CN101144384A - 隧道工程非***弱扰动开挖施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道工程非***弱扰动开挖施工方法，其施工工序主要包括：(1)建立冻结帷幕模型，对冻结帷幕进行受力分析；(2)根据冻结帷幕模型及其受力分析，实施冻结；(3)分部开挖：采用CRD法，引进自由断面掘进机进行隧道开挖，至少分IV部进行；其它施工工序和施工条件参照现有技术地下工程施工方法。本发明施工方法在施工质量好，可有效减少在开挖过程中对冻结帷幕的多次扰动，对地层扰动小，对周边环境影响小，可大大提高开挖工效，确保支护的及时性，保证开挖过程中冻结壁及冻结管路的绝对安全，实现对城市地下隧道工程的非***弱扰动开挖施工。

Description

隧道工程非***弱扰动开挖施工方法

技术领域

本发明涉及一种隧道工程非***弱扰动开挖施工方法，属于地下工程开挖施工技术领域。

背景技术

我国现有隧道工程的开挖主要采用矿山法施工或人工开挖法施工。

矿山法(Mine Tunneling Method)一般是指埋置于基岩，用传统钻爆法或臂式掘进机开挖隧道的方法，也称为钻爆法；具有施工工艺简单、应用灵活、减少拆迁和交通疏解、造价合理等优点，一般适用于线路埋深较大、地质条件较好的工程项目。但矿山法也存在弊端，由于矿山法采用***或机械掘进开挖硐室，对周围岩体的扰动比较大；此外，矿山法对地质勘探要求较高，对围岩地质情况的预见性较差，需要超前地质探明和预报。

但有些具体工程，由于地质物件特殊及周边环境状态特殊，不适宜采用普通的矿山法开挖。在采煤业巷道煤岩的开挖中，为减少开挖过程中对周边地层的扰动，避免***冲击波对周边环境造成影响和破坏，采用掘进机(如EBJ-120型掘进机，它是一种集采、装、运、行于一体，功能齐全的机、电一体化设备，适用于煤矿综采及高档普采工作面采准巷道的掘进)进行开挖已获得较广的运用；在矿山法隧道的开挖施工方法中，国内以前也对此有过尝试运用，但由于粉尘和糊泥等现象，都以失败告终，尚没有成功先例。

对含水地层进行隧道施工时，在采用上述矿山法或人工开挖法等施工的同时，常还配合使用冻结法(Freezing Method)施工，即利用人工制冷的方法把土壤中的水冻结并形成冻土帷幕，用人工冻土帷幕来抵抗水土压力，以保证开挖顺利进行。

就冻结施工而言，冻土是具有弹塑性的粘滞体，在持久的外荷载作用下，会产生塑性变形并引起应力松弛，产生蠕变；冻土在发生蠕变时损失的强度是随着时间而增加的，任其发展，会对冻结工程的结构安全(冻结帷幕)造成威胁；因此，开挖过程要求减小对冻结帷幕的扰动，避免破坏冻结管路及冻结帷幕。以往的工程经验一再说明，开挖中如果过多扰动冻结帷幕，易降低冻结帷幕的强度，对施工安全造成威胁。

对于人工开挖法，由于冻结峰侵入开挖限界，冻土强度很高，人工开挖劳动强度大，效率低，每循环开挖时间长，冻结帷幕长时间暴露将会大量化冻，不能保证后续隧道施工的安全；就钻爆法开挖而言，由于部分冻结管有一定内偏，离开挖面的距离太小(最小距离不足30cm)，***的冲击波将危及到冻结管及冻结帷幕的安全。

在对城市地下隧道工程进行冻结施工时，如果冻结帷幕的安全性不能充分保证，将直接威胁施工安全甚至周边环境安全。由于城市一般地面交通繁忙，周边建筑密集，地下管线众多，一旦冻土帷幕受到过大扰动，稳定性降低，将严重威胁整个外界环境安全。在这种复杂环境下，竖井冻结开挖中所常用的***掘进具有较大的风险，尤其是***冲击波对冻结管路的破坏和对冻结帷幕的扰动，都决定了***掘进的方式不适于此类工程的掘进施工。

发明内容

本发明的目的是提供一种隧道工程非***弱扰动开挖施工方法，该施工方法在矿山法隧道开挖中，对地层扰动小，对周边环境影响小，开挖效率高，可最大限度的减少隧道开挖掘进对周边环境的影响，尤其适用于城市等复杂环境下隧道工程的开挖施工。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

