【技术实现步骤摘要】
穿越断层破碎带的富水软弱围岩隧道施工方法
本专利技术属于隧道施工
，尤其是涉及一种穿越断层破碎带的富水软弱围岩隧道施工方法。
技术介绍
近年来，正在修建及规划的铁路隧道、公路隧道、城市地铁等地下工程中，软岩隧道(也称软弱围岩隧道)占有很高的比例，而且隧道的长度和跨度也越来越大，大量隧道还处于特殊地质中，如具有大孔隙结构的黄土、富水的全强风化花岗岩、富水断层破碎带、碎屑流地层、砂卵石地层及松散的堆积体等。在这些地层中修建大断面、大跨隧道极为困难，施工中常常出现塌方现象。其中，断层破碎带是指断层两盘相对运动，相互挤压，使附近的岩石破碎，形成与断层面大致平行的破碎带，简称断裂带。穿越断层破碎带的软弱围岩隧道施工难度非常大，尤其是当所处地层为富水地层时，所穿越的断层破碎带为富水断层带，岩体破碎为地下水的赋存与富集提供了更有利条件，极易出现隧道泥石流、碎屑流、滑坡等突涌现象，给隧道工程带来了极强的破坏，施工难度非常大。其中，碎屑流是一种有塑性流变性质和层流流动状态的沉积物重力流，其沉积物的支撑机制主要是由其塑性流变的性质所决定，与其所具有的屈服强度直接相关。因而，当隧道穿越断层内富含地下水时，岩体多为碎屑岩，此时隧道所处地层为碎屑流地层，在高水压作用下，掌子面极易突发涌水(也称为突水)、涌泥(也称为突泥)等地质灾害，施工风险高，施工难度大且施工进度慢。其中，突水是指在隧道内突然发生且来势凶猛的涌水现象，突泥是指在隧道内突然发生且来势凶猛的涌泥现象。另外，对穿越断层破碎带的富水软弱围岩隧道进行开挖时，需采用台阶法进...
【技术保护点】
1.一种穿越断层破碎带的富水软弱围岩隧道施工方法，其特征在于：所施工隧道(1)的隧道支护结构包括对所施工隧道(1)进行超前支护的隧道超前支护结构、对所施工隧道(1)进行初期支护的隧道初期支护结构和布设于所述隧道初期支护结构内侧的隧道二次衬砌(14)，所述隧道初期支护结构和隧道二次衬砌(14)均为对所施工隧道(1)的隧道洞进行全断面支护的全断面支护结构，所述隧道二次衬砌(14)为钢筋混凝土衬砌；所述隧道洞的横断面积大于100m
【技术特征摘要】 【专利技术属性】
1.一种穿越断层破碎带的富水软弱围岩隧道施工方法，其特征在于：所施工隧道(1)的隧道支护结构包括对所施工隧道(1)进行超前支护的隧道超前支护结构、对所施工隧道(1)进行初期支护的隧道初期支护结构和布设于所述隧道初期支护结构内侧的隧道二次衬砌(14)，所述隧道初期支护结构和隧道二次衬砌(14)均为对所施工隧道(1)的隧道洞进行全断面支护的全断面支护结构，所述隧道二次衬砌(14)为钢筋混凝土衬砌；所述隧道洞的横断面积大于100m2，所述隧道洞分为上洞体(1-5)和位于上洞体(1-5)正下方的下洞体(1-6)；所述隧道洞的开挖高度大于10m，所述上洞体(1)的开挖高度为6.5m～8m，所述下洞体(1-6)的开挖高度为3.5m～4.5m；所述上洞体(1-5)分为预留核心土区域洞体(1-1)和位于预留核心土区域洞体(1-1)外侧的上部周侧洞体(1-2)，所述下洞体(1-6)分为左右两个下部洞体(1-3)，所述下洞体(1-6)中的一个所述下部洞体(1-3)为先开挖洞体，另一个所述下部洞体(1-3)为后开挖洞体；所述隧道洞的围岩级别为Ⅴ级；
