一种溶洞发育地层软岩特大断面隧道台阶施工方法

摘要

本发明涉及隧道超前支护措施施工技术领域，具体涉及一种溶洞发育地层软岩特大断面隧道台阶施工方法，包括如下步骤：(1)确认围岩等级及前方围岩状况；(2)根据围岩状况判断岩溶发育情况，根据所述岩溶发育情况判断隧道拱部前方溶洞是否发育，并根据围岩等级及溶洞发育情况确定超前支护措施及设计参数；(3)按照台阶设计参数，上下台阶同步开挖；与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将台阶施工方法应用于溶洞发育地层的特大断面隧道施工中，并根据围岩等级及溶洞发育情况分类采用超前支护措施，由地质素描结果中的掌子面溶洞揭露情况和掌子面状态确定初期支护及溶洞处理措施，针对溶洞发育地层采用特定施工方式，有的放矢，更加准确。

说明书

技术领域

本发明涉及隧道超前支护措施施工技术领域，具体涉及一种溶洞发育地层软岩特大断面隧道台阶施工方法。

背景技术

按照国际隧协断面划分标准，特大断面隧道的断面面积＞100m

溶洞是一种典型的岩溶不良地质，揭露后隧道极易发生洞内坍塌、充填物突涌、地表塌陷等地质灾害，其处治措施主要有封闭回填、混凝土回填、弃渣回填、注浆加固、砌墙或超前长管棚或小导管等。在溶洞发育的岩溶地层中施工时，特大断面隧道采用分部开挖法将面临多种施工问题。如：较小的导洞会使溶洞的相对尺度增大，溶洞充填物突涌灾害的危害程度增大；狭小的作业空间，施工人员安全疏散难度加大，灾害发生后大型机械无法作业；导洞逐个揭露溶洞，对溶洞多次扰动并且溶洞处理措施实施难度加大；单个导洞发生灾害造成掌子面掘进停工，将影响其他导洞施工进度，施工组织难度大。并且分部开挖法工作空间狭小、工序复杂，无法使用多臂凿岩台车、拱架安装机、湿喷机械手等大型机械设备作业，机械化配套程度低，难以实现大断面隧道快速施工。

随着围岩补强技术与大型施工机械的发展，软岩大断面隧道采用大断面或全断面开挖的技术条件逐渐成熟，台阶法逐渐被应用在软岩特大断面隧道施工，但现有施工技术中，并没有针对溶洞发育地层施工问题的良好解决办法。

因此，开发一种溶洞发育地层软岩特大断面隧道台阶施工方法，不但具有迫切的研究价值，也具有良好的经济效益和工业应用潜力，这正是本发明得以完成的动力所在和基础。

发明内容

为了克服上述所指出的现有技术的缺陷，本发明人对此进行了深入研究，在付出了大量创造性劳动后，从而完成了本发明。

具体而言，本发明所要解决的技术问题是：提供一种溶洞发育地层软岩特大断面隧道台阶施工方法，在保证特大断面隧道Ⅳ级、Ⅴ级围岩的稳定性及溶洞的稳定条件下，进行大断面(少分部)开挖，给大型施工机械提供作业空间，使特大断面隧道施工更快速、安全和经济。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种溶洞发育地层软岩特大断面隧道台阶施工方法，包括如下步骤：