隧道工程非***弱扰动开挖施工方法，其施工工序主要包括：

(1)、建立冻结帷幕模型，对冻结帷幕进行受力分析：

冻结帷幕主要承受水土重量和路面超载，在隧道开挖后，其受力特点为：冻结帷幕的底部内侧为受拉区，底部外侧为受压区，冻结帷幕的侧壁内侧同样也为受压区，冻结帷幕的两肩和两脚为应力集中区，承受较大的剪应力；根据上述受力特点计算隧道开挖后冻结帷幕各部分的位移量及地面沉降量；

(2)、根据冻结帷幕模型及其受力分析，实施冻结：

可参照现有技术隧道工程冻结施工方法进行；

(3)、分部开挖：

为了保证施工安全，在开挖施工过程中，需要尽量缩短冻结帷幕暴露的时间，并减少开挖过程中对冻结帷幕的扰动；为此，本发明首次在城市地下工程施工中引进自由断面掘进机如EBJ-120型单臂掘进机进行隧道开挖；

由于隧道工程开挖断面一般比较大，同时考虑开挖过程中冻结帷幕和待开挖区土体的受力及变形情况等，为加强施工安全，实施冻结后，可采用CRD法(中壁交叉法)开挖，至少分IV部进行(如图1所示)，即先行开挖支护右上部(I部)，然后开挖支护左上部(II部)，右上部、左上部开挖面保持12～15m间距，右上部、左上部贯通后进行右下部(III部)、左下部(IV部)开挖支护，右下部、左下部开挖面同样保持12～15m间距；

由于工程施工中一般采用φ108×8mm无缝钢管等作为冻结管，而在低温状态下，金属材料脆性增加，变形一旦稍大，易发生脆断；为保证冻结管安全，隧道开挖应严格控制位移变形，本发明施工方法中采用中隔墙交叉分部开挖，其位移变形远远优于无中隔墙的工况。

施工中如发现局部冻结效果不理想导致围岩和支护变形较大时可改为VI部施工(如图2所示)，即依次开挖支护右上部(I部)、右中部(II部)、左上部(III部)、左中部(IV部)、右下部(V部)和左下部(VI部)。

就隧道开挖而言，EBJ-120型单臂掘进机由于动力装置和功率因素，其掘进地层较为受限，一般适用于10～30MPa的围岩：在硬岩中掘进，因动力功率不足而难以进行；在软岩中掘进，由于粉尘较大，在旋转钻头前端注水孔注水湿尘后，软岩进一步软化，往往易导致钻头转动困难；但在冻土开挖方面，由于冻土强度适中，且开挖过程不产生粉尘，故EBJ-120型单臂掘进机在这种特殊围岩下掘进效率极高。

EBJ-120型单臂掘进机通过前端可摆动的旋转钻头将围岩切割破碎后，再由下部扒碴铲板和机身中部的传输链将破碎岩石和碴土传输至机身尾部来实现掘进；其旋转钻头钻进灵活，可有效控制开挖范围，减少对冻结帷幕的破坏。

本发明施工方法的分部开挖步骤中，隧道开挖后，施做支护体系时，混凝土释放的水化热会使冻土帷幕融化，从而破坏冻土帷幕的整体性，不利于地层的稳定，为避免这种影响，可在冻土帷幕和初期支护间加一道过渡保护层，这样既可减小冻土低温对混凝土强度的影响，也可防止水化热对冻结帷幕的影响；经过工艺研究，可采用开挖后立即初喷5cm的C20混凝土作过渡保护层；由于厚度很薄，过渡保护层产生的水化热有限，对2.5m厚的冻结帷幕温度和强度不构成威胁；过渡保护层施做完成后，在冻结帷幕表面形成2～3cm挂霜层，挂霜层和过渡保护层共同发挥隔温作用，2～3h后施做初期支护，即可有效降低冻结帷幕和初期支护间的热传递。

冻结施工中，地层温度的降低会在一定程度上延长混凝土的凝结时间，为保证结构混凝土强度(尤其是早期强度)的正常增长，防止冻结帷幕的蠕变失稳，可在混凝土拌制时采取加热骨料、加入热水搅拌、增加外加剂(高效防冻剂、早强剂等)等方法加解决。

