一种山体隧道改建扩挖施工方法技术

本发明专利技术公开了一种山体隧道改建扩挖施工方法，步骤如下：在隧道没有塌腔地段，按照隧道施工规范要求进行扩挖支护和施工；在隧道有塌腔地段，当塌腔小于新建隧道轮廓时，直接对其进行爆破，然后按照隧道施工规范要求进行扩挖支护和施工；当隧道塌腔大于新建隧道轮廓时，在隧道有塌腔地段进一步采用如下步骤为：在该段隧道中，通过管棚支护和插板形成棚架，起支护作用；向新建隧道轮廓外的塌腔中充填轻质材料,采用改进的扩挖支护方法，对该段隧道进行扩挖施工。与现有技术相比，本发明专利技术直接用能量法分析隧道塌腔施工风险，寻找宏观定性控制方法，制定实施方案，并严格控制，防止不利作用力和能量都向结构的薄弱部位转移或集中作用；有利于控制施工风险，确保工程施工安全与质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于施工方法领域，具体涉及一种山体隧道改建扩挖施工方法。
技术介绍
随着国家新型城镇化规划(2014－2020年)的实施，许多上世纪修建的小型乡镇公路山体隧道需要改建扩挖，而这些隧道修建质量相对差些，甚至存在一些大小不等的塌腔(图1)，给改建扩挖带来了施工风险。现有隧道规范虽然有许多规定，但没有从力学概念说明隧道改建扩挖时如何处理大小不等的隧道塌腔施工风险问题。而直接用工程力学分析隧道塌腔施工风险非常复杂，且尚不实用；采用能量方法分析隧道塌腔施工风险就相对简单，并能找到处理隧道塌腔施工风险的控制方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述技术问题，本专利技术提出一种山体隧道改建扩挖施工方法。本专利技术针对现有隧道规范没有从力学概念说明隧道改建扩挖时如何处理大小不等的隧道塌腔施工风险问题，直接用能量方法分析隧道塌腔施工风险，并找到处理隧道塌腔施工风险的控制方法。本专利技术的理论基础如下：第一步直接用能量法分析隧道塌腔施工风险，寻找宏观定性控制方法；控制隧道塌腔施工风险的能量法本质即是确保系统抗力做功ΔU大于荷载做功ΔT。ΔU>ΔT (1.1)式中：ΔU为系统抗力做功；ΔT为荷载做功。通过管棚支护和插板形成棚架，起支护作用，提高系统抗力做功ΔU；通过充填轻质材料控制隧道塌腔扩大和掉块，减轻支护荷载，减少荷载做功ΔT；防止不利作用力和能量都向结构的薄弱部位转移或集中作用。ΔT＝PΔS1+WΔS2 (1.2)式中：P为隧道塌腔掉块重量；ΔS1为掉块塌落距离，充填轻质材料后控制ΔS1很小；W为轻质材料重量，也很小；ΔS2为轻质材料压缩距离。只要控制好ΔS1、W两个量值，就能减少荷载做功ΔT。第二步依据宏观定性控制方法，制定实施方案，并严格控制；(1)利用式(1.1)通过管棚支护和插板形成棚架，起支护作用，提高了系统抗力做功ΔU；(2)同时利用式(1.2)通过充填轻质材料控制隧道塌腔扩大和掉块，减轻支护荷载，从而减少了荷载做功ΔT。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：山体隧道改建扩挖施工方法，步骤如下：S1：探明老隧道塌腔位置和相对大小，并进行标记；S2：在隧道没有塌腔地段，按照隧道施工规范要求进行扩挖支护和施工；S3：在隧道有塌腔地段，分两种情况：当隧道塌腔小于新建隧道轮廓时，直接对其进行爆破，然后按照隧道施工规范要求进行扩挖支护和施工；当隧道塌腔大于新建隧道轮廓时，在隧道有塌腔地段进一步采用如下步骤为：S301：在该段隧道中，通过管棚支护和插板形成棚架，起支护作用；S302：向新建隧道轮廓外的塌腔中充填轻质材料,以控制隧道塌腔扩大和掉块；S303：采用改进的扩挖支护方法，对该段隧道进行扩挖施工。本专利技术所述的隧道塌腔小于新建隧道轮廓是指：隧道塌腔位小于新建隧道轮廓，开挖作业不会产生施工风险；隧道塌腔大于新建隧道轮廓是指隧道塌腔大于新建隧道轮廓或接近者，开挖作业容易产生施工风险。作为优选，所述的棚架设置范围为隧道塌腔地段前沿5m至后沿5m。作为优选，所述的S303具体为：在隧道周边和掌子面控制变形的情况下，首先对新建隧道轮廓内的上半断面分左右两块纵向开挖1～2m，并及时封闭支护，以钢拱架与喷混凝土初期支护承担全部荷载；然后再对下半断面分左右两块纵向开挖1～2m，并及时封闭支护，以钢拱架与喷混凝土初期支护承担全部荷载；按照上述先上半断面后下半断面的方式循环不断对该段隧道进行开挖，确保控制隧道周边和掌子面的变形。这样分步循环施工的优点是隧道开挖支护过程每一步隧道结构与地层相互作用都处于稳定平衡状态，隧道结构受力变形状态是可控的，有利于控制施工风险，确保工程质量。作为优选，所述的轻质材料为以下任一类：第一类：废旧泡沫外包装通过粉碎机粉碎后的粉碎料；第二类：泡沫颗粒；第三类：泡沫砂浆(配合比为泡沫粒：沙：水泥：水：外加剂＝25.0：100：150：150：6.0、其容重4.3kN/m3﹤水容重10kN/m3)。与现有技术相比，本专利技术主要优点在于：首先直接用能量法分析隧道塌腔施工风险，寻找宏观定性控制方法；其次通过管棚支护和插板形成棚架，起支护作用，提高系统抗力做功
