隧道工程非爆破弱擾動開挖施工方法

專利名稱：隧道工程非爆破弱擾動開挖施工方法
技術領域：
本發明涉及一種隧道工程非爆破弱擾動開挖施工方法，屬于地下工程開挖 施工技術領域。
背景技術：
我國現有隧道工程的開挖主要采用礦山法施工或人工開挖法施工。礦山法(Mine Tunneling Method) —般是指埋置于基巖，用傳統鉆爆法 或臂式掘進機開挖隧道的方法，也稱為鉆爆法；具有施工工藝簡單、應用靈活、 減少拆遷和交通疏解、造價合理等優點， 一般適用于線路埋深較大、地質條件 較好的工程項目。但礦山法也存在弊端，由于礦山法采用爆破或機械掘進開挖 硐室，對周圍巖體的擾動比較大；此外，礦山法對地質勘探要求較高，對圍巖 地質情況的預見性較差，需要超前地質探明和預報。但有些具體工程，由于地質物件特殊及周邊環境狀態特殊，不適宜采用普 通的礦山法開挖。在采煤業巷道煤巖的開挖中，為減少開挖過程中對周邊地層 的擾動，避免爆破沖擊波對周邊環境造成影響和破壞，采用掘進機(如EBJ—120 型掘進機，它是一種集采、裝、運、行于一體，功能齊全的機、電一體化設備， 適用于煤礦綜采及高檔普采工作面采準巷道的掘進)進行開挖已獲得較廣的運 用；在礦山法隧道的開挖施工方法中，國內以前也對此有過嘗試運用，但由于 粉塵和糊泥等現象，都以失敗告終，尚沒有成功先例。對含水地層進行隧道施工時，在采用上述礦山法或人工開挖法等施工的同 時，常還配合使用凍結法(Freezing Method)施工，即利用人工制冷的方法 把土壤中的水凍結并形成凍土帷幕，用人工凍土帷幕來抵抗水土壓力，以保證 開挖順利進行。就凍結施工而言，凍土是具有彈塑性的粘滯體，在持久的外荷載作用下，
會產生塑性變形并引起應力松弛，產生蠕變；凍土在發生蠕變時損失的強度是 隨著時間而增加的，任其發展，會對凍結工程的結構安全(凍結帷幕)造成威 脅；因此，開挖過程要求減小對凍結帷幕的擾動，避免破壞凍結管路及凍結帷 幕。以往的工程經驗一再說明，開挖中如果過多擾動凍結帷幕，易降低凍結帷 幕的強度，對施工安全造成威脅。對于人工開挖法，由于凍結峰侵入開挖限界，凍土強度很高，人工開挖勞 動強度大，效率低，每循環開挖時間長，凍結帷幕長時間暴露將會大量化凍， 不能保證后續隧道施工的安全；就鉆爆法開挖而言，由于部分凍結管有一定內 偏，離開挖面的距離太小(最小距離不足30cm)，爆破的沖擊波將危及到凍結 管及凍結帷幕的安全。在對城市地下隧道工程進行凍結施工時，如果凍結帷幕的安全性不能充分 保證，將直接威脅施工安全甚至周邊環境安全。由于城市一般地面交通繁忙， 周邊建筑密集，地下管線眾多， 一旦凍土帷幕受到過大擾動，穩定性降低，將 嚴重威脅整個外界環境安全。在這種復雜環境下，豎井凍結開挖中所常用的爆 破掘進具有較大的風險，尤其是爆破沖擊波對凍結管路的破壞和對凍結帷幕的 擾動，都決定了爆破掘進的方式不適于此類工程的掘進施工。發明內容本發明的目的是提供一種隧道工程非爆破弱擾動開挖施工方法，該施工方 法在礦山法隧道開挖中，對地層擾動小，對周邊環境影響小，開挖效率高，可 最大限度的減少隧道開挖掘進對周邊環境的影響，尤其適用于城市等復雜環境 下隧道工程的開挖施工。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是隧道工程非爆破弱擾動開挖施工方法，其施工工序主要包括 (1)、建立凍結帷幕模型，對凍結帷幕進行受力分析凍結帷幕主要承受水土重量和路面超載，在隧道開挖后，其受力特點為 凍結帷幕的底部內側為受拉區，底部外側為受壓區，凍結帷幕的側壁內側同樣
