一种复杂地质条件下长隧道零开挖进洞施工方法与流程

本发明涉及隧道工程施工，具体为一种复杂地质条件下长隧道零开挖进洞施工方法。

背景技术：

1、当前隧道洞口段施工普遍存在浅埋偏压、松散堆积体、断层破碎带等不良地质条件，而传统洞口进洞方式普遍采用超前大管棚、管棚间超前小导管注浆与混凝土明洞套拱相结合的联合支护体系，即在洞口地表原状土体上开挖基槎并浇筑大体积钢筋混凝土套拱，套拱内预埋钢管棚孔口管，随后自套拱内沿隧道轮廓线打设长距离大管棚并注浆加固周边围岩，以管棚和套拱共同构成进洞初期的承载与导向结构，再采用全断面或台阶法由外向内推进开挖。同时，隧道施工所需的大型多臂凿岩台车、大型通风机组、湿喷机组、渣土转运车队等大型装备均需在洞口外设置固定或半固定场地进行组装、检修与物流调度。

2、针对生态敏感区、场地受限条件下的零开挖进洞要求，业界还采用洞外悬空钢结构栈桥平台与洞口套拱相组合的施工方式，即在洞口陡崖或深切沟谷处采用工程桩或岩锚桩打入原状地层作为立柱基础，在立柱基础上架设大跨度重型钢结构桁架并铺设桁架面板形成悬空作业平台，用于承载大型施工机具的行走与组装，再在平台上方或侧方按常规工艺浇筑洞口混凝土套拱并以套拱为反力基础施作超前大管棚，大型设备通过栈桥平台进入洞口，沿隧道轴线由外向内、自浅埋偏压段向山体内部推进，实施全断面或台阶法开挖及初期支护。

3、上述现有技术存在以下缺陷：其一，洞口原状地表在浅埋偏压、松散堆积体条件下天然承载力与抗滑能力不足，其上直接浇筑的大体积重型混凝土套拱缺乏可靠的地基支撑，套拱又需独立承担后续大管棚超前支护体系传递的反力与偏压推力，在偏压荷载长期作用下容易发生整体滑移、倾覆与开裂，进而导致进洞失败甚至诱发山体滑坡；其二，长隧道大型装备体量庞大，必须依赖洞外场地进行组装与调度，而零开挖政策严格限制在原状地表开辟场地，业界因此采用悬空钢结构栈桥平台作为妥协方案，但栈桥平台立柱桩基仍需打入原状地层，属于对地表水土结构的实质性破坏，且钢结构造价高昂、工期漫长、施工完毕后不可复用，在环保合规性与经济性上均存在实质性缺陷；其三，传统正向开挖始自浅埋松散洞口段，掌子面始终暴露于前方松散体倾泻与上方偏压的双重不利工况之中，缺乏稳定的反力基础，其力学体系天然处于不稳定状态，抗风险能力薄弱。

4、因此，如何在严格执行零开挖进洞要求的前提下，同时满足长隧道大型施工装备的场地组装与调度需求，并从根本上解决洞口段进洞结构因原状地表承载力不足、偏压推力显著而导致的整体滑移、开裂、塌方等施工安全难题，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种复杂地质条件下长隧道零开挖进洞施工方法，以解决现有技术中在高山峡谷、生态敏感区等复杂地质条件下修建长隧道时，如何在严格执行零开挖进洞要求的前提下，同时满足长隧道大型施工装备所必需的场地组装与调度空间需求，并解决洞口段进洞结构因原状地表承载力不足、偏压推力显著而导致的整体滑移、开裂、塌方等施工安全难的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种复杂地质条件下长隧道零开挖进洞施工方法，包括以下步骤：

