一种软弱围岩超大断面隧道开挖支护结构及其施工方法

摘要

本发明公开了一种软弱围岩超大断面隧道开挖支护结构及其操作方法，软弱围岩超大断面隧道采用上台阶双侧壁分六部开挖支护，下台阶采用台阶法分七部开挖支护。开挖之前，先采用超前小导管进行拱部超前支护，之后按照一定顺序，将隧道断面分成十三部进行。本发明采用的开挖结构和方法，能够保证开挖施工空间大，每一步均可引入大型施工机械，多作业面平行作业，工效高，很大程度上加快了施工进度；减少了超大断面施工过程中临时支撑的数量，加快了施工进度；简化了临时支撑拆除工艺，既保证了安全，又提高了效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种软弱围岩超大断面隧道开挖支护结构及其施工方法，具体涉及软弱围岩﹙Ⅴ、Ⅵ级围岩﹚超大断面（最大断面可达每延米365m²）隧道开挖支护施工方法。

背景技术

在超大断面软弱围岩隧道施工过程中，传统的开挖方法是双侧壁导坑法、CD法、CRD法等，针对超大断面及围岩差的隧道，双侧壁导坑法、CRD法具有较好的适应性，但因临时支撑较多，且拆撑困难，施工风险大；各部施工空间狭小，只能使用小型机械施工，施工速度慢，施工成本高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种软弱围岩超大断面隧道开挖支护结构及其施工方法，以解决临时支撑多，拆撑困难，施工风险大，作业空间狭小，施工进度缓慢，施工成本高等问题。

本发明采取的技术方案为：一种软弱围岩超大断面隧道开挖支护结构，包括上部支护和下部支护，上部支护包括左侧导坑上台阶的支护、左侧导坑下台阶的支护、右侧导坑上台阶的支护、右侧导坑下台阶的支护、中隔墙上部的支护、中隔墙下部的支护，下部支护包括左侧边墙上台阶的支护、左侧边墙下台阶的支护、右侧边墙上台阶的支护、右侧边墙下台阶的支护、中部核心土上台阶的支护、中部核心土下台阶的支护和仰拱的支护，左侧导坑下台阶比左侧导坑上台阶开挖滞后5m，右侧导坑上台阶比左侧导坑上台阶开挖滞后45m，右侧导坑下台阶比左侧导坑上台阶开挖滞后50m，中隔墙上部比左侧导坑上台阶开挖滞后90m，中隔墙下部比左侧导坑上台阶开挖滞后95m，左侧边墙上台阶比左侧导坑上台阶开挖滞后105m，左侧边墙下台阶比左侧导坑上台阶开挖滞后115m，右侧边墙上台阶比左侧导坑上台阶开挖滞后110m，右侧边墙下台阶比左侧导坑上台阶开挖滞后120m，中部核心土上台阶比左侧导坑上台阶开挖滞后135m，中部核心土下台阶比左侧导坑上台阶开挖滞后150m，仰拱比左侧导坑上台阶开挖滞后155-160m。

优选的，上述左侧导坑上台阶的支护包括拱架一、锁脚锚杆一、临时竖撑一和预应力锚索一，左侧导坑下台阶的支护包括拱架二、锁脚锚杆二、临时竖撑二、临时仰拱横撑钢架一和预应力锚索二，左侧导坑上台阶的支护与左侧导坑下台阶的支护初期支护形成闭合环。

优选的，上述右侧导坑上台阶的支护包括拱架三、锁脚锚杆三、预应力锚索三和临时竖撑三，右侧导坑下台阶的支护包括拱架四、锁脚锚杆四、预应力锚索四、临时竖撑四和临时仰拱横撑钢架二， 右侧导坑上台阶的支护与右侧导坑下台阶的支护初期支护形成闭合环。

优选的，上述中隔墙上部的支护包括拱架五，与拱架一和拱架三连成整体。

优选的，上述左侧导坑上台阶设置两束锚索一，左侧导坑下台阶设置锚索二，右侧导坑上台阶设置两束锚索三，以及左侧导坑下台阶设置锚索四。

优选的，上述左侧边墙上台阶的支护包括拱架七以及锁脚锚杆一，左侧边墙下台阶的支护包括拱架九以及锁脚锚杆二。

优选的，上述右侧边墙上台阶的支护包括拱架八以及锁脚锚杆三，右侧边墙下台阶的支护包括拱架十以及锁脚锚杆四。

优选的，上述仰拱支护包括仰拱初支钢架。

一种软弱围岩超大断面隧道开挖支护结构的施工方法，软弱围岩超大断面隧道采用上台阶双侧壁分六部开挖支护，下台阶采用台阶法分七部开挖支护。在隧道开挖前，在拱部144°范围设置超前Φ42mm小导管进行拱部超前支护，之后按照一定顺序，将隧道断面分成十三部分进行开挖，具体包括以下步骤：