也為受壓區，凍結帷幕的兩肩和兩腳為應力集中區，承受較大的剪應力；根據 上述受力特點計算隧道開挖后凍結帷幕各部分的位移量及地面沉降量；(2) 、根據凍結帷幕模型及其受力分析，實施凍結 可參照現有技術隧道工程凍結施工方法進行；(3) 、分部開挖為了保證施工安全，在開挖施工過程中，需要盡量縮短凍結帷幕暴露的時 間，并減少開挖過程中對凍結帷幕的擾動；為此，本發明首次在城市地下工程 施工中引進自由斷面掘進機如EBJ-120型單臂掘進機進行隧道開挖；由于隧道工程開挖斷面一般比較大，同時考慮開挖過程中凍結帷幕和待開 挖區土體的受力及變形情況等，為加強施工安全，實施凍結后，可采用CRD法 (中壁交叉法)開挖，至少分IV部進行(如圖1所示)，即先行開挖支護右上 部(I部)，然后開挖支護左上部(II部)，右上部、左上部開挖面保持12 15m 間距，右上部、左上部貫通后進行右下部(III部)、左下部(IV部)開挖支護， 右下部、左下部開挖面同樣保持12 15m間距；由于工程施工中一般采用cH08X8mm無縫鋼管等作為凍結管，而在低溫狀 態下，金屬材料脆性增加，變形一旦稍大，易發生脆斷；為保證凍結管安全， 隧道開挖應嚴格控制位移變形，本發明施工方法中采用中隔墻交叉分部開挖， 其位移變形遠遠優于無中隔墻的工況。施工中如發現局部凍結效果不理想導致圍巖和支護變形較大時可改為VI部施工(如圖2所示)，即依次開挖支護右上部(i部)、右中部(n部)、左上部(III部)、左中部(IV部)、右下部(V部)和左下部(VI部)。就隧道開挖而言，EBJ-120型單臂掘進機由于動力裝置和功率因素，其掘 進地層較為受限， 一般適用于10 30MPa的圍巖在硬巖中掘進，因動力功率 不足而難以進行；在軟巖中掘進，由于粉塵較大，在旋轉鉆頭前端注水孔注水 濕塵后，軟巖進一步軟化，往往易導致鉆頭轉動困難；但在凍土開挖方面，由 于凍土強度適中，且開挖過程不產生粉塵，故EBJ-120型單臂掘進機在這種特
殊圍巖下掘進效率極高。EBJ-120型單臂掘進機通過前端可擺動的旋轉鉆頭將圍巖切割破碎后，再 由下部扒碴鏟板和機身中部的傳輸鏈將破碎巖石和碴土傳輸至機身尾部來實 現掘進；其旋轉鉆頭鉆進靈活，可有效控制開挖范圍，減少對凍結帷幕的破壞。本發明施工方法的分部開挖步驟中，隧道開挖后，施做支護體系時，混凝 土釋放的水化熱會使凍土帷幕融化，從而破壞凍土帷幕的整體性，不利于地層 的穩定，為避免這種影響，可在凍土帷幕和初期支護間加一道過渡保護層，這 樣既可減小凍土低溫對混凝土強度的影響，也可防止水化熱對凍結帷幕的影 響；經過工藝研究，可采用開挖后立即初噴5cm的C20混凝土作過渡保護層； 由于厚度很薄，過渡保護層產生的水化熱有限，對2. 5m厚的凍結帷幕溫度和 強度不構成威脅；過渡保護層施做完成后，在凍結帷幕表面形成2 3cm掛霜 層，掛霜層和過渡保護層共同發揮隔溫作用，2 3h后施做初期支護，即可有 效降低凍結帷幕和初期支護間的熱傳遞。凍結施工中，地層溫度的降低會在一定程度上延長混凝土的凝結時間，為 保證結構混凝土強度(尤其是早期強度)的正常增長，防止凍結帷幕的蠕變失 穩，可在混凝土拌制時采取加熱骨料、加入熱水攪拌、增加外加劑(高效防凍 劑、早強劑等)等方法加解決。凍結帷幕形成后，相當于在凍結期內提高了圍巖類別，考慮到低溫下混凝 土的質量會有所降低，可設計初期支護如下C20噴射抗凍混凝土 40cm，單層 鋼筋網；4)25格柵拱架，間隔50cm; 125型鋼鋼架為臨時中隔墻，間距50cm; 與無凍結帷幕工況相比較，少了管棚、超前錨管等預加固措施，且不需布置徑 向錨桿。開挖貫通后，可施做二次襯砌，采用C30鋼筋混凝土襯砌，厚度45cm; 與無凍結帷幕類似地質條件的二次襯砌相比較，無甚改變，這主要在于凍結帷 幕僅作為預加固措施，不作為永久支護，故二次襯砌設計類同于無凍結帷幕工 況。二次襯砌完成后凍結系統停止工作，進入解凍階段。其它施工工序和施工條件可參照現有技術地下工程施工方法。與現有技術相比，本發明的有益效果是本發明隧道工程非爆破弱擾動開挖施工方法引進了自由斷面掘進機， 一方 面可大幅度提高施工效率，另一方面可減小施工對凍結帷幕的擾動。這在城市 地下工程施工中應用尚屬首次，也是一個突破。