一种偏压隧道施工方法技术

本发明专利技术公开了一种偏压隧道施工方法，包括步骤：步骤一、围岩基本力学参数确定；步骤二、隧道拱部支护方案与隧道侧墙支护方案确定；步骤三、隧道初期支护结构确定；步骤四、隧道开挖及隧道初期支护施工；步骤五、隧道二次衬砌施工；步骤六、下一节段施工：重复步骤一至步骤五，对下一节段进行施工；步骤七、多次重复步骤六，直至完成偏压隧道的全部施工过程。本发明专利技术方法步骤简单、实现方便且使用效果好，根据隧道侧墙失稳判断对隧道锚固支护体系所采用的支护结构进行设计，能有效控制偏压隧道侧墙围岩变形破坏，并且隧道拱部支护体系根据隧道侧墙处于稳定状态下顶板冒落拱矢高确定，能满足隧道稳固支护需求，并且施工成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种偏压隧道施工方法
本专利技术属于隧道施工
，尤其是涉及一种偏压隧道施工方法。
技术介绍
近年来，随着我国交通事业的飞跃发展，大量深埋山岭隧道将穿越富水高地应力区，施工面临突泥涌水、围岩挤压大变形甚至塌方等严重问题，若支护不及时或方式不当，易导致隧道断面缩小和支护结构失稳，严重影响隧道的快速施工和日后的安全运营。长期以来，众多专家学者对软岩隧道(也称软弱围岩隧道)的围岩变形机制及其支护技术进行了深入研究。何本国等以木寨岭高地应力隧道为工程背景，分析了构造应力场下软岩隧道变形特性、能量积聚、力学响应及塑性区规律；周艺等探讨了不同支护方案下强震区软岩隧道拱顶沉降、周边收敛、地表沉降及结构内力的变化关系；汪波等分析了强震区软岩隧道的大变形特征及其成因机制；张朝强等基于地应力实测结果，分析了软岩隧道开挖期的地应力场分布与围岩变形破坏特征；陈志敏通过对高地应力软岩隧道地应力的现场实测、理论研究与数值模拟，分析了隧道围岩与支护结构相互作用的力学机制；王树仁等分析了乌鞘岭隧道围岩的变形力学机制，提出了刚隙柔层支护技术；李鸿博等通过现场测试，分析了峡口高应力软岩公路隧道围岩变形规律及结构的受力特点，提出了高应力软岩隧道大变形的支护设计对策；邓博团等建立了软岩公路隧道围岩的应变软化本构模型。冒顶片帮是指矿井、隧道、涵洞开挖、衬砌过程中因开挖或支护不当，顶部或侧壁大面积垮塌造成伤害的事故。其中，隧道侧墙(也称隧道帮部、隧道侧壁或隧道边墙)在隧道围岩应力作用下变形、破坏而脱落的现象称为片帮，也称为侧墙病害；隧道顶部垮落称为冒顶。隧道开挖前，侧墙岩体处于三向应力原始稳定状态。隧道开挖后，隧道侧墙岩体所受横向水平应力被解除后变为二向应力状态，其抗压强度显著降低；同时，隧道围岩应力发生重新分布，其周边出现应力集中，侧墙岩体受力增加，当侧墙岩体的原生裂隙在隧道顶板(即隧道上方岩体)与隧道底板(即隧道下方岩体)夹持作用下的损伤积累到一定量值时，隧道侧墙便会失稳，从而出现拉裂-滑移式剪切破坏或单斜面剪切破坏。其中，当侧墙岩体中存在拉裂面时，隧道侧墙便会发生如图1-1所示的拉裂-滑移式剪切破坏，此时偏压隧道1的隧道侧墙围岩2中发生拉裂-滑移式剪切破坏的区域为侧墙拉裂滑移坍塌区3-1，q为隧道顶板作用于隧道侧墙围岩2上的均布压力；当侧墙岩体中不存在拉裂面时，隧道侧墙便会发生如图1-2所示的单斜面剪切破坏，此时偏压隧道1的隧道侧墙围岩2中发生单斜面剪切破坏的区域为侧墙单斜面坍塌区3-2。尽管目前在软岩隧道围岩变形及支护技术方面取得了较多的研究成果，关于软岩隧道塌方和底鼓的研究也较为深入，但对于软岩隧道中常见隧道片帮灾害的研究尚不多见，现场的片帮处治措施仍依赖于施工经验，治理效果也并不理想。尤其是对隧道侧墙失稳的软岩隧道而言，几乎没有可借鉴的施工经验。并且，当所施工软岩隧道为偏压隧道时，由于地形不对称或者地质岩层因素造成隧道结构两面荷载不对称，就形成了偏压，两侧隧道侧墙的围岩失稳状态不一致，隧道侧墙稳定控制施工难度更高。