所施工隧道(1)沿隧道纵向延伸方向由后向前分为多个隧道节段(18)，每个所述隧道节段(18)的长度为28m～34m；
所述隧道超前支护结构包括多个沿隧道纵向延伸方向由后向前对所述上洞体进行超前支护的超前管棚支护结构，所述超前管棚支护结构的数量与所施工隧道(1)中所包括隧道节段(18)的数量相同，每个所述超前管棚支护结构均位于一个所述隧道节段(18)外侧，每个所述隧道节段(18)均通过一个所述超前管棚支护结构进行超前支护；
每个所述超前管棚支护结构沿隧道纵向延伸方向的长度均为l，其中l＝b+c；b为该超前管棚支护结构所支护隧道节段(18)的长度，b的取值范围为28m～34m；c为该超前管棚支护结构的管棚前段支撑长度，θ为该超前管棚支护结构所支护隧道节段(18)的围岩岩体的内摩擦角，h为上洞体(1-5)的开挖高度；
每个所述超前管棚支护结构均为自钻式管棚且其包括多根由后向前钻进至所支护隧道节段(18)掌子面前方岩层内的管棚管(16)，多根所述管棚管(16)沿所述上洞体的开挖轮廓线由左至右进行布设，所述管棚管(16)的外倾角为3°；每个所述超前管棚支护结构中多根所述管棚管(16)呈均匀布设，相邻两根所述管棚管(16)后端之间的环向间距为400mm～800mm，所述管棚管(16)的外径为φ70mm～φ80mm且其壁厚为13mm～18mm；
每根所述管棚管(16)均为自钻式管棚管，所述自钻式管棚管包括平直管体和安装在所述平直管体前端的钻头，所述钻头上沿圆周方向开有多个注浆孔，所述平直管体由多个由前向后布设于同一直线上的管段拼装而成，每个所述管段均为外壁上由前至后均设置有外螺纹的螺纹钢管；多个所述管段的横截面结构和尺寸均相同，相邻两个所述管段之间均通过一个螺纹连接套进行紧固连接；
所述隧道初期支护结构包括对所述隧道洞进行全断面支护的全断面支撑结构，所述全断面支撑结构外侧布设有锚固体系；所述全断面支撑结构和所述锚固体系均沿隧道纵向延伸方向布设；
所述全断面支撑结构包括多榀对所施工隧道(1)进行全断面支护的型钢拱架和多个沿隧道纵向延伸方向由后向前布设的拱架连接结构，多榀所述型钢拱架的结构均相同且其沿隧道纵向延伸方向由后向前布设，多榀所述型钢拱架呈均匀布设，每榀所述型钢拱架均位于所施工隧道(1)的一个隧道横断面上；
每榀所述型钢拱架的形状均与所述隧道洞的横断面形状相同；每榀所述型钢拱架均包括一榀对所述隧道洞的拱墙进行支护的拱墙钢拱架、一个位于上部周侧洞体(1-2)内的竖向临时支撑柱(6)和一个布设于所述隧道洞内侧底部的隧道仰拱支架(2)，所述隧道仰拱支架(2)位于所述拱墙钢拱架的正下方且二者均位于同一隧道横断面上，所述隧道仰拱支架(2)的左端与所述拱墙钢拱架的左侧底部紧固连接，所述隧道仰拱支架(2)的右端与所述拱墙钢拱架的右侧底部紧固连接，所述隧道仰拱支架(2)与所述拱墙钢拱架形成一个封闭式全断面支架；所述拱墙钢拱架包括一榀位于上部周侧洞体(1-2)内的上部钢拱架(4)和两个对称布设于上部钢拱架(4)左右两侧底部下方的侧部支架(5)，两个所述侧部支架(5)均位于下洞体(1-6)内；所述竖向临时支撑柱(6)支撑于上部钢拱架(4)的中部正下方，所述竖向临时支撑柱(6)顶部与上部钢拱架(4)中部紧固连接，所述上部钢拱架(4)的中部底面上设置有一个用于连接竖向临时支撑柱(6)的水平连接板(7)，所述竖向临时支撑柱(6)底部支撑于上部周侧洞体(1-2)的内侧底部；每榀所述型钢拱架中所述上部钢拱架(4)、侧部支架(5)、隧道仰拱支架(2)和竖向临时支撑柱(6)均位于同一隧道横断面上；