冻结帷幕形成后，相当于在冻结期内提高了围岩类别，考虑到低温下混凝土的质量会有所降低，可设计初期支护如下：C20喷射抗冻混凝土40cm，单层钢筋网；φ25格栅拱架，间隔50cm；I25型钢钢架为临时中隔墙，间距50cm；与无冻结帷幕工况相比较，少了管棚、超前锚管等预加固措施，且不需布置径向锚杆。开挖贯通后，可施做二次衬砌，采用C30钢筋混凝土衬砌，厚度45cm；与无冻结帷幕类似地质条件的二次衬砌相比较，无甚改变，这主要在于冻结帷幕仅作为预加固措施，不作为永久支护，故二次衬砌设计类同于无冻结帷幕工况。二次衬砌完成后冻结***停止工作，进入解冻阶段。

其它施工工序和施工条件可参照现有技术地下工程施工方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明隧道工程非***弱扰动开挖施工方法引进了自由断面掘进机，一方面可大幅度提高施工效率，另一方面可减小施工对冻结帷幕的扰动。这在城市地下工程施工中应用尚属首次，也是一个突破。

引进EBJ-120型单臂掘进机后，可灵活精确的实现隧道的掘进开挖，解决了超、欠挖等隧道掘进普遍问题，较好的保护了冻结帷幕，使其免受施工扰动，从而保障了施工和周边环境的安全；同时，施工中实现了2m/d的日进尺，大大提升了施工效率，保证了工期。

本发明施工方法在引进自由断面掘进机的同时，在施工过程中结合运用冻结施工和CRD开挖法分部开挖，可有效避免产生粉尘和糊泥等现象，并可减小分部开挖跨度和开挖高度，减小地表沉降，并保证施工安全。

本发明隧道工程非***弱扰动开挖施工方法在广州地铁三号线天河客运站折返线隧道冻土开挖中的成功运用，也充分证实该方法施工质量好，有效减少了在开挖过程中对冻结帷幕的多次扰动，对地层扰动小，对周边环境影响小，大大提高了开挖工效，确保了支护的及时性，保证开挖过程中冻结壁及冻结管路的绝对安全，实现了城市地下隧道工程的非***弱扰动开挖施工。

附图说明

图1是本发明隧道工程非***弱扰动开挖施工方法开挖步骤中IV部开挖分部示意图；

图2是本发明隧道工程非***弱扰动开挖施工方法开挖步骤中VI部开挖分部示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。

实施例

本实施例为本发明隧道工程非***弱扰动开挖施工方法在广州地铁三号线天河客运站折返线隧道冻土开挖中的运用，其施工工序主要包括：

(1)、建立冻结帷幕模型，对冻结帷幕进行受力分析：

冻结帷幕主要承受水土重量和路面超载，在隧道开挖后，其受力特点为：冻结帷幕的底部内侧为受拉区，但应力值较小，为0.38MPa；底部外侧为受压区，其压应力为0.88MPa；冻结帷幕的侧壁内侧同样也为受压区，压应力为1.74MPa；冻结帷幕的两肩和两脚为应力集中区，承受较大的剪应力，其应力值大小为0.57MPa。

根据上述受力特点计算隧道开挖后冻结帷幕各部分的位移量及地面沉降量：隧道开挖后冻结帷幕顶弧内侧最大下沉3.8cm，底弧内侧底鼓6.0cm，侧墙内侧则向外产生了2.1cm的位移，地表最大沉降量为2.9cm。

(2)、根据冻结帷幕模型及受力分析，实施冻结：

按照现有技术隧道工程冻结施工方法进行。

(3)、分部开挖：

天河客运站工程由于开挖断面比较大，开挖高度9.147m，开挖跨度为11.4m，且由于工程施工中采用φ108×8mm无缝钢管等作为冻结管，在低温状态下，金属材料脆性增加，变形稍大即易发生脆断；为保证施工安全，在实施冻结后，采用中隔墙交叉分部开挖，即采用CRD法开挖，分IV部进行(如图1所示)，先行开挖支护右上部(I部)，然后开挖支护左上部(II部)，右上部、左上部开挖面保持12～15m间距，右上部、左上部贯通后进行右下部(III部)、左下部(IV部)开挖支护，右下部、左下部开挖面同样保持12～15m间距。

施工中发现局部冻结效果不理想导致围岩和支护变形较大，改为VI部施工(如图2所示)，即依次开挖支护右上部(I部)、右中部(II部)、左上部(III部)、左中部(IV部)、右下部(V部)和左下部(VI部)。

