一种基于区间不同开挖工法转换的支护体系及施工方法与流程

1.本发明涉及隧道施工技术领域，尤其涉及一种基于区间不同开挖工法转换的支护体系及施工方法。


背景技术：

2.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。因而，当隧道穿越断层内富含地下水时，岩体多为碎屑岩，在高水压作用下，掌子面极易突发涌水、涌泥等地质灾害，施工风险高，施工难度大且施工进度慢。支护是为了保证地下结构施工及隧道周边环境的安全，对隧道侧壁及周边环境采用的支档、加固与保护的措施。现有的隧道支护方式大多采用单一的支护方式，其支护结构无法根据实际挖掘过程中不同地层区域的地质结构以及土层品类进行不同的结构转换，也无法在地下渗水、裂缝以及地质塌陷等区域进行稳定且能够与可能发生的地质变化等风险进行超前预测或使用过程中的预警。
3.中国专利cn113107525a公开了一种挤压大变形隧道的支护体系、施工方法及应用，采用
‘
一次’采用预应力锚索体系，实现加固提升围岩；采用
‘
二次’采用轻型钢架 喷射砼保护围岩，协同预应力支护体系；采用
‘
三次’采用混凝土模筑衬砌，实现构建永久支护。本发明将极大地改善并解决木寨岭公路隧道挤压型大变形难题，也将为交通隧道行业增加一种强效有力的控制隧道围岩变形的具体措施及技术路线，具备较强的推广价值。该发明控制了围岩变形，尽可能减少支护结构拆换，减少材料浪费，提高进度；在围岩变形可控的前提条件下优化支护参数，降低造价；确定预应力锚索支护体系的施工方法，及合理的一次支护体系施工工序。该专利能够对已获取到准确地质数据的隧道进行有效的支护，但无法在地质环境复杂且多变的地区进行多种施工方法灵活转换并依据开挖工法调整支护结构，此外，专利还无法在完成初期支护后对支护结构以及围岩的变形进行监测。
4.因此，需要一种能够根据实际的隧道地质情况进行多种开挖工序灵活转换并依据区段的实际开挖工序调整支护结构的施工方法，同时还需要能够对隧道围岩和支护结构的变形进行监测，从而在出现异常变形的情况下，及时作出预警，并对支护结构进行补充加强。
5.此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝
非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。


技术实现要素：

6.针对现有技术之不足，本发明的技术方案提供的是一种基于区间不同开挖工法转换的支护施工方法，其特征在于，根据待开挖隧道区域的超前地质预报所获取的隧道围岩等级沿待开挖隧道纵向延伸方向将待开挖隧道分为多段围岩等级不同的区段并建立开挖工序，并根据不同区段隧道围岩等级可调节地进行开挖及支护施工，在对隧道进行开挖和支护时，至少包括以下步骤：根据预先建立的隧道开挖工序分区段完成隧道超前支护；对于待开挖区段围岩的岩体强度和最大地应力进行测量获取该段隧道围岩的实际围岩等级并对预先指定的区段开挖工法进行验证；根据验证后的开挖工法完成已完成围岩等级测量的开挖施工；对下一待开挖区段再次进行围岩等级测量和验证操作。其优势在于，通过采集施工区域实时的隧道围岩等级来验证第一采集单元获取的隧道围岩等级是否准确的方式，对预先设定的隧道开挖工序和超前支护架构进行核实或修正，使得在隧道掘进过程中能够始终利用最优的开挖工法和支护结构进行隧道的挖掘操作和围岩支护操作，保证掘进过程的围岩变形的可控性，从而隧道的开挖过程始终处于可控范围之内，实现安全高效的掘进。在进行隧道开挖过程中，开挖单元能够选择性地根据围岩等级调节开挖工法和对应的支护架构，从而对不同地质条件和围岩等级的隧道采取不同的工法进行掘进，并构建出相适配的支护体系，尤其是能够在超前支护的情况下进行有效地增加主动支护，通过联合支护结构的设置，能够充分保证隧道围岩的稳定性，限制了围岩变形随时间的变化度，从而推迟或防止变形破坏的出现，确保隧道能够在设计使用年限或大修周期内保持良好的洞体结构。
