一种全风化细砂地层开挖隧洞的方法

摘要

本发明公开了一种全风化细砂地层开挖隧洞的方法，本发明的全风化细砂地层开挖隧洞的方法利用细砂地层本身具有的相对稳定性，采用一次托换技术完成钢筋棚架对开挖范围细砂地层的支撑，即保持细砂地层开挖前的平衡不受棚架下细砂的挖除而打破，即达到开挖时，对保留的地层不产生扰动或少扰动；采用二次托换技术,以连接钢支撑的型钢与钢筋混凝土组合梁布置支点,完成边顶拱钢支撑与仰拱钢支撑的成环封闭；本发明的目的在于克服现有的细砂地层开挖隧洞方法中存在的易塌方、施工难度高的缺点而提供一种解决细砂地层覆盖层埋深浅隧洞进洞安全及边坡在雨季施工的安全问题的全风化细砂地层开挖隧洞的方法。

说明书

技术领域

本发明属于隧道工程领域，尤其涉及一种全风化细砂地层开挖隧洞的方法。

背景技术

松散结构地层胶结性弱，稳定性差，在施工中极易发生坍塌。隧道穿过这类地层时，需减少对围岩（土）的扰动，一般采取先护后挖，密闭支撑，边挖边封闭的施工原则，必要时采用超前注浆改良地层和控制地下水等措施。细砂地层成洞存在的问题和风险：

1.隧洞进口边坡稳定问题突出，隧洞洞脸边坡按设计1:1.5(垂直：水平)开挖时，因细砂颗粒内摩擦力和自然休止角过小而产生滑塌现象，因设计未对隧洞进洞提出相应处理措施，因此，需增加明洞段结合超前支护对洞口边坡支挡，防止隧洞进口开挖时，边坡坍塌影响隧洞进洞安全。

2.在细砂地层开挖隧洞，首先是地层的松散问题，细砂层中含有一定的粘土颗粒虽具有一定的固结作用，但开挖面暴露时间不易过长，一旦隧洞围岩（土）细砂层产生松动，其片帮效应发生，钢支撑顶部因砂土压力过大将使洞室开挖后安装的钢支撑产生变形或破坏，从而引起塌方。如果砂土松散引起的片帮效应发生在钢支撑或棚架架设之前，隧洞塌方将难以控制，甚至会引起冒顶通天，产生地面陷坑。

3.细砂地层开挖隧洞第二个问题是水的问题，稍湿的细砂地层因其含有一定的粘粒具有相对的自稳能力，在围土松驰圈形成之前，及时采取喷护3-5cm厚混凝土可以达到新奥法的目的，即利用其自身稳定加喷护混凝土加钢支撑达到相对平衡。但潮湿的细砂地层，因地层中含水量较大，地层无自稳能力，一旦开挖面暴露，必须及时采取封闭措施，防止钢支撑顶部围土松动引起塌方。

4.国外科学研究表明：细砂地层内含粘粒量大于8% 时，采用水泥灌浆不能达到预期固结砂效果；本工程细砂中粘粒含量达12%以上，因此，采取水泥灌浆固结砂方案被否定。而采取硅化法加固砂土地基或其它化学灌浆方式，施工成本高，效果也难以保证。

5. 在地面采取深井降水方案，井深最大深度达40m，虽施工难度不大，但需要占用居民经济作物的坡地，不仅成本高，而且成井后要求选择合适密目的过滤材料满足井管过水要求，又要防止地层中细砂颗粒流失。如果降水抽排时，排水中携带出细颗粒，不仅地层中细颗粒的流失将加大地表沉降，而且调压井和调压井进场道路可能因此沉降、开裂引发安全问题。

6.采取隧洞内轻型井点降水方案，一是轻型井点滞后掌子面布置，对开挖掌子面的改善有限，二是随掌子面开挖跟进施工轻型井点，增加了施工工序，使得开挖循环时间加长，严重影响施工进度。隧洞断面尺寸较小，也会引起施工布置的不便。

