用于隧道开挖的上下台阶预留核心土开挖方法与流程

1032 编辑：中冶有色技术网来源：中交路桥华南工程有限公司

2023-10-16 15:28:53

1.本发明涉及隧道施工技术领域，尤其涉及一种用于隧道开挖的上下台阶预留核心土开挖方法。

背景技术：

2.隧道穿越层状软岩地层时，围岩变形特性与支护结构的力学性能具有显著的非对称特性。由于软弱围岩强度较低、自承能力较差，隧道支护结构将承担较大的荷载，隧道可能发生挤压性破坏。因此，对于穿越层状软岩地层的隧道，如何采用合理的支护方式和施工方法，对于隧道结构的安全保障有着重要意义。

技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种用于隧道开挖的上下台阶预留核心土开挖方法，适用于一般土质或易坍塌的软弱围岩、断面较大的隧道施工，改善隧道工作面的稳定性，有效控制了围岩的变形，确保了工程安全施工。

4.本发明实施例提供的用于隧道开挖的上下台阶预留核心土开挖方法，包括如下步骤：

5.(1)将隧道断面分割为上台阶部和下台阶部，其中，所述上台阶部包括环形导坑开挖区和上台阶核心土开挖区，所述下台阶部包括第一侧壁部开挖区、第二侧壁部开挖区和下台阶核心土开挖区，其中，所述上台阶核心土开挖区的断面形状为梯形，所述下台阶核心土开挖区的断面形状为倒梯形，所述上台阶核心土开挖区和所述下台阶核心土开挖区的断面面积之和不小于隧道断面面积的50％；

6.(2)在具备超前支护的情况下，开挖所述环形导坑开挖区，施作上台阶初期支护，再开挖所述上台阶核心土开挖区；

7.(3)开挖所述下台阶核心土开挖区，然后错开开挖所述第一侧壁部开挖区和所述第二侧壁部开挖区并及时施作侧壁部初期支护；

8.(4)开挖仰拱，施作仰拱初期支护以与已有支护闭合成环；

9.(5)仰拱超前浇筑及铺设防水板，利用模板台车一次注模二次衬砌；

10.(6)循环按照上述步骤(1)～(5)，直至隧道贯通。

11.进一步的，在所述步骤(2)中，所述环形导坑开挖区长度为10～15m。

12.进一步的，所述上台阶核心土开挖区预留核心土体的长度为5～10m，所述下台阶核心土开挖区预留核心土体的长度为5～10m。

13.进一步的，在上述步骤(3)中，先行侧壁部开挖区的掌子面比后行侧壁部开挖区的掌子面超前2～3m。

14.进一步的，在上述步骤(3)中，所述下台阶核心土开挖区的掌子面比先行侧壁部开挖区的掌子面超前10～15m。

15.进一步的，二次衬砌比后行侧壁部开挖区的掌子面滞后超过20m。

16.进一步的，在上述步骤(2)和(3)中，每循环开挖进尺不大于2榀钢拱架间距。

17.进一步的，所述仰拱距上台阶掌子面的距离不大于30m。

18.进一步的，在上述步骤(3)中，在上台阶初期支护喷射砼强度达到设计强度的70％之后进行下台阶开挖。

19.进一步的，所述第一侧壁部开挖区为所述下台阶部中远离双洞隧道中岩柱的一侧，所述第二侧壁部开挖区为所述下台阶部中靠近双洞隧道中岩柱的一侧；

20.则在上述步骤(3)中，所述错开开挖所述第一侧壁部开挖区和所述第二侧壁部开挖区并及时施作侧壁部初期支护，包括：

21.先行开挖所述第一侧壁部开挖区，施作第一侧壁部初期支护；

22.后行开挖所述第二侧壁部开挖区，施作第二侧壁部初期支护。

23.进一步的，后行隧洞的掌子面比先行隧洞的掌子面滞后不小于35m。

24.进一步的，后行隧洞的掌子面比先行隧洞的二次衬砌超前不小于20m。

25.本技术实施例提供的用于隧道开挖的上下台阶预留核心土开挖方法，采用上台阶环形导洞预留核心土体支撑掌子面，有效防止掌子面失稳；下台阶中间核心土体先行开挖，预留两侧壁部土体，能有效保证拱脚受力面积及防止钢架受力向内位移；尤其适用于一般土质或易坍塌的软弱围岩、断面较大的隧道施工，比如，ⅳ级或ⅴ级围岩大断面隧道施工。