(1)确认围岩等级及前方围岩状况；

(2)根据围岩状况判断岩溶发育情况，根据所述岩溶发育情况判断隧道拱部前方溶洞是否发育，并根据围岩等级及溶洞发育情况确定超前支护措施及设计参数；

(3)按照台阶设计参数，上下台阶同步开挖；

(4)排尘出渣后对掌子面进行地质素描，根据地质素描结果进行溶洞处理及初期支护施工；

(5)根据地质素描结果调整下一循环的超前支护措施及设计参数以及台阶的设计参数；

(6)重复步骤(3)-(5)。

在本发明中，作为一种改进，所述步骤(2)中的超前支护措施及设计参数包括如下方式：

(2-1)所述围岩等级为Ⅳ级时，采用超前小导管支护，所述超前小导管长度至少为4.5m；

(2-2)所述围岩等级为Ⅴ级时，采用超前大管棚支护，所述超前大管棚应穿过溶洞并保证入岩深度至少2.5m，且环向加固拱部120°范围；

(2-3)所述围岩等级为Ⅳ级且隧道拱部前方充填溶洞发育时，应采用分区超前大管棚措施支护，所述分区超前大管棚布置于隧道拱部前方充填溶洞发育的范围内；

所述隧道拱部前方充填溶洞发育表现为充填溶洞处于隧道拱部120°范围内，充填溶洞规模≥50m

在本发明中，作为一种改进，隧道拱部前方充填溶洞发育的范围确定步骤如下：

(2-3-1)根据前方岩溶发育情况初步确定隧道拱部前方充填溶洞发育的范围；

(2-3-2)根据初步确定范围内的管棚钻孔记录情况分析溶洞规模、溶洞位置和充填物类型，并进一步确定溶洞发育的范围。

在本发明中，作为一种改进，所述步骤(3)中的台阶设计参数有台阶高度、台阶长度和循环进尺，其中，台阶长度为3～5m，台阶高度为4～6m，循环进尺为1榀～2榀的钢架间距。

在本发明中，作为一种改进，所述步骤(4)中的地质素描结果包括掌子面溶洞揭露情况和掌子面状态，所述掌子面溶洞揭露情况为溶洞的规模、空间位置和充填物类型。

在本发明中，作为一种改进，所述掌子面状态包括如下几种：

(1)掌子面稳定状态，表现为：掌子面无明显挤出变形，少量掉块后稳定；

(2)掌子面较稳定状态，表现为：掌子面无明显挤出变形，掉块数量随时间增加；

(3)掌子面不稳定状态，表现为：掌子面挤出变形明显，拱顶边墙大量掉块、局部坍塌，掌子面无法自稳；当掌子面为不稳定状态时，初期支护采用掌子面封闭和锚喷支护的支护措施。

在本发明中，作为一种改进，所述步骤(4)中溶洞处理措施根据揭露溶洞的规模、空间位置和充填物类型确定。

在本发明中，作为一种改进，所述步骤(3)中的台阶设计参数应满足溶洞处理施工条件，通过增大台阶高度和增长台阶长度，使上台阶能将溶洞竖向和纵向全部揭露，调整后的台阶高度≤6m，调整后的台阶长度可＞5m。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明将台阶施工方法应用于溶洞发育地层的软岩特大断面隧道施工中，并根据围岩等级及溶洞发育情况分类采用超前支护措施，由地质素描结果中的掌子面溶洞揭露情况和掌子面状态确定初期支护及溶洞处理措施，针对溶洞发育地层采用特定施工方式，有的放矢，更加准确。

(2)针对Ⅳ级围岩，现有的大断面隧道台阶法施工采用超前大管棚预加固后台阶法开挖，但数值分析研究表明，Ⅳ级围岩特大断面隧道台阶法开挖时掌子面稳定性较好，变形破坏主要发生在初期支护施工过程，应以控制初期支护结构发生过量变形为主，本发明中针对Ⅳ级围岩的变形特征采用超前小导管稳定围岩控制超前变形，并结合超前地质预报结果对拱部、大规模的充填溶洞发育的重点区域采用分区超前大管棚措施进行超前处治，采用微台阶快速封闭初期支护，加强初期支护强度等措施控制支护后变形，以控制初期支护结构变形为主，这是本发明针对性施工的特点。

(3)针对Ⅴ级围岩，数值分析研究表明，Ⅴ级围岩特大断面隧道台阶法开挖时变形破坏为掌子面失稳，应以控制超前变形为主，本发明运用的超前大管棚的长度要根据溶洞发育情况进行优化，以保证管棚对前方溶洞的棚护作用，并且本发明超前大管棚加固的范围为120°，是基于提高围岩稳定性最优加固范围的数值分析结果和易发突涌泥灾害溶洞的案例统计结果提出的，可有效避免溶洞突涌泥灾害的发生。

(4)现有大断面隧道台阶法施工设计参数主要考虑大型机械提供作业空间、围岩稳定性方面，本发明提出的台阶设计参数以保证大型机械作业空间和围岩稳定为前提条件，同时考虑溶洞处理施工条件，在揭露溶洞时进行相应调整。较现有技术，本发明的可操作性和安全性更强。

