一种等高隧洞交岔口开挖支护施工方法
阅读说明：本技术 一种等高隧洞交岔口开挖支护施工方法 (Equal-height tunnel intersection excavation supporting construction method ) 是由 王海涛 马文贤 于曼丽 刘飞 旦正杰 卢世鸿 韩常智 张世安 于 2021-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及隧道开挖技术领域,具体涉及一种等高隧洞交岔口开挖支护施工方法。具体施工方法为：反推45°开挖、测量放样、主洞钢拱架加工及安装、喷射混凝土、岔口开挖、副拱安装、支洞开口、锁脚锚杆施工及支洞钢拱架施工。本发明方法中,反推出大断面到45°扩挖断面里程,完成小断面变大断面的转换,充分发挥人工和机械的最大优势,在保证安全的前提下,经济、高效地完成施工任务。等高支洞开挖时,通过连立三榀钢拱架同时,在两侧副拱之间平缓部位架设横梁,保证将交岔口拱架所受压力通过横梁传导至副拱钢拱架上,减少洞口钢支撑受力。另外,副供还解决了大断面开挖时原初支收敛、沉降问题,节约因隧洞沉降而引起的返工费用,降低了安全风险,保证施工质量。(The invention relates to the technical field of tunnel excavation, in particular to a construction method for excavating and supporting a intersection of a tunnel with equal height. The specific construction method comprises the following steps: the method comprises the following steps of backward-pushing 45-degree excavation, measurement lofting, main tunnel steel arch frame processing and installation, concrete spraying, fork excavation, auxiliary arch installation, branch tunnel opening, foot locking anchor rod construction and branch tunnel steel arch frame construction. In the method, the mileage from the large section to the enlarged excavation section of 45 degrees is reversely deduced, the conversion from the small section to the enlarged section is completed, the maximum advantages of manpower and machinery are fully exerted, and the construction task is economically and efficiently completed on the premise of ensuring safety. When the equal-height branch tunnel is excavated, three steel arches are connected, and a beam is erected at a gentle position between the two side auxiliary