步骤一、在小导管的超前支护作用下，先开挖左侧导坑上台阶，呈一个近似的三角形，底宽9.56m，高4.55m，面积27m²，并及时施工初期支护拱架一、锁脚锚杆一及中隔壁I18临时竖撑一，并完成喷射混凝土作业；

步骤二、滞后左侧导坑上台阶5m后，再开挖左侧导坑下台阶，呈一个近似的梯形，上底宽9.56m，下底宽11.61m，高2.91m，面积31m²，左侧导坑下台阶左右侧开挖纵向里程方向必须错开施工，距离应不小于2m，及时施工初期支护拱架二、锁脚锚杆二、中隔壁I18临时竖撑二及底部I18临时仰拱横撑钢架一，并完成喷射混凝土作业，此时，左侧壁导坑已形成独立的闭合环结构；

步骤三、在左侧导坑上台阶开挖支护完成35m后，开始施工左侧导坑拱部3孔预应力锚索，三孔预应力锚索距离隧道中线距离分别为3.5m、6.0m、12.0m，锚索施工台架应考虑预留出碴、运输通道，待左侧锚索完成钻孔、下锚、注浆、张拉工序后，左侧壁导坑已形成“环状索拱支护结构”， 左侧壁导坑的“环状索拱支护结构”应紧跟左侧导坑掌子面，与掌子面距离应控制在34-36m；

步骤四、在左侧壁导坑形成完整的“环状索拱支护结构”10m后，即左侧壁导坑上台阶开挖支护完成45m，开始右侧导坑上台阶开挖支护作业，呈一个近似的三角形，底宽9.56m，高4.55m面积，27m²，及时施工初期支护拱架三、锁脚锚杆三、中隔壁I18临时竖撑三、喷射混凝土初期支护作业，右侧导坑上台阶开挖、支护在推进的过程中，始终应保证左侧壁导坑有已成型的“环状索拱支护结构”，并且超前右侧导坑上台阶开挖支护不小于10m；

步骤五、滞后右侧导坑上台阶5m后，即左侧壁导坑上台阶开挖支护完成50m，开挖右侧导坑下台阶，呈一个近似的梯形，上底宽9.56m，下底宽11.61m，高2.91m，面积31m²，下台阶左右侧开挖纵向里程方向必须错开施工，距离应不小于2m，及时施工初期支护拱架四、锁脚锚杆四、中隔壁I18临时竖撑四及底部I18临时仰拱横撑钢架二、喷射混凝土初期支护作业，此时，右侧壁导坑已形成独立的闭合环结构；

步骤六、在右侧导坑上台阶开挖支护完成35m后，即左侧壁导坑上台阶开挖支护完成80m，开始施工右侧拱部3孔预应力锚索，三孔预应力锚索距离隧道中线距离分别为3.5m、6.0m、12.0m，，锚索施工台架应考虑预留出碴、运输通道；待右侧锚索完成钻孔、下锚、注浆、张拉工序后，右侧壁导坑已形成“环状索拱支护结构”； 右侧壁导坑的“环状索拱支护结构”应紧跟右侧导坑掌子面与掌子面距离应控制在35m；

步骤七、在右侧壁导坑形成“环状索拱支护结构”10m后，即左侧壁导坑上台阶开挖支护完成90m，开始中隔墙上部开挖支护作业，呈一个近似的梯形，上底宽5.65m，下底宽3.21m，高4.73m，面积20m²，完成初期支护拱架五及喷射混凝土初期支护作业；接着拆除中隔墙上部左、右侧I18临时竖撑；

步骤八、滞后中隔墙上部5m，即左侧壁导坑上台阶开挖支护完成95m，开挖中隔墙下部，呈一个近似的梯形，上底宽3.21m，下底宽2.76m，高2.91m，面积7.5m²，开挖前先拆除中隔墙下部左、右侧I18临时竖撑及左右侧壁导坑底部I18临时仰拱横撑；

步骤九、滞后中隔墙下部10m后，即左侧壁导坑上台阶开挖支护完成105m，开挖支护左边墙上台阶，呈一个近似的梯形，上底宽6.15m，下底宽4.71m，高3.59m，面积20m²，及时施作初期支护拱架七、锁脚锚杆七及喷射混凝土初期支护作业；