本实施例施工方法中引进了EBJ-120型单臂掘进机进行隧道开挖，以缩短开挖施工过程中冻结帷幕暴露的时间，减少开挖过程中对冻结帷幕的扰动，保证施工安全。

EBJ-120型单臂掘进机转臂长度为3.25m，最大仰角为42°，最大开挖高度为停机平面上3.75m，最大开挖宽度为机身轴线两侧各2.5m，最大向下开挖深度停机平面下0.25m，爬坡比16°。

根据EBJ-120型单臂掘进机的机械性能，分IV部开挖时，I、II部每循环进尺均分三次开挖掘进；III、IV部每循环进尺均分两次开挖掘进。

EBJ-120型单臂掘进机通过前端可摆动的旋转钻头将围岩切割破碎后，再由下部扒碴铲板和机身中部的传输链将破碎岩石和碴土传输至机身尾部来实现掘进；其旋转钻头钻进灵活，可有效控制开挖范围，减少对冻结帷幕的破坏。

本实施例施工方法的分部开挖步骤中，隧道开挖后，施做支护体系时，为避免混凝土释放的水化热使冻土帷幕融化，从而破坏冻土帷幕的整体性，不利于地层的稳定，开挖后立即在冻土帷幕和初期支护间初喷5cm的C20混凝土作过渡保护层，以减小冻土低温对混凝土强度的影响，并防止水化热对冻结帷幕的影响；过渡保护层施做完成后，在冻结帷幕表面形成2～3cm挂霜层，挂霜层和过渡保护层共同发挥隔温作用，2～3h后施做初期支护，可有效降低冻结帷幕和初期支护间的热传递。

在混凝土拌制时采取加热骨料、加入热水搅拌、增加外加剂(MRT早强减水复合抗冻剂、FDN-20早强减水剂)，以避免地层温度降低造成混凝土的凝结时间延长，保证结构混凝土强度(尤其是早期强度)的正常增长，防止冻结帷幕的蠕变失稳。

本实施例初期支护设计如下：C20喷射抗冻混凝土40cm，单层钢筋网；φ25格栅拱架，间隔50cm；I25型钢钢架为临时中隔墙，间距50cm。开挖贯通后，施做二次衬砌，采用C30钢筋混凝土衬砌，厚度45cm，二次衬砌设计类同于无冻结帷幕工况。二次衬砌完成后冻结***停止工作，进入解冻阶段。

本实施例其它施工工序和施工条件参照现有技术地下工程施工方法进行。

Claims (6)

1.隧道工程非***弱扰动开挖施工方法，其施工工序主要包括：

(1)、建立冻结帷幕模型，对冻结帷幕进行受力分析；

(2)、根据冻结帷幕模型及其受力分析，实施冻结；

(3)、分部开挖：实施冻结后，采用中隔墙交叉分部开挖，即采用CRD法，引进自由断面掘进机进行隧道开挖，至少分IV部进行，先行开挖支护右上部，然后开挖支护左上部，右上部、左上部开挖面保持12～15m间距，右上部、左上部贯通后进行右下部、左下部开挖支护，右下部、左下部开挖面同样保持12～15m间距；

其它施工工序和施工条件参照现有技术地下工程施工方法。

2.根据权利要求1所述的隧道工程非***弱扰动开挖施工方法，其特征在于：所述的(3)步分部开挖步骤中，对局部冻结效果不理想导致围岩和支护变形较大时，改为VI部施工，即依次开挖支护右上部、右中部、左上部、左中部、右下部和左下部。

3.根据权利要求1所述的隧道工程非***弱扰动开挖施工方法，其特征在于：所述的(3)步分部开挖步骤中引进的自由断面掘进机为EBJ-120型单臂掘进机。

4.根据权利要求1所述的隧道工程非***弱扰动开挖施工方法，其特征在于：所述的(3)步分部开挖步骤中，隧道开挖后，立即在冻土帷幕和初期支护间初喷5cm的C20混凝土作过渡保护层，2～3h后施做初期支护。

5.根据权利要求4所述的隧道工程非***弱扰动开挖施工方法，其特征在于：所述的初期支护设计如下：C20喷射抗冻混凝土40cm，单层钢筋网，φ25格栅拱架，间隔50cm，I25型钢钢架为临时中隔墙，间距50cm；开挖贯通后，施做二次衬砌，采用C30钢筋混凝土衬砌，厚度45cm。

6.根据权利要求4或5所述的隧道工程非***弱扰动开挖施工方法，其特征在于：所述的混凝土在拌制前先加热骨料，在拌制时加入热水搅拌，并加入高效防冻剂和/或早强剂。