《一種適用於鐵路大斷面Ⅳ，Ⅴ級圍岩隧道的開挖方法》是中鐵十二局集團有限公司於2007年8月17日申請的發明專利，該專利的公布號為：CN101105131，專利公布日：2008年1月16日，發明人：霍玉華、高治雙、祁璽劍、張金柱、徐家定等。
《一種適用於鐵路大斷面Ⅳ，Ⅴ級圍岩隧道的開挖方法》涉及鐵路隧道施工技術領域，具體為一種適用於鐵路大斷面Ⅳ、Ⅴ級圍岩隧道的開挖方法，解決2007年前鐵路隧道開挖方法存在作業空間狹小、工效低，施工方法不靈活、進度不穩定，圍岩易變形以及操作不便等問題，包括超前支護，開挖弧形導坑並預留核心土；交錯開挖中台階左右邊牆並預留核心土；交錯開挖下台階左右邊牆並預留核心土；依次開挖上、中、下台階預留核心土；開挖仰拱並施作初期支護等步驟，該發明施工空間大，可以多作業面平行作業，工效較高；在地質條件發生變化時，便於靈活、及時轉換其他施工方法；預留核心土，保持左右錯位開挖，利於開挖工作面穩定；當圍岩變形較大時，在保證安全和滿足淨空斷面的前提下，可儘快調整閉合時間。
2017年12月11日，《一種適用於鐵路大斷面Ⅳ，Ⅴ級圍岩隧道的開挖方法》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種適用於鐵路大斷面Ⅳ，Ⅴ級圍岩隧道的開挖方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種適用於鐵路大斷面Ⅳ，Ⅴ級圍岩隧道的開挖方法
- 公布號：CN101105131
- 公布日：2008年1月16日
- 申請號：2007101392274
- 申請日：2007年8月17日
- 申請人：中鐵十二局集團有限公司
- 地址：山西省太原市西礦街130號
- 發明人：霍玉華、高治雙、祁璽劍、張金柱、徐家定、黃直久、王毅東、彭斌、鮑海榮、趙華鋒、吳波、趙香萍、商崇倫
- Int. Cl.：E21D9/01(2006.01); E21D11/10(2006.01)
- 專利代理機構：山西太原科衛專利事務所
- 代理人：朱源
- 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
鐵路小斷面軟弱圍岩隧道的開挖方法主要有環形開挖預留核心土法和台階法等，當這兩種方法用於鐵路大斷面Ⅳ，V級圍岩隧道開挖時，其中環形開挖預留核心土法存在的問題有：
（1）作業空間狹小，不利於大型機械的施工，工效低，圍岩暴露時間長；
（2）地質條件發生變化時，不能靈活、及時地轉換施工方法，進度不穩定；
（3）上台階太高，施工不便。
台階法存在的問題有：
（1）不適應於Ⅳ，V級圍岩大斷面鐵路隧道，不能有效抑制圍岩的變形；
（2）地質條件發生變化時，不能靈活、及時地轉換施工方法，進度不穩定；
（3）上台階太高，未預留核心土，圍岩易失穩；
（4）上台階支護施作需加工作業平台，操作不便。
發明內容
專利目的
《一種適用於鐵路大斷面Ⅳ，Ⅴ級圍岩隧道的開挖方法》為了解決2007年前鐵路隧道開挖方法用於Ⅳ，V級圍岩大斷面隧道時存在作業空間狹小、工效低，施工方法不靈活、進度不穩定，圍岩易變形、不穩定以及施工操作不便等問題，提供一種適用於鐵路大斷面Ⅳ，V級圍岩隧道的開挖方法。
技術方案
《一種適用於鐵路大斷面Ⅳ，Ⅴ級圍岩隧道的開挖方法》的技術方案是：一種適用於鐵路大斷面Ⅳ，V級（一般為100-180平方米）圍岩隧道的開挖方法，首先按照隧道跨度和高度要求，將圍岩挖成具有下台階和中台階的階梯狀，然後包括以下步驟：
（1）施作超前支護後，沿開挖輪廓線環向開挖拱部弧形導坑，弧形導坑的高度為3.0-4.0米，開挖後立即噴射3-5厘米厚的混凝土封閉，並在中間預留上台階核心土，同時施作拱部初期支護，核心土沿隧道縱向長度為3-5米，寬度為隧道開挖跨度的1/3—1/2，高度為1.5-2.5米，根據初期支護鋼架間的距離確定開挖循環進尺，為保證隧道開挖安全，防止圍岩鬆弛，按設計要求做好超前支護，特別在斷層、破碎帶、淺埋段等自穩性較差和富水地層中，應加強超前支護；