步骤十、滞后左边墙上台阶5m后，即左侧壁导坑上台阶开挖支护完成110m，开挖支护右边墙上台阶，呈一个近似的梯形，上底宽6.15m，下底宽4.71m，高3.59m，面积20m²，及时施作初期支护拱架八、锁脚锚杆八及喷射混凝土初期支护作业；

步骤十一、滞后左边墙上台阶10m，即左侧壁导坑上台阶开挖支护完成115m，开挖支护左边墙下台阶，呈一个近似的梯形，上底宽4.71m，下底宽2.56m，高3.86m，面积14m²，及时施作初期支护拱架九、锁脚锚杆九及喷射混凝土初期支护作业；

步骤十二、滞后右边墙上台阶10m，即左侧壁导坑上台阶开挖支护完成120m，开挖支护右边墙下台阶，呈一个近似的梯形，上底宽4.71m，下底宽2.56m，高3.86m面积14m²，，及时施作初期支护拱架十、锁脚锚杆十及喷射混凝土初期支护作业；

步骤十三、滞后右侧边墙下台阶15m，即左侧壁导坑上台阶开挖支护完成135m，开挖中部核心土上台阶，呈一个近似的梯形，上底宽13.32m，下底宽16.97m，高3.59m面积54m²；

步骤十四、滞后中部核心土台阶15m，即左侧壁导坑上台阶开挖支护完成150m,开挖中部核心土下台阶，呈一个近似的梯形，上底宽16.97m，下底宽20.17m，高3.13m，面积58m²；

步骤十五、滞后中部核心土下台阶6m，即左侧壁导坑上台阶开挖支护完成156m，开挖仰拱，呈一个近似的三角形，底宽20.13m，高2.59m，面积41m²，安装初期支护仰拱初支钢架，及时施作喷射混凝土，完成隧道断面单个循环开挖及初支作业，如此循环，完成整个隧道开挖支护作业。

本发明的有益效果：与现有的双侧壁导坑法、CD法、CRD法等技术相比，本发明的效果如下：

（1）施工空间大，每一步均可引入大型施工机械，多作业面平行作业，工效高，很大程度上加快了施工进度；

2）减少了超大断面施工过程中临时支撑的数量，加快了施工进度；

3）简化了临时支撑拆除工艺，既保证了安全，又提高了效率。

附图说明

图1为十三部开挖支护法总体施工示意图；

图2为左侧导坑上台阶开挖支护施工示意图；

图3为左侧导坑下台阶开挖支护施工示意图；

图4为右侧导坑上台阶开挖支护施工示意图；

图5为右侧导坑下台阶开挖支护施工示意图；

图6为中隔墙上部开挖支护施工示意图；

图7为中隔墙下部开挖支护施工示意图；

图8为左侧边墙上台阶开挖支护施工示意图；

图9为左侧边墙下台阶开挖支护施工示意图；

图10为右侧边墙上台阶开挖支护施工示意图；

图11为右侧边墙下台阶开挖支护施工示意图；

图12为中隔墙上部开挖支护施工示意图；

图13为中隔墙下部开挖支护施工示意图；

图14为仰拱开挖支护施工示意图；

图15为开挖支护结构详细示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

实施例1：如图1-图15所示，一种软弱围岩超大断面隧道开挖支护结构，包括上部支护和下部支护，上部支护包括左侧导坑上台阶1的支护、左侧导坑下台阶2的支护、右侧导坑上台阶3的支护、右侧导坑下台阶4的支护、中隔墙上部5的支护、中隔墙下部6的支护，下部支护包括左侧边墙上台阶7的支护、左侧边墙下台阶9的支护、右侧边墙上台阶8的支护、右侧边墙下台阶10的支护、中部核心土上台阶11的支护、中部核心土下台阶12的支护和仰拱13的支护，左侧导坑下台阶2比左侧导坑上台阶1开挖滞后5m，右侧导坑上台阶3比左侧导坑上台阶1开挖滞后45m，右侧导坑下台阶4比左侧导坑上台阶1开挖滞后50m，中隔墙上部5比左侧导坑上台阶1开挖滞后90m，中隔墙下部6比比左侧导坑上台阶1开挖滞后95m，左侧边墙上台阶7比左侧导坑上台阶1开挖滞后105m，左侧边墙下台阶9比左侧导坑上台阶1开挖滞后115m，右侧边墙上台阶8比左侧导坑上台阶1开挖滞后110m，右侧边墙下台阶10比左侧导坑上台阶1开挖滞后120m，中部核心土上台阶11比左侧导坑上台阶1开挖滞后135m，中部核心土下台阶12比左侧导坑上台阶1开挖滞后150m，仰拱13比左侧导坑上台阶1开挖滞后155-160m。