(5)以往的大断面隧道Ⅳ级、Ⅴ级围岩分部开挖法以小导洞与临时支护形成支护体系，存在工作空间狭小、工序复杂、施工速度慢等问题，并且因未考虑溶洞发育情况对施工的影响，存在溶洞处理措施难以实施，灾害发生时施工人员逃生困难，灾害处治无法使用大型施工机械等一系列问题，本发明采用超前大管棚或超前小导管等超前支护措施提高围岩稳定性，采用超前大管棚超前处治或封闭回填、混凝土回填等处治措施提高溶洞稳定性，使Ⅳ级、Ⅴ级围岩特大断面隧道可采用微台阶开挖，与现有分部开挖法相比，可采用大型机械施工，减少了施工作业人员，施工组织难度低；节省了不可重复利用的临时支护，避免了临时支护拆除作业风险；围岩及溶洞受扰动次数少，溶洞与围岩稳定性控制效果更佳。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明的施工方法流程图；

图2为本发明实施例一的超前大管棚布置示意图；

图3为本发明实施例三的分区超前大管棚布置示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

一种溶洞发育地层软岩特大断面隧道台阶施工方法，包括如下步骤：

(1)在隧道掌子面进行超前地质预报与掌子面素描等工作，确认围岩等级及前方围岩状况，本发明是针对软岩地层，围岩等级一般处于Ⅳ级和Ⅴ级状态；

(2)根据围岩状况判断并分析岩溶发育情况，所述岩溶发育情况通过掌子面前方的围岩状况判断得出，根据所述岩溶发育情况判断前方溶洞发育情况，根据围岩等级及溶洞发育情况确定超前支护措施及设计参数；

(3)在上下台阶范围内进行炮眼成孔与装药作业，上下台阶同时爆破，平行向前开挖，台阶设计参数在保证围岩稳定性的条件下，同时应能满足大型机械作业空间；

(4)开启风机排出洞内粉尘，使用挖掘机进行洞周危石排险与欠挖处理，挖掘机配合出碴车进行出碴作业，排尘出渣后对掌子面进行地质素描，根据地质素描结果进行溶洞处理及初期支护施工；

(5)根据地质素描结果调整下一循环的超前支护措施及设计参数以及台阶的设计参数；

(6)重复步骤(3)-(5)。

所述步骤(2)中的超前支护措施及设计参数包括如下方式：

(2-1)围岩等级为Ⅳ级时，采用超前小导管支护，所述超前小导管长度至少为4.5m；

(2-2)围岩等级为Ⅴ级时，采用超前大管棚支护，所述分区超前大管棚布置于隧道拱部前方岩溶发育的范围内，环向加固拱部120°范围，在大断面隧道中，超前大管棚长度最优为20m；

(2-3)围岩等级为Ⅳ级且隧道拱部前方充填溶洞发育时，应采用分区超前大管棚措施支护，所述分区超前大管棚措施指仅在隧道拱部前方充填溶洞发育的范围内布置超前大管棚。

所述岩溶发育情况为溶洞处于隧道拱部120°范围内，溶洞规模≥50m

所述(2-3)中，隧道拱部前方充填溶洞发育的范围确定步骤如下：

(2-3-1)根据前方岩溶发育情况初步确定隧道拱部前方充填溶洞发育的范围；

(2-3-2)根据初步确定范围内的管棚钻孔记录情况分析溶洞规模、溶洞位置和充填物类型，并进一步确定溶洞发育的范围。

分区超前大管棚长度应根据管棚钻孔记录情况分析溶洞规模、溶洞位置和充填物类型等后进行优化，超前大管棚长度应穿过溶洞并保证入岩深度至少2.5m。

所述步骤(3)中的台阶设计参数有台阶高度、台阶长度和循环进尺，其中，台阶长度一般为3～5m，台阶高度为4～6m，循环进尺为1榀～2榀的钢架间距。

在特殊情况下，根据溶洞的规模，台阶设计参数应满足溶洞处理施工条件，通过增大台阶高度和增长台阶长度，使上台阶能将溶洞竖向和纵向全部揭露，调整后的台阶高度应≤6m，调整后的台阶长度可＞5m。

