《一種岩質超大斷面隧道鋼架岩牆組合豎撐分部開挖方法》是中鐵四局集團有限公司、西南交通大學於2017年11月1日申請的專利，該專利申請號：2017110595040，專利公布號：CN108035733A，專利公布日：2018年5月15日，發明人是：余誠、張振、陳文尹、金飛、姚大闖、李保文、杜江山、馮翼蒙、趙耀。
《一種岩質超大斷面隧道鋼架岩牆組合豎撐分部開挖方法》提供了一種岩質超大斷面隧道鋼架岩牆組合豎撐分部開挖方法，具體為：設定隧道的開挖斷面為：左上導洞為第一開挖部，右上導洞為第二開挖部，左上導洞和右上導洞組成上開挖部；左下導洞為第三開挖部，右下導洞為第四開挖部，岩牆為第五開挖部，左下導洞、右下導洞和岩牆組成下開挖部；還包括第一支護部、第二支護部、第三支護部、第四支護部和第五支護部；對各開挖部依次開挖，並對相應支護部進行初期支護；在整個開挖過程中，保持第二開挖部滯後於第一開挖部，第三開挖部滯後於第二開挖部，第四開挖部滯後於第三開挖部。《一種岩質超大斷面隧道鋼架岩牆組合豎撐分部開挖方法》在超大斷面隧道情況下便於大型機械施作，開挖速度快，經濟效益明顯。
2021年8月16日，《一種岩質超大斷面隧道鋼架岩牆組合豎撐分部開挖方法》獲得安徽省第八屆專利獎優秀獎。
（概述圖為《一種岩質超大斷面隧道鋼架岩牆組合豎撐分部開挖方法》的摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種岩質超大斷面隧道鋼架岩牆組合豎撐分部開挖方法
- 公布號：CN108035733A
- 公布日：2018年5月15日
- 申請號：2017110595040
- 申請日：2017年11月1日
- 申請人：中鐵四局集團有限公司、西南交通大學
- 地址：安徽省合肥市望江東路96號
- 發明人：余誠、張振、陳文尹、金飛、姚大闖、李保文、杜江山、馮翼蒙、趙耀
- Int.Cl.：E21D9/14(2006.01)I、E21D11/18(2006.01)I、E21D9/00(2006.01)I
- 專利代理機構：成都信博專利代理有限責任公司
- 代理人：張輝
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
據資料顯示，隨著中國交通運輸行業的進一步發展，大量的大斷面隧道工程出現。截至2017年11月，淺埋大斷面隧道施工，全球主要採用台階法、CD法、CRD法和雙側壁導坑法等分步施工方法。主要思路是化大斷面為小斷面，減小隧道單次開挖的跨度，這樣有利於隨道的施工的穩定性和安全性。
1.台階法和台階分部法，由於傳統的施工方法的影響，我國大多數隧道都採用了這種方法，這種施工方法使用設備簡單、費用較低、工序簡單。但由於隧道開挖跨度大、高跨比小，開挖時初期支護不能及時封閉，造成較大的風險。
2.CD法（中隔壁法），它將開挖斷面分成左右兩部分，使開挖掌子面減小，變大跨度為小跨度開挖，促進掌子面和頂板穩定，抑制拱頂沉降和地表下沉。
3.CRD法（交叉中壁工法），是中隔壁法和台階法的綜合。
4.雙側壁導坑法，變大跨度為小跨度開挖、變大斷面為小斷面開挖，有助於確認地質條件，對地表的影響較小，比較適用於圍岩穩定性差、大跨度隧道的施工，在全球這種開挖方法運用比較廣泛。日本的港南隧道、中國的中山門隧道、真武山隧道等均採用了這種開挖方法。