另外，实践表明普氏冒落拱基本理论在一定程度上反映了客观地压规律，但针对软岩工程尚存在以下不足：第一、缺乏对隧道侧墙(也称隧道帮部)失稳条件的研究：研究表明，隧道侧墙的稳定性与岩体自身的强度、隧道埋深及隧道开挖高度等因素密切相关：当隧道侧墙岩性及隧道埋深一定时，隧道高度越大，其稳定性越差；反之亦然；因此，对于某一确定的隧道侧墙而言，应存在一个使隧道侧墙失稳的临界高度；第二、缺乏对隧道侧墙不同情况剪切滑动的研究：当隧道侧墙不稳定时，侧墙将发生剪切破坏，如拉裂-滑移式剪切破坏和单斜面剪切破坏。因而，应用普氏冒落拱基本理论计算冒落拱矢高并确定围岩压力时往往存在偏差，这直接影响隧道支护参数确定的准确性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种偏压隧道施工方法，其方法步骤简单、实现方便且使用效果好，根据隧道侧墙失稳判断对隧道锚固支护体系所采用的支护结构进行设计，能有效控制偏压隧道侧墙围岩变形破坏，并且隧道拱部支护体系根据隧道侧墙处于稳定状态下顶板冒落拱矢高确定，能满足隧道稳固支护需求，并且施工成本低。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种偏压隧道施工方法，其特征在于：沿隧道纵向延伸方向由后向前分多个节段对偏压隧道进行施工，多个所述节段的施工方法均相同；所述偏压隧道为软岩隧道且其为浅埋隧道，所述偏压隧道的一侧埋深为H1且其另一侧埋深为H2，其中H1为偏压隧道的一侧隧道侧墙上部至地面的竖向高度，H2为偏压隧道的另一侧隧道侧墙上部至地面的竖向高度，H1＜H2，H2＜2B，其中B为偏压隧道的开挖宽度，H1、H2和B的单位均为m；对于任一节段进行施工时，包括以下步骤：步骤一、围岩基本力学参数确定：通过对现场所取岩样进行室内试验，对当前所施工节段的围岩基本力学参数进行测试，并对测试结果进行同步记录；步骤二、隧道拱部支护方案与隧道侧墙支护方案确定：所采用的隧道拱部支护方案为沿隧道延伸方向由前至后布设在开挖成型的隧道洞拱部的多个隧道拱部支护体系，多个所述隧道拱部支护体系的结构均相同，每个所述隧道拱部支护体系均布设于同一隧道断面上；每个所述隧道拱部支护体系包括多根由左至右布设在所述隧道洞拱部的拱部锚杆，多根所述拱部锚杆均布设在同一隧道横断面上；对当前所施工节段的左右隧道侧墙所采用的隧道侧墙支护方案分别确定，两个所述隧道侧墙所采用隧道侧墙支护方案的确定方法相同；对任一个所述隧道侧墙所采用的隧道侧墙支护方案进行确定时，对该隧道侧墙是否需采用隧道侧墙支护体系以及所采用隧道侧墙支护体系的支护结构分别进行确定；所述隧道侧墙支护体系为第一隧道侧墙支护体系或第二隧道侧墙支护体系；所述第一隧道侧墙支护体系包括多个沿隧道延伸方向由后向前布设的第一侧墙支护单元，多个所述第一侧墙支护单元的结构均相同，每个所述第一侧墙支护单元均布设于同一隧道断面上；所述第二隧道侧墙支护体系包括多个沿隧道延伸方向由后向前布设的第二侧墙支护单元，多个所述第二侧墙支护单元的结构均相同，每个所述第二侧墙支护单元均布设于同一隧道断面上；所述第一侧墙支护单元和所述第二侧墙支护单元的数量均与所述隧道拱部支护体系的数量相同，每个所述隧道拱部支护体系所布设的隧道横断面均为一个所述第一侧墙支护单元和/或一个所述第二侧墙支护单元所布设的隧道横断面；每个所述第一侧墙支护单元均为对开挖成型的隧道洞侧墙上的侧墙拉裂滑移坍塌区进行支护的非对称式支护结构，所述侧墙拉裂滑移坍塌区的上部与所述隧道洞的侧墙上部相平齐，所述侧墙拉裂滑移坍塌区的横截面为直角梯形且其包括上部拉裂区和位于所述上部拉裂区正下方的下部滑移区，所述上部拉裂区的横截面为矩形，所述下部滑移区的横截面为直角三角形且其上部宽度与所述上部拉裂区的宽度相同；每个所述第一侧墙支护单元均包括侧墙深层支护结构和位于所述侧墙深层支护结构正下方的侧墙浅层支护结构；所述侧墙深层支护结构包括一根呈水平布设且对所述上部拉裂区进行支护的侧墙锚索，所