下台阶应错台开挖，避免上、下台阶初期支护同时悬空，在上台阶一侧揭露溶洞时，下台阶错台应先开挖溶洞侧。

所述步骤(4)中的地质素描结果包括掌子面溶洞揭露情况和掌子面状态，其中，所述掌子面溶洞揭露情况揭露溶洞的规模、空间位置和充填物类型等。

所述的掌子面状态分为稳定、较稳定和不稳定三类，如下图所示：

掌子面状态表

所述步骤(4)中初期支护施工包括掌子面封闭、喷锚支护等措施，所述喷锚支护包括型钢钢架、钢管(φ≥42mm)注浆锁脚、早强喷射混凝土、系统锚杆等。

当掌子面为稳定状态或较稳定状态时，初期支护采用锚喷支护；

当掌子面为不稳定状态时，初期支护采用掌子面封闭和锚喷支护的支护措施。

所述步骤(4)中溶洞处理采用的措施需根据揭露溶洞的规模、空间位置和充填物类型确定，具体措施如下表所示：

溶洞处理措施

根据不同溶洞类型的不同部位采用不同处治措施，可有效提高溶洞与围岩的稳定性。

实施例一：本实施例为三车道三心圆隧道，所述隧道的断面面积约167m

步骤(1)：采用地质雷达对隧道掌子面前方30m范围进行探测，探测结果掌子面岩性为可溶岩，岩体为岩质较坚硬、岩体破碎，地下水不发育；拱部测线图谱显示掌子面前方9～15m段雷达波反射强烈，可能发育较大规模溶洞，测段地下水不发育，围岩级别为Ⅴ级。

步骤(2)：根据围岩状况及溶洞发育情况判断超前支护采用超前大管棚，超前大管棚设计长度20m，环向加固拱部120°范围，共布置31孔，通过管棚钻孔记录分析8～14孔11～18m段为充填溶洞，因此8～14孔长度加长为22m，超前大管棚布置示意如图2。

步骤(3)：在上下台阶范围内进行炮眼成孔与装药作业，下台阶错台开挖，上下台阶同时爆破，平行向前开挖，中台阶长度为3m，台阶高度为4m，循环进尺为1榀钢架间距。

步骤(4)：开启风机排出洞内粉尘，使用挖掘机进行洞周危石排险与欠挖处理，挖掘机配合出碴车进行出碴作业，对掌子面进行地质素描。

步骤(5)：所述地质素描结果为下台阶左侧边墙部位揭露3×3×5m(长×宽×高)半充填粉质黏土溶洞，清理充填物和混凝土回填后进行初支封闭；掌子面较稳定，无明显挤出变形，有少量掉块，初期支护采用HW200×200H型钢、3.5m长φ42mm注浆钢管锁脚、C20厚27cm早强喷射混凝土、5.0m长φ22mm药卷锚杆。

步骤(6)：根据掌子面溶洞揭露情况和掌子面状态，下一开挖循环台阶设计参数保持不变。

步骤(7)：进行下一循环台阶开挖。

实施例二:本实施例为三车道三心圆隧道，所述隧道的断面面积约167m

步骤(1)：采用地质雷达对隧道掌子面前方30m范围进行探测，探测结果掌子面岩性为可溶岩，岩质较坚硬、岩体破碎，地下水不发育；图谱显示本测段基本维持目前掌子面状况，岩质较坚硬、岩体破碎，无明显含水体，围岩级别为Ⅴ级。

步骤(2)：根据围岩状况及溶洞发育情况判断超前支护采用超前大管棚，超前大管棚设计长度20m，环向加固拱部120°范围，共布置31孔。通过管棚钻孔记录分析前方岩性较连续，未见溶洞发育。

步骤(3)：在上下台阶范围内进行炮眼成孔与装药作业，下台阶错台开挖，上下台阶同时爆破，平行向前开挖，中台阶长度为3m，台阶高度为4m，循环进尺为1榀钢架间距。

步骤(4)：开启风机排出洞内粉尘，使用挖掘机进行洞周危石排险与欠挖处理，挖掘机配合出碴车进行出碴作业，对掌子面进行地质素描。

步骤(5)：所述地质素描结果为掌子面较稳定，无明显挤出变形，有少量掉块，未揭露溶洞，初期支护采用HW200×200H型钢、3.5m长φ42mm注浆钢管锁脚、C20厚27cm早强喷射混凝土、5.0m长φ22mm药卷锚杆。