优选的，参照图2-图3所示，上述左侧导坑上台阶1的支护包括拱架一1-1、锁脚锚杆一1-2、临时竖撑一1-4和预应力锚索一1-3，左侧导坑下台阶2的支护包括拱架二2-1、锁脚锚杆二2-2、临时竖撑二2-5、临时仰拱横撑钢架一2-4和预应力锚索二2-3，左侧导坑上台阶1的支护与左侧导坑下台阶2的支护初期支护形成闭合环。

优选的，参照图4-图5所示，上述右侧导坑上台阶3的支护包括拱架三3-1、锁脚锚杆三3-2、预应力锚索三3-3和临时竖撑三3-4，右侧导坑下台阶4的支护包括拱架四4-1、锁脚锚杆四4-2、预应力锚索四4-3、临时竖撑四4-5和临时仰拱横撑钢架二4-4， 右侧导坑上台阶3的支护与右侧导坑下台阶4的支护初期支护形成闭合环。

优选的，参照图6-图7所示，上述中隔墙上部5的支护包括拱架五5-1，与拱架一1-1和拱架三3-1连成整体，中隔墙上部5滞后1部90m开挖开挖完成后，施作初期支护拱架无5-1与拱架一1-1和拱架三3-1连成整体，并施作喷射混凝土形成初期支护，之后拆除临时竖撑1-4及3-4。

优选的，参照图2-图3所示和图4-图5所示，上述左侧导坑上台阶1设置两束锚索一1-3，左侧导坑下台阶2设置锚索二2-3，右侧导坑上台阶3设置两束锚索三3-3，以及左侧导坑下台阶4设置锚索四4-3。

优选的，参照图8和图10所示，上述左侧边墙上台阶7的支护包括拱架七7-1以及锁脚锚杆一7-2，左侧边墙下台阶7的支护包括拱架九9-1以及锁脚锚杆二9-2。

如图12所示，中部核心土上台阶11滞后1部135m开挖。

如图13所示，中部核心土下台阶12滞后1部150m开挖。

优选的，参照图9和图11所示，上述右侧边墙上台阶8的支护包括拱架八8-1以及锁脚锚杆三8-2，右侧边墙下台阶10的支护包括拱架十10-1以及锁脚锚杆四10-2。

优选的，参照图14所示，上述仰拱13支护包括仰拱初支钢架13-1，仰拱13滞后1部155m到160m开挖，开挖完成后，施作仰拱初支钢架13-1，并及时施作喷射混凝土，完成整个初支体系封闭成环。

实施例2：一种软弱围岩超大断面隧道开挖支护结构的施工方法，软弱围岩超大断面隧道采用上台阶双侧壁分六部开挖支护，下台阶采用台阶法分七部开挖支护。在隧道开挖前，在拱部144°范围设置超前Φ42mm小导管14进行拱部超前支护，之后按照一定顺序，将隧道断面分成十三部分进行开挖，具体包括以下步骤：

步骤一、在小导管的超前支护作用下，先开挖左侧导坑上台阶，呈一个近似的三角形，底宽9.56m，高4.55m，面积27m²，并及时施工初期支护拱架一、锁脚锚杆一及中隔壁I18临时竖撑一，并完成喷射混凝土作业；

步骤二、滞后左侧导坑上台阶5m后，再开挖左侧导坑下台阶，呈一个近似的梯形，上底宽9.56m，下底宽11.61m，高2.91m，面积31m²，左侧导坑下台阶左右侧开挖纵向里程方向必须错开施工，距离应不小于2m，及时施工初期支护拱架二、锁脚锚杆二、中隔壁I18临时竖撑二及底部I18临时仰拱横撑钢架一，并完成喷射混凝土作业，此时，左侧壁导坑已形成独立的闭合环结构；

步骤三、在左侧导坑上台阶开挖支护完成35m后，开始施工左侧导坑拱部3孔预应力锚索，三孔预应力锚索距离隧道中线距离分别为3.5m、6.0m、12.0m，锚索施工台架应考虑预留出碴、运输通道，待左侧锚索完成钻孔、下锚、注浆、张拉工序后，左侧壁导坑已形成“环状索拱支护结构”， 左侧壁导坑的“环状索拱支护结构”应紧跟左侧导坑掌子面，与掌子面距离应控制在34-36m；

