一种既有公路隧道原位扩建的施工方法及隧道结构

摘要

本发明涉及一种既有公路隧道原位扩建的施工方法及隧道结构，属于隧道设计施工技术领域，解决了现有施工方法浪费资源、投入大，改扩建成本高的问题。该施工方法主要包括以下步骤：拆除扩挖侧既有隧道拱部二次衬砌；施作扩挖侧新建隧道拱部超前支护与新建隧道拱部初期支护；拆除扩挖侧既有隧道拱墙二次衬砌；施作扩挖侧新建隧道拱墙超前支护与新建隧道拱墙初期支护；施作新建隧道仰拱；施作新建隧道二次衬砌。本发明有效缩短了现场施工时间，降低了改扩建成本，并提高了隧道结构的质量和稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及隧道设计施工技术领域，尤其涉及一种既有公路隧道原位扩建的施工方法及隧道结构。

背景技术

随着我国经济持续增长，基础设施建设已位于世界前列，汽车保有量也越来越多，导致许多运营高速公路无法满足交通量增长的需求。

为了满足交通量增长的需要，对既有高速公路的改扩建已是势在必行，而高速公路的改扩建势必涉及到公路隧道的改扩建。

现有的公路隧道改扩建方案主要有以下几种形式：第一，舍弃既有隧道，完全重新扩挖新隧道；第二，从既有隧道的底部开始起拱，对既有隧道利用率低。

上述公路隧道改扩建方案对既有隧道的利用率低，造成较大的资源浪费，改扩建成本高，周期长。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种既有公路隧道原位扩建的施工方法及隧道结构，用以解决现有施工方法浪费资源、投入大，改扩建成本高的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种既有公路隧道原位扩建的施工方法，包括以下步骤：

