一种城市分岔隧道大拱段辅助挖掘支撑结构及挖掘方法

摘要

本发明公开了一种城市分岔隧道大拱段辅助挖掘支撑结构，该结构包括依次铺设在隧道内壁上的第一衬砌和第二衬砌；该结构进一步包括垂直于水平面支撑在隧道内部的多个支撑部，所述支撑部通过第一纵梁和第二纵梁固定在第一衬砌和第二衬砌上。本发明进一步公开了一种城市分岔隧道大拱段挖掘方法。本发明所述技术方案解决了在城市分岔隧道大拱段衬砌结构安全性不足和施工难度大的问题，能有效地提高支护结构的安全性，控制地层沉降，并保持长期稳定。

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程领域，特别是涉及一种城市分岔隧道大拱段衬砌型结 构及开挖方法。

背景技术

为缓解日益突出的交通拥堵问题，以北京和上海为代表的国内一线城市的 地下公路(又称城市地下道路)即将迎来建设高潮，作为连接其与地面交通纽 带的大量分岔隧道将随之产生。分岔隧道是一类由大拱段、连拱段和小净距段 共同构成的组合隧道型式，其线形设计上的多断面、多尺度和施工工序及围岩 荷载频繁转换的特点导致其开挖支护体系在复杂应力空间中表现为一个难度 自增值系统。分岔隧道是一种新型隧道结构型式，目前尚无相应的设计、施工 技术规范和标准可循，在国内建成并投入使用的例子并不多。而且与山岭分岔 隧道相比，城市地下道路分岔隧道具有断面和结构更加复杂，地质条件更差和 环境影响敏感性更强等特点。

大拱段是城市地下道路分岔隧道这一结构型式中重要的组成部分，并具有 超大的开挖断面特征，围岩应力变化和围岩与结构相互作用关系复杂，并且具 有以下特点：

(1)大拱段隧道断面尺寸大，并且由于在隧道出口处土质条件较差，导致 普通的洞间净距基本上不能达到最小净距的要求，于是产生了大跨度的隧道经 常是小净距隧道这种情况；

(2)大拱段隧道断面面积大，就拿单洞四车道公路隧道来说，净断面面积 通常都大于220m²。当车道数增加的时候，隧道开挖跨度也随之增大，在施工 过程中，如果采用一般双车道公路隧道设计方法设计断面时，将会造成较大的 空间浪费，断面的利用率会随之降低，从一定程度上来说会造成施工不经济， 因此，大拱段隧道一般情况下会设计成扁平形状；

(3)在软弱围岩中，大拱段隧道施工过程将会由于断面较大的特征而采取 分部开挖的方式。在围岩条件较好的时候，施工过程将控制扰动，基本上不会 采用一次爆破然后进行全断面开挖的方法，因此将会采取复杂的施工工序和方 法。故而在大拱段隧道施工过程中更加需要重视施工力学效应影响，从而研究 出较为合理的施工步骤。

由于大拱段隧道复杂的力学特性，再加上隧道工程的地质环境也很复杂， 因此在设计和施工过程中没有统一的规范。而且，大拱段隧道断面形式、衬砌 结构参数以及施工工艺等方面的研究还比较少，可以借鉴的工程实例并不多， 设计与管理尚无明确的经验可循，数值模拟、系统分析等数值和理论研究也并 不深入，还有很多关键性的问题亟待解决。因此，开展城市地层中分岔隧道大 拱段的力学特征研究，将为支护结构设计参数制定提供理论基础，具有重要而 现实的意义。

隧道扁平率是指隧道高度与跨度的比值。隧道在断面尺寸设计时，在保证 建筑限界的基础上，尽量减小拱顶高度，减小限界以上多余净空，减少土方开 挖，进而节约工程造价，此时需要减小扁平率，但扁平率的降低会造成隧道稳 定性降低，结构受力更加不利，带来安全隐患。因此，如何在保证结构安全的 同时降低工程造价，选择合适的扁平率则成为研究的重点。

扁平、超大断面隧道的基本力学特性可以概括为：(1)超大断面隧道在几 何特征上表现为一个扁平的拱结构，进行力学特性分析时可近似看作椭圆；(2) 跨度与断面面积加大，应力重分布趋于不利；(3)拱脚处应力集中，需要较 高的地基承载力；(4)拱顶稳定性差；(5)松弛压力较大；(6)支护结构 承载力较小。扁平率是实际工程中存在的大问题，扁平率过大，安全性问题， 衬砌过厚，也不经济；扁平率过小，开挖面积过大，不经济。

