CN104806252A - 地下穹顶开挖施工布置结构及开挖方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地下工程技术领域，具体涉及地下穹顶开挖施工布置结构及开挖方法。该施工布置结构包括：中心支柱和施工通道；施工通道自地下穹顶外延伸至中心支柱；中心支柱为自下而上递减的台阶状柱形结构；中心支柱的侧面自下而上设置Ⅲ环形导坑的开挖接露面，Ⅰ3环形导坑的开挖接露面，Ⅰ1环形导坑的开挖接露面、Ⅰ2环形导坑的开挖接露面、Ⅱ环形导坑的开挖接露面；中心支柱内设置“十”字形开挖接露面。开挖中先预留中心支柱，然后开挖穹顶环形导坑围岩，然后开挖中心支柱。这种施工布置及开挖方法能够减少临时支撑，节省工程造价，同时提高了穹顶开挖过程中围岩的稳定性和施工的安全性。

Description

地下穹顶开挖施工布置结构及开挖方法

技术领域

本发明涉及地下工程技术领域，具体涉及地下穹顶开挖施工布置结构及开挖方法。

背景技术

目前，隧道的开挖工法较多，包括全断面法、台阶法、双侧壁导坑法、中隔壁法等，技术比较成熟，能够满足不同围岩条件下不同断面尺寸的隧道开挖。而对于大型的地下穹顶结构，由于造型特殊，围岩受力状态也较为复杂，目前还没有成熟的开挖方法，需要增加过多的临时支撑。

发明内容

本发明的实施例提供一种地下穹顶开挖施工布置结构及开挖方法，能够解决传统开挖方法难易适应大跨度地下穹顶施工，过多临时支撑增加开挖成本的问题。

根据本发明的一个方面提供一种地下穹顶开挖施工布置结构，包括：中心支柱和施工通道；所述施工通道自地下穹顶外延伸至所述中心支柱；所述中心支柱为自下而上递减的台阶状柱形结构；所述中心支柱的侧面自下而上设置Ⅲ环形导坑的开挖接露面，Ⅰ3环形导坑的开挖接露面，Ⅰ1环形导坑的开挖接露面、Ⅰ2环形导坑的开挖接露面、Ⅱ环形导坑的开挖接露面；所述中心支柱内设置“十”字形开挖接露面。

在一些实施例中，优选为，所述Ⅰ1环形导坑比所述Ⅰ2环形导坑超前3-5米，所述Ⅰ2环形导坑比所述Ⅰ3环形导坑超前3-5米。

在一些实施例中，优选为，所述所述Ⅰ1环形导坑、Ⅰ2环形导坑、Ⅰ3环形导坑、所述Ⅱ环形导坑、所述Ⅲ环形导坑的掌子面、所述中心支柱顶部的面从内到外依次喷有混凝土层、钢纤维混凝土层；所述钢纤维混凝土层挂钢筋网，所述混凝土层锚固第一中空锚杆、第二中空锚杆；所述第一锚杆的长度大于所述第二锚杆的长度，所述第一锚杆和所述第二锚杆交替布置。

在一些实施例中，优选为，所述的地下穹顶开挖施工布置结构还包括第一预应力锚索排，所述第一预应力锚索排为环状结构，由多个均匀相间的第一预应力锚索围成，每个所述第一预应力锚索的一端锚固于所述Ⅰ3环形导坑的掌子面；相邻两个第一预应力锚索环向间距为设定值。

在一些实施例中，优选为，所述的地下穹顶开挖施工布置结构还包括第二预应力锚索排，所述第二预应力锚索排为环状结构，由多个均匀相间的第二预应力锚索围成，每个所述第二预应力锚索的一端锚固于所述Ⅲ环形导坑的掌子面；相邻两个第二预应力锚索环向间距为设定值。