引進EBJ-120型單臂掘進機后，可靈活精確的實現隧道的掘進開挖，解決 了超、欠挖等隧道掘進普遍問題，較好的保護了凍結帷幕，使其免受施工擾動， 從而保障了施工和周邊環境的安全；同時，施工中實現了 2m/d的日進尺，大 大提升了施工效率，保證了工期。本發明施工方法在引進自由斷面掘進機的同時，在施工過程中結合運用凍 結施工和CRD開挖法分部開挖，可有效避免產生粉塵和糊泥等現象，并可減小 分部開挖跨度和開挖高度，減小地表沉降，并保證施工安全。本發明隧道工程非爆破弱擾動開挖施工方法在廣州地鐵三號線天河客運 站折返線隧道凍土開挖中的成功運用，也充分證實該方法施工質量好，有效減 少了在開挖過程中對凍結帷幕的多次擾動，對地層擾動小，對周邊環境影響小， 大大提高了開挖工效，確保了支護的及時性，保證開挖過程中凍結壁及凍結管 路的絕對安全，實現了城市地下隧道工程的非爆破弱擾動開挖施工。


圖1是本發明隧道工程非爆破弱擾動開挖施工方法開挖步驟中IV部開挖分 部示意圖；圖2是本發明隧道工程非爆破弱擾動開挖施工方法開挖步驟中VI部開挖分 部示意圖。
具體實施方式
下面結合具體實施方式
對本發明作進一步的詳細描述。但不應將此理解為本發明上述主題的范圍僅限于下述實施例。實施例 本實施例為本發明隧道工程非爆破弱擾動開挖施工方法在廣州地鐵三號 線天河客運站折返線隧道凍土開挖中的運用，其施工工序主要包括(1) 、建立凍結帷幕模型，對凍結帷幕進行受力分析 凍結帷幕主要承受水土重量和路面超載，在隧道開挖后，其受力特點為凍結帷幕的底部內側為受拉區，但應力值較小，為0.38MPa;底部外側為受壓 區，其壓應力為0.88MPa;凍結帷幕的側壁內側同樣也為受壓區，壓應力為I. 74MPa;凍結帷幕的兩肩和兩腳為應力集中區，承受較大的剪應力，其應力 值大小為0. 57MPa。根據上述受力特點計算隧道開挖后凍結帷幕各部分的位移量及地面沉降 量隧道開挖后凍結帷幕頂弧內側最大下沉3.8cm，底弧內側底鼓6.0cm，側 墻內側則向外產生了 2. lcm的位移，地表最大沉降量為2. 9cm。(2) 、根據凍結帷幕模型及受力分析，實施凍結 按照現有技術隧道工程凍結施工方法進行。(3) 、分部開挖天河客運站工程由于開挖斷面比較大，開挖高度9. 147m，開挖跨度為II. 4m，且由于工程施工中采用4)108X8ran無縫鋼管等作為凍結管，在低溫狀 態下，金屬材料脆性增加，變形稍大即易發生脆斷；為保證施工安全，在實施 凍結后，采用中隔墻交叉分部開挖，即采用CRD法開挖，分IV部進行(如圖l所示)，先行開挖支護右上部(i部)，然后開挖支護左上部(n部)，右上部、左上部開挖面保持12 15m間距，右上部、左上部貫通后進行右下部(III部)、 左下部(IV部)開挖支護，右下部、左下部開挖面同樣保持12 15m間距。施工中發現局部凍結效果不理想導致圍巖和支護變形較大，改為VI部施工 (如圖2所示)，即依次開挖支護右上部(I部)、右中部(II部)、左上部(III 部)、左中部(IV部)、右下部(V部)和左下部(VI部)。本實施例施工方法中引進了 EBJ-120型單臂掘進機進行隧道開挖，以縮短 開挖施工過程中凍結帷幕暴露的時間，減少開挖過程中對凍結帷幕的擾動，保
證施工安全。EBJ-120型單臂掘進機轉臂長度為3. 25m，最大仰角為42° ，最大開挖高 度為停機平面上3. 75m，最大開挖寬度為機身軸線兩側各2.5m，最大向下開挖 深度停機平面下0. 25m，爬坡比16° 。根據EBJ-120型單臂掘進機的機械性能，分IV部開挖時，I、 II部每循環 進尺均分三次開挖掘進；III、 IV部每循環進尺均分兩次開挖掘進。EBJ-120型單臂掘進機通過前端可擺動的旋轉鉆頭將圍巖切割破碎后，再 由下部扒碴鏟板和機身中部的傳輸鏈將破碎巖石和碴土傳輸至機身尾部來實 現掘進；其旋轉鉆頭鉆進靈活，可有效控制開挖范圍，減少對凍結帷幕的破壞。