ΔU；通过充填轻质材料控制隧道塌腔扩大和掉块，减轻支护荷载，减少荷载做功ΔT；防止不利作用力和能量都向结构的薄弱部位转移或集中作用；有利于控制施工风险，确保工程施工安全与质量。附图说明图1是新老隧道相对位置示意图；图2是本专利技术的隧道穿越塌腔施工能量分析与控制方法示意图；图3是本专利技术的隧道改进扩挖支护图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步阐述和说明。本专利技术中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。山体隧道改建扩挖施工方法，步骤如下：(1)探明老隧道塌腔位置和相对大小采用地质雷达等设备探明老隧道塌腔位置和相对大小，标记在老隧道衬砌表面，做好施工记录，作为老隧道改建设计依据。(2)在隧道没有塌腔地段，按照常规的隧道施工规范要求进行扩挖支护和施工；(3)在隧道有塌腔地段，分两种情况进行施工：当隧道塌腔小于新建隧道轮廓时，直接对轮廓线以内的岩壁进行爆破，然后按照常规的隧道施工规范要求进行扩挖支护和施工；当隧道塌腔大于新建隧道轮廓时，由于爆破可能导致塌腔进一步扩大甚至坍塌，造成人身财产危险。因此在隧道有塌腔地段进一步采用如下步骤为：(3.1)在隧道有塌腔地段前沿5m位置至后沿5m位置，在该区段通过管棚支护和插板形成棚架，起支护作用，提高系统抗力做功ΔU；(3.2)在做好塌腔地段管棚支护和插板形成棚架的前提下，通过向塌腔中预先充填轻质材料控制隧道塌腔扩大和掉块，减轻支护荷载，减少荷载做功ΔT。轻质材料可选择以下任意一类：第一类：废旧泡沫外包装通过粉碎机粉碎后的粉碎料；第二类：专制泡沫颗粒；第三类：泡沫砂浆(配合比为泡沫粒：沙：水泥：水：外加剂＝25.0：100：150：150：6.0、其容重4.3kN/m3﹤水容重10kN/m3)。(3.3)在做好隧道塌腔地段管棚支护和插板形成棚架以及充填轻质材料控制隧道塌腔扩大和掉块的前提下，改进扩挖支护方法，让钢拱架与喷混凝土等初期支护承担全部荷载。图3示出的为隧道的纵向剖面图，开挖过程中对隧道的横向截面从横向和纵向大致分为左上、
右上、左下和右下四块，即图中的①、②、③和④。在隧道周边和掌子面控制变形的情况下，第一步以钢拱架与喷混凝土等初期支护承担全部荷载，对上半断面分左①、右②两块纵向开挖1～2m，及时封闭支护，此时以钢拱架与喷混凝土等初期支护承担全部荷载。然后第二步对下半断面分左③、右④两块纵向开挖1～2m，及时封闭支护，此时再以钢拱架与喷混凝土等初期支护承担全部荷载。每次上半断面分①、②两块纵向开挖支护和下半断面分③、④两块纵向开挖支护，即按上述两步循环进行掘进，确保控制隧道周边和掌子面的变形，有利于保证隧道施工质量和安全。(4)做好隧道二次衬砌。对于山体隧道的较大塌腔且地面变形要求不高的情况，较好满足施工过程中隧道周边甚至掌子面的稳定，有效控制隧道周边变形和地面沉降，确保隧道施工安全和衬砌结构质量。以上所述的实施例只是本专利技术的一种较佳的方案，然其并非用以限制本专利技术。有关
的普通技术人员，在不脱离本专利技术的精神和范围的情况下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种山体隧道改建扩挖施工方法，其特征在于，步骤如下：S1：探明老隧道塌腔位置和相对大小，并进行标记；S2：在隧道没有塌腔地段，按照隧道施工规范要求进行扩挖支护和施工；S3：在隧道有塌腔地段，当隧道塌腔小于新建隧道轮廓时，直接对其进行爆破，然后按照隧道施工规范要求进行扩挖支护和施工；当隧道塌腔大于新建隧道轮廓时，在隧道有塌腔地段进一步采用如下步骤为：S301：在该段隧道中，通过管棚支护和插板形成棚架，起支护作用；S302：向新建隧道轮廓外的塌腔中充填轻质材料,以控制隧道塌腔扩大和掉块；S303：采用改进的扩挖支护方法，对该段隧道进行扩挖施工。

【技术特征摘要】
1.一种山体隧道改建扩挖施工方法，其特征在于，步骤如下：S1：探明老隧道塌腔位置和相对大小，并进行标记；S2：在隧道没有塌腔地段，按照隧道施工规范要求进行扩挖支护和施工；S3：在隧道有塌腔地段，当隧道塌腔小于新建隧道轮廓时，直接对其进行爆破，然后按照隧道施工规范要求进行扩挖支护和施工；当隧道塌腔大于新建隧道轮廓时，在隧道有塌腔地段进一步采用如下步骤为：S301：在该段隧道中，通过管棚支护和插板形成棚架，起支护作用；S302：向新建隧道轮廓外的塌腔中充填轻质材料,以控制隧道塌腔扩大和掉块；S303：采用改进的扩挖支护方法，对该段隧道进行扩挖施工。2.如权利要求1所述的山体隧道改建扩挖施工方法，其特征在于，所述的棚架设置范围为隧道塌腔地段前沿5m至后沿5m。3.如权利要求1所述的山...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱汉华，陈孟冲，牛富生，
申请(专利权)人：宁波市交通规划设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33