3、沿隧道设计轮廓线中下部开挖微导洞，所述微导洞的开挖断面用于供小型机械通行及排渣；在所述微导洞掘进过程中，获取掌子面前方岩体的地质参数并计算围岩质量指数，当连续若干个开挖循环计算得到的围岩质量指数均不小于预设阈值时，将对应断面确定为地下月台反力基础起始断面；以所述反力基础起始断面为中心，沿隧道两侧及顶底板方向扩挖形成地下月台，并在扩挖过程中同步施作地下月台的初期支护；使大型施工装备经所述微导洞及地下月台进入隧道内部完成组装；以所述反力基础起始断面为起点，沿隧道轴线由内向外的方向，对已贯通的微导洞分台阶扩挖至隧道设计全断面，并逐台阶施作初期支护；在洞口地表原状轮廓线外侧布设微型抗滑桩，在相邻微型抗滑桩之间以非对称间距布设预应力锚索，由所述微型抗滑桩与所述预应力锚索形成网状自平衡约束体系，对洞口地表进行原位加固。

4、作为本发明的优选技术方案：所述微导洞的开挖断面面积不小于所选用微型机械的外廓包络面积与两倍施工安全预留净空富余量之和。

5、作为本发明的优选技术方案：计算围岩质量指数的步骤包括：获取掌子面前方岩体的岩石质量指标、节理组数、节理粗糙度系数、节理蚀变系数、节理水折减系数及应力折减系数；将岩石质量指标与节理组数的比值、节理粗糙度系数与节理蚀变系数的比值、节理水折减系数与应力折减系数的比值三者相乘，得到围岩质量指数。

6、作为本发明的优选技术方案：分台阶扩挖至隧道设计全断面的过程中，每个开挖台阶预留核心土，所述核心土的保留系数根据围岩质量指数分级动态调整，围岩质量指数越低，核心土保留系数的取值越大。

7、作为本发明的优选技术方案：分台阶扩挖时，各台阶单循环开挖进尺不大于对应围岩等级下初期支护封闭施工速度与允许自稳时间的乘积。

8、作为本发明的优选技术方案：所述网状自平衡约束体系按照潜在滑动面的极限平衡关系进行设计，根据潜在滑动面的粘聚力、滑体自重、潜在滑动面倾角、地表附加荷载、潜在滑动面内摩擦角及预应力锚索提供的锚固拉力计算潜在滑动面整体稳定安全系数，并将所述整体稳定安全系数不小于1.3作为控制标准，据此确定预应力锚索的根数、单根锚索的预应力吨位以及微型抗滑桩的间距与嵌入深度。

9、作为本发明的优选技术方案：所述微导洞的掘进设备为小断面盘式非爆破掘进设备。

10、作为本发明的优选技术方案：所述网状自平衡约束体系沿洞口地表分区设置，在下滑推力小于预设值的区段设置土钉墙、主动防护网及局部锚杆，在下滑推力不小于预设值的区段设置所述微型抗滑桩与所述预应力锚索。

11、作为本发明的优选技术方案：利用贯通后的微导洞及地下月台预留的通风竖井形成通风路径进行通风换气；将地下月台扩挖及分台阶扩挖产生的渣土经微型运渣车沿微导洞及扩挖形成的通道分级转运排出；所述网状自平衡约束体系与地下月台扩挖及分台阶扩挖同步施工。

12、采用上述技术方案，本发明的有益效果是：

13、1.通过先行开挖微导洞穿透浅埋软弱段直达山体内部坚硬围岩，并在该处横向扩挖形成地下月台，将大型装备组装调度所需的场地需求由洞外地表转移至山体内部坚硬围岩区域，实现地表零开挖、零削坡、零重型结构侵入；

14、2.通过围岩质量指数动态判别确定地下月台反力基础起始断面，并以该断面为起点由内向外分台阶逆向扩挖，使已完工的内侧支护段作为反力基础向外侧逐段传递支撑力，进洞段支护体系呈现内侧受力集中、外侧受力分散的楔形受力状态，从力学结构上消除洞口浅埋偏压段全断面进洞诱发的塌方、突泥风险；

15、3.以微型抗滑桩与非对称布设的预应力锚索构成的轻量化网状约束体系替代重型混凝土套拱，显著降低进洞段结构自重及其对松散坡面的附加荷载，避免了套拱因地基承载力不足而发生的整体滑移与倾覆隐患；

16、4.由于大型装备组装场地转移至洞内、约束结构轻量化，可缩短洞口段施工准备周期并降低综合造价，同时减小对原状地表及植被的扰动范围。