7. 在开挖断面4.8m*4.8m（城门洞加0.5m拱高的仰拱）的隧洞内布置大管棚施工，不仅成本高，而且因细砂含水，仍然需要及早封闭才能有效。如果开挖面暴露后再采用喷混凝土实现新奥法的效果，大管棚的优势将不复存在，反而施工成本加大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有的细砂地层开挖隧洞方法中存在的易塌方、施工难度高的缺点而提供一种解决细砂地层覆盖层埋深浅隧洞进洞安全及边坡在雨季施工的安全问题的全风化细砂地层开挖隧洞的方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：一种全风化细砂地层开挖隧洞的方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：在细砂地层进洞前，先在隧洞轮廓线以外打入两排直径Φ25～32的钢筋，钢筋间距10～20cm，紧贴坡面浇筑隧洞明洞段，将两排钢筋的尾端浇入明洞段内，明洞段净空尺寸与隧洞开挖断面尺寸相同，明洞边墙、顶拱混凝土厚度为40～60cm，明洞段底板长度为3～5m，边顶拱部位与细砂边坡顶撑密贴；

步骤2：在洞脸以上边坡开挖边线以外3～5m处布置一道截水沟，采用水泥砂浆抺面，并设置纵向排水沟与洞口道路侧布置的排水沟连通，防止坡面雨水汇集对洞口造成冲刷；

步骤3：对明洞洞口的明洞底板高程以上开挖的边坡面采取钢筋网片加喷护混凝土支护，并布置锚杆固定钢筋网片，锚杆深入细砂地层2～3m；

步骤4：明拱洞段混凝土强度达到75%以上，进行隧洞洞口开挖，在隧洞洞顶与明洞交接处架设第一榀钢支撑，钢支撑底部设混凝土预制垫块加大钢支撑传力至细砂地层的接触面积，控制钢支撑承载后下沉；

步骤5：在安装的钢支撑拱形部180度范围内，打入长度3.5m的Φ25～32钢筋，钢筋间距按10-20cm控制，钢筋尾部与钢支撑焊接在一起，形成具有悬挑能力的钢筋棚架；

步骤6：采用开挖设备在隧洞的中上部进行掏槽开挖，开挖循环进尺为0.5-1.0m，隧洞底部中心保留2.0m～3.0m高的细砂核心土、砂，用于稳定掌子面，并防止钢支撑受力后产生地隆现象；

步骤7： 机械开挖距设计轮廓线30～50cm时，采用人工削边配合；

步骤8：按间距50cm安装钢支撑，钢支撑之间通过连接钢筋焊接，在钢支撑的侧边方向安装钢筋网片，钢筋网片与钢支撑、连接钢筋焊接牢固；

步骤9：二次补喷混凝土将钢支撑整体覆盖，完成钢支撑拱顶及钢支撑侧墙的一次衬砌支护工作；

步骤10：开挖隧洞城门洞形预留核心土、砂；

步骤11：在喷护的混凝土上钻排水孔，将采用土工布封口的排水管埋入排水孔内；

步骤12：重复5-11步骤，安装6～8榀钢支撑后，将钢支撑底部开挖至预制混凝土垫块顶部，利用钢支撑连接筋与钢支撑浇筑一道型钢与钢筋混凝土组合梁，在组合梁的侧边设置侧壁挡墙，钢支撑侧墙与侧壁挡墙之间的混凝土梁面布置排水沟，便于将洞内集水排出洞外；

步骤13：隧洞进尺50～60m后，开挖隧洞下部仰拱部位；在型钢与钢筋混凝土组合梁整体下部设支点，逐榀完成顶拱钢支撑与仰拱钢支撑的成环及喷护混凝土封闭；

步骤14：在完成钢支撑成环封闭的部位回填道渣形成路面，继续下一洞段的开挖，直至完成细砂地段隧洞开挖及一次衬砌支护施工。

上部掏槽开挖至距离棚架30～50cm时，人工用铁锹沿开挖轮廓线削边，形成光滑平顺的拱顶开挖面。

在混凝土组合梁梁面布置排水沟，将洞内集水排出洞外，排水沟的外侧设置侧壁挡墙。

预留核心土部位边顶拱开挖完成后，对隧洞核心土外开挖暴露的围岩表面采用喷混凝土封闭，在潮湿的细砂地层随削边及时将预制混凝土背板用钢支撑连接筋固定封闭，防止细砂片帮滑落，素喷混凝土3～5cm厚。