因此，需要提供一种新型的挖掘方法，以满足超大跨度扁平隧道支护结构 的安全性的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种城市分岔隧道大拱段辅助挖掘支撑结 构及挖掘方法，以解决在城市分岔隧道大拱段衬砌结构安全性不足和施工难度 大的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种城市分岔隧道大拱段辅助挖掘支撑结构，该结构包括依次铺设在隧道 内壁上的第一衬砌和第二衬砌；

该结构进一步包括垂直于水平面支撑在隧道内部的多个支撑部，所述支撑 部通过第一纵梁和第二纵梁固定在第一衬砌和第二衬砌上。

优选的，所述第一衬砌为喷射混凝土，第二衬砌为模筑钢筋混凝土。

优选的，所述支撑部为钢筋混凝土管柱。

优选的，所述支撑结构进一步包括用于协助所述第一衬砌、第二衬砌和多 个支撑部对新挖掘成的隧道结构进行支撑的多个临时支撑部。

优选的，所述临时支撑部为喷射混凝土并内嵌工字形型钢的支撑架。

一种城市分岔隧道大拱段挖掘方法，该方法的步骤包括

S1、基于预先设计的隧道蓝图的截面图，在该隧道的顶部附近的位置开凿 一贯通隧道的第一导洞，并在该第一导洞的内壁与隧道内壁重合的部分铺设第 一衬砌，该第一导洞的其它内壁部分铺设临时支撑部，在第一导洞内壁形成封 闭环；

S2、在所述隧道中与第一导洞对称位置的隧道底部附近的位置开凿一贯通 隧道的第二导洞，并在该第二导洞的内壁与隧道内壁重合的部分铺设第一衬 砌，该第二导洞的其它内壁部分铺设临时支撑部，在第二导洞内壁形成封闭环；

S3、在第一导洞的底部每隔一段距离向第二导洞施作钻孔灌注桩，该桩体 的顶部通过第一纵梁固定在第一导洞内的第一衬底上，该桩体的底部通过第二 纵梁固定在第二导洞内的第一衬底上；

S4、在所述隧道的左侧壁与所述桩体之间距离的三分之一处和左侧壁之间 的空间的上半部分开凿一贯通隧道的第三导洞，并在该第三导洞的内壁与隧道 内壁重合的部分铺设第一衬砌，该第三导洞的其它内壁部分铺设临时支撑部， 在第三导洞内壁形成封闭环；

S5、在所述隧道的左侧壁与所述桩体之间距离的三分之一处和左侧壁之间 的空间的下半部分开凿一贯通隧道的第四导洞，并在该第四导洞的内壁与隧道 内壁重合的部分铺设第一衬砌，该第四导洞的其它内壁部分铺设临时支撑部， 在第四导洞内壁形成封闭环；

S6、在所述隧道的右侧壁与所述桩体之间距离的三分之一处和右侧壁之间 的空间的上半部分开凿一贯通隧道的第五导洞，并在该第五导洞的内壁与隧道 内壁重合的部分铺设第一衬砌，该第五导洞的其它内壁部分铺设临时支撑部， 在第五导洞内壁形成封闭环；

S7、在所述隧道的右侧壁与所述桩体之间距离的三分之一处和右侧壁之间 的空间的下半部分开凿一贯通隧道的第六导洞，并在该第六导洞的内壁与隧道 内壁重合的部分铺设第一衬砌，该第六导洞的其它内壁部分铺设临时支撑部， 在第六导洞内壁形成封闭环；

S8、在所述隧道的所述桩体与第三导洞之间距离的二分之一处和第三导洞 之间的空间开凿一贯通隧道的第七导洞，并在该第七导洞的内壁与隧道内壁重 合的部分铺设第一衬砌，该第七导洞的其它内壁部分铺设临时支撑部，在第七 导洞内壁形成封闭环；

S9、在所述隧道的所述桩体与第四导洞之间距离的二分之一处和第四导洞 之间的空间开凿一贯通隧道的第八导洞，并在该第八导洞的内壁与隧道内壁重 合的部分铺设第一衬砌，该第八导洞的其它内壁部分铺设临时支撑部，在第八 导洞内壁形成封闭环；