步骤1：对扩挖侧进行超前地质预报；

步骤2：拆除扩挖侧既有隧道拱部二次衬砌；

步骤3：施作扩挖侧新建隧道拱部超前支护与新建隧道拱部初期支护；

步骤4：安装临时钢支撑；

步骤5：拆除扩挖侧既有隧道拱墙二次衬砌；

步骤6：施作扩挖侧新建隧道拱墙超前支护与新建隧道拱墙初期支护；

步骤7：填充新建隧道拱部初期支护和新建隧道拱墙初期支护背后围岩的空隙；

步骤8：拆除临时钢支撑；

步骤9：施作新建隧道仰拱；

步骤10：施作新建隧道二次衬砌；

步骤11：在既有隧道的纵向上重复步骤1-10，完成隧道的扩建。

可选地，所述步骤3包括如下步骤：

步骤31：施作扩挖侧新建隧道拱部超前支护，以确保扩挖施工时围岩稳定；

步骤32：开挖扩挖侧既有隧道拱部与新建隧道拱部之间的拱部围岩；

步骤33：施作新建隧道拱部初期支护；

步骤34：将新建隧道拱部初期支护与既有隧道二次衬砌连接。

可选地，所述步骤34包括如下步骤：

步骤341：在新建隧道拱部初期支护和既有隧道二次衬砌的连接处设置槽钢，在槽钢内布置垫板；

步骤342：将新建隧道拱部初期支护采用的工字钢的端部与垫板接触；

步骤343：将槽钢、垫板和工字钢进行焊接。

可选地，所述步骤7包括如下步骤：

步骤71：施作既有隧道二次衬砌和新建隧道拱部初期支护结合部的注浆孔；

步骤72：向注浆孔内注浆。

可选地，所述步骤9包括如下步骤：

步骤91：拆除扩挖侧既有隧道仰拱；

步骤92：开挖既有隧道仰拱与新建隧道仰拱之间的围岩；

步骤93：施作新建隧道仰拱，并回填，使保留侧既有隧道初期支护、新建隧道拱部初期支护和新建隧道拱墙初期支护封闭成环。

可选地，所述步骤5采用爆破方式实现。

可选地，所述步骤5采用机械剪切钢筋方式实现。

可选地，所述步骤343包括如下步骤：先将工字钢的端部与垫板焊接，再将垫板与槽钢的底壁连接。

可选地，所述步骤343包括如下步骤：先将工字钢的端部与垫板焊接，再将垫板与槽钢的侧壁连接。

可选地，所述步骤1之前包括确定进行隧道原位扩建的位置，包括如下步骤：

步骤1：确定新建隧道建筑界限；

步骤2：比较既有隧道和新建隧道内轮廓，确定既有隧道与新建隧道交界位置。

另一方面，本发明还提供了一种在既有隧道基础上改扩建后的隧道结构，采用上述的施工方法施作得到。

在既有隧道基础上改扩建后的隧道结构包括既有隧道段和扩建隧道段，所述既有隧道段为所述扩建隧道段提供初期支护；所述既有隧道段和所述扩建隧道段通过连接件连接。

可选地，所述连接件包括槽钢和垫板，所述槽钢沿隧道的纵向设置，所述垫板置于所述槽钢的凹槽内。

可选地，所述槽钢的开口朝向所述扩建隧道段，所述扩建隧道段初期支护采用的工字钢的端部与所述垫板接触，所述槽钢、所述垫板和所述工字钢的端部固定连接。

可选地，所述垫板的材质为钢。

可选地，所述槽钢的数量为多个，多个所述槽钢沿隧道的纵向依次连接。

可选地，所述槽钢的底壁、所述垫板和所述工字钢的端部焊接。

可选地，所述槽钢的侧壁、所述垫板和所述工字钢的端部焊接。

可选地，所述垫板的宽度大于所述工字钢的宽度。

可选地，所述垫板的宽度小于所述槽钢的宽度。

可选地，所述槽钢的长度为60cm。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)本发明的施工方法不是舍弃既有隧道，完全重新扩挖新隧道，也不是从既有隧道的底部开始起拱，而是保留了一部分既有隧道，通过将既有隧道单侧部分二次衬砌作为扩建隧道的初期支护，一方面，维持未扩挖侧围岩稳定性，提高建设安全性；另一方面，可充分利用既有隧道资源，贯彻绿色发展理念，节约扩建投资，并且缩短了现场施工时间，提高扩建效率。

(2)本发明通过在施工前进行超前地质探测，查明既有隧道衬砌背后空洞情况，根据探测情况再决定是否进行预加固。该步骤可有效节约建设资源、提高建设安全性。

(3)本发明采用分部开挖方法，施工工序确保了隧道在软弱地层中的安全。

(4)本发明通过合理选择既有隧道和新建隧道的连接点，一方面，能够最大限度地利用一部分原有衬砌，降低扩建成本，缩短扩建周期；另一方面，能够维持未扩挖侧围岩稳定性，提高建设安全性。

(5)本发明的隧道结构不是完全重新开挖，而是利用了一部分既有隧道。具体而言，本发明的隧道结构包括既有隧道段和扩建隧道段，既有隧道段为扩建隧道段提供初期支护，一方面，维持未扩挖侧围岩稳定性，提高建设安全性；另一方面，可充分利用既有隧道资源，贯彻绿色发展理念，降低改扩建成本，并且缩短了现场施工时间，提高扩建效率。

(6)本发明通过在新建隧道拱部初期支护和既有隧道二次衬砌的连接处设置垫板，增大了新建隧道拱部初期支护和既有隧道二次衬砌的接触面积，从而降低压强，防止应力集中将既有隧道二次衬砌局部压坏。

(7)本发明通过设置槽钢，一方面，防止垫板移位；另一方面，增加了焊接形式，提高了焊接灵活性。例如，可以选择将槽钢的底壁与垫板和工字钢焊接，也可以选择将槽钢的侧壁与垫板和工字钢焊接，从而实现新建隧道拱部初期支护和既有隧道二次衬砌的连接。

(8)本发明通过将垫板的宽度设置为大于工字钢的宽度，并且小于槽钢的宽度，能够在垫板和槽钢的侧壁之间形成间隙，一方面，便于焊接；另一方面，提高了槽钢、垫板和工字钢的焊接牢固度。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为利用既有隧道单侧衬砌原位扩建的施工流程图；

图2为隧道改扩建施工步骤的具体示意图；

图3为图2中A处(既有隧道二次衬砌与新建隧道初期支护的接合处)的放大图。

附图标记：

1-雷达测线；2a-既有隧道拱部；2b-新建隧道拱部；3-钢柱；4a-既有隧道拱墙；4b-新建隧道拱墙；5-既有隧道二次衬砌；6a-既有隧道仰拱；6b-新建隧道仰拱；7-垫板；8-工字钢；9-槽钢。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例一