以上這些方法存在一些問題，比如施工工序複雜，對圍岩的多次擾動和各種工法間轉換困難、工期長、造價高、施工質量差等。在IV級圍岩、III級淺埋及偏壓段等，往往設計採用CD法進行開挖，存在臨時支撐體系拆除慢、工期長、成本高等特點。如採用中隔壁台階法施工，則又存在上台階中隔壁和下台階一次開挖面積過大，容易引起圍岩失穩的情況。
發明內容
專利目的
《一種岩質超大斷面隧道鋼架岩牆組合豎撐分部開挖方法》所要解決的技術問題是提供一種岩質超大斷面隧道鋼架岩牆組合豎撐分部開挖方法，利用硬質圍岩自身地基承載力高的特點，開挖過程中預留部分下半斷面中部岩體作為岩牆和上半斷面的鋼架組合形成臨時豎撐，達到減少臨時支護的施作和拆除、加快施工進度及降低工程造價的作用，經濟效益明顯。
技術方案
《一種岩質超大斷面隧道鋼架岩牆組合豎撐分部開挖方法》包括以下步驟：步驟1：設定隧道的開挖斷面為：左上導洞為第一開挖部，右上導洞為第二開挖部，所述左上導洞和右上導洞組成上開挖部；左下導洞為第三開挖部，右下導洞為第四開挖部，岩牆為第五開挖部，所述左下導洞、右下導洞和岩牆組成下開挖部；還包括第一支護部、第二支護部、第三支護部、第四支護部和第五支護部，其中，第一支護部為第一開挖部所對應的左側拱部初期支護及豎向支撐，第二支護部為第二開挖部的右側拱部初期支護，第三支護部為第三開挖部所對應的左側邊牆初期支護，第四支護部為第四支護部所對應的右側邊牆初期支護，第五支護部為第五開挖部對應的下部仰拱部位初期支護；步驟2：對第一開挖部進行開挖，再對第一支護部進行支護，以及對第二支護部進行豎向支撐；步驟3：對第二開挖部進行開挖，再對第二支護部進行初期支護；步驟4：對第三開挖部進行開挖，再對第三開挖部作作邊牆的初期支護落底；步驟5：對第四開挖部進行開挖，再對第四開挖部作右側邊牆的初期支護落底；此時，第二支護部的豎向支撐和第五開挖部組合一個整體豎向支撐，減小隧道的跨徑； 步驟6：對第五開挖部進行開挖，再開挖第二支護部中隔壁，作第三支護部和第四支護部的初期支護，最後作防水層和第五支護部的二次襯砌；在整個開挖過程中，保持第二開挖部滯後於第一開挖部，第三開挖部滯後於第二開挖部，第四開挖部滯後於第三開挖部。
進一步的，第二開挖部滯後第一開挖部15米，第三開挖部滯後第二開挖部3—5米，第四開挖部滯後第三開挖部3—5米。進一步的，在整個開挖過程中，保持各開挖部的開挖斷面和各開挖部的縱向間距，開挖輪廓線要圓順，減少應力集中。進一步的，根據圍岩情況，在在隧道開挖前還包括超前支護。進一步的，所述超期支護採用超前小導管進行支護。進一步的，所述超期支護採用超前錨桿進行支護。進一步的，該岩質超大斷面隧道鋼架岩牆組合豎撐分部開挖方法適用於IV級圍岩、III級淺埋及偏壓段。
改善效果
1）有效地利用了硬質圍岩的地基承載力高的特點，其和上部鋼架組合形成豎向支撐，保證了超大斷面開挖過程中的安全和穩定；
2）臨時支撐的減少，將有助於減少臨時支撐的施作及拆除工作量，加快施工速度並有效減少建設成本；
3）該方法可以根據上台階開挖過程中揭露的圍岩情況進行開挖方法的調整，當圍岩條件比較差的時候，可以在下台階開挖過程中使鋼架落底，轉換成CD法開挖，當圍岩條件好的時候，可以轉換為中隔壁台階法。
附圖說明
圖1為《一種岩質超大斷面隧道鋼架岩牆組合豎撐分部開挖方法》開挖方法的施工正面圖。
圖2為《一種岩質超大斷面隧道鋼架岩牆組合豎撐分部開挖方法》開挖方法的側面圖。
圖3為《一種岩質超大斷面隧道鋼架岩牆組合豎撐分部開挖方法》開挖方法的平面圖。