arches, so that the pressure applied to the intersection arch is transmitted to the auxiliary arch steel arch through the beam, and the stress of the steel support at the tunnel opening is reduced. In addition, the problem of convergence and settlement of the original primary support during large-section excavation is solved by the auxiliary supply, the rework cost caused by tunnel settlement is saved, the safety risk is reduced, and the construction quality is ensured.)
技术领域
本发明涉及隧道开挖技术领域，具体涉及一种等高隧洞交岔口开挖支护施工方法。
背景技术
高寒地区多断面隧道开挖时，由于地质条件较差，岩石主要构成为板岩、砂岩，围岩等级为Ⅳ级、Ⅴ级。隧道开挖分主通道以及支洞，开挖过程中，存在多处小断面变大断面的直接转换，比如由小断面进入大断面时，按照常规施工方法“反向扩挖法”进行施工，即开挖至大断面里程时，向掌子面外30°角进行扩挖，待大断面扩挖到位时，预留出3m施工平台开始渐变三角部位的开挖，三角部位反向开挖。当岩体为Ⅱ、Ⅲ级时，依靠岩石自稳能力，采用反向扩挖能够有效的保证施工进度，当岩石为Ⅴ级时，在进行反向扩挖时，因岩体自稳能力差，需按照支护要求对所开挖面进行初期支护，当反向扩挖到位后还需对至初支进行拆除，拆除过程中容易出现安全事故。当隧道开挖至支洞时，因交岔口处断面跨度较大且拱部平缓，在进行支洞开挖时，需对该部位加强支护措施；另外，在完成交岔口扩挖后，防止交岔口的变形收敛也是本隧道施工的重中之重。
发明内容
基于上述技术问题，本发明开挖时通过将“反向扩挖”与“提前扩挖”两种开挖方式从安全、质量、进度等方面进行对比，最终确定采用“提前扩挖”；支洞开挖前在支洞口增加了“副拱”，减少初期支护的受力。目的是提供一种等高隧洞交岔口开挖支护施工方法。
本发明保护一种等高隧洞交岔口开挖支护施工方法，具体步骤包括如下：
步骤1，反推45°开挖里程：在隧道单侧变截面段逐榀扩挖施工小断面变大断面时，变截面扩挖角度为45°角进行逐级扩挖，每榀钢拱架开挖宽度增加0.75m，扩挖过程中，隧道拱顶高度及边墙净距逐榀扩大；当开挖跨度大于9.0m时钢拱架采用大断面钢拱架施工；
步骤2，测量放样：测量人员先采用全站仪定位放样炮眼孔，用红油漆准确绘出开挖断面的中线和轮廓线，标出炮眼位置，误差不超过5cm；根据炮眼位置向开挖面外45°角打孔，根据围岩等级情况判断确定进尺；
步骤3，主洞钢拱架加工及安装：变截面段钢拱架随着断面逐渐扩大而放大，钢拱架的小断面采用I16钢拱架支撑，排间距为0.75m；跨度超过12m断面采用I18钢拱架支撑，排间距为0.5m；净跨15.5m断面采用I20钢拱架支撑，排间距为0.5m；钢拱架在洞外分节加工，钢拱架用弯轨机分节弯制，完成后进行试拼，允许误差为沿隧洞周边轮廓误差不大于3cm；
钢拱架由拱部、边墙各单元采用连接钢板拼装而成，钢拱架平放时，平面翘曲小于±2cm；钢拱架焊接加工在两侧槽内加焊补强钢筋200～300mm，为保证钢拱架置于稳固的地基上，施工中在钢拱架基脚部位预留0.15～0.2m原地基，架立钢拱架时挖槽就位，并在钢拱架基脚处设槽钢以增加基底承载力；钢拱架平面垂直于隧洞中线，其倾斜度不大于2度，钢拱架的任何部位偏离铅垂面不大于5cm；