7.根据一种优选的实施方式，在实时采集的待开挖隧道区段围岩等级所对应的施工工法无法匹配至预先建立的隧道开挖工序中预设的操作指示时，依据实际测量的围岩等级更新适配的开挖工法，并对预先建立的隧道开挖工序进行更新，以修正未开挖隧道区段的隧道开挖工序，并通过对已建立的超前支护进行选择性地二次补充而限制待挖区段在后续开挖过程中的变形量。其优势在于，在依据预先建立开挖工序搭建的超前支护无法满足实际的支护需求时，根据实际获取的实际围岩等级信息进行该区段二次超前支护能够弥补初始构建的超前支护的不足，从而能够及时抑制初始变形阶段的变形，避免隧道在初始阶段还未构建出有效地支护结构就发生较大的变形，并有效地控制、推动快速完成急剧变形阶段的发生，使得变形尽快进入到变形减缓阶段。
8.根据一种优选的实施方式，在更新后的开挖工法与预设的开挖工法不同时，是根据隧道该区段的围岩等级对超前支护结构进行选择调节的，其中，超前支护的二次补充是根据实际测量的围岩等级低于超前地质预报所获取的隧道围岩等级而进行实施的，使得该区段在开挖过程中能够延缓隧道围岩的变形，以为主动支护提供施工基础。
9.根据一种优选的实施方式，在开挖工法进行调整的情况下，根据二次补充后的超前支护调整该区段隧道开挖过程中的主动支护结构，从而更新已建立的初始支护体系，其中，所述初始支护体系是预先建立的隧道开挖工序进行制定的。
10.根据一种优选的实施方式，在对待开挖隧道的一区段隧道开挖工法和支护体系进行调节的情况下，对未开挖部分隧道进行二次超前地质预报以更新未实施部分的隧道开挖
工序，并依据更新后的隧道开挖工序调整初始支护体系。
11.根据一种优选的实施方式，支护体系还包括能够对已挖掘隧道进行监测的支护监测系统，所述支护监测系统能够对搭建的支护结构和隧道岩体随时间的变化情况进行监测和分析，其能够根据获取隧道内支护结构变形数据以及隧道全方位的空间结构数据构建出隧道及支护模型，并利用时间段内建立的多个模型进行支护结构及隧道围岩变形分析。
12.根据一种优选的实施方式，所述支护监测系统采集地与时间相关的隧道内支护结构变形和受力数据以及隧道全方位的空间结构数据是以隧道围岩的预设变形量为驱动时间进行记录的，且其采样用的预设变形量是随隧道围岩变形剧烈程度而进行可调节设定的。
13.根据一种优选的实施方式，所述支护监测系统在监测到隧道围岩发生预设变形量的时间周期缩短时，所述支护监测系统按照减小预设变形量而缩短采样周期的方式调整表征围岩变形情况的数据获取频率，并能够依据采集到的异常变形数据发出预警信息。
14.本技术还提供一种基于区间不同开挖工法转换的支护体系，根据超前地质预报所得出的待开挖隧道不同区段的围岩等级建立依据多种开挖工法竞争隧道掘进的开挖工序，并依据不同隧道区段掘进采用的开挖工法制定对应区段的支护体系；所述支护体系至少包括对待开挖隧道进行超前支护的隧道超前支护结构、对待开挖隧道进行初期支护的隧道初期支护结构、布设于所述隧道初期支护结构内壁上隧道二次衬砌，所述隧道初期支护结构和隧道二次衬砌均为对待开挖隧道的隧道洞进行全断面支护的全断面支护结构。
15.根据一种优选的实施方式，所述隧道初期支护结构还包括对所述已开挖隧道的拱墙进行初期支护的拱墙初期支护结构和对所述隧道洞底部进行初期支护的仰拱初期支护结构，所述仰拱初期支护结构位于所述拱墙初期支护结构的正下方；所述仰拱初期支护结构为一层喷射于所述隧道洞底部的仰拱混凝土喷射层。