步骤四、在左侧壁导坑形成完整的“环状索拱支护结构”10m后，即左侧壁导坑上台阶开挖支护完成45m，开始右侧导坑上台阶开挖支护作业，呈一个近似的三角形，底宽9.56m，高4.55m面积，27m²，及时施工初期支护拱架三、锁脚锚杆三、中隔壁I18临时竖撑三、喷射混凝土初期支护作业，右侧导坑上台阶开挖、支护在推进的过程中，始终应保证左侧壁导坑有已成型的“环状索拱支护结构”，并且超前右侧导坑上台阶开挖支护不小于10m；

步骤五、滞后右侧导坑上台阶5m后，即左侧壁导坑上台阶开挖支护完成50m，开挖右侧导坑下台阶，呈一个近似的梯形，上底宽9.56m，下底宽11.61m，高2.91m，面积31m²，下台阶左右侧开挖纵向里程方向必须错开施工，距离应不小于2m，及时施工初期支护拱架四、锁脚锚杆四、中隔壁I18临时竖撑四及底部I18临时仰拱横撑钢架二、喷射混凝土初期支护作业，此时，右侧壁导坑已形成独立的闭合环结构；

步骤六、在右侧导坑上台阶开挖支护完成35m后，即左侧壁导坑上台阶开挖支护完成80m，开始施工右侧拱部3孔预应力锚索，三孔预应力锚索距离隧道中线距离分别为3.5m、6.0m、12.0m，，锚索施工台架应考虑预留出碴、运输通道；待右侧锚索完成钻孔、下锚、注浆、张拉工序后，右侧壁导坑已形成“环状索拱支护结构”； 右侧壁导坑的“环状索拱支护结构”应紧跟右侧导坑掌子面与掌子面距离应控制在35m；

步骤七、在右侧壁导坑形成“环状索拱支护结构”10m后，即左侧壁导坑上台阶开挖支护完成90m，开始中隔墙上部开挖支护作业，呈一个近似的梯形，上底宽5.65m，下底宽3.21m，高4.73m，面积20m²，完成初期支护拱架五及喷射混凝土初期支护作业；接着拆除中隔墙上部左、右侧I18临时竖撑；

步骤八、滞后中隔墙上部5m，即左侧壁导坑上台阶开挖支护完成95m，开挖中隔墙下部，呈一个近似的梯形，上底宽3.21m，下底宽2.76m，高2.91m，面积7.5m²，开挖前先拆除中隔墙下部左、右侧I18临时竖撑及左右侧壁导坑底部I18临时仰拱横撑；

步骤九、滞后中隔墙下部10m后，即左侧壁导坑上台阶开挖支护完成105m，开挖支护左边墙上台阶，呈一个近似的梯形，上底宽6.15m，下底宽4.71m，高3.59m，面积20m²，及时施作初期支护拱架七、锁脚锚杆七及喷射混凝土初期支护作业；

步骤十、滞后左边墙上台阶5m后，即左侧壁导坑上台阶开挖支护完成110m，开挖支护右边墙上台阶，呈一个近似的梯形，上底宽6.15m，下底宽4.71m，高3.59m，面积20m²，及时施作初期支护拱架八、锁脚锚杆八及喷射混凝土初期支护作业；

步骤十一、滞后左边墙上台阶10m，即左侧壁导坑上台阶开挖支护完成115m，开挖支护左边墙下台阶，呈一个近似的梯形，上底宽4.71m，下底宽2.56m，高3.86m，面积14m²，及时施作初期支护拱架九、锁脚锚杆九及喷射混凝土初期支护作业；

步骤十二、滞后右边墙上台阶10m，即左侧壁导坑上台阶开挖支护完成120m，开挖支护右边墙下台阶，呈一个近似的梯形，上底宽4.71m，下底宽2.56m，高3.86m面积14m²，，及时施作初期支护拱架十、锁脚锚杆十及喷射混凝土初期支护作业；

步骤十三、滞后右侧边墙下台阶15m，即左侧壁导坑上台阶开挖支护完成135m，开挖中部核心土上台阶，呈一个近似的梯形，上底宽13.32m，下底宽16.97m，高3.59m面积54m²；

步骤十四、滞后中部核心土台阶15m，即左侧壁导坑上台阶开挖支护完成150m,开挖中部核心土下台阶，呈一个近似的梯形，上底宽16.97m，下底宽20.17m，高3.13m，面积58m²；

步骤十五、滞后中部核心土下台阶6m，即左侧壁导坑上台阶开挖支护完成156m，开挖仰拱，呈一个近似的三角形，底宽20.13m，高2.59m，面积41m²，安装初期支护仰拱初支钢架，及时施作喷射混凝土，完成隧道断面单个循环开挖及初支作业，如此循环，完成整个隧道开挖支护作业。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。