步骤4，喷射混凝土：先清洗岩层表面，再进行初喷，安装钢拱架，然后再进行复喷，喷射前，受喷面无松动岩块，墙脚无虚碴堆积，喷射时从拱部到边墙脚，风压由高变低，保证喷头处的压力在0.1～0.15MPa，喷射方向与岩面垂直；喷射混凝土作业分段分片依次进行，一次喷射厚度控制在：拱部3～5cm、墙部6～8cm内；分层喷射时，后一层在前一层混凝土终凝进行；
步骤5，副拱安装：副拱采用I18钢拱架，间距为50cm，共4榀，每榀之间采用Φ22钢筋作为纵向连接筋将4榀钢拱架连接为一个整体受力，此外，为保证能将钢拱架所受压力传导至地下，每榀钢拱架连接板处以及钢拱架底部应加设锁脚锚杆；然后将安装好的副拱与主洞钢拱架、山体连接，连接完成后挂网喷射混凝土，使其为一体，整体受力；
步骤6，支洞开口：支洞钢拱架的架设需对步骤3中的主洞钢拱架进行割除，在割除主洞钢拱架的同时应及时在主洞钢拱架平缓部位架设横梁，将主洞钢拱架架搭设在横梁上并进行焊接；
步骤7，锁脚锚杆施工：锁脚锚杆的打设角度应大于30°，打设完成后应将锁脚锚杆与支洞钢拱架进行焊接；
步骤8，支洞钢拱架施工：支洞钢拱架安装时垂直度及每榀间距需满足设计要求，支洞钢拱架底部坐落在坚实的基础面上，支洞钢拱架与岩面的间隙采用喷射混凝土喷填密实，支洞钢拱架连接处的钢垫板用高强螺栓加固，并对错位垫板四周进行焊接；支洞钢拱架对岩面起支撑作用。
进一步的，所述步骤2中，炮眼处采用乳化炸药。
进一步的，所述步骤4中，分层喷射时，后一层喷射在前一层混凝土终凝后进行，一次喷射的最大厚度：拱部不得超过10cm，边墙不得超过15cm。
进一步的，所述步骤4中，喷钢拱架背部空隙时，喷头与岩面保持0.6～1.0m的距离，料束呈“S”旋转轨迹运动，一圈压半圈，纵向按蛇形状，每次蛇形喷射长度3～4m，喷头缓慢移，喷射一定厚度后再离开，成片扩大喷射范围，岩面凹部处先喷混凝土找平。
进一步的，所述锁脚锚杆为Φ22钢筋，锁脚锚杆长度为6m。
相比于现有的技术，本发明具有如下有益效果：
(1)反推出大断面到45°扩挖断面里程，到扩挖断面时由小断面逐榀增大开挖断面，到对应桩号时刚好扩挖成大断面，完成小断面变大断面的转换。“提前扩挖”施工可以充分发挥人工和机械的最大优势，可以在保证安全的前提下，经济、高效地完成施工任务。(2)在进行等高支洞开挖时，通过连立三榀钢拱架支撑同时，在两侧副拱之间平缓部位架设横梁，能够保证将交岔口拱架所受压力通过横梁传导至副拱钢支撑上，减少洞口钢支撑受力。另外，“副供”还解决了大断面开挖时原初支收敛、沉降问题，降低了安全风险，保证施工质量。(3)“副供”节约因隧洞沉降而引起的返工费用近百万，极大的节省了项目开支。
附图说明
图1为本发明施工方法流程图；
图2为本发明提前45°扩挖施工示意图；
图3为本发明提前扩挖剖面结构示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种等高隧洞交岔口开挖支护施工方法，具体步骤包括如下：
步骤1，反推45°开挖里程：在隧道单侧变截面段逐榀扩挖施工小断面变大断面时，变截面扩挖角度为45°角进行逐级扩挖，每榀钢拱架开挖宽度增加0.75m，扩挖过程中，隧道拱顶高度及边墙净距逐榀扩大；当开挖跨度大于9.0m时钢拱架采用大断面钢拱架施工；
步骤2，测量放样：测量人员先采用全站仪定位放样炮眼孔，用红油漆准确绘出开挖断面的中线和轮廓线，标出炮眼位置，误差不超过5cm；根据炮眼位置向开挖面外45°角打孔，根据围岩等级情况判断确定进尺，炮眼处采用乳化炸药；
步骤3，主洞钢拱架加工及安装：变截面段钢拱架随着断面逐渐扩大而放大，钢拱架的小断面采用I16钢拱架支撑，排间距为0.75m；跨度超过12m断面采用I18钢拱架支撑，排间距为0.5m；净跨15.5m断面采用I20钢拱架支撑，排间距为0.5m；钢拱架在洞外分节加工，钢拱架用弯轨机分节弯制，完成后进行试拼，允许误差为沿隧洞周边轮廓误差不大于3cm；