附图说明
16.图1是本发明的一种基于区间不同开挖工法转换的支护体系及施工方法的优选实施例的流程示意图。
具体实施方式
17.下面结合附图进行详细说明。
18.隧道支护体系极其复杂，由于地质条件的复杂性与差异性，支护体系往往由围岩与各式各样的支护结构组成。目前常规支护体系的建立时在跳动围岩自身的承载能力基础上在以锚杆、注浆等辅助方法形成初步加固圈。对于稳定性较好的岩体在应力调整过程中，围岩自动达到新的平衡状态，不需要外界对其涉，只需简单施作支护就可保证结构安全。对于地质条件较差的隧道，围岩在应力释放过程中很难自我平衡，如若不及时施作初期支护或初期支护强度、刚度不足，其变形将很难控制，可能导致围岩失稳，致使整个隧道结构破坏。因此针对稳定性较差的围岩，需要通过外界强干预才能使围岩保持稳定，对于此类围岩，目前衬砌形式多采用复合式衬砌，从空间上可以分为三个圈层，第一层：初步加固层一系统锚杆与超前支护共同作用，构成最外层支护圈(事先干预)；第二层：初期支护层一喷射混凝土与钢架(型钢或格栅钢架等)组成次外层支护圈(过程干预)；第三层：二次衬砌层混
凝土与钢筋网组成的内层支护圈(事后干预)，但在支护过程中，围岩与支护结构的作用过程极为复杂，这给隧道支护的定量化设计与可靠性评价带来了巨大挑战。
19.对于稳定性较差的隧道，通常需要按照时间与空间顺序施作多个支护结构，使围岩达到稳定状态，目前隧道支护中多采用复合式衬砌，先施作超前支护，再施作初期支护，最后按照围岩变形与应力发展状态适时施作二次衬砌。工程实践表明，二次衬砌施作时机对隧道支护体系的稳定有着至关重要的作用，二次衬砌施作过早，围岩压力得不到有效释放，使支护结构受力较大，可能导致整个支护系统的破坏；二次衬砌施做过迟，围岩将产生较大的塑性变形，导致自身承载力降低或者完全丧失，支护结构需要承受较大的围岩荷载，最理想的状态就是让围岩充分调动自承能力使之最大限度地发挥作用，让围岩应力充分释放，使衬砌结构受力最小。
20.实施例1
21.本技术涉及一种基于区间不同开挖工法转换的支护施工方法，根据待开挖隧道区域的超前地质预报所获取的隧道围岩等级沿待开挖隧道纵向延伸方向将待开挖隧道分为多段围岩等级不同的区段并建立开挖工序，并根据不同区段隧道围岩等级可调节地进行开挖及支护施工，在对隧道进行开挖和支护时，至少包括以下步骤：
22.(1)根据预先建立的隧道开挖工序分区段完成隧道超前支护；
23.(2)对于待开挖区段围岩的岩体强度和最大地应力进行测量获取该段隧道围岩的实际围岩等级并对预先指定的区段开挖工法进行验证；
24.(3)根据验证后的开挖工法完成已完成围岩等级测量的开挖施工；
25.(4)对下一待开挖区段再次进行围岩等级测量和验证操作。
26.优选地，在实时采集的待开挖隧道区段围岩等级所对应的施工工法无法匹配至预先建立的隧道开挖工序中预设的操作指示时，依据步骤2中实际测量的围岩等级更新适配的开挖工法，并对预先建立的隧道开挖工序进行更新，以修正未开挖隧道区段的隧道开挖工序，并通过对已建立的超前支护进行选择性地二次补充而限制待挖区段在后续开挖过程中的变形量。优选地，在更新后的开挖工法与预设的开挖工法不同时，是根据隧道该区段的围岩等级对超前支护结构进行选择调节的，其中，超前支护的二次补充是根据实际测量的围岩等级低于超前地质预报所获取的隧道围岩等级而进行实施的，使得该区段在开挖过程中能够延缓隧道围岩的变形，以为主动支护提供施工基础。