本发明的一个具体实施例，公开了一种复杂软弱地层既有公路隧道扩建的施工方法。该施工方法利用既有隧道单侧衬砌作为扩建隧道的初期支护，进行原位扩建，可有效确保隧道扩建施工安全，贯彻绿色发展理念，同时能有效节约施工成本。

在正式施工前需要首先确定进行隧道原位扩建的位置，即既有隧道的哪些位置保留，从什么位置开始扩建。具体包括如下步骤：

步骤1：确定新建隧道建筑界限；

步骤2：比较既有隧道和新建隧道内轮廓，确定既有隧道与新建隧道交界位置，即既有隧道二次衬砌与新建隧道初期支护的接头处。

在确定了进行原位扩建的位置后，再进行施工。如图1所示，本实施例的施工方法包括如下步骤：

步骤1：对扩挖侧进行超前地质预报。

施工前需对扩挖侧进行超前地质探测，采用地质雷达等探测手段对隧道衬砌背后的脱空情况进行探测，以确定是否需要对既有隧道进行预加固措施。

本实施例通过在施工前进行超前地质探测，查明既有隧道衬砌背后空洞情况，根据探测情况再决定是否进行预加固。该步骤可有效节约建设资源、提高建设安全性。

具体的，本实施例采用地质雷达探测手段对扩挖侧进行超前地质探测。如图2所示，本实施例在既有隧道扩挖侧的拱顶、拱腰和拱墙处沿隧道纵向布置3条雷达测线1。

需要说明的是，本实施例将雷达测线位置设置在拱顶原因在于：一方面，拱顶是施工最薄弱的位置；另一方面，拱顶在做衬砌、喷射混凝土等操作时，由于重力作用，施工材料容易掉块，出现施工缺陷，造成衬砌背后脱空。

另外，拱腰和拱墙也是容易存在施工缺陷的位置。本实施例将雷达测线布置在拱顶、拱腰和拱墙三个位置，能够准确了解隧道衬砌背后的脱空情况，提高了是否需要对既有隧道进行预加固措施的指导性。

如果需要进行预加固，本实施例采用的加固措施为：向脱空位置打入注浆管，然后向注浆管内注入混凝土。

步骤2：拆除扩挖侧既有隧道拱部2a二次衬砌。

具体的，采用爆破及机械剪切钢筋等方式实现。

步骤3：施作扩挖侧新建隧道拱部2b超前支护与上台阶(即新建隧道拱部)初期支护。具体包括如下步骤：

步骤31：施作扩挖侧新建隧道拱部2b超前支护，以确保扩挖施工时围岩稳定；

步骤32：采用爆破或机械开挖的方式开挖既有隧道拱部2a与扩挖侧新建隧道拱部2b之间的拱部围岩，扩挖进尺应不大于2环钢架；

步骤33：施作扩挖侧新建隧道拱部2b初期支护；

步骤34：将扩挖侧新建隧道拱部2b初期支护与既有隧道二次衬砌5连接。

如图3所示，步骤34包括以下步骤：

步骤341：在新建隧道拱部2b初期支护和既有隧道二次衬砌5的连接处设置槽钢9，在槽钢9内布置垫板7。

具体的，槽钢9沿隧道的纵向放置(即沿隧道的长度方向)，槽钢9的开口朝向新建隧道侧，垫板7也沿隧道的纵向放置，并置于槽钢9的凹槽内。

步骤342：将新建隧道拱部2b初期支护采用的工字钢8的端部与垫板7接触。

步骤343：将槽钢9、垫板7和工字钢8进行焊接。

步骤343采用以下两种方式实现：第一种方式，先将工字钢8的端部与垫板7焊接，再将垫板7与槽钢9的底壁连接；第二种方式，先将工字钢8的端部与垫板7焊接，再将垫板7与槽钢9的侧壁连接。

在一种优选的实施方式中，槽钢9应与既有隧道二次衬砌5的混凝土表面密贴，空隙处采用混凝土垫块等填充密实。

需要说明的是，由于工字钢8的截面面积较小，导致新建隧道拱部2b的初期支护和既有隧道二次衬砌5的接触面上压强较大，易将既有隧道二次衬砌5局部压坏。本实施例通过在新建隧道拱部2b的初期支护和既有隧道二次衬砌5的连接处设置垫板7，增大了初期支护和既有隧道二次衬砌的接触面积，从而降低压强，防止应力集中将既有隧道二次衬砌局部压坏。