附图说明

26.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

27.图1是本发明实施例提供的用于隧道开挖的上下台阶预留核心土开挖断面示意图；

28.图2是本发明实施例提供的用于隧道开挖的上下台阶预留核心土开挖方法的流程示意图；

29.图3是本发明实施例提供的用于隧道开挖的上下台阶预留核心土开挖平面图；

30.图4是本发明实施例提供的小净距双洞隧道开挖平面图。

31.其中，上述附图包括以下附图标记：

32.1、上台阶部；2、下台阶部；3、仰拱；11、环形导坑开挖区；12、上台阶核心土开挖区；11a、顶部区域；11b及11c、两侧区域；21、下台阶核心土开挖区；22a、第一侧壁部开挖区；22b、第二侧壁部开挖区；i、超前支护；ii、拱部初期支护；iii、第一侧壁部初期支护；iv、第二侧壁部初期支护；v、仰拱初期支护；vi、二次衬砌。

具体实施方式

33.本领域普通技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本技术所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

34.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。

35.请参阅图1至图3，本技术实施例提供的用于隧道开挖的上下台阶预留核心土开挖方法，其是在开挖作业面上形成上台阶部1和下台阶部2；

36.上台阶部1进行环形开挖，形成上台阶核心土开挖区12；具体的，在隧道开挖之前，沿着隧道开挖轮廓线外的设计位置施作超前支护i：安装拱部φ22超前药卷锚杆，环向间距设置为40cm，超前小导管注浆预支护，充分填充土体空隙，使隧道周围形成一个具有一定强度的承载拱，改善岩土和结构的力学性能，以达到控制开挖松动、崩塌、沉降，增强围岩的自稳能力；开挖时，采用风镐或单臂掘进机开挖环形导坑开挖区11，保证施工安全和有效而不出现塌方；所述环形导坑开挖区11开挖后，因围岩释放应力造成拱脚和沿隧道纵向掌子面的不稳定，所述上台阶核心土开挖区12要滞后所述环形导坑开挖区113～5m开挖，以利用预留核心土体支顶工作面，减少拱部下沉，保证上台阶施工安全，其次，还可以利用预留核心土体作为施作拱部初期支护ii的操作平台；环形开挖完成后及时施作初期支护ii：安装i18钢拱架、挂8φ钢筋网、安装φ22药卷锚杆以及喷射c25混凝土；在拱部初期支护ii保护下，为加快进度，宜采用挖掘机或单臂掘进机开挖上台阶核心土开挖区12和下台阶部2；

37.下台阶部2在中部朝向纵深方向开挖，形成下台阶核心土开挖区21以及位于所述下台阶核心土开挖区21两侧的第一侧壁部开挖区22a和第二侧壁部开挖区22b；具体的，可以将所述下台阶核心土开挖区21的端面设置为斜坡面，使得机械设备(比如，挖掘机等)能够通过斜坡面进入上台阶部1进行开挖作业。

38.具体施工时，根据监控量测数据严格控制地表沉陷，减少循环开挖进尺，每循环开挖进尺不大于两榀钢架间距，可为0.5～1m，上、下台阶核心土的断面面积和的大小应满足开挖面稳定的要求，不宜低于开挖断面面积的50％。

39.所述用于隧道开挖的上下台阶预留核心土开挖方法适用于一般土质或易坍塌的软弱围岩、断面较大的隧道施工，比如，ⅳ级或ⅴ级围岩大断面隧道施工，所述方法包括如下步骤：

40.(1)将隧道断面分割为上台阶部1和下台阶部2，其中，所述上台阶部1包括环形导坑开挖区11和上台阶核心土开挖区12，所述下台阶部2包括第一侧壁部开挖区22a、第二侧壁部开挖区22b和下台阶核心土开挖区21；

