大断面黄土隧道开挖及初期支护快速封闭成环方法技术

本发明专利技术为一种大断面黄土隧道开挖及初期支护快速封闭成环技术，解决了大断面黄土隧道开挖施工中缺少安全性能高且工艺简洁的施工技术的问题，包括如下步骤：S1、根据隧道围岩环境确定各台阶高度和长度并进行测量放样；S2、上台阶开挖、支护；中台阶开挖、支护；下台阶开挖、支护；上台阶弧形开挖面、中台阶弧形开挖面和下台阶弧形开挖面复喷混凝土；仰拱开挖支护。本发明专利技术所述的大断面黄土隧道开挖及初期支护快速封闭成环施工技术，施工进度达到月进尺70米左右，工期提前5个月，节约各项管理成本300多万元，节省工程投资约2000万元，经济、社会效益显著。

Rapid sealing and ring forming technique for large section loess tunnel excavation and initial support

The invention relates to a large section loess tunnel excavation and initial support fast closed loop technology to solve the large section loess tunnel excavation construction technology of the lack of high safety and simple process of the problems in the construction, which comprises the following steps: S1, according to the surrounding rock tunnel to determine the step height and length measurement and lofting; S2 on stage, excavation, excavation, in order; step down; excavation, order; the step step excavation face, arc arc and arc excavation face down the steps of excavation face spray concrete; arch excavation. The large section loess tunnel excavation and supporting rapid closure construction technology, construction progress reached 70 meters per month, 5 months ahead of schedule, save the management cost of about 3000000 yuan, saving project investment of about 20 million yuan, significant economic and social benefits.