本发明的上述技术方案产生的积极效果如下：本发明的全风化细砂地层开挖隧洞的方法利用细砂地层本身具有的相对稳定性，采用一次托换技术完成钢筋棚架对开挖范围细砂地层的支撑，即保持细砂地层开挖前的平衡不受棚架下细砂的挖除而打破，即达到开挖时，对保留的地层不产生扰动或少扰动。采用二次托换技术,以连接钢支撑的型钢与钢筋混凝土组合梁布置支点,完成边顶拱钢支撑与仰拱钢支撑的成环封闭；本发明的施工方案确保施工中不扰动细砂地层，利用细砂地层内部结构的内摩察力和运动休止角具备的自稳能力与支承体系共同受力保持地层的稳定和平衡，通过减少或避免隧洞开挖对保留地层的扰动、以及早封闭达到新奥法“鸡蛋壳包蛋”的目的。在具体施工时，采用本发明的技术方案细砂地层隧洞开挖进尺按照45m/月稳步推进，未发生一起塌方事故，细砂地层隧洞施工取得了良好的技术经济效益。

在完成一次衬砌支护后，在支护的混凝土面上布置排水孔，深入细砂地层0.2-0.5m，将细砂地层内的水引入隧洞内，减少支护混凝土外的土压力荷载。

附图说明

图1为本发明细砂地层隧洞开挖进口明洞支护示意图。

图2为本发明掌子面开挖的示意图。

图3为本发明钢支撑、组合梁的剖切示意图。

图4为本发明排水孔分布示意图。

图5为本发明开挖仰拱成环后端结构示意图。

图中标注为：1、钢支撑；2、钢筋棚架；3、钢筋网片；4、混凝土预制垫块；5、明洞洞口；6、组合梁；7、仰拱钢支撑；8、钢支撑连接钢筋；9、侧壁挡墙；10、排水沟；11、钢支撑侧墙；12、排水孔；13、排水管；14、土工布；15、截水沟；16、边坡开挖边线；17、明洞顶拱；18、明洞底板。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明全风化细砂地层开挖隧洞的方法的技术方案进行进一步的阐述和说明。

一种全风化细砂地层开挖隧洞的方法，该方法使用在云南保山苏帕河流域乌泥河水电站引水隧洞工程压力钢管水平段位于调压井后的水平隧洞内，隧洞穿过细度模数为1.2~1.6之间的粉细砂地层，细砂为浅黄色、黄色；隧洞出口8-10m洞段地层为稍湿细砂地层，隧洞近坡埋深大于10m为潮湿的细砂地层，细砂地层密度为中密/密实，砂质不纯，多含粘粒或粘土薄层（层厚约10cm），局部为互层状，分选性好，颗粒均匀；手搓偶有黏着感；岩心呈散状，局部饼状。隧洞开挖断面宽*高=4.8m*4.8m（城门洞加0.5m拱高的仰拱），设计一次衬砌采用挂网（钢筋直径Φ6.5mm，网格间距10cm*10cm）的喷护混凝土，喷护混凝土厚度15cm，二次衬砌采用钢筋混凝土，衬砌厚度0.6m。

如图1、2、3所示，该方法施工的步骤如下：

步骤1.在细砂地层进洞前，先在隧洞轮廓线以外打入两排长度3.5m，直径Φ25～32钢筋6，钢筋间距10～20cm，排距40cm，然后紧贴坡面浇筑隧洞明洞段城，将两排钢筋的尾端浇入明洞段内；明洞段净空尺寸与隧洞开挖断面尺寸相同，明洞边墙、明洞顶拱17混凝土厚度按40～60cm控制；明洞段底板长度控制3～5m，边顶拱部位与细砂边坡顶撑密贴，防止在明洞内开挖坡面斜面时，坡面滑塌；