41.其中，所述上台阶核心土开挖区12的断面形状为梯形，所述下台阶核心土开挖区21的断面形状为倒梯形，有效的平衡了掌子面土体压力，削弱了应力释放，缩小了临空面的范围，从而确保了掌子面围岩稳定，不会出现坍塌等异常情况；所述上台阶核心土开挖区12和所述下台阶核心土开挖区21的断面面积之和不小于隧道断面面积的50％，以确保开挖作业面的稳定；

42.(2)在具备超前支护i的情况下，开挖所述环形导坑开挖区11，施作上台阶初期支护，再开挖所述上台阶核心土开挖区12；

43.具体的，所述环形导坑开挖区11可分成顶部区域11a、两侧区域11b和11c交替开

挖，减少软弱围岩大面积土方开挖而引起的扰动，充分保护岩体，并及时施作拱部初期支护ii，充分利用支护结构来限制岩体的变形，保证岩体不致过度松弛而丧失或降低岩体的承载能力；待所述环形导坑开挖区11开挖支护3～5m后，开挖所述上台阶核心土开挖区12；进一步的，所述环形导坑开挖区11与所述上台阶核心土开挖区12前后错开3～5m平行作业，直至所述环形导坑开挖区11的开挖长度达到第一预设长度以及预留所述上台阶核心土开挖区12核心土体的长度为第二预设长度；优选的，所述第一预设长度为10～15m，所述第二预设长度为5～10m；

44.(3)开挖所述下台阶核心土开挖区21，然后错开开挖所述第一侧壁部开挖区22a和所述第二侧壁部开挖区22b并及时施作侧壁部初期支护；

45.优选的，待上台阶初期支护喷射砼强度达到设计强度的70％后，开挖所述下台阶核心土开挖区21。

46.进一步的，待所述下台阶核心土开挖区21开挖3～5m后，先开挖所述第一侧壁部开挖区22a 3～5m，施作第一侧壁部初期支护iii，再开挖所述第二侧壁部开挖区22b 3～5m，施作第二侧壁部初期支护iv，或者先开挖所述第二侧壁部开挖区22b 3～5m，施作第二侧壁部初期支护iv再开挖所述第一侧壁部开挖区22a3～5m，施作第一侧壁部初期支护iii，同样地，所述下台阶部2的各开挖区前后错开3～5m平行作业；优选的，每一次开挖后，使得所述下台阶核心土开挖区21的掌子面比先行侧壁部开挖区的掌子面超前10～15m，所述先行侧壁部开挖区掌子面比后行侧壁部开挖区的掌子面超前2～3m。

47.(4)开挖仰拱3，施作仰拱初期支护v以与已有支护闭合成环；

48.优选的，所述仰拱3距上台阶掌子面的距离不大于30m。所述仰拱3采用松动爆破配合挖掘机开挖，开挖完成后搭设钢栈桥，再进行仰拱下部施工；接下来，进行c20喷射砼施工：初喷4cm厚砼，待i20b仰拱钢拱架施工完成后复喷砼至设计厚度；安装钢拱架时使仰拱钢拱架与左右两侧壁拱脚处的钢拱架连接在一起，按设计要求采用连接钢板进行焊接，真正起到闭合成环作用。

49.(5)仰拱超前浇筑及铺设防水板，利用模板台车一次注模二次衬砌vi；

50.仰拱超前浇筑施工工艺包括：先安装仰拱模板；再浇筑c30混凝土；最后仰拱回填；混凝土浇筑由仰拱中心向两侧对称浇筑，一次完成，混凝土采用插入式振捣棒振捣，边浇筑边振捣，振捣时振捣棒竖直，且快入慢出，振捣点均匀分面布，并远离模板一定距离，振捣至混凝土不冒气泡、不下沉、表面开始泛浆时为止；仰拱回填采用c15片石混凝土，仰拱填充横向两侧立钢模，严格控制好垫层的厚度、标高和平整度，避免回填侵入路面部分，填充混凝土达到强度5mpa后允许行人通行，达到设计强度的100％后方可允许车辆通行。