【技术实现步骤摘要】
大断面黄土隧道开挖及初期支护快速封闭成环技术
本专利技术涉及隧道施工
，具体为一种大断面黄土隧道开挖及初期支护快速封闭成环技术。技术背景黄土主要分布在我国西北和华北地区，总覆盖面积多达63.5万平方米。黄土具有垂直裂隙发育快、剪切强度低等特点，导致了在黄土地层中开挖隧道容易引发土体突然坍塌和支护结构变形过大等现象。大断面黄土隧道的力学性质决定了只能采用分步开挖、分部支护的方式。当前，普遍在大断面黄土隧道中采用的施工工法有弧形导坑（预留核心土）法、CD法（中隔壁法）、CRD法（中壁交叉法）、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、三台阶七步开挖法。上述工法虽然能保证施工安全，但都存在着施工技术难度大，施工工序转换多，初期支护闭合慢，工效低等问题。专利CN103089270B公开了一种适用于大断面黄土隧道的开挖方法，适用于开挖面积100㎡以上的黄土隧道，其主要作法是：将隧道开挖断面范围内的土体划分为上部区域、中部区域和下部区域，先在上部区域开挖形成“山”字形土体；再同时开挖“山”字形土体，使“山”字形土体保持2.5—3m的深度；然后再依次开挖中部左侧、中部右侧和下部左侧、下部右侧的土体；在开挖过程中各开挖面之间始终保持相同的掘进速度，各开挖处的土体被挖除后及时修筑隧道的初期支护，并在隧道底面距下部区域土体开挖面20m以外的位置架立模板并浇筑隧道的永久混凝土衬砌。其专利技术方法有利于减少隧道的下沉和变形，方便架设拱顶部位钢拱架，劳动强度低，施工工序简单，能有效的降低工程造价，加快施工进度。但此专利技术公开内容显示：上部区域中“山”字形土体顶面的深度需保持在2.5—3m的深度；当“山”字形土体后面的中部区域的土体顶面的深度为17—21m后，再同时开挖中部区域的左侧土体，中部区域中左侧土体和右侧土体之间的开挖面需保持在8—10m的距离；当中部区域的左侧土体后面的下部区域左侧土体顶面的深度达到13-15m后，再同时开挖下部区域的左侧土体，当下部区域的左侧土体的开挖面与下部区域的右侧土体的后表面相聚5—7m后，再同时开挖下部区域的右侧土体。在整个隧道开挖过程中，各个开挖面之间始终保持上述的距离；个开挖处的土体被挖除后及时修筑隧道的初期支护，并在隧道底面距下部区域土体开挖面20m以外的位置架立模板并浇筑隧道的永久混凝土衬砌。上述专利技术在大断面黄土隧道的开挖中存在较大的缺陷，且中部区域和下部区域由于要考虑到土体稳固性，均采用左右侧土体交错进行开挖，使得初期支护闭合距离较大，没有做到开挖后支护并迅速封闭成环，存在一定的施工安全风险。针对隧道施工中常见得三台阶七步法适用于开挖断面为100～180平方米，具备一定自稳条件的Ⅳ、V级围岩地段隧道的施工。其工法是以弧形导坑开挖留核心土为基本模式，分上、中、下三个台阶七个开挖面，各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开、平行推进的隧道施工方法。采用三台阶七步开挖法施工应尽量缩短台阶长度，确保初期支护尽快闭合成环，仰拱和拱墙衬砌及时跟进，尽早形成稳定的支护体系。但由于中下台阶开挖均采用左右交错开挖形式，使得同台阶的长度始终多出一个交错开挖的距离，通过缩短台阶长度提高施工安全性受到极大制约，无法满足隧道开挖快速封闭成环要求。其工法虽较为安全，但步骤繁琐、复杂程度高，导致工程进度缓慢、成本较高。是否存在一种适合大断面黄土隧道开挖及初期支护快速封闭成环的技术就显得极其重要。
技术实现思路
本专利技术为了解决大断面黄土隧道施工中缺少开挖后初期支护迅速封闭成环技术，从而无法有效保护施工安全的问题，提供了一种大断面黄土隧道开挖及初期支护快速封闭成环技术。本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种大断面黄土隧道开挖及初期支护快速封闭成环技术，结合开挖揭示和超前钻探地质情况，利用自行式仰拱栈桥，采用三台阶四步开挖法，保证隧道初期支护快速闭合成环，主要包括如下步骤：S1、根据隧道围岩环境确定各台阶高度和长度并进行测量放样；S2、上台阶开挖：上台阶采用环形开挖，预留核心土，先从两侧拱腰土向下开挖，然后开挖拱顶土，进一步人工清除上台阶拱脚土并除渣；S3、中台阶开挖：中台阶采用左右两侧对称开挖，进一步人工清除中台阶拱脚土并除渣；中台阶采用左右两侧对称开挖是指，先开挖左半土体再开挖相同尺寸的右半土体或者先开挖右半土体再开挖相同尺寸的左半土体；中台阶钢架是安装在中台阶两侧弧形面位置；S4、利用机械手对上台阶（1）和中台阶（2）进行初喷封闭，安装上台阶拱架和中台阶钢架，拱架顶紧掌子面，打设超前小导管，拱架拱脚和钢架拱脚均采用垫板垫实，垫板下铺10cm细沙；同时，进行下台阶（3）开挖：先抬起架设在下台阶（3）表面的仰拱栈桥前引桥，进一步采用左右两侧对称开挖方式，一次开挖到设定长度并除渣，并进行初喷封闭；S5、上台阶弧形开挖面（I）、中台阶弧形开挖面（II）复喷混凝土，同时安装下台阶（3）钢架，进一步下台阶弧形开挖面（III）复喷混凝土；S6、仰拱开挖：仰拱开挖紧跟下台阶施工，并及时安装仰拱钢架，检验合格后进行仰拱的浇筑。步骤S2中上台阶开挖采用环向开挖上部弧形导坑，预留核心土，核心土长度宜为2～3m，宽度宜为隧道开挖宽度的1/3～1/2，循环进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5m，上台阶开挖是跨比应大于0.3。步骤S3中左右两侧对称开挖，开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5m,开挖高度宜为3—3.5m。仰拱的开挖长度为不得超过3米。现行《铁路隧道工程施工技术指南》中明确规定，仰拱循环开挖长度宜为2—3米，对于大断面黄土隧道的特殊地层结构，规定其开挖长度不得超过3米。步骤S2和S3中的垫板采用改性聚氨酯垫板或泡沫铝合金垫板。针对黄土隧道拱脚、墙脚易下沉失稳，从而诱发掌子面前方先行位移、挤出位移；为确保拱脚、墙脚落到实处，上、中台阶初支拱脚、墙脚需采用强度高、轻便耐用、可循环使用垫板夯垫，改性聚氨酯垫板和泡沫铝合金垫板均具有轻便高强的特性，均可作为优选使用。隧道各台阶开挖均采取人工配合松土器或铣挖头进行开挖，即先通过松土器或铣挖头开挖掌子面大面后再利用人工对掌子面进行轮廓修整，其中老黄土地层可采取铣挖头，新黄土地层可采取松土器。初喷封闭、上台阶弧形开挖面复喷、中台阶弧形开挖面复喷和下台阶弧形开挖面复喷均采用机械手混凝土喷射装置进行施工。每台机械手混凝土喷射装置一般只需配置施工人员2名，将作业人员从恶劣的环境中解放，喷锚过程中粉尘较少，改善了洞内施工环境，提高了施工效率，节约了劳力，更具人性化，同时速凝剂掺量实现自动化控制，降低了人为因素影响，显著提高了喷射混凝土质量，且喷射混凝土回弹率小，回弹率一般可控制在15%左右，减少了施工浪费，且机械手湿喷混凝土强度高，与格栅钢架形成的柔性支护共同承压能力强。自带仰拱模板的长大移动仰拱栈桥结构包括主栈桥和引桥，以及安装在主栈桥下部的支撑装置和行走装置，主栈桥两侧沿长度其长度方向对称设置有主栈桥主梁，主栈桥主梁上部连接有主栈桥副梁，主栈桥主梁和主栈桥副梁的两侧长度方向共同连接有多个等间距设置的成三角形结构的链接支架，引桥包括连接在主栈桥两端的前引桥和后引桥，支撑装置包括设置在主栈桥主梁前端的前承载支架和前引桥端头两侧的前引桥提升油缸，以及设置在主栈桥主梁后端的后承载支架和后本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大断面黄土隧道开挖及初期支护快速封闭成环技术，其特征在于：结合开挖揭示和超前钻探地质情况，利用自带仰拱模板的长大移动仰拱栈桥，采用三台阶四步开挖法，保证隧道初期支护快速闭合成环，主要包括如下步骤：S1、根据隧道围岩环境确定各台阶高度和长度并进行测量放样；S2、上台阶（1）开挖：上台阶（1）采用环形开挖，预留核心土（1.1），先从两侧拱腰土（1.3）向下开挖，然后开挖拱顶土（1.2），进一步人工清除上台阶拱脚土（1.4）并除渣；S3、中台阶（2）开挖：中台阶（2）采用左右两侧对称开挖，进一步人工清除中台阶拱脚土（2.3）并除渣；S4、利用机械手对上台阶（1）和中台阶（2）进行初喷封闭，安装上台阶拱架和中台阶钢架，拱架顶紧掌子面，打设超前小导管，拱架拱脚和钢架拱脚均采用垫板垫实，垫板下铺10cm细沙；同时，进行下台阶（3）开挖：先抬起架设在下台阶（3）表面的仰拱栈桥前引桥，进一步采用左右两侧对称开挖方式，一次开挖到设定长度并除渣，并进行初喷封闭；S5、上台阶弧形开挖面（I）、中台阶弧形开挖面（II）复喷混凝土，同时安装下台阶（3）钢架，进一步下台阶弧形开挖面（III）复喷混凝土；S6、仰拱开挖：仰拱开挖紧跟下台阶施工，并及时安装仰拱钢架，检验合格后进行仰拱的浇筑。...