S10、在所述隧道的所述桩体与第五导洞之间的空间，并拆除该空间与第一 导洞重叠空间内的第一导洞的临时支撑部，开凿一贯通隧道的第九导洞，并在 该第九导洞的内壁与隧道内壁重合的部分铺设第一衬砌，该第九导洞的其它内 壁部分铺设临时支撑部，在第九导洞内壁形成封闭环；

S11、在所述隧道的所述桩体与第六导洞之间的空间，并拆除该空间与第二 导洞重叠空间内的第二导洞的临时支撑部，开凿一贯通隧道的第十导洞，并在 该第十导洞的内壁与隧道内壁重合的部分铺设第一衬砌，该第十导洞的其它内 壁部分铺设临时支撑部，在第十导洞内壁形成封闭环；

S12、在所述隧道的所述桩体与第七导洞之间的空间，并拆除该空间与第一 导洞重叠空间内的第一导洞的临时支撑部，开凿一贯通隧道的第十一导洞，并 在该第十一导洞的内壁与隧道内壁重合的部分铺设第一衬砌，该第十一导洞的 其它内壁部分铺设临时支撑部，在第十一导洞内壁形成封闭环；

S13、在所述隧道的所述桩体与第八导洞之间的空间，并拆除该空间与第二 导洞重叠空间内的第二导洞的临时支撑部，开凿一贯通隧道的第十二导洞，并 在该第十二导洞的内壁与隧道内壁重合的部分铺设第一衬砌，该第十二导洞的 其它内壁部分铺设临时支撑部，在第十二导洞内壁形成封闭环；

S14、拆除所有临时支撑部，在第一衬砌上覆盖固定第二衬砌，并在第二衬 砌施做后拆除第一层衬砌的所有临时支撑，仅保留柱桩作为隧道的永久支撑， 完成最终分岔隧道大拱段断面的挖掘。

优选的，所述桩体为外部包裹钢管围护的混凝土柱桩。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案解决了在城市分岔隧道大拱段衬砌结构安全性不足和 施工难度大的问题，能有效地提高支护结构的安全性，控制地层沉降，并保持 长期稳定。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1示出本发明所述城市分岔隧道大拱段衬砌型辅助挖掘支撑结构的断面 结构的示意图；

图2示出本发明所述城市分岔隧道大拱段断面挖掘方法。

附图标号

1、第一衬砌，2、第二衬砌，3、第一纵梁，4、第二纵梁，5，钢筋混凝土 管柱，6、临时支撑部。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步 的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应 当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本 发明的保护范围。

如图1和图2所示，本发明公开了一种城市分岔隧道大拱段辅助挖掘支撑 结构，该结构包括依次铺设在隧道内壁上的第一衬砌1和第二衬砌2，所述第 一衬砌1为喷射混凝土，第二衬砌2为模筑钢筋混凝土；该结构进一步包括 垂直于水平面支撑在隧道内部的多个支撑部，所述支撑部通过第一纵梁3和 第二纵梁4固定在第一衬砌和第二衬砌上，所述支撑部为钢筋混凝土管柱5。 本方案中，所述支撑结构进一步包括用于协助所述第一衬砌、第二衬砌和多个 支撑部对新挖掘成的隧道结构进行支撑的多个临时支撑部6，所述临时支撑部 为喷射混凝土并内嵌工字形型钢的钢筋混凝土支撑架。

如图2所示，本发明进一步公开了一种城市分岔隧道大拱段挖掘方法，该 方法的步骤包括

S1、基于预先设计的隧道蓝图的截面图，在该隧道的顶部附近的位置开凿 一贯通隧道的第一导洞Ⅰ，并在该第一导洞Ⅰ的内壁与隧道内壁重合的部分铺 设第一衬砌1，该第一导洞Ⅰ的其它内壁部分铺设临时支撑部6，在第一导洞 Ⅰ内壁形成封闭环；

S2、在所述隧道中与第一导洞Ⅰ对称位置的隧道底部附近的位置开凿一贯 通隧道的第二导洞Ⅱ，并在该第二导洞Ⅱ的内壁与隧道内壁重合的部分铺设第 一衬砌1，该第二导洞Ⅱ的其它内壁部分铺设临时支撑部6，在第二导洞Ⅱ内 壁形成封闭环；

S3、在第一导洞Ⅰ的底部每隔一段距离向第二导洞Ⅱ施作钻孔灌注桩，该 桩体的顶部通过第一纵梁3固定在第一导洞Ⅰ内的第一衬底1上，该桩体的底 部通过第二纵梁4固定在第二导洞Ⅱ内的第一衬底1上；所述桩体为外部包裹 钢管围护的钢筋混凝土管柱5；