钢拱架由拱部、边墙各单元采用连接钢板拼装而成，钢拱架平放时，平面翘曲小于±2cm；钢拱架焊接加工在两侧槽内加焊补强钢筋200mm，为保证钢拱架置于稳固的地基上，施工中在钢拱架基脚部位预留0.15m原地基，架立钢拱架时挖槽就位，并在钢拱架基脚处设槽钢以增加基底承载力；钢拱架平面垂直于隧洞中线，其倾斜度不大于2度，钢拱架的任何部位偏离铅垂面不大于5cm；
步骤4，喷射混凝土：先清洗岩层表面，再进行初喷，安装钢拱架，然后再进行复喷，喷射前，受喷面无松动岩块，墙脚无虚碴堆积，喷射时从拱部到边墙脚，风压由高变低，保证喷头处的压力在0.1～0.15MPa，喷射方向与岩面垂直；喷射混凝土作业分段分片依次进行，一次喷射厚度控制在：拱部3cm、墙部6cm内；分层喷射时，后一层在前一层混凝土终凝进行；一次喷射的最大厚度：拱部不得超过10cm，边墙不得超过15cm；喷钢拱架背部空隙时，喷头与岩面保持0.6m的距离，料束呈“S”旋转轨迹运动，一圈压半圈，纵向按蛇形状，每次蛇形喷射长度3m，喷头缓慢移，喷射一定厚度后再离开，成片扩大喷射范围，岩面凹部处先喷混凝土找平；
步骤5，副拱安装：副拱采用I18钢拱架，间距为50cm，共4榀，每榀之间采用Φ22钢筋作为纵向连接筋将4榀钢拱架连接为一个整体受力，此外，为保证能将钢拱架所受压力传导至地下，每榀钢拱架连接板处以及钢拱架底部应加设锁脚锚杆，锁脚锚杆为Φ22钢筋，锁脚锚杆长度为6m；然后将安装好的副拱与主洞钢拱架、山体连接，连接完成后挂网喷射混凝土，使其为一体，整体受力；
步骤6，支洞开口：支洞钢拱架的架设需对步骤3中的主洞钢拱架进行割除，在割除主洞钢拱架的同时应及时在主洞钢拱架平缓部位架设横梁，将主洞钢拱架架搭设在横梁上并进行焊接；
步骤7，锁脚锚杆施工：锁脚锚杆的打设角度应大于30°，打设完成后应将锁脚锚杆与支洞钢拱架进行焊接；
步骤8，支洞钢拱架施工：支洞钢拱架安装时垂直度及每榀间距需满足设计要求，支洞钢拱架底部坐落在坚实的基础面上，支洞钢拱架与岩面的间隙采用喷射混凝土喷填密实，支洞钢拱架连接处的钢垫板用高强螺栓加固，并对错位垫板四周进行焊接；支洞钢拱架对岩面起支撑作用。
实施例2
一种等高隧洞交岔口开挖支护施工方法，具体步骤包括如下：
步骤1，反推45°开挖里程：在隧道单侧变截面段逐榀扩挖施工小断面变大断面时，变截面扩挖角度为45°角进行逐级扩挖，每榀钢拱架开挖宽度增加0.75m，扩挖过程中，隧道拱顶高度及边墙净距逐榀扩大；当开挖跨度大于9.0m时钢拱架采用大断面钢拱架施工；
步骤2，测量放样：测量人员先采用全站仪定位放样炮眼孔，用红油漆准确绘出开挖断面的中线和轮廓线，标出炮眼位置，误差不超过5cm；根据炮眼位置向开挖面外45°角打孔，根据围岩等级情况判断确定进尺；炮眼处采用乳化炸药；
步骤3，主洞钢拱架加工及安装：变截面段钢拱架随着断面逐渐扩大而放大，钢拱架的小断面采用I16钢拱架支撑，排间距为0.75m；跨度超过12m断面采用I18钢拱架支撑，排间距为0.5m；净跨15.5m断面采用I20钢拱架支撑，排间距为0.5m；钢拱架在洞外分节加工，钢拱架用弯轨机分节弯制，完成后进行试拼，允许误差为沿隧洞周边轮廓误差不大于3cm；
钢拱架由拱部、边墙各单元采用连接钢板拼装而成，钢拱架平放时，平面翘曲小于±2cm；钢拱架焊接加工在两侧槽内加焊补强钢筋300mm，为保证钢拱架置于稳固的地基上，施工中在钢拱架基脚部位预留0.2m原地基，架立钢拱架时挖槽就位，并在钢拱架基脚处设槽钢以增加基底承载力；钢拱架平面垂直于隧洞中线，其倾斜度不大于2度，钢拱架的任何部位偏离铅垂面不大于5cm；