步骤(6)：根据掌子面溶洞揭露情况和掌子面状态，下一开挖循环台阶设计参数保持不变。

步骤(7)：进行下一循环台阶开挖。

实施例三:本实施例为三车道三心圆隧道，所述隧道的断面面积约167m

步骤(1)：采用地质雷达对隧道掌子面前方30m范围进行探测，探测结果掌子面岩性为可溶岩，岩质较坚硬、岩体较破碎，地下水不发育；拱顶测线图谱显示前方3～9m段存在雷达反射强烈段，推测该段存在较大规模溶腔；边墙测线图谱显示前方2m～5m段存在雷达反射强烈段，推测该段可能存在软弱夹层或溶腔。围岩稳定性一般，围岩级别为Ⅳ级。

步骤(2)：根据围岩状况及溶洞发育情况判断超前支护采用φ42超前小导管与φ76分区超前大管棚，超前小导管设计长度4.5m，环向间距40cm，外插角10°，拱部120°范围布置，搭接长度＞1.0m；分区超前大管棚布置初步确定范围为拱部左侧30°，之后依据管棚钻孔记录分析确定了10～15孔4～11m段为充填溶洞，最终分区超前大管棚布置方案为10～15孔长度15m，分区超前大管棚布置示意如图3。

步骤(3)：在上下台阶范围内进行炮眼成孔与装药作业，下台阶错台开挖，上下台阶同时爆破，平行向前开挖，中台阶长度为5m，台阶高度为5m，循环进尺为2榀钢架间距。

步骤(4)：开启风机排出洞内粉尘，使用挖掘机进行洞周危石排险与欠挖处理，挖掘机配合出碴车进行出碴作业，对掌子面进行地质素描。

步骤(5)：所述地质素描结果为掌子面不稳定，掌子面挤出变形明显，局部有掉块坍塌现象，采用20cm厚喷射混凝土封闭掌子面，初期支护采用I20b工字型钢、3.5m长φ42mm注浆钢管锁脚、C20厚25cm早强喷射混凝土、4.0m长

步骤(6)：根据掌子面溶洞揭露情况和掌子面状态，下一循环台阶长度和高度根据溶洞纵向与竖向范围进行调整，调整后的台阶长度可＞5m，台阶高度应≤6m；下一循环超前小导管调整为φ42双层长度6.0m，环向间距40cm，外插角10°，拱部120°范围布置。

步骤(7)：进行下一循环超前小导管施工与台阶开挖。

实施例四：本实施例为三车道三心圆隧道，所述隧道断面的面积约167m

步骤(1)：采用地质雷达对隧道掌子面前方30m范围进行探测。掌子面岩性为可溶岩，岩质较坚硬、岩体较破碎，地下水不发育；图谱显示本测段基本维持目前掌子面状况，岩质较坚硬、岩体较破碎，地下水不发育，围岩级别为Ⅳ级。

步骤(2)：超前支护采用φ42超前小导管，超前小导管设计长度4.5m，环向间距40cm，外插角10°，拱部120°范围布置，搭接长度＞1.0m。

步骤(3)：在上下台阶范围内进行炮眼成孔与装药作业，下台阶错台开挖，上下台阶同时爆破，平行向前开挖，中台阶长度为5m，台阶高度为5m，循环进尺为2榀钢架间距。

步骤(4)：开启风机排出洞内粉尘，使用挖掘机进行洞周危石排险与欠挖处理，挖掘机配合出碴车进行出碴作业，对掌子面进行地质素描。

步骤(5)：掌子面较稳定，无明显挤出变形，有少量掉块，未揭露溶洞，初期支护采用I20b工字型钢、3.5m长φ42mm注浆钢管锁脚、C20厚25cm早强喷射混凝土、4.0m长

步骤(6)：根据掌子面溶洞揭露情况和掌子面状态，下一开挖循环台阶设计参数保持不变。

步骤(7)：进行下一循环台阶开挖。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。