（2）在拱部支護的保護下，交錯開挖中台階左右邊牆並預留核心土，同時施作初期支護，開挖循環進尺應根據初期支護鋼架間距確定，開挖過程中保持左右錯開2-3米；
（3）交錯開挖下台階左右邊牆並預留核心土，同時施作初期支護，開挖進尺應根據初期支護鋼架間距確定，開挖過程中保持左右錯開2-3米，此距離如果太長，當地質條件發生變化時，不能及時、靈活的閉合，以構成穩固的支護體系；該距離如果太短，易發生左右拱同時懸空，產生掉拱現象，極不安全；
（4）依次開挖上、中、下台階預留的核心土；
（5）開挖仰拱並施作初期支護，使支護體系封閉成環；
按照上述步驟不斷循環，實現隧道的開挖。
所述的開挖前按照隧道跨度和高度要求，將圍岩挖成具有下台階和中台階的階梯狀，這是鐵路隧道施工領域的技術人員很容易實現的，然後按照上述工法循環開挖；上述步驟中預留核心土的目的是防止正面土體往外擠壓，造成塌方；上述作為上台階的核心土的大小是該申請人在受力結構的理論分析基礎上，經過長期實踐經驗總結出來的。
所述初期支護的施工步驟為：
（1）初噴混凝土以封閉岩面；
（3）安裝鋼架；
（4）二次噴射混凝土。
所述仰拱施工步驟為：
（1）隧底開挖：採用全幅分段施工，上面鋪設仰拱棧橋，每循環開挖長度控制在2～3米；
（2）仰拱初期支護：隧底開挖後，及時清除虛硝、雜物、泥漿、積水，立即初噴3～5厘米厚混凝土封閉岩面，然後安裝仰拱鋼架並噴射混凝土，使初期支護及時閉合成環；
（3）仰拱混凝土澆築：每循環澆築長度為4～6米，仰拱成型採用浮放模板支架；
（4）仰拱填充混凝土澆築：澆筑前應清除仰拱表面的雜物和積水，待仰拱混凝土終凝後連續澆築，一次成型，填充混凝土強度達到5兆帕後允許行人通行，達到設計強度的100%後允許車輛通行，仰拱填充表面坡度應符合設計要求，應平順、排水通暢、不積水。
所述中台階和下台階的開挖高度為隧道總開挖高度減去上台階開挖高度後平均分配得到，一般為3.0-3.5米。
根據初期支護鋼架間的距離，確定上述各步驟的開挖循環進尺一般為不大於1.5米，當圍岩較穩定、牢固時，支護鋼架間的距離較大，開挖循環進尺較大；當圍岩較鬆動、易變形時，支護鋼架間的距離短，支護較密，開挖循環進尺較小。
改善效果
與2007年前的技術相比，《一種適用於鐵路大斷面Ⅳ，Ⅴ級圍岩隧道的開挖方法》具有以下優點：
（1）施工空間大，方便機械化施工，可以多作業面平行作業，部分軟岩或土質地段可以採用挖掘機直接開挖，工效較高；
（2）在地質條件發生變化時，便於靈活、及時轉換其他施工方法；
（3）適應不同跨度和多種斷面形式，尤其適用於Ⅳ，V級斷面圍岩的隧道開挖，而且初期支護工序操作簡便；
（4）在台階法開挖的基礎上，預留核心土，並保持左右錯位開挖，利於開挖工作面穩定；
（5）當圍岩變形較大時，在保證安全和滿足淨空斷面的前提下，可儘快調整閉合時間。
附圖說明
圖1為《一種適用於鐵路大斷面Ⅳ，Ⅴ級圍岩隧道的開挖方法》的開挖透視圖。
圖2為該發明施工工序正面示意圖。
圖3為該發明施工工序縱斷面示意圖。
圖4為該發明施工工序俯視圖。
圖5為該發明監控量測過程中淨空變化測點布置示意圖。
圖中：1-上台階，2-弧形導坑，3-中台階，4-核心土，5-下台階，6-核心土，7-仰拱，8-超前支護，9-初期支護。
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技術領域
《一種適用於鐵路大斷面Ⅳ，Ⅴ級圍岩隧道的開挖方法》涉及鐵路隧道施工技術領域，具體為一種適用於鐵路大斷面Ⅳ，V級圍岩隧道的開挖方法。
權利要求
1、《一種適用於鐵路大斷面Ⅳ，Ⅴ級圍岩隧道的開挖方法》其特徵是首先按照隧道跨度和高度要求，將圍岩挖成具有下台階5和中台階3的階梯狀，然後包括以下步驟：