步骤4，喷射混凝土：先清洗岩层表面，再进行初喷，安装钢拱架，然后再进行复喷，喷射前，受喷面无松动岩块，墙脚无虚碴堆积，喷射时从拱部到边墙脚，风压由高变低，保证喷头处的压力在0.1～0.15MPa，喷射方向与岩面垂直；喷射混凝土作业分段分片依次进行，一次喷射厚度控制在：拱部5cm、墙部8cm内；分层喷射时，后一层在前一层混凝土终凝进行，一次喷射的最大厚度：拱部不得超过10cm，边墙不得超过15cm；喷钢拱架背部空隙时，喷头与岩面保持1.0m的距离，料束呈“S”旋转轨迹运动，一圈压半圈，纵向按蛇形状，每次蛇形喷射长度4m，喷头缓慢移，喷射一定厚度后再离开，成片扩大喷射范围，岩面凹部处先喷混凝土找平；
步骤5，副拱安装：副拱采用I18钢拱架，间距为50cm，共4榀，每榀之间采用Φ22钢筋作为纵向连接筋将4榀钢拱架连接为一个整体受力，此外，为保证能将钢拱架所受压力传导至地下，每榀钢拱架连接板处以及钢拱架底部应加设锁脚锚杆，锁脚锚杆为Φ22钢筋，锁脚锚杆长度为6m；然后将安装好的副拱与主洞钢拱架、山体连接，连接完成后挂网喷射混凝土，使其为一体，整体受力；
步骤6，支洞开口：支洞钢拱架的架设需对步骤3中的主洞钢拱架进行割除，在割除主洞钢拱架的同时应及时在主洞钢拱架平缓部位架设横梁，将主洞钢拱架架搭设在横梁上并进行焊接；
步骤7，锁脚锚杆施工：锁脚锚杆的打设角度应大于30°，打设完成后应将锁脚锚杆与支洞钢拱架进行焊接；
步骤8，支洞钢拱架施工：支洞钢拱架安装时垂直度及每榀间距需满足设计要求，支洞钢拱架底部坐落在坚实的基础面上，支洞钢拱架与岩面的间隙采用喷射混凝土喷填密实，支洞钢拱架连接处的钢垫板用高强螺栓加固，并对错位垫板四周进行焊接；支洞钢拱架对岩面起支撑作用。
实施例3
1、反向扩挖与提前扩挖两种工艺经济效益对比，以西藏贡嘎项目为例。
(1)反向扩挖
反铲：1台，装载机：1台，手风钻：6个，开挖6人，立架8人，喷锚6人。根据现场施工实况，一个扩挖断面；计划工期为7天，开挖角度30°，9m才能开挖到原设计断面，所用材料、机械、人工计算如下：
机械费：反铲＝7*450＝3150；装载机＝7*450＝3150；手风钻：6*7*220＝9240；材料费：喷射混凝土＝22.35*2*1582.68＝70745.8；I18钢拱架＝0.578*17*4780＝46968.3；人工费：26*300*7＝54600；
因本工程扩挖断面共19个，反向扩挖所需费用＝3509377.9元。
(2)提前扩挖：
反铲：1台，装载机：1台，手风钻：6个，开挖6人，立架8人，喷锚6人。根据现场施工实况，一个扩挖断面；实际工期为4天，开挖角度45°，5m开挖到原设计断面，所用材料、机械、人工计算如下：
机械费：反铲＝7*450＝3150；装载机＝7*450＝3150；手风钻：6*7*220＝9240；材料费：喷射混凝土＝12.35*1582.68＝19546.1；I18钢拱架＝0.578*5*4780＝13814.2；人工费：26*300*4＝31200；
按本工程扩挖断面共19个计算，提前扩挖所需费用＝1462055.7元；
对比提前扩挖与反向扩挖，提前扩挖共节省费用＝3509377.9-1462055.7＝2047322.2元。
2、“副拱”施工的经济效益测算
“副拱”施工能够有效的降低隧洞初支的沉降、收敛，节约因隧洞沉降而引起的返工费用，增加副拱施工效益分析如下：
(1)主洞支护侵线返工费用：
返工处理时间：14d；人工：7人/d；共＝14*7*300＝29000；机械：破碎锤＝14*480＝6720、装载机＝14*450＝6300；材料费：C25喷射混凝土＝57.7*2*1582.68＝182641.3、I18钢拱架＝0.578*20*4780＝55256.8、Φ22系统锚杆＝41443.2；
本工程共13个等高开挖断面，若进行返工，返工费用为4090336.9元。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。