本发明还提供了一种地下穹顶开挖方法，其包括：

步骤1，预留中心支柱支撑穹顶上环形导坑围岩；

步骤2，开挖穹顶环形导坑围岩，并进行支护加固；所述穹顶环形导坑包括：自下而上的Ⅲ环形导坑、Ⅰ3环形导坑、Ⅰ1环形导坑、Ⅰ2环形导坑、Ⅱ环形导坑；

步骤3，开挖所述中心支柱的中心“十”字架中环形导坑核心柱，进行支护加固；

步骤4，开挖所述中心支柱剩余的环形导坑，进行支护加固。

在一些实施例中，优选为，所述步骤2包括：

步骤21，台阶法开挖Ⅰ1环形导坑、Ⅰ2环形导坑、Ⅰ3环形导坑，进行支护加固，其中Ⅰ1环形导坑处于Ⅰ2环形导坑和Ⅰ3环形导坑之间；

步骤22，开挖Ⅰ2环形导坑上方的Ⅱ环形导坑，进行支护加固；

步骤23，开挖Ⅰ3环形导坑下方的Ⅲ环形导坑，进行支护加固。

在一些实施例中，优选为，所述步骤21包括：

采用台阶法依次开挖Ⅰ1环形导坑、Ⅰ2环形导坑、Ⅰ3环形导坑，所述Ⅰ1环形导坑比所述Ⅰ2环形导坑超前3-5米，所述Ⅰ2环形导坑比所述Ⅰ3环形导坑超前3-5米；

初喷钢纤维混凝土，然后挂钢筋网；

再喷混凝土，环形锚固第一中空锚杆、第二中空锚杆，所述第一锚杆的长度大于所述第二锚杆的长度，所述第一锚杆和所述第二锚杆交替布置；

环形锚固多个第一预应力锚索。

在一些实施例中，优选为，所述步骤3包括：

在所述中心支柱“十”字形对穿开挖中环形导坑核心柱；

初喷钢纤维混凝土，然后挂钢筋网；

再喷混凝土，环形锚固第一中空锚杆、第二中空锚杆，所述第一锚杆的长度大于所述第二锚杆的长度，所述第一锚杆和所述第二锚杆交替布置；

环形锚固多个第二预应力锚索。

在一些实施例中，优选为，所述步骤4之后，所述地下穹顶开挖方法还包括：

拆除临时支护；

台阶法依次开挖剩余的岩体，建设隧道底板及铺面。

通过本发明的实施例提供的地下穹顶开挖施工布置结构及开挖方法，与现有技术相比，采用预留中心支柱区域，以对穹顶中央预留的核心柱支撑穹顶围岩，提高围岩的稳定性；将中性支柱为从下到上依次减少的台阶状，进行环形导坑开挖，开挖过程中进行支护加固，最后开挖中心支柱，并逐步进行支护加固。这种施工布置及开挖方法能够减少临时支撑，节省工程造价，同时提高了穹顶开挖过程中围岩的稳定性和施工的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图进行论述，显然，在结合附图进行描述的技术方案仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。

图1是本发明一个实施例中地下穹顶开挖施工布置结构剖面示意图；

图2是本发明图1中地下穹顶开挖施工布置结构平面示意图；

图3是本发明一个实施例中开挖Ⅰ1环形导坑、Ⅰ2环形导坑、Ⅰ3环形导坑的开挖结构剖面示意图；

图4是本发明图3对应的开挖平面图；

图5是本发明一个实施例中开挖Ⅱ环形导坑的开挖结构剖面示意图；

图6是本发明图4对应的开挖平面图；

图7是本发明一个实施例中开挖Ⅲ环形导坑的开挖结构剖面示意图；

图8是本发明图7对应的开挖平面图；

图9是本发明一个实施例中开挖中心支柱的“十”字形环形导坑的开挖结构剖面示意图；

图10是本发明图9对应的开挖平面图；

图11是本发明一个实施例中开挖中心支柱剩余的横截面为扇形的环形导坑的开挖结构剖面示意图；

图12是本发明图11对应的开挖平面图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不需要创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都在本发明所保护的范围内。

考虑到目前超大型地下穹顶采用现有穹顶开挖技术时需要使用过多临时支护，开挖成本增加，且开挖安全难以保证的问题，本实施例提供了一种地下穹顶开挖施工布置结构及开挖方法。

一种地下穹顶开挖施工布置结构，包括：中心支柱和施工通道；施工通道自地下穹顶外延伸至中心支柱；中心支柱为自下而上递减的台阶状柱形结构；中心支柱的侧面自下而上设置Ⅲ环形导坑的开挖接露面，Ⅰ3环形导坑的开挖接露面，Ⅰ1环形导坑的开挖接露面、Ⅰ2环形导坑的开挖接露面、Ⅱ环形导坑的开挖接露面；中心支柱内设置“十”字形开挖接露面。

一种地下穹顶开挖方法，包括：步骤1，预留中心支柱支撑穹顶上环形导坑围岩；步骤2，开挖穹顶环形导坑围岩，并进行支护加固；穹顶环形导坑包括：自下而上的Ⅲ环形导坑、Ⅰ3环形导坑、Ⅰ1环形导坑、Ⅰ2环形导坑、Ⅱ环形导坑；步骤3，开挖中心支柱的中心“十”字架中环形导坑核心柱，进行支护加固；步骤4，开挖中心支柱剩余的环形导坑，进行支护加固。