（1）施作超前支護後，沿開挖輪廓線環向開挖拱部弧形導坑2，弧形導坑2的高度為3.0-4.0米，開挖後立即噴射3-5厘米厚的混凝土封閉，並在中間預留作為上台階1的核心土，同時施作拱部初期支護，核心土沿隧道縱向長度為3-5米，寬度為隧道開挖跨度的1/3—1/2，高度為1.5-2.5米，根據初期支護鋼架間的距離確定開挖循環進尺；
（2）在拱部支護的保護下，交錯開挖中台階3左右邊牆並預留核心土4，同時施作初期支護，開挖循環進尺應根據初期支護鋼架間距確定，開挖過程中保持左右錯開2-3米；
（3）交錯開挖下台階5左右邊牆並預留核心土6，同時施作初期支護，開挖進尺應根據初期支護鋼架間距確定，開挖過程中保持左右錯開2-3米；
（4）依次開挖上、中、下台階預留的核心土；
（5）開挖仰拱7並施作初期支護，使支護體系封閉成環；按照上述步驟不斷循環，實現隧道的開挖。
2、根據權利要求1所述的《一種適用於鐵路大斷面Ⅳ，Ⅴ級圍岩隧道的開挖方法》，其特徵是所述初期支護的施工步驟為：
（1）初噴混凝土以封閉岩面；
（2）施作系統錨桿，掛設鋼筋網；
（3）安裝鋼架；
（4）二次噴射混凝土。
3、根據權利要求1或2所述的《一種適用於鐵路大斷面Ⅳ，Ⅴ級圍岩隧道的開挖方法》，其特徵是所述仰拱施工步驟為：
（1）隧底開挖：採用全幅分段施工，上面鋪設仰拱棧橋，每循環開挖長度控制在2～3米；
（2）仰拱初期支護：隧底開挖後，及時清除虛殖、雜物、泥漿、積水，立即初噴3～5厘米厚混凝土封閉岩面，然後安裝仰拱鋼架並噴射混凝土，使初期支護及時閉合成環；
（3）仰拱混凝土澆築：每循環澆築長度為4～6米，仰拱成型採用浮放模板支架；
（4）仰拱填充混凝土澆築：澆筑前應清除仰拱表面的雜物和積水，待仰拱混凝土終凝後連續澆築，一次成型。
4、根據權利要求1或2所述的《一種適用於鐵路大斷面Ⅳ，Ⅴ級圍岩隧道的開挖方法》，其特徵是所述中台階3和下台階5的開挖高度為隧道總開挖高度減去上台階1開挖高度後平均分配得到。
5、根據權利要求1或2所述的《一種適用於鐵路大斷面Ⅳ，Ⅴ級圍岩隧道的開挖方法》，其特徵是上述各步驟的開挖循環進尺為不大於1.5米。
實施方式
《一種適用於鐵路大斷面Ⅳ，Ⅴ級圍岩隧道的開挖方法》，首先按照隧道跨度和高度要求，將圍岩挖成具有下台階5和中台階3的階梯狀，然後包括以下步驟：
（1）施作超前支護後，沿開挖輪廓線環向開挖拱部弧形導坑2，弧形導坑2的高度為3.0-4.0米，開挖後立即噴射3-5厘米厚的混凝土封閉，並在中間預留作為上台階1的核心土，同時施作拱部初期支護，核心土沿隧道縱向長度為3-5米，寬度為隧道開挖跨度的1/3-1/2，高度為1.5-2.5米，根據初期支護鋼架間的距離確定開挖循環進尺；
（2）在拱部支護的保護下，交錯開挖中台階3左右邊牆並預留核心土4，同時施作初期支護，開挖循環進尺應根據初期支護鋼架間距確定，開挖過程中保持左右錯開2-3米；
（3）交錯開挖下台階5左右邊牆並預留核心土6，同時施作初期支護，開挖進尺應根據初期支護鋼架間距確定，開挖過程中保持左右錯開2-3米；
（4）依次開挖上、中、下台階預留的核心土；
（5）開挖仰拱7並施作初期支護，使支護體系封閉成環；
按照上述步驟不斷循環，實現隧道的開挖。
上述各步驟的開挖循環進尺一般為不大於1.5米。所述中台階3和下台階5的開挖高度為隧道總開挖高度減去上台階1開挖高度後平均分配得到，—般為3.0~3.5米。
所述初期支護的施工步驟為：
（1）初噴混凝土以封閉岩面；
（2）施作系統錨桿，掛設鋼筋網；
（3）安裝鋼架；
（4）二次噴射混凝土。
所述仰拱施工步驟為：
（1）隧底開挖：採用全幅分段施工，上面鋪設仰拱棧橋，每循環開挖長度控制在2～3米；
（2）仰拱初期支護：隧底開挖後，及時清除虛碴雜物、泥漿、積水，立即初噴3～5厘米厚混凝土封閉岩面，然後安裝仰拱鋼架並噴射混凝土，使初期支護及時閉合成環；
（3）仰拱混凝土澆築：每循環澆築長度為4～6米，仰拱成型採用浮放模板支架；
（4）仰拱填充混凝土澆築：澆筑前應清除仰拱表面的雜物和積水，待仰拱混凝土終凝後連續澆築，一次成型。