【技术特征摘要】
1.一种大断面黄土隧道开挖及初期支护快速封闭成环技术，其特征在于：结合开挖揭示和超前钻探地质情况，利用自带仰拱模板的长大移动仰拱栈桥，采用三台阶四步开挖法，保证隧道初期支护快速闭合成环，主要包括如下步骤：S1、根据隧道围岩环境确定各台阶高度和长度并进行测量放样；S2、上台阶（1）开挖：上台阶（1）采用环形开挖，预留核心土（1.1），先从两侧拱腰土（1.3）向下开挖，然后开挖拱顶土（1.2），进一步人工清除上台阶拱脚土（1.4）并除渣；S3、中台阶（2）开挖：中台阶（2）采用左右两侧对称开挖，进一步人工清除中台阶拱脚土（2.3）并除渣；S4、利用机械手对上台阶（1）和中台阶（2）进行初喷封闭，安装上台阶拱架和中台阶钢架，拱架顶紧掌子面，打设超前小导管，拱架拱脚和钢架拱脚均采用垫板垫实，垫板下铺10cm细沙；同时，进行下台阶（3）开挖：先抬起架设在下台阶（3）表面的仰拱栈桥前引桥，进一步采用左右两侧对称开挖方式，一次开挖到设定长度并除渣，并进行初喷封闭；S5、上台阶弧形开挖面（I）、中台阶弧形开挖面（II）复喷混凝土，同时安装下台阶（3）钢架，进一步下台阶弧形开挖面（III）复喷混凝土；S6、仰拱开挖：仰拱开挖紧跟下台阶施工，并及时安装仰拱钢架，检验合格后进行仰拱的浇筑。2.根据权利要求1所述的大断面黄土隧道开挖及初期支护快速封闭成环技术，其特征在于：步骤S2上台阶开挖采用环向开挖上部弧形导坑，预留核心土，核心土长度宜为2～3m，宽度宜为隧道开挖宽度的1/3～1/2，循环进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5m，上台阶开挖是跨比应大于0.3。3.根据权利要求1所述的大断面黄土隧道开挖及初期支护快速封闭成环技术，其特征在于：步骤S3中左右两侧对称开挖，开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5m,开挖高度宜为3—3.5m。4.根据权利要求1所述的大断面黄土隧道开挖及初期支护快速封闭成环技术，其特征在于：仰拱的开挖长度为不得超过3米。5.根据权利要求1所述的大断面黄土隧道开挖及初期支护快速封闭成环技术，其特征在于：垫板采用改性聚氨酯垫板或泡沫铝合金垫板。6.根据权利要求1所述的大断面黄土隧道开挖及初期支护快速封闭成环技术，其特征在于：隧道各台阶开挖均采取人工配合松土器或铣挖头进行开挖，即先通过松土器或铣挖头开挖掌子面大面后再利用人工对掌子面进行轮廓修整，其中老黄土地层可采取铣挖头，新黄土...

【专利技术属性】
技术研发人员：田晓峰，赵香萍，鲍海荣，赵西民，李五红，张朝亮，张华，都强，徐磊，
申请(专利权)人：中铁十二局集团有限公司，中铁十二局集团第二工程有限公司，
类型：发明
国别省市：山西,14