多个所述拱架连接结构的结构均相同，前后相邻两榀所述型钢拱架之间均通过一个所述拱架连接结构进行紧固连接；每个所述拱架连接结构均包括多道连接于前后相邻两榀所述拱墙钢拱架之间的纵向连接件(3)，多道所述纵向连接件(3)沿所施工隧道(1)的拱墙开挖轮廓线布设于同一隧道断面上；每道所述纵向连接件(3)均为一道呈水平布设的型钢，每道所述纵向连接件(3)均沿隧道纵向延伸方向进行布设；相邻两个所述拱架连接结构中的纵向连接件(3)呈交错布设；
所述锚固体系包括多个沿隧道纵向延伸方向由后向前布设的锚固结构，每榀所述上部钢拱架(4)外侧均设置有一个所述锚固结构，每榀所述上部钢拱架(4)均与其外侧所设置的锚固结构布设于同一隧道横断面上；每个所述锚固结构均布设于一榀所述上部钢拱架(4)外侧，每个所述锚固结构均包括左右两个对称布设的锚固组，两个所述锚固组分别布设于一榀所述上部钢拱架(4)的下部左右两侧；每个所述锚固组均包括一个下锁脚锚管(9)和多个由上至下布设的上锁脚锚杆(10)，多个所述上锁脚锚杆(10)均位于下锁脚锚管(9)正上方且其均布设于同一竖直面上，所述上锁脚锚杆(10)和下锁脚锚管(9)均由内至外进入所述隧道洞外侧的岩层内且二者均由内向外逐渐向下倾斜；多个所述上锁脚锚杆(10)均呈平行布设且其与水平面之间的夹角为A1，A1的取值范围为25°～35°；所述下锁脚锚管(9)与水平面之间的夹角为A2，A2的取值范围为38°～45°；所述下锁脚锚管(9)为中空自进式锚杆且其为注浆锚杆，所述下锁脚锚管(9)的长度不小于4m；所述上锁脚锚杆(10)为中空注浆锚杆，多个所述上锁脚锚杆(10)的长度均相同且其长度均不小于3m；所述上锁脚锚杆(10)和下锁脚锚管(9)的内端均固定于位于其内侧的上部钢拱架(4)上；
对所施工隧道(1)进行施工时，沿隧道纵向延伸方向由后向前对所施工隧道(1)中的多个所述隧道节段(18)分别进行施工，多个所述隧道节段(18)的施工方法均相同；对所施工隧道(1)中的任一个所述隧道节段(18)进行施工时，包括以下步骤：
步骤一、管棚超前支护：对当前所施工隧道节段(18)的所述超前管棚支护结构进行施工；
步骤二、隧道开挖及初期支护：沿隧道纵向延伸方向由后向前对当前所施工隧道节段(18)进行开挖，开挖过程中同步对开挖成型的所述隧道洞进行初期支护，并获得施工成型的所述隧道初期支护结构；
对当前所施工隧道节段(18)进行隧道开挖及初期支护时，过程如下：
步骤A1、上部周侧洞体开挖及初期支护：沿隧道纵向延伸方向由后向前对当前所施工隧道节段(18)的上部周侧洞体(1-2)进行开挖；
所述上部周侧洞体(1-2)开挖过程中，由后向前对开挖成型的上部周侧洞体(1-2)进行初期支护；