圖4為《一種岩質超大斷面隧道鋼架岩牆組合豎撐分部開挖方法》開挖方法的流程示意圖。
圖5為《一種岩質超大斷面隧道鋼架岩牆組合豎撐分部開挖方法》開挖方法的開挖效果模型圖。
技術領域
發明涉及隧道及地下結構中岩質超大斷面爆破法開挖領域，特別是一種岩質超大斷面隧道鋼架岩牆組合豎撐分部開挖方法。
權利要求
1.《一種岩質超大斷面隧道鋼架岩牆組合豎撐分部開挖方法》其特徵在於，包括以下步驟：步驟1：設定隧道的開挖斷面為：左上導洞為第一開挖部，右上導洞為第二開挖部，所述左上導洞和右上導洞組成上開挖部；左下導洞為第三開挖部，右下導洞為第四開挖部，岩牆為第五開挖部，所述左下導洞、右下導洞和岩牆組成下開挖部；還包括第一支護部、第二支護部、第三支護部、第四支護部和第五支護部，其中，第一支護部為第一開挖部所對應的左側拱部初期支護及豎向支撐，第二支護部為第二開挖部的右側拱部初期支護，第三支護部為第三開挖部所對應的左側邊牆初期支護，第四支護部為第四開挖部所對應的右側邊牆初期支護，第五支護部為第五開挖部對應的下部仰拱部位初期支護；步驟2：對第一開挖部進行開挖，主洞邊牆及臨時中隔壁初噴，再對第一支護部進行支護，包括左側拱部初期支護及豎向支撐，左側拱部初期支護採用中空注漿錨桿、Φ8鋼筋網片、I20b型鋼拱架；豎向支撐採用小導管、Φ8鋼筋網片、I18臨時型鋼拱架；步驟3：對第二開挖部進行開挖，再對第二支護部進行初期支護；步驟4：對第三開挖部進行開挖，再對第三開挖部作邊牆的初期支護落底；步驟5：對第四開挖部進行開挖，再對第四開挖部作右側邊牆的初期支護落底；此時，第一支護部的豎向支撐和第五開挖部組合一個整體豎向支撐，減小隧道的跨徑；步驟6：對第五開挖部進行開挖，再開挖臨時中隔壁，作第三支護部和第四支護部的初期支護，最後作防水層和第五支護部的二次襯砌；在整個開挖過程中，保持第二開挖部滯後於第一開挖部，第三開挖部滯後於第二開挖部，第四開挖部滯後於第三開挖部；根據圍岩情況，在隧道開挖前還包括超前支護；超前支護採用超前小導管進行支護。
2.如權利要求1所述的一種岩質超大斷面隧道鋼架岩牆組合豎撐分部開挖方法，其特徵在於，第二開挖部滯後第一開挖部15米，第三開挖部滯後第二開挖部3—5米，第四開挖部滯後第三開挖部3—5米。
3.如權利要求1所述的一種岩質超大斷面隧道鋼架岩牆組合豎撐分部開挖方法，其特徵在於，在整個開挖過程中，保持各開挖部的開挖斷面和各開挖部的縱向間距，開挖輪廓線要圓順，減少應力集中。
4.如權利要求1所述的一種岩質超大斷面隧道鋼架岩牆組合豎撐分部開挖方法，其特徵在於，所述超前支護採用超前錨桿替換超前小導管進行支護。
5.如權利要求1所述的一種岩質超大斷面隧道鋼架岩牆組合豎撐分部開挖方法，其特徵在於，該岩質超大斷面隧道鋼架岩牆組合豎撐分部開挖方法適用於IV級圍岩、III級淺埋及偏壓段。
實施方式
《一種岩質超大斷面隧道鋼架岩牆組合豎撐分部開挖方法》用於隧道及地下結構中岩質超大斷面（面積大於170米2）的分部開挖，斷面根據先後開挖的順序劃分為5個部分，上半斷面劃分為兩個部分，中間採用鋼架作為中隔壁支撐進行斷面的減跨作用，下半斷面劃分為三部分，中間的部分和上半斷面的中隔壁一起組成豎向支撐，待初期支護變形穩定後最後拆除。具體做法是：1）如圖1所示，隧道的斷面劃分為5個部分，分別描述為1部—左上導洞（第一開挖部），2部—右上導洞（第二開挖部），3部—左下導洞（第三開挖部），4部—右下導洞（第四開挖部），5部—岩牆（第五開挖部），根據數字順序依次進行開挖。