S4、在所述隧道的左侧壁与所述桩体之间距离的三分之一处和左侧壁之间 的空间的上半部分开凿一贯通隧道的第三导洞Ⅲ，并在该第三导洞Ⅲ的内壁与 隧道内壁重合的部分铺设第一衬砌1，该第三导洞Ⅲ的其它内壁部分铺设临时 支撑部6，在第三导洞Ⅲ内壁形成封闭环；

S5、在所述隧道的左侧壁与所述桩体之间距离的三分之一处和左侧壁之间 的空间的下半部分开凿一贯通隧道的第四导洞Ⅳ，并在该第四导洞Ⅳ的内壁与 隧道内壁重合的部分铺设第一衬砌1，该第四导洞Ⅳ的其它内壁部分铺设临时 支撑部6，在第四导洞Ⅳ内壁形成封闭环；

S6、在所述隧道的右侧壁与所述桩体之间距离的三分之一处和右侧壁之间 的空间的上半部分开凿一贯通隧道的第五导洞Ⅴ，并在该第五导洞Ⅴ的内壁与 隧道内壁重合的部分铺设第一衬砌1，该第五导洞Ⅴ的其它内壁部分铺设临时 支撑部6，在第五导洞Ⅴ内壁形成封闭环；

S7、在所述隧道的右侧壁与所述桩体之间距离的三分之一处和右侧壁之间 的空间的下半部分开凿一贯通隧道的第六导洞Ⅵ，并在该第六导洞Ⅵ的内壁与 隧道内壁重合的部分铺设第一衬砌1，该第六导洞Ⅵ的其它内壁部分铺设临时 支撑部6，在第六导洞Ⅵ内壁形成封闭环；

S8、在所述隧道的所述桩体与第三导洞Ⅲ之间距离的二分之一处和第三导 洞Ⅲ之间的空间开凿一贯通隧道的第七导洞Ⅶ，并在该第七导洞Ⅶ的内壁与隧 道内壁重合的部分铺设第一衬砌1，该第七导洞Ⅶ的其它内壁部分铺设临时支 撑部6，在第七导洞Ⅶ内壁形成封闭环；

S9、在所述隧道的所述桩体与第四导洞Ⅳ之间距离的二分之一处和第四导 洞Ⅳ之间的空间开凿一贯通隧道的第八导洞Ⅷ，并在该第八导洞Ⅷ的内壁与隧 道内壁重合的部分铺设第一衬砌1，该第八导洞Ⅷ的其它内壁部分铺设临时支 撑部6，在第八导洞Ⅷ内壁形成封闭环；

S10、在所述隧道的所述桩体与第五导洞Ⅴ之间的空间，并拆除该空间与第 一导洞Ⅰ重叠空间内的第一导洞Ⅰ的临时支撑部6，开凿一贯通隧道的第九导 洞Ⅸ，并在该第九导洞Ⅸ的内壁与隧道内壁重合的部分铺设第一衬砌1，该第 九导洞Ⅸ的其它内壁部分铺设临时支撑部6，在第九导洞Ⅸ内壁形成封闭环；

S11、在所述隧道的所述桩体与第六导洞Ⅵ之间的空间，并拆除该空间与第 二导洞Ⅱ重叠空间内的第二导洞Ⅱ的临时支撑部6，开凿一贯通隧道的第十导 洞Ⅹ，并在该第十导洞Ⅹ的内壁与隧道内壁重合的部分铺设第一衬砌1，该第 十导洞Ⅹ的其它内壁部分铺设临时支撑部6，在第十导洞Ⅹ内壁形成封闭环；

S12、在所述隧道的所述桩体与第七导洞Ⅶ之间的空间，并拆除该空间与第 一导洞Ⅰ重叠空间内的第一导洞Ⅰ的临时支撑部6，开凿一贯通隧道的第十一 导洞Ⅺ，并在该第十一导洞Ⅺ的内壁与隧道内壁重合的部分铺设第一衬砌1， 该第十一导洞Ⅺ的其它内壁部分铺设临时支撑部6，在第十一导洞Ⅺ内壁形成 封闭环；