本實施例施工方法的分部開挖步驟中，隧道開挖后，施做支護體系時，為 避免混凝土釋放的水化熱使凍土帷幕融化，從而破壞凍土帷幕的整體性，不利 于地層的穩定，開挖后立即在凍土帷幕和初期支護間初噴5cm的C20混凝土作 過渡保護層，以減小凍土低溫對混凝土強度的影響，并防止水化熱對凍結帷幕 的影響；過渡保護層施做完成后，在凍結帷幕表面形成2 3cm掛霜層，掛霜 層和過渡保護層共同發揮隔溫作用，2 3h后施做初期支護，可有效降低凍結 帷幕和初期支護間的熱傳遞。在混凝土拌制時采取加熱骨料、加入熱水攪拌、增加外加劑(MRT早強減 水復合抗凍劑、FDN-20早強減水劑)，以避免地層溫度降低造成混凝土的凝結 時間延長，保證結構混凝土強度(尤其是早期強度)的正常增長，防止凍結帷 幕的蠕變失穩。本實施例初期支護設計如下C20噴射抗凍混凝土 40cm，單層鋼筋網；* 25格柵拱架，間隔50cm; 125型鋼鋼架為臨時中隔墻，間距50cm。開挖貫通 后，施做二次襯砌，采用C30鋼筋混凝土襯砌，厚度45cm， 二次襯砌設計類同 于無凍結帷幕工況。二次襯砌完成后凍結系統停止工作，進入解凍階段。本實施例其它施工工序和施工條件參照現有技術地下工程施工方法進行。
權利要求
1. 隧道工程非爆破弱擾動開挖施工方法，其施工工序主要包括(1) 、建立凍結帷幕模型，對凍結帷幕進行受力分析；(2) 、根據凍結帷幕模型及其受力分析，實施凍結；(3) 、分部開挖實施凍結后，采用中隔墻交叉分部開挖，即采用CRD法， 引進自由斷面掘進機進行隧道開挖，至少分IV部進行，先行開挖支護右上部， 然后開挖支護左上部，右上部、左上部開挖面保持12 15m間距，右上部、左 上部貫通后進行右下部、左下部開挖支護，右下部、左下部開挖面同樣保持12 15m間距；其它施工工序和施工條件參照現有技術地下工程施工方法。
2. 根據權利要求1所述的隧道工程非爆破弱擾動開挖施工方法，其特征在于所述的(3)步分部開挖步驟中，對局部凍結效果不理想導致圍巖和支護變 形較大時，改為VI部施工，即依次開挖支護右上部、右中部、左上部、左中部、右下部和左下部。
3. 根據權利要求1所述的隧道工程非爆破弱擾動開挖施工方法，其特征在于所述的(3)步分部開挖步驟中引進的自由斷面掘進機為EBJ-120型單臂掘 進機。
4. 根據權利要求1所述的隧道工程非爆破弱擾動開挖施工方法，其特征在于所述的(3)步分部開挖步驟中，隧道開挖后，立即在凍土帷幕和初期支護 間初噴5cm的C20混凝土作過渡保護層，2 3h后施做初期支護。
5. 根據權利要求4所述的隧道工程非爆破弱擾動開挖施工方法，其特征在于: 所述的初期支護設計如下C20噴射抗凍混凝土 40cm，單層鋼筋網，4>25 格柵拱架，間隔50cm， 125型鋼鋼架為臨時中隔墻，間距50cm;開挖貫通 后，施做二次襯砌，采用C30鋼筋混凝土襯砌，厚度45cm。
6. 根據權利要求4或5所述的隧道工程非爆破弱擾動開挖施工方法，其特征 在于所述的混凝土在拌制前先加熱骨料，在拌制時加入熱水攪拌，并加 入高效防凍劑和/或早強劑。
全文摘要
本發明公開了一種隧道工程非爆破弱擾動開挖施工方法，其施工工序主要包括(1)建立凍結帷幕模型，對凍結帷幕進行受力分析；(2)根據凍結帷幕模型及其受力分析，實施凍結；(3)分部開挖采用CRD法，引進自由斷面掘進機進行隧道開挖，至少分IV部進行；其它施工工序和施工條件參照現有技術地下工程施工方法。本發明施工方法在施工質量好，可有效減少在開挖過程中對凍結帷幕的多次擾動，對地層擾動小，對周邊環境影響小，可大大提高開挖工效，確保支護的及時性，保證開挖過程中凍結壁及凍結管路的絕對安全，實現對城市地下隧道工程的非爆破弱擾動開挖施工。
文檔編號E21D9/00GK101144384SQ200710050369
公開日2008年3月19日 申請日期2007年11月1日 優先權日2007年11月1日
發明者向志華, 唐維冬, 李應戰, 李遠平, 楊祖恩 申請人:中鐵二局股份有限公司