采用预留中心支柱区域，以对穹顶中央预留的核心柱支撑穹顶围岩，提高围岩的稳定性；将中性支柱为从下到上依次减少的台阶状，进行环形导坑开挖，开挖过程中进行支护加固，最后开挖中心支柱，并逐步进行支护加固。这种施工布置及开挖方法能够减少临时支撑，节省工程造价，同时提高了穹顶开挖过程中围岩的稳定性和施工的安全性。

接下来对各技术方案进行详细说明：

本发明为了减少临时支架的使用，首先预留中心支柱区域，用中心支柱支撑穹顶上环形导坑围岩，随后进行穹顶环形导坑的开挖和支护，随后再开挖中心支柱。基于这种施工核心思想，发明人首先对地下穹顶开挖施工进行结构的布置，如图1,2所示：

包括：中心支柱和施工通道1；中心支柱即为预留，施工通道1为地下穹顶外进入穹顶内进行开挖的主要通道，施工通道1自地下穹顶外延伸至中心支柱。该通道通畅为两个以上，且以中心支柱为对称中心相互对称，自对称的方向开挖能够保持整体结构的稳定。中心支柱不同于常规的上下截面直径基本一致的柱体，该中心支柱为自下而上递减的台阶状柱形结构，形成下部大，上部小的结构，能进一步提高中心区域的支撑力。中心支柱的侧面自下而上设置Ⅲ环形导坑的开挖接露面，Ⅰ3环形导坑的开挖接露面，Ⅰ1环形导坑的开挖接露面、Ⅰ2环形导坑的开挖接露面、Ⅱ环形导坑的开挖接露面，中心支柱内设置“十”字形开挖接露面，施工通道1均有小洞(施工支洞)延伸至对应这些开挖接露面。

基于上述台阶状结构的中心支柱，Ⅰ1环形导坑比Ⅰ2环形导坑超前3-5米，Ⅰ2环形导坑比Ⅰ3环形导坑超前3-5米，Ⅰ1环形导坑处于Ⅰ2环形导坑和Ⅰ3环形导坑之间，Ⅰ3环形导坑和Ⅰ1环形导坑开挖接露面为同一台阶侧面，Ⅰ2环形导坑的开挖接露面为Ⅰ1环形导坑开挖接露面所在台阶上一级台阶。

在环形导坑开挖后需要及时进行支护加固，因此，Ⅰ1环形导坑、Ⅰ2环形导坑、Ⅰ3环形导坑、Ⅱ环形导坑、Ⅲ环形导坑的掌子面、中心支柱顶部的面从内到外依次喷有混凝土层、钢纤维混凝土层；首先喷C30的钢纤维混凝土层，厚度在5厘米，随后喷C25混凝土层，厚度在20厘米。其中钢纤维混凝土层挂Φ6钢筋网，对钢纤维混凝土层进行进一步加固。混凝土层锚固第一中空锚杆、第二中空锚杆；第一锚杆2的长度大于第二锚杆3的长度，第一锚杆2和第二锚杆3交替布置。第一锚杆2为Φ28第一空心锚杆，L＝6m；第二锚杆3为Φ22第二空心锚杆，L＝3m。

为了进一步加固，在上述技术方案的技术上，发明人有进一步进行了加固设计，该布置结构还包括预应力锚索排，由多个均匀相间的预应力锚索(此处没有进行第一预应力锚索、第二预应力锚索的区分，其采用的都是预应力锚索，编号只是为了在权利要求书中说明的更清楚)围成，每个预应力锚索的一端锚固于Ⅰ3环形导坑的掌子面(具体来说是掌子面喷的混凝土层)；由于Ⅰ3环形导坑为环形结构，因此预应力锚索排为环状结构，相邻两个预应力锚索环向间距为设定值，设定值可以根据具体地下穹顶的大小，及预应力锚索的直径、数目、长度来定，本领域技术人员根据常识可以实施。

与上述技术方案类似，还包括预应力锚索排，由多个均匀相间的预应力锚索围成，每个预应力锚索(此处没有进行第一预应力锚索、第二预应力锚索的区分，其采用的都是预应力锚索，编号只是为了在权利要求书中说明的更清楚)的一端锚固于Ⅲ环形导坑的掌子面的混凝土层；对Ⅲ环形导坑进行加固支护。预应力锚索排为环状结构，相邻两个预应力锚索环向间距为设定值，设定值可以根据具体地下穹顶的大小，及预应力锚索的直径、数目、长度来定，本领域技术人员根据常识可以实施。