51.进一步的，铺设土工布及防水板，再进行二次衬砌vi施工，利用衬砌模板台车进行一次性浇筑拱墙衬砌。优选的，二次衬砌比后行侧壁部开挖区的掌子面滞后超过20m。

52.优选的，根据监控量测数据合理控制二次衬砌距上台阶掌子面的距离；比如，iv级围岩隧道施工中，二次衬砌距上台阶掌子面的距离不得大于90m；v级围岩隧道施工中，二次衬砌距上台阶掌子面的距离不得大于70m；洞口及浅埋段开挖中，二次衬砌距上台阶掌子面的距离不得大于50m；当然，地质条件很差时二次衬砌应及时跟进，这些需根据实际应用进行设置，均在本发明保护范围内。

53.(6)循环按照上述步骤(1)～(5)，直至隧道贯通。

54.上述实施例提供的用于隧道开挖的上下台阶预留核心土开挖方法，采用上台阶环形导洞预留核心土体支撑掌子面，有效防止掌子面失稳；下台阶中间核心土体先行开挖，预留两侧壁部土体，能有效保证拱脚受力面积及防止钢架受力向内位移；尤其适用于一般土质或易坍塌的软弱围岩、断面较大的隧道施工，比如，ⅳ级或ⅴ级围岩大断面隧道施工。

55.请一并参阅图4，将上述实施例提供的用于隧道开挖的上下台阶预留核心土开挖方法应用于小净距双洞隧道的施工中；具体的，小净距双洞隧道由于中岩柱的宽度较小，当前开挖隧洞的爆破震动对相邻隧洞产生较大影响，应将隧洞各段的爆破药量严格控制，以使震动速度控制在15cm/s以内，并且，为避免震动波的叠加，采用微分控制爆破，各段起爆时间应根据震动测试结果确定。

56.具体的，在先行隧洞开挖之前对中岩柱施作小导管，并注浆加固；当注浆达到一定强度后进行先行隧洞开挖；后行隧洞应在先行隧洞落底后再进行上台阶开挖，开挖时后行隧洞的掌子面比先行隧洞的掌子面滞后不小于35m，并在后行隧洞上台阶开挖支护时安装中岩柱的预应力对拉锚杆加固。

57.优选的，为有效减少后行隧洞爆破对先行隧洞衬砌的损伤，后行隧洞的掌子面比先行隧洞的二次衬砌超前不小于20m。

58.优选的，为尽量减少当前开挖隧洞开挖过程中对中岩柱的扰动，在下台阶开挖时，所述错开开挖所述第一侧壁部开挖区22a和所述第二侧壁部开挖区22b并及时施作侧壁部初期支护的步骤，包括：

59.先行开挖所述第一侧壁部开挖区22a，施作第一侧壁部初期支护；

60.后行开挖所述第二侧壁部开挖区22b，施作第二侧壁部初期支护；其中，所述第一侧壁部开挖区为所述下台阶部中远离双洞隧道中岩柱的一侧，所述第二侧壁部开挖区为所述下台阶部中靠近双洞隧道中岩柱的一侧。

61.上述实施例针对小净距双洞隧道出洞减震，严格控制当前隧洞的爆破震动对相邻隧洞的最大临界震动速度在15cm/s以内，并根据监控量测数据控制后行隧洞的掌子面比先行隧洞的掌子面滞后不小于35m，且后行隧洞的掌子面比先行隧洞的二次衬砌超前不小于20m，有效地降低爆破震动对中岩柱和混凝土衬砌的损害，确保施工安全，降低施工成本。