2）如圖1所示，相對應開挖的分部，初期支護劃分為I部（第一支護部）、III部（第三支護部）和IV部（第四支護部），上半斷面豎支撐鋼架為II部（第二支護部），二次襯砌為V部（第五支護部）。3）開挖過程：開挖完1部左上導洞後作I部初期支護及II部上台階鋼架豎支撐，開挖完2部右上導洞後作III部初期支護，然後開挖3部左下導洞後作邊牆的初期支護落底，開挖4部右下導洞後作右側邊牆的初期支護落底，最後開挖5部岩牆及II部中隔壁，作IV部初期支護，最後作防水層和V部二次襯砌。4）開挖1部左上導洞，2部右上導洞滯後1部左上導洞15米，3部左下導洞滯後2部右上導洞3—5米，4部右下導洞滯後3部左下導洞3—5米。5）保持各開挖部開挖斷面和各開挖部的縱向間距，開挖輪廓線要圓順，以減少出現應力集中現象。
下面通過一個具體套用實例對《一種岩質超大斷面隧道鋼架岩牆組合豎撐分部開挖方法》方法和效果進行驗證說明。
1、超前支護
根據圍岩的情況，可以選擇超前小導管或者超前錨桿進行支護，現提供以下的超前小導管參數作為參考。洞身採用單排（無縫鋼管）超前小導管支護，小導管單根長度4.5米，外插角5—7°。上台階中隔壁採用（無縫鋼管）超前小導管支護，小導管單根長度4.0米，外插角5—8°，搭接長度1.0米。
2、上台階開挖
先行開挖左側導坑1部，左側導坑超前長度大於15米後開挖上台階右側導坑2部。開挖採用弱爆破為主，軟弱破碎岩層採用機械開挖方式。開挖進尺控制在2-3榀鋼架距離為宜。左側導坑1部開挖完成且主洞邊牆及臨時中隔壁初噴後，主洞洞身支護採用中空注漿錨桿、Φ8鋼筋網片（20*20）、I20b型鋼拱架。臨時中隔壁支護採用小導管、Φ8鋼筋網片（20*20）、I18臨時型鋼拱架，縱向間距同主洞洞身鋼架間距，鋼架縱向設連線鋼筋連線，拱腳處施作鎖腳錨桿，以加強鋼支撐的穩定。右側導坑2部施工時，要採用弱爆破進行施工，以減少對上台階臨時中隔壁的擾動，並及時按設計進行初期支護施工，確保臨時支撐的穩定性。邊牆初期支護拱架落在堅實的基礎上，施工鎖腳錨桿及縱向連線筋，鎖腳錨桿長度3米；臨時中隔牆鋼拱架底部設鋼板且落在平整堅實的5部頂部，同時做好縱向連線鋼筋及鎖腳錨桿的施作，鎖腳錨桿長度為1.5米。儘量縮短初期支護時間，必要時進行破碎圍岩掌子面噴射混凝土臨時支護。邊牆初期支護噴射C25混凝土28c米厚，臨時中隔牆噴射C25混凝土厚20c米，噴射混凝土採用濕噴工藝，使隧道初期支護封閉成環。
3、下台階開挖
上台階導坑開挖大於15米後，開挖下台階導坑，並施作初期支護，3部落後2部3-5米，4部落後3部3-5米。保持各分部開挖斷面和各部的縱向間距，開挖輪廓線要圓順，以減少出現應力集中現象。下台階左右兩側導坑3部和4部開挖採用弱爆破，儘量減小對下台階中部核心土5部的擾動，下台階核心土5部預留寬度頂部寬度為9米，底部寬度為10.5米。
4、中隔壁開挖
臨時支撐拆除一定要等圍岩變形穩定後才能進行。一次拆除長度應根據量測數據分析慎重確定，並加強拆除過程監控量測，一次拆除長度不宜超過4榀。中隔壁混凝土拆除時，要防止對初期支護系統形成大的震動和擾動。臨時支撐拆除後，隨時進行監控量測，數據穩定後，立即進行核心土5部開挖。核心土5部開挖完成後，及時進行仰拱鋼拱架安裝及封閉成環施工。
榮譽表彰
2021年8月16日，《一種岩質超大斷面隧道鋼架岩牆組合豎撐分部開挖方法》獲得安徽省第八屆專利獎優秀獎。