另外，在Ⅲ环形导坑开挖加固到第一锚杆2、第二锚杆3后，还进行了环形圈梁的加固。环形圈梁的宽和高都根据穹顶的大小、高度来定，本领域技术人员可以根据现有知识实施。

该施工布置结构在中心支柱上方的穹顶也同样喷了钢纤维混凝土层、混凝土层，同时在钢纤维混凝土层挂钢筋网，在混凝土层锚固第一锚杆2、第二锚杆3，二者长度不同，相间分布。

接下来，基于上述各技术方案中地下穹顶开挖施工布置结构进行现场开挖：

步骤101，预留中心支柱支撑穹顶上环形导坑围岩；

步骤102，开挖穹顶环形导坑围岩，并进行支护加固；

穹顶环形导坑包括：自下而上的Ⅲ环形导坑、Ⅰ3环形导坑、Ⅰ1环形导坑、Ⅰ2环形导坑、Ⅱ环形导坑；

步骤103，开挖中心支柱的中心“十”字架中环形导坑核心柱，进行支护加固；

步骤104，开挖中心支柱剩余的环形导坑，进行支护加固。

接下来，通过一个具体的实施例来对上述开挖方法进行说明：

第一步，如图3、4所示，由主通道采用小导洞进入集散大厅，采用台阶法依次开挖Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3环形导坑，其中Ⅰ1环形导坑比Ⅰ2环形导坑超前3-5m，Ⅰ2环形导坑比Ⅰ3环形导坑超前3-5m；开挖后初喷5cm厚C30钢纤维混凝土；挂Φ6钢筋网20cm×20cm后，再喷20cm厚C25混凝土；施做Φ28，1.5×1.5m，L＝6m中空锚杆22；Φ22，1.5×1.5m，L＝3m中空锚杆3,长短交替布置；施做第一排1000KN预应力锚索4，长20m，环向间距2.5m。采用Φ28，1.5×1.5m，L＝6m砂浆锚杆5锚固。

第二步，开挖Ⅱ环形导坑岩体，如图5、6所示；开挖后初喷5cm厚C30钢纤维混凝土；挂Φ6钢筋网20cm×20cm后，再喷20cm厚C25混凝土；施做Φ28中空锚杆21.5×1.5m，L＝6m；Φ22中空锚杆31.5×1.5m，L＝3m,锚杆长短交替布置。

第三步，开挖Ⅲ环形导坑岩体，如图7、8所示；开挖后初喷5cm厚C30钢纤维混凝土；挂Φ6钢筋网20cm×20cm后，再喷20cm厚C25混凝土；施做Φ28中空锚杆21.5×1.5m，L＝6m；Φ22中空锚杆31.5×1.5m，L＝3m,锚杆长短交替布置；施做第二排1000KN预应力锚索4，长20m，环向间距2.5m；施做环形圈梁，圈梁宽1.0m，高1.35m。

第四步，"十字形"对穿开挖中环形导坑核心柱，如图9、10所示；开挖后初喷5cm厚C30钢纤维混凝土；挂Φ6钢筋网20cm×20cm后，再喷20cm厚C25混凝土；施做Φ28中空锚杆21.5×1.5m，L＝6m；Φ22中空锚杆31.5×1.5m，L＝3m,锚杆长短交替布置。

第五步，开挖Ⅴ环形导坑岩体，如图11、12所示；开挖后初喷5cm厚C30钢纤维混凝土；挂Φ6钢筋网20cm×20cm后，再喷20cm厚C25混凝土；施做Φ28中空锚杆21.5×1.5m，L＝6m；Φ22中空锚杆31.5×1.5m，L＝3m,锚杆长短交替布置。

第六步，待初支稳定后，拆除临时支护，台阶法依次开挖剩余岩体，施做隧道底板及铺面。

本技术方案的核心思想是先环形开挖穹顶四周围岩，预留中央核心柱支撑穹顶上环形导坑围岩，充分利用穹顶中央预留的核心柱支撑穹顶围岩，以保证围岩的稳定性，待穹顶顶环形导坑支护结构施工完成并稳定后，再开挖核心柱。这种开挖步序的安排可充分利用中央核心柱的支撑作用，从而大幅度地减少临时支撑，节省工程造价，同时提高了穹顶开挖过程中围岩的稳定性和施工的安全性。

本发明提供的各种实施例可根据需要以任意方式相互组合，通过这种组合得到的技术方案，也在本发明的范围内。

显然，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明进行各种改动和变型。如果对本发明的这些改动和变型是在本发明的权利要求及其等同方案的范围之内，则本发明也将包含这些改动和变型。

Claims (10)