述侧墙浅层支护结构包括多根由上至下对所述下部滑移区进行支护的第一侧墙锚杆，多根所述第一侧墙锚杆呈平行布设且其均由内至外逐渐向下倾斜；每个所述第二侧墙支护单元均为对所述隧道洞侧墙上的侧墙单本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种偏压隧道施工方法，其特征在于：沿隧道纵向延伸方向由后向前分多个节段对偏压隧道(1)进行施工，多个所述节段的施工方法均相同；所述偏压隧道(1)为软岩隧道且其为浅埋隧道，所述偏压隧道(1)的一侧埋深为H1且其另一侧埋深为H2，其中H1为偏压隧道(1)的一侧隧道侧墙上部至地面的竖向高度，H2为偏压隧道(1)的另一侧隧道侧墙上部至地面的竖向高度，H1＜H2，H2＜2B，其中B为偏压隧道(1)的开挖宽度，H1、H2和B的单位均为m；对于任一节段进行施工时，包括以下步骤：步骤一、围岩基本力学参数确定：通过对现场所取岩样进行室内试验，对当前所施工节段的围岩基本力学参数进行测试，并对测试结果进行同步记录；步骤二、隧道拱部支护方案与隧道侧墙支护方案确定：所采用的隧道拱部支护方案为沿隧道延伸方向由前至后布设在开挖成型的隧道洞拱部的多个隧道拱部支护体系，多个所述隧道拱部支护体系的结构均相同，每个所述隧道拱部支护体系均布设于同一隧道断面上；每个所述隧道拱部支护体系包括多根由左至右布设在所述隧道洞拱部的拱部锚杆(7)，多根所述拱部锚杆(7)均布设在同一隧道横断面上；对当前所施工节段的左右隧道侧墙所采用的隧道侧墙支护方案分别确定，两个所述隧道侧墙所采用隧道侧墙支护方案的确定方法相同；对任一个所述隧道侧墙所采用的隧道侧墙支护方案进行确定时，对该隧道侧墙是否需采用隧道侧墙支护体系以及所采用隧道侧墙支护体系的支护结构分别进行确定；所述隧道侧墙支护体系为第一隧道侧墙支护体系或第二隧道侧墙支护体系；所述第一隧道侧墙支护体系包括多个沿隧道延伸方向由后向前布设的第一侧墙支护单元，多个所述第一侧墙支护单元的结构均相同，每个所述第一侧墙支护单元均布设于同一隧道断面上；所述第二隧道侧墙支护体系包括多个沿隧道延伸方向由后向前布设的第二侧墙支护单元，多个所述第二侧墙支护单元的结构均相同，每个所述第二侧墙支护单元均布设于同一隧道断面上；所述第一侧墙支护单元和所述第二侧墙支护单元的数量均与所述隧道拱部支护体系的数量相同，每个所述隧道拱部支护体系所布设的隧道横断面均为一个所述第一侧墙支护单元和/或一个所述第二侧墙支护单元所布设的隧道横断面；每个所述第一侧墙支护单元均为对开挖成型的隧道洞侧墙上的侧墙拉裂滑移坍塌区(3‑1)进行支护的非对称式支护结构，所述侧墙拉裂滑移坍塌区(3‑1)的上部与所述隧道洞的侧墙上部相平齐，所述侧墙拉裂滑移坍塌区(3‑1)的横截面为直角梯形且其包括上部拉裂区和位于所述上部拉裂区正下方的下部滑移区，所述上部拉裂区的横截面为矩形，所述下部滑移区的横截面为直角三角形且其上部宽度与所述上部拉裂区的宽度相同；每个所述第一侧墙支护单元均包括侧墙深层支护结构和位于所述侧墙深层支护结构正下方的侧墙浅层支护结构；所述侧墙深层支护结构包括一根呈水平布设且对所述上部拉裂区进行支护的侧墙锚索(4)，所述侧墙浅层支护结构包括多根由上至下对所述下部滑移区进行支护的第一侧墙锚杆(5)，多根所述第一侧墙锚杆(5)呈平行布设且其均由内至外逐渐向下倾斜；每个所述第二侧墙支护单元均为对所述隧道洞侧墙上的侧墙单斜面坍塌区(3‑2)进行支护的支护结构，所述侧墙单斜面坍塌区(3‑2)的上部与所述隧道洞的侧墙上部相平齐，所述侧墙单斜面坍塌区(3‑2)的横截面为三角形；每个所述第二侧墙支护单元均包括多根由上至下对所述下部滑移区进行支护的第二侧墙锚杆(6)，多根所述第二侧墙锚杆(6)均呈水平布设；对任一个所述隧道侧墙所采用的隧道侧墙支护方案进行确定时，过程如下：步骤201、隧道侧墙失稳判断：结合步骤一中所确定的围岩基本力学参数，且根据公式...