62.应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

63.以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。技术特征：

1.一种用于隧道开挖的上下台阶预留核心土开挖方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)将隧道断面分割为上台阶部和下台阶部，其中，所述上台阶部包括环形导坑开挖区和上台阶核心土开挖区，所述下台阶部包括第一侧壁部开挖区、第二侧壁部开挖区和下台阶核心土开挖区，其中，所述上台阶核心土开挖区的断面形状为梯形，所述下台阶核心土开挖区的断面形状为倒梯形，所述上台阶核心土开挖区和所述下台阶核心土开挖区的断面面积之和不小于隧道断面面积的50％；(2)在具备超前支护的情况下，开挖所述环形导坑开挖区，施作上台阶初期支护，再开挖所述上台阶核心土开挖区；(3)开挖所述下台阶核心土开挖区，然后错开开挖所述第一侧壁部开挖区和所述第二侧壁部开挖区并及时施作侧壁部初期支护；(4)开挖仰拱，施作仰拱初期支护以与已有支护闭合成环；(5)仰拱超前浇筑及铺设防水板，利用模板台车一次注模二次衬砌；(6)循环按照上述步骤(1)～(5)，直至隧道贯通。2.如权利要求1所述的用于隧道开挖的上下台阶预留核心土开挖方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，所述环形导坑开挖区长度为10～15m。3.如权利要求1所述的用于隧道开挖的上下台阶预留核心土开挖方法，其特征在于，所述上台阶核心土开挖区预留核心土体的长度为5～10m，所述下台阶核心土开挖区预留核心土体的长度为5～10m。4.如权利要求1所述的用于隧道开挖的上下台阶预留核心土开挖方法，其特征在于，在上述步骤(3)中，先行侧壁部开挖区的掌子面比后行侧壁部开挖区的掌子面超前2～3m。5.如权利要求1所述的用于隧道开挖的上下台阶预留核心土开挖方法，其特征在于，在上述步骤(3)中，所述下台阶核心土开挖区的掌子面比先行侧壁部开挖区的掌子面超前10～15m。6.如权利要求1所述的用于隧道开挖的上下台阶预留核心土开挖方法，其特征在于，二次衬砌比后行侧壁部开挖区的掌子面滞后超过20m。7.如权利要求1所述的用于隧道开挖的上下台阶预留核心土开挖方法，其特征在于，在上述步骤(2)和(3)中，每循环开挖进尺不大于2榀钢拱架间距。8.如权利要求1所述的用于隧道开挖的上下台阶预留核心土开挖方法，其特征在于，所述仰拱距上台阶掌子面的距离不大于30m。9.如权利要求1所述的用于隧道开挖的上下台阶预留核心土开挖方法，其特征在于，在上述步骤(3)中，在上台阶初期支护喷射砼强度达到设计强度的70％之后进行下台阶开挖。10.如权利要求1至9任一所述的用于隧道开挖的上下台阶预留核心土开挖方法，应用于小净距双洞隧道的施工，其特征在于，所述第一侧壁部开挖区为所述下台阶部中远离双洞隧道中岩柱的一侧，所述第二侧壁部开挖区为所述下台阶部中靠近双洞隧道中岩柱的一侧；则在上述步骤(3)中，所述错开开挖所述第一侧壁部开挖区和所述第二侧壁部开挖区并及时施作侧壁部初期支护，包括：先行开挖所述第一侧壁部开挖区，施作第一侧壁部初期支护；

后行开挖所述第二侧壁部开挖区，施作第二侧壁部初期支护。11.如权利要求10所述的用于隧道开挖的上下台阶预留核心土开挖方法，应用于小净距双洞隧道的施工，其特征在于，后行隧洞的掌子面比先行隧洞的掌子面滞后不小于35m。12.如权利要求10所述的用于隧道开挖的上下台阶预留核心土开挖方法，应用于小净距双洞隧道的施工，其特征在于，后行隧洞的掌子面比先行隧洞的二次衬砌超前不小于20m。

技术总结

本申请实施例提供一种用于隧道开挖的上下台阶预留核心土开挖方法，涉及隧道施工技术领域，本申请技术方案采用上台阶环形导洞预留核心土体支撑掌子面，有效防止掌子面失稳；下台阶中间核心土体先行开挖，预留两侧壁部土体，能有效保证拱脚受力面积及防止钢架受力向内位移；尤其适用于一般土质或易坍塌的软弱围岩、断面较大的隧道施工，比如，Ⅳ级或

技术研发人员：王金梁王道隆陈亮

受保护的技术使用者：中交路桥华南工程有限公司

技术研发日：2021.07.13

技术公布日：2021/10/28

声明：

“用于隧道开挖的上下台阶预留核心土开挖方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。

我是此专利(论文)的发明人(作者)