本实施例采用槽钢的好处在于：槽钢有两侧立起的侧壁，在将槽钢、垫板和工字钢焊接时，增加了焊接形式，提高了焊接灵活性。例如，可以选择将槽钢的底壁与垫板和工字钢焊接，也可以选择将槽钢的侧壁与垫板和工字钢焊接。

步骤4：安装临时钢支撑。

具体的，在新形成的新建隧道拱部初期支护的一端和既有隧道的底壁之间安装钢柱3，以形成临时支撑。

本实施例通过在既有隧道路面结构和扩挖侧新建隧道拱部初期支护间安装临时钢支撑，能够防止新形成的初期支护出现错动、偏移，以保持围岩稳定，为下一步扩挖边墙侧围岩提供有利条件。

步骤5：拆除扩挖侧既有隧道拱墙4a二次衬砌。

具体的，采用爆破及机械剪切钢筋等方式实现。

步骤6：施作扩挖侧新建隧道拱墙4b超前支护与下台阶(即新建隧道拱墙)初期支护。具体包括如下步骤：

步骤61：施作扩挖侧新建隧道拱墙4b超前支护，以确保扩挖施工时围岩稳定；

步骤62：采用爆破或机械开挖的方式开挖既有隧道拱墙4a与新建隧道拱墙4b之间的围岩，扩挖进尺应不大于2环钢架；

步骤63：施作新建隧道拱墙初期支护。

步骤7：填充新建隧道拱部初期支护和新建隧道拱墙初期支护背后围岩的空隙。包括如下步骤：

步骤71：施作既有隧道二次衬砌5和新建隧道拱部初期支护结合部的注浆孔；

步骤72：向注浆孔内注浆，通过注浆填充初期支护背后围岩的空隙，起到加固围岩，减小沉降，控制变形的作用。

步骤8：拆除临时钢支撑。

步骤9：施作新建隧道仰拱。包括如下步骤：

步骤91：采用爆破及及机械剪切钢筋等方式拆除扩挖侧既有隧道仰拱6a；

步骤92：开挖既有隧道仰拱6a与新建隧道仰拱6b之间的围岩；

步骤93：施作新建隧道仰拱6b，并用C15混凝土进行回填，使保留侧既有隧道初期支护、新建隧道拱部初期支护和新建隧道拱墙初期支护封闭成环。

步骤10：施作新建隧道二次衬砌。

在初期支护封闭成环后，进行防排水施工，之后施作新建隧道的二次衬砌。

步骤11：在既有隧道的纵向上重复步骤1-10，完成隧道的扩建。

实施例二

本发明的另一个具体实施例，公开了一种在既有隧道基础上改扩建后的隧道结构，采用实施例一的施工方法得到。

如图2所示，改扩建后的隧道结构包括既有隧道段和扩建隧道段，既有隧道段的二次衬砌为扩建隧道段提供初期支护。

既有隧道段和扩建隧道段通过连接件连接。如图3所示，连接件包括槽钢和垫板，槽钢沿隧道的纵向设置(即沿隧道的长度方向)，垫板置于槽钢的凹槽内。

槽钢的开口朝向扩建隧道段，扩建隧道段初期支护采用的工字钢的端部与垫板接触，槽钢、垫板和工字钢的端部三者固定连接。固定连接的方式，例如可以为焊接。垫板的材质，例如可以为钢。

具体的，对于槽钢、垫板和工字钢的焊接部位，可以是槽钢的底壁、垫板和工字钢的端部三者焊接，也可以是槽钢的侧壁、垫板和工字钢的端部三者焊接。

在一种具体的实施方式中，槽钢的数量为多个，多个槽钢沿隧道的纵向依次连接。示例性地，槽钢的长度为60cm。

具体的，垫板的宽度大于工字钢的宽度，并且小于槽钢的宽度，以使垫板和槽钢的侧壁之间形成间隙，一方面，便于焊接；另一方面，提高了槽钢、垫板和工字钢的焊接牢固度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。