S13、在所述隧道的所述桩体与第八导洞Ⅷ之间的空间，并拆除该空间与第 二导洞Ⅱ重叠空间内的第二导洞Ⅱ的临时支撑部6，开凿一贯通隧道的第十二 导洞Ⅻ，并在该第十二导洞Ⅻ的内壁与隧道内壁重合的部分铺设第一衬砌1， 该第十二导洞Ⅻ的其它内壁部分铺设临时支撑部6，在第十二导洞Ⅻ内壁形成 封闭环；

S14、拆除所有临时支撑6，在第一衬砌1上覆盖固定第二衬砌2，完成最 终分岔隧道大拱段断面的挖掘。

下面通过一组实施例对本发明做进一步说明：

如图1和图2所示，本发明城市分岔隧道大拱段的衬砌型支撑结构包括第 一衬砌1、第二衬砌2、第一纵梁3、第二纵梁4、混凝土钢管柱5、和临时支 撑部6。利用隧道顶部的第一纵梁3和底纵的第二纵梁4将混凝土钢管柱5连 接起来。混凝土钢管柱5、隧道顶部的第一纵梁3和隧道底部的第二纵梁能够 提供有效实现隧道的竖向支撑，并与第一衬砌1和第二衬砌2共同构成承载体 系。采用本发明城市分岔隧道大拱段衬砌结构型式可以提高支护结构承载力， 增强支护结构的安全性，从而降低扁平率，减小开挖断面积，提高经济性。

如图2所示，，为有效控制分岔隧道大拱段周边围岩变形及上方地表沉降， 将分岔隧道大拱段分为如图2所示的12个部分，按照步步成环和及时封闭的 原则，采用分步开挖的方法，每完成一次开挖就进行封闭成环，具体施工步骤 如下：

步骤一：首先开挖第一导洞Ⅰ，形成小断面隧道开挖，然后施作初期支护 的第一衬砌1和临时支撑部6，进行封闭成环；

步骤二：开挖第一导洞Ⅰ的同时，进行开挖第二导洞Ⅱ，然后施作初期支 护的第一衬砌1和临时支撑部6，进行封闭成环；

步骤三：在第一导洞Ⅰ和第二导洞Ⅱ挖掘成环完成后，施作钢筋混凝土管 柱5，首先施作隧道顶部的第一纵梁3和隧道底部的第二纵梁4，然后从第一 导洞Ⅰ处施作钻孔灌注桩，在上部与隧道顶部的第一纵梁相接，然后打通达到 第二导洞Ⅱ至隧道底部的第二纵梁4处，最后在混凝土外侧用钢管围护；

步骤四：开挖第三导洞Ⅲ，施作初期支护的第一衬砌1和临时支撑部6，进 行封闭成环；

步骤五：开挖第四导洞Ⅳ，施作初期支护的第一衬砌1和临时支撑部6，进 行封闭成环；

步骤六：开挖第五导洞Ⅴ，施作初期支护的第一衬砌1和临时支撑部6，进 行封闭成环；

步骤七：开挖第六导洞Ⅵ，施作初期支护的第一衬砌1和临时支撑部6，进 行封闭成环；

步骤八：开挖第七导洞Ⅶ，施作初期支护的第一衬砌1和临时支撑部6，进 行封闭成环；

步骤九：开挖第八导洞Ⅷ，施作初期支护的第一衬砌1和临时支撑部6，进 行封闭成环；

步骤十：开挖第九导洞Ⅸ，拆除上方第一导洞Ⅰ右侧临时支撑部6，施作初 期支护的第一衬砌1和临时支撑部6，进行封闭成环；

步骤十一：开挖第十导洞Ⅹ，拆除下方第二导洞Ⅱ右侧临时支撑部6，施作 初期支护的第一衬砌1和临时支撑部6，进行封闭成环；

步骤十二：开挖第十一导洞Ⅺ，拆除上方第一导洞Ⅰ左侧临时支撑部6，施 作初期支护的第一衬砌1和临时支撑部6，进行封闭成环；

步骤十三：开挖第十二导洞Ⅻ，拆除下方第二导洞Ⅱ左侧临时支撑部6，施 作初期支护的第一衬砌1和临时支撑部6，进行封闭成环；

步骤十四：拆除所有临时支撑6，施作第二衬砌2，完成最终分岔隧道大拱 段断面衬砌结构。

综上所述，本发明所述技术方案解决了在城市分岔隧道大拱段衬砌结构安 全性不足和施工难度大的问题，能有效地提高支护结构的安全性，控制地层沉 降，并保持长期稳定。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并 非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述 说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施 方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动 仍处于本发明的保护范围之列。