对上部周侧洞体(1-2)进行初期支护时，由后向前在开挖成型的上部周侧洞体(1-2)内安装上部钢拱架(4)，并在每榀所述上部钢拱架(4)的中部正下方分别安装一个所述竖向临时支撑柱(6)，并使所述竖向临时支撑柱(6)底部支撑于上部周侧洞体(1-2)的内侧底部，且将每榀所安装的上部钢拱架(4)均通过多个纵向连接件(3)与位于其后侧的一榀所述上部钢拱架(4)紧固连接；同时，由后向前在已安装完成的每榀所述上部钢拱架(4)的下部左右两侧分别施工一个所述锚固组；
本步骤中，所述上部周侧洞体(1-2)的开挖面为竖直面；
步骤A2、预留核心土区域洞体开挖及初期支护：步骤A1中对上部周侧洞体(1-2)进行开挖过程中，沿隧道纵向延伸方向由后向前对当前所施工隧道节段(18)的预留核心土区域洞体(1-1)进行开挖，获得开挖成型的上洞体(1-5)；
所述预留核心土区域洞体(1-1)开挖过程中，由后向前对预留核心土区域洞体(1-1)开挖完成后处于悬空状态的竖向临时支撑柱(6)进行拆除；
本步骤中，所述预留核心土区域洞体(1-1)的开挖面位于上部周侧洞体(1-2)的开挖面后方，且预留核心土区域洞体(1-1)的开挖面为由前向后逐渐向下倾斜的倾斜面；
步骤A3、先开挖洞体开挖及初期支护：步骤A2中对预留核心土区域洞体(1-1)进行开挖过程中，沿隧道纵向延伸方向由后向前对当前所施工隧道节段(18)的所述先开挖洞体进行开挖；
所述先开挖洞体开挖过程中，由后向前对所述先开挖洞体进行初期支护；对所述先开挖洞体进行初期支护时，由后向前在开挖成型的所述先开挖洞体内安装侧部支架(5)，并将每个所安装的侧部支架(5)均通过多个纵向连接件(3)与位于其正后方的一个侧部支架(5)紧固连接；
本步骤中，所述先开挖洞体的开挖面位于预留核心土区域洞体(1-1)的开挖面后方，且所述先开挖洞体的开挖面为竖直面；
步骤A4、后开挖洞体开挖及初期支护：步骤A3中对所述先开挖洞体进行开挖过程中，沿隧道纵向延伸方向由后向前对当前所施工隧道节段(18)的所述后开挖洞体进行开挖，获得开挖成型的下洞体(1-6)；
所述后开挖洞体开挖过程中，由后向前对开挖成型的下洞体(1-6)进行初期支护；对下洞体(1-6)进行初期支护时，由后向前在开挖成型的所述后开挖洞体内安装侧部支架(5)，并将每个所安装的侧部支架(5)均通过多个纵向连接件(3)与位于其正后方的一个侧部支架(5)紧固连接；同时，由后向前在开挖成型的下洞体(1-6)底部安装隧道仰拱支架(2)并使所安装隧道仰拱支架(2)与下洞体(1-6)左右两侧所安装的侧部支架(5)紧固连接为一体；
本步骤中，所述后开挖洞体的开挖面位于所述先开挖洞体的开挖面后方，且所述后开挖洞体的开挖面为由前向后逐渐向下倾斜的倾斜面；
步骤三、隧道二次衬砌施工：步骤二中进行隧道开挖及初期支护过程中，沿隧道纵向延伸方向由后向前对当前所施工隧道节段(18)的隧道二次衬砌(14)进行施工，并使隧道二次衬砌(14)位于已施工完成的所述隧道初期支护结构内侧。
技术研发人员：郭瑞，刘海松，王寅，李继光，惠树民，
申请(专利权)人：中铁二十局集团第二工程有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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