在上述工藝過程中，監控測量工作必須緊跟開挖、支護作業進行布點和監測，量測數據運用工程類比法及時分析、反饋，調整支護參數，以保證施工和結構安全。
1、量測項目，見表1
序號 | 監測項目 | 測量方法和儀表 | 測量精度 | 備註 |
1 | 洞內、外觀察 | 現場觀察，地質羅盤 | ||
2 | 初期支護拱（牆）腳淨空 | 採用非接觸無尺量測法，全站夜 | 0.1毫米 | |
3 | 初期支護拱頂淨空 | 採用非接觸無尺量測法，全站儀 | 0.1毫米 | |
4 | 地表觀測點 | 水準測量的方法，水準儀 | 1毫米 | 淺埋隧道（H0≤2b）、洞口段、下穿高速公路（建築物）段必測 |
5 | 仰拱觀測點 | 水準測量的方法，水準儀 | 1毫米 |
註：H0—隧道埋深；b—隧道最大開挖寬度。
2、淨空變化測點布置，如圖5所示：其中A為拱頂觀測點，E為仰拱觀測點，
（1）上部弧形導坑開挖並施作拱部初期支護後，布設拱頂下沉A點和第一條淨空量測基線B—B，在3〜6小時內取得初讀數；
（2）中台階開挖並施作牆部初期支護後，布設第二條淨空量測基線C-C在3〜6小時內取得初讀數；
（3）下台階開挖並施作牆部初期支護後，布設第三條淨空量測基線D，在3〜6小時內取得初讀數；
（4）仰拱開挖並施作初期支護後布設仰拱觀測點E；
（5）其它量測項目應在開挖後12小時內取得初讀數，最遲不得超過24小時，且在下一循環開挖前完成；
（6）拱（牆）腳淨空變化、拱頂和仰拱觀測點應布設在同一斷面，便於分析、比較。
3、量測頻率
各測點取得初讀數據後，量測頻率按照“位移速度”和“量測斷面距開挖面距離”要求進行控制，量測頻率見表2。當變形突變時，應加大量測頻率。
按位移速度 | 按距開挖面距離 | ||
位移速度 （毫米/天） | 量測頻率 | 量測斷面距開挖面距離（米） | 量測頻率 |
≥5 | 2次/天 | （0〜1）b | 2次/天 |
1〜5 | 1次/天 | （1〜2）b | 1次/天 |
0.5〜1 | 1次/2〜3天 | （2〜5）b | 1次/2〜3天 |
0.2-0.5 | 1次/3天 | >5b | 1次/7天 |
<0.2 | 1次/7天 | ||
註：b—隧道開挖跨度。
4、量測數據分析、整理，繪製位移-時態曲線
（1）一般情況下開挖中台階時，A點和B—B基線會發生突變，中台階牆部初期支護施作完成後，變形趨於平緩；開挖下台階時，A點和C—C基線會發生突變，下台階牆部初期支護施作完成後，變形趨於平緩；隧底開挖時，A點和D—D基線會發生突變，仰拱初期支護施作完成，支護全環閉合後，變形趨於平緩。
（2）繪製位移-時間變化曲線
獲取現場量測數據後，及時繪製位移〜時間關係曲線，通過回歸分析預測最終位移值和各階段的位移速率。
5、監控量測管理
圍岩穩定性的綜合判別，應根據量測結果按以下方式進行。
（1）按變形管理等級指導施工，見表3。
管理等級 | 管理位移 | 施工狀態 |
Ⅲ | U<U0/3 | 可正常施工 |
Ⅱ | U0≤3≤U≤2U0/3 | 應加強支護 |
Ⅰ | U>2U0/3 | 停止開挖，加強支護 |
註：U為實測位移值；U0為最大允許位移值。 | ||
（2）根據位移變化速度判別
① 淨空變化速度大於5毫米/天時，為變形突變，應加強支護；
② 拱（牆）腳處淨空變化速度小於0.2毫米/天，拱頂下沉速度小於0.15毫米/天，圍岩基本穩定。
（3）根據位移時態曲線的形態來判別
① 當位移速率不斷下降時（du/dt<0），趨於穩定狀態；
② 當位移速率保持不變時（du/dt=0），不穩定，應加強支護；
③ 當位移速率不斷上升時（du/dt>0），危險狀態，應立即停止開挖，加強支護。
榮譽表彰
2017年12月11日，《一種適用於鐵路大斷面Ⅳ，Ⅴ級圍岩隧道的開挖方法》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