1.一种地下穹顶开挖施工布置结构，其特征在于，包括：中心支柱和施工通道；所述施工通道自地下穹顶外延伸至所述中心支柱；所述中心支柱为自下而上递减的台阶状柱形结构；所述中心支柱的侧面自下而上设置Ⅲ环形导坑的开挖接露面，Ⅰ3环形导坑的开挖接露面，Ⅰ1环形导坑的开挖接露面、Ⅰ2环形导坑的开挖接露面、Ⅱ环形导坑的开挖接露面；所述中心支柱内设置“十”字形开挖接露面。

2.如权利要求1所述的地下穹顶开挖施工布置结构，其特征在于，所述Ⅰ1环形导坑比所述Ⅰ2环形导坑超前3-5米，所述Ⅰ2环形导坑比所述Ⅰ3环形导坑超前3-5米。

3.如权利要求2所述的地下穹顶开挖施工布置结构，其特征在于，所述所述Ⅰ1环形导坑、Ⅰ2环形导坑、Ⅰ3环形导坑、所述Ⅱ环形导坑、所述Ⅲ环形导坑的掌子面、所述中心支柱顶部的面从内到外依次喷有混凝土层、钢纤维混凝土层；所述钢纤维混凝土层挂钢筋网，所述混凝土层锚固第一中空锚杆、第二中空锚杆；所述第一锚杆的长度大于所述第二锚杆的长度，所述第一锚杆和所述第二锚杆交替布置。

4.如权利要求1-3任一项所述的地下穹顶开挖施工布置结构，其特征在于，还包括第一预应力锚索排，所述第一预应力锚索排为环状结构，由多个均匀相间的第一预应力锚索围成，每个所述第一预应力锚索的一端锚固于所述Ⅰ3环形导坑的掌子面；相邻两个第一预应力锚索环向间距为设定值。

5.如权利要求4所述的地下穹顶开挖施工布置结构，其特征在于，还包括第二预应力锚索排，所述第二预应力锚索排为环状结构，由多个均匀相间的第二预应力锚索围成，每个所述第二预应力锚索的一端锚固于所述Ⅲ环形导坑的掌子面；相邻两个第二预应力锚索环向间距为设定值。

6.一种地下穹顶开挖方法，其特征在于，包括：

步骤1，预留中心支柱支撑穹顶上环形导坑围岩；

步骤2，开挖穹顶环形导坑围岩，并进行支护加固；所述穹顶环形导坑包括：自下而上的Ⅲ环形导坑、Ⅰ3环形导坑、Ⅰ1环形导坑、Ⅰ2环形导坑、Ⅱ环形导坑；

步骤3，开挖所述中心支柱的中心“十”字架中环形导坑核心柱，进行支护加固；

步骤4，开挖所述中心支柱剩余的环形导坑，进行支护加固。

7.如权利要求6所述的地下穹顶开挖方法，其特征在于，所述步骤2包括：

步骤21，台阶法开挖Ⅰ1环形导坑、Ⅰ2环形导坑、Ⅰ3环形导坑，进行支护加固，其中Ⅰ1环形导坑处于Ⅰ2环形导坑和Ⅰ3环形导坑之间；

步骤22，开挖Ⅰ2环形导坑上方的Ⅱ环形导坑，进行支护加固；

步骤23，开挖Ⅰ3环形导坑下方的Ⅲ环形导坑，进行支护加固。

8.如权利要求7所述的地下穹顶开挖方法，其特征在于，所述步骤21包括：

采用台阶法依次开挖Ⅰ1环形导坑、Ⅰ2环形导坑、Ⅰ3环形导坑，所述Ⅰ1环形导坑比所述Ⅰ2环形导坑超前3-5米，所述Ⅰ2环形导坑比所述Ⅰ3环形导坑超前3-5米；

初喷钢纤维混凝土，然后挂钢筋网；

再喷混凝土，环形锚固第一中空锚杆、第二中空锚杆，所述第一锚杆的长度大于所述第二锚杆的长度，所述第一锚杆和所述第二锚杆交替布置；

环形锚固多个第一预应力锚索。

9.如权利要求6-8任一项所述的地下穹顶开挖方法，其特征在于，所述步骤3包括：

在所述中心支柱“十”字形对穿开挖中环形导坑核心柱；

初喷钢纤维混凝土，然后挂钢筋网；

再喷混凝土，环形锚固第一中空锚杆、第二中空锚杆，所述第一锚杆的长度大于所述第二锚杆的长度，所述第一锚杆和所述第二锚杆交替布置；

环形锚固多个第二预应力锚索。

10.如权利要求9所述的地下穹顶开挖方法，其特征在于，所述步骤4之后，所述地下穹顶开挖方法还包括：

拆除临时支护；

台阶法依次开挖剩余的岩体，建设隧道底板及铺面。