沿隧道縱向延伸方向由后向前對所施工隧道(1)中的多個所述隧道節段(18)分別進行施工，多個所述隧道節段(18)的施工方法均相同；對所施工隧道(1)中的任一個所述隧道節段(18)進行施工時，包括以下步驟：

步驟一、管棚超前支護：對當前所施工隧道節段(18)的所述超前管棚支護結構進行施工；

步驟二、隧道開挖及初期支護：沿隧道縱向延伸方向由后向前對當前所施工隧道節段(18)進行開挖，開挖過程中同步對開挖成型的所述隧道洞進行初期支護，并獲得施工成型的所述隧道初期支護結構；

對當前所施工隧道節段(18)進行隧道開挖及初期支護時，過程如下：

步驟A1、上部周側洞體開挖及初期支護：沿隧道縱向延伸方向由后向前對當前所施工隧道節段(18)的上部周側洞體(1-2)進行開挖；

所述上部周側洞體(1-2)開挖過程中，由后向前對開挖成型的上部周側洞體(1-2)進行初期支護；

對上部周側洞體(1-2)進行初期支護時，由后向前在開挖成型的上部周側洞體(1-2)內安裝上部鋼拱架(4)，并在每榀所述上部鋼拱架(4)的中部正下方分別安裝一個所述豎向臨時支撐柱(6)，并使所述豎向臨時支撐柱(6)底部支撐于上部周側洞體(1-2)的內側底部，且將每榀所安裝的上部鋼拱架(4)均通過多個縱向連接件(3)與位于其后側的一榀所述上部鋼拱架(4)緊固連接；同時，由后向前在已安裝完成的每榀所述上部鋼拱架(4)的下部左右兩側分別施工一個所述錨固組；

本步驟中，所述上部周側洞體(1-2)的開挖面為豎直面；

步驟A2、預留核心土區域洞體開挖及初期支護：步驟A1中對上部周側洞體(1-2)進行開挖過程中，沿隧道縱向延伸方向由后向前對當前所施工隧道節段(18)的預留核心土區域洞體(1-1)進行開挖，獲得開挖成型的上洞體(1-5)；

所述預留核心土區域洞體(1-1)開挖過程中，由后向前對預留核心土區域洞體(1-1)開挖完成后處于懸空狀態的豎向臨時支撐柱(6)進行拆除；

本步驟中，所述預留核心土區域洞體(1-1)的開挖面位于上部周側洞體(1-2)的開挖面后方，且預留核心土區域洞體(1-1)的開挖面為由前向后逐漸向下傾斜的傾斜面；

步驟A3、先開挖洞體開挖及初期支護：步驟A2中對預留核心土區域洞體(1-1)進行開挖過程中，沿隧道縱向延伸方向由后向前對當前所施工隧道節段(18)的所述先開挖洞體進行開挖；

所述先開挖洞體開挖過程中，由后向前對所述先開挖洞體進行初期支護；對所述先開挖洞體進行初期支護時，由后向前在開挖成型的所述先開挖洞體內安裝側部支架(5)，并將每個所安裝的側部支架(5)均通過多個縱向連接件(3)與位于其正后方的一個側部支架(5)緊固連接；

本步驟中，所述先開挖洞體的開挖面位于預留核心土區域洞體(1-1)的開挖面后方，且所述先開挖洞體的開挖面為豎直面；

步驟A4、后開挖洞體開挖及初期支護：步驟A3中對所述先開挖洞體進行開挖過程中，沿隧道縱向延伸方向由后向前對當前所施工隧道節段(18)的所述后開挖洞體進行開挖，獲得開挖成型的下洞體(1-6)；

所述后開挖洞體開挖過程中，由后向前對開挖成型的下洞體(1-6) 進行初期支護；對下洞體(1-6)進行初期支護時，由后向前在開挖成型的所述后開挖洞體內安裝側部支架(5)，并將每個所安裝的側部支架(5)均通過多個縱向連接件(3)與位于其正后方的一個側部支架(5)緊固連接；同時，由后向前在開挖成型的下洞體(1-6)底部安裝隧道仰拱支架(2)并使所安裝隧道仰拱支架(2)與下洞體(1-6)左右兩側所安裝的側部支架(5)緊固連接為一體；

本步驟中，所述后開挖洞體的開挖面位于所述先開挖洞體的開挖面后方，且所述后開挖洞體的開挖面為由前向后逐漸向下傾斜的傾斜面；

步驟三、隧道二次襯砌施工：步驟二中進行隧道開挖及初期支護過程中，沿隧道縱向延伸方向由后向前對當前所施工隧道節段(18)的隧道二次襯砌(14)進行施工，并使隧道二次襯砌(14)位于已施工完成的所述隧道初期支護結構內側。