步骤2.在洞脸以上边坡开挖边线16以外3～5m处布置一道截水沟15，采用水泥砂浆抺面，并设置纵向排水沟与洞口道路侧布置的排水沟连通，防止坡面雨水汇集对洞口造成冲刷；

步骤3.对明洞洞口5的明洞底板18高程以上开挖的边坡采取钢筋网片3加喷护混凝土支护，并布置锚杆固定钢筋网片，锚杆深入细砂地层2～3m；

步骤4.明拱混凝土强度达到75%以后，进行隧洞洞口开挖，在洞顶与明洞交接处架设第一榀顶拱钢支撑1（以下简称钢支撑），钢支撑底部设20cm*20cm厚12cm的混凝土预制垫块4加大钢支撑传力至细砂地层的接触面积，控制钢支撑承载后下沉；

步骤5.在安装的钢支撑顶部180度范围，打入长度3.5m的Φ25～32钢筋，形成间距为10～20cm的钢筋棚架2，钢筋尾部与钢支撑焊接在一起，形成具有悬挑能力的钢筋棚架；即利用钢筋打入细砂地层后钢筋杆件与细砂结合部的挟制力，使含粘粒板结的细砂不产生片帮滑落；其二，利用钢筋棚架的形成悬挑能力，防止开挖掌子面出现滑塌时，棚架的悬挑能力阻止上部细砂的塌落；

步骤6：采用开挖设备在隧洞的中上部进行掏槽开挖，开挖循环进尺按0.5-1.0m控制，隧洞底部中心保留2.0m～3.0m高的细砂核心土，用于稳定掌子面，并防止钢支撑受力后产生地隆现象；

步骤7：机械开挖距设计轮廓线30～50cm时，采用人工削边配合形成光滑平顺的拱顶开挖面;预留核心土部位边顶拱开挖完成后，对隧洞核心土外开挖暴露的围岩（土）表面采用喷混凝土封闭，稳定性较差的暴露面增加混凝土预制背板保护,素喷混凝土3～5cm厚。

步骤8：按间距50cm安装榀钢支撑，并安装钢筋网片，钢筋网片与钢支撑、钢支撑连接钢筋焊接牢固；

步骤9：二次补喷混凝土将钢支撑整体覆盖，钢支撑拱顶及钢支撑侧墙11完成一次衬砌支护工作；

步骤10：开挖隧洞城门洞形预留核心土（砂）;

步骤11.在喷护混凝土上钻排水孔12，将采用土工布14封口的排水管埋入排水孔13内;

步骤12. 重复5-11工序，安装6-8榀钢支撑后，将钢支撑底部开挖至预制混凝土垫块顶部，在垫块顶部利用钢支撑连接筋8与钢支撑浇筑一道宽*高=20cm*20cm型钢与钢筋混凝土组合梁6，保证已安装的钢支撑组合整体受力，在组合梁的侧边设置侧壁挡墙9，钢支撑侧墙与侧壁挡墙之间的混凝土梁面布置排水沟10，便于将洞内集水排出洞外;

步骤13. 隧洞进尺50-60m后，视洞内交通维护成本情况，开挖隧洞下部仰拱部位，在型钢与钢筋混凝土梁整体下部适当位置设支点，逐榀完成连顶拱钢支撑与仰拱钢支撑7的成环及喷护混凝土封闭;

步骤14.在完成钢支撑成环封闭的部位回填道渣形成路面，继续开挖下一洞段的开挖，直至完成细砂地段隧洞开挖及一次衬砌支护施工;

步骤15.清理仰拱回填道渣，进行混凝土二次衬砌施工。

施工人员严格执行施工要求保证钢支撑顶部钢筋棚架搭接长度不小于1.5m，并按上述步骤落实各项措施，细砂地层隧洞开挖进尺实现了45m/月稳步推进，隧洞穿越细砂地层长度约90m后进入岩石洞段,隧洞在穿越细砂地层时未出现一起塌方事故,创造了较好的技术经济效益。