【技术特征摘要】
1.一种偏压隧道施工方法，其特征在于：沿隧道纵向延伸方向由后向前分多个节段对偏压隧道(1)进行施工，多个所述节段的施工方法均相同；所述偏压隧道(1)为软岩隧道且其为浅埋隧道，所述偏压隧道(1)的一侧埋深为H1且其另一侧埋深为H2，其中H1为偏压隧道(1)的一侧隧道侧墙上部至地面的竖向高度，H2为偏压隧道(1)的另一侧隧道侧墙上部至地面的竖向高度，H1＜H2，H2＜2B，其中B为偏压隧道(1)的开挖宽度，H1、H2和B的单位均为m；对于任一节段进行施工时，包括以下步骤：步骤一、围岩基本力学参数确定：通过对现场所取岩样进行室内试验，对当前所施工节段的围岩基本力学参数进行测试，并对测试结果进行同步记录；步骤二、隧道拱部支护方案与隧道侧墙支护方案确定：所采用的隧道拱部支护方案为沿隧道延伸方向由前至后布设在开挖成型的隧道洞拱部的多个隧道拱部支护体系，多个所述隧道拱部支护体系的结构均相同，每个所述隧道拱部支护体系均布设于同一隧道断面上；每个所述隧道拱部支护体系包括多根由左至右布设在所述隧道洞拱部的拱部锚杆(7)，多根所述拱部锚杆(7)均布设在同一隧道横断面上；对当前所施工节段的左右隧道侧墙所采用的隧道侧墙支护方案分别确定，两个所述隧道侧墙所采用隧道侧墙支护方案的确定方法相同；对任一个所述隧道侧墙所采用的隧道侧墙支护方案进行确定时，对该隧道侧墙是否需采用隧道侧墙支护体系以及所采用隧道侧墙支护体系的支护结构分别进行确定；所述隧道侧墙支护体系为第一隧道侧墙支护体系或第二隧道侧墙支护体系；所述第一隧道侧墙支护体系包括多个沿隧道延伸方向由后向前布设的第一侧墙支护单元，多个所述第一侧墙支护单元的结构均相同，每个所述第一侧墙支护单元均布设于同一隧道断面上；所述第二隧道侧墙支护体系包括多个沿隧道延伸方向由后向前布设的第二侧墙支护单元，多个所述第二侧墙支护单元的结构均相同，每个所述第二侧墙支护单元均布设于同一隧道断面上；所述第一侧墙支护单元和所述第二侧墙支护单元的数量均与所述隧道拱部支护体系的数量相同，每个所述隧道拱部支护体系所布设的隧道横断面均为一个所述第一侧墙支护单元和/或一个所述第二侧墙支护单元所布设的隧道横断面；每个所述第一侧墙支护单元均为对开挖成型的隧道洞侧墙上的侧墙拉裂滑移坍塌区(3-1)进行支护的非对称式支护结构，所述侧墙拉裂滑移坍塌区(3-1)的上部与所述隧道洞的侧墙上部相平齐，所述侧墙拉裂滑移坍塌区(3-1)的横截面为直角梯形且其包括上部拉裂区和位于所述上部拉裂区正下方的下部滑移区，所述上部拉裂区的横截面为矩形，所述下部滑移区的横截面为直角三角形且其上部宽度与所述上部拉裂区的宽度相同；每个所述第一侧墙支护单元均包括侧墙深层支护结构和位于所述侧墙深层支护结构正下方的侧墙浅层支护结构；所述侧墙深层支护结构包括一根呈水平布设且对所述上部拉裂区进行支护的侧墙锚索(4)，所述侧墙浅层支护结构包括多根由上至下对所述下部滑移区进行支护的第一侧墙锚杆(5)，多根所述第一侧墙锚杆(5)呈平行布设且其均由内至外逐渐向下倾斜；每个所述第二侧墙支护单元均为对所述隧道洞侧墙上的侧墙单斜面坍塌区(3-2)进行支护的支护结构，所述侧墙单斜面坍塌区(3-2)的上部与所述隧道洞的侧墙上部相平齐，所述侧墙单斜面坍塌区(3-2)的横截面为三角形；每个所述第二侧墙支护单元均包括多根由上至下对所述下部滑移区进行支护的第二侧墙锚杆(6)，多根所述第二侧墙锚杆(6)均呈水平布设；对任一个所述隧道侧墙所采用的隧道侧墙支护方案进行确定时，过程如下：步骤201、隧道侧墙失稳判断：结合步骤一中所确定的围岩基本力学参数，且根据公式计算得出当前所判断隧道侧墙失稳时的临界高度hcr；再将计算得出的临界高度hcr与所述隧道洞的侧墙设计高度h3进行比较：当h3≤hcr时，判断得出当前所判断隧道侧墙处于稳定状态，并判断得出当前所判断隧道侧墙无需采用隧道侧墙支护体系，完成当前所判断隧道侧墙的隧道侧墙支护方案确定过程；当hcr＜h3≤h0max时，判断得出当前所判断隧道侧墙处于拉裂-滑移式剪切破坏状态，同时判断得出当前所判断隧道侧墙采用的隧道侧墙支护体系为第一隧道侧墙支护体系，并进入步骤202；当h3＞h0max时，判断得出当前所判断隧道侧墙处于单斜面剪切破坏状态，同时判断得出当前所判断隧道侧墙采用的隧道侧墙支护体系为第二隧道侧墙支护体系，并进入步骤203；其中，h0max为当前所判断隧道侧墙处于拉裂-滑移式剪切破坏状态下的上限高度且为当前所判断隧道侧墙围岩岩体的内摩擦角，c为当前所判断隧道侧墙围岩岩体的粘聚力，γ为当前所判断隧道侧墙围岩岩体的平均容重；c的单位为Pa，γ的单位为N/m3，h3、h0max和hcr的单位均为m；H为偏压隧道(1)中当前所判断隧道侧墙一侧的埋深且H＝H1或H2；步骤202、隧道侧墙处于拉裂-滑移式剪切破坏状态下隧道侧墙支护方案确定，过程如下：步骤2021、侧墙拉裂滑移坍塌区的滑移面倾角、内侧高度、外侧高度与坍塌宽度确定：结合步骤一中所确定的围岩基本力学参数，且根据公式计算得出当前所施工节段的侧墙拉裂滑移坍塌区(3-1)的滑移面倾角α；式中，ψ为当前所施工节段的隧道侧墙围岩岩体的剪胀角；所述侧墙拉裂滑移坍塌区(3-1)的滑移面倾角α为侧墙拉裂滑移坍塌区(3-1)中所述下部滑移区的滑移面与水平面之间的夹角；再根据公式和分别计算得出当前所施工节段的侧墙拉裂滑移坍塌区(3-1)的内侧高度h0、外侧高度z和坍塌宽度b，h0、z和b的单位均为m，α＜90°；其中，q为当前所施工节段的上覆岩层作用于当前所判断隧道侧墙的隧道侧墙围岩(2)上的均布压力且q＝γ0(h1+h2)，γ0为当前所施工节段的上覆岩层的平均容重，γ0的单位为N/m3；h1为当前所判断隧道侧墙处于拉裂-滑移式剪切破坏时的冒落拱矢高且h4为所述隧道洞的设计开挖高度，h2+h3＝h4，h2为所述隧道洞的拱部设计高度，h1、h2和h4的单位均为m；f为当前所施工节段上覆岩层的坚固性系数；所述上部拉裂区的高度为z且其宽度为b，所述下部滑移...

【专利技术属性】
技术研发人员：于远祥，王赋宇，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61