27.优选地，隧道开挖工序是指根据待开挖隧道不同区段的围岩等级而选取与该段隧道适配的开挖工法并将多种开挖工法有序排列形成操作集。即隧道开挖工序至少包括依据隧道不同区段的围岩等级选取的多种开挖工法有序进行至少部分隧道区域开挖施工的操作步骤。优选地，多个与区段隧道围岩等级相关联的开挖工法以区段隧道对接形成隧道模型的方式将多种与区段隧道围岩等级相对应的开挖工法进行有序的拼接并在构建的隧道模型仅进行分段标记。优选地，无法匹配是指根据超前地质预报设置的隧道一区段的开挖工法与在对该同一区段进行掘进前进行实时实地围岩数据采集而输出的开挖工法不一致，两个开挖工法不相同，则实时输出的开挖工法即无法匹配至开挖工序中。优选地，匹配操作即在施工过程中，根据对待挖区段进行围岩数据采集计算其实时的围岩等级并依据计算得到的围岩等级输出开挖工法，并将输出的开挖工法与开挖工序中对应区段的预设开挖工法进行匹配，若同一隧道区段不同时期的两个开挖工法一致则可以直接进行施工操作，若两
个开挖工法不一致时，则说明随隧道的掘进施工，同一区段的围岩发生变化或前期超前地质预报的数据存在误差则需要根据实时探测的围岩数据和地质数据对该段隧道的超前支护进行针对性补充后再继续进行掘进操作。
28.优选地，在待开挖区段的开挖工法根据实际测量得到的隧道围岩等级进行调整的情况下，根据二次补充后的超前支护调整该区段隧道开挖过程中的主动支护结构，从而更新已建立的初始支护体系。优选地，初始支护体系是预先建立的隧道开挖工序进行制定的。优选地，在对待开挖隧道的一区段隧道开挖工法和支护体系进行调节的情况下，对未开挖部分隧道进行二次超前地质预报以更新未实施部分的隧道开挖工序，并依据更新后的隧道开挖工序调整初始支护体系。优选地，支护体系是需要根据实际的隧道围压进行多种支护结构的组合，从而实现隧道围岩开挖施工时的稳定性。例如：首先采用小导管注浆或超前锚杆稳定地层结构；再采用“钢筋网 喷射混凝土”或“钢格栅 喷射混凝土”进行初期支护；再施作二次衬砌，最终形成一个完整的支护系统。
29.优选地，支护体系还包括能够对已挖掘隧道进行监测的支护监测系统，支护监测系统能够对搭建的支护结构和隧道岩体随时间的变化情况进行监测和分析，其能够根据获取隧道内支护结构变形数据以及隧道全方位的空间结构数据构建出隧道及支护模型，并利用时间段内建立的多个模型进行支护结构及隧道围岩变形分析。优选地，支护监测系统采集地与时间相关的隧道内支护结构变形和受力数据以及隧道全方位的空间结构数据是以隧道围岩的预设变形量为驱动时间进行记录的。支护监测系统采样用的预设变形量是随隧道围岩变形剧烈程度而进行可调节设定的。优选地，支护监测系统在监测到隧道围岩发生预设变形量的时间周期缩短时，支护监测系统按照减小预设变形量而缩短采样周期的方式调整表征围岩变形情况的数据获取频率，并能够依据采集到的异常变形数据发出预警信息。
30.实施例2
31.本技术还涉及一种基于区间不同开挖工法转换的支护体系，其包括根据超前地质预报所得出的待开挖隧道不同区段的围岩等级建立依据多种开挖工法竞争隧道掘进的开挖工序，并依据不同隧道区段掘进采用的开挖工法制定对应区段的支护体系。
32.优选地，支护体系包括对待开挖隧道进行超前支护的隧道超前支护结构、对待开挖隧道进行初期支护的隧道初期支护结构、布设于隧道初期支护结构内壁上隧道二次衬砌，隧道初期支护结构和隧道二次衬砌均为对待开挖隧道的隧道洞进行全断面支护的全断面支护结构。优选地，隧道初期支护结构还包括对已开挖隧道的拱墙进行初期支护的拱墙初期支护结构和对隧道洞底部进行初期支护的仰拱初期支护结构，仰拱初期支护结构位于拱墙初期支护结构的正下方；仰拱初期支护结构为一层喷射于隧道洞底部的仰拱混凝土喷射层。
33.实施例3
34.本技术涉及的一种隧道支护体系施工工法，可以包括以下步骤：
35.支护桩施工：在隧道施工区域的侧面设置一列支护桩形成排桩；并在排桩的顶部设置冠梁；再在隧道施工区域的拐角位置设置支护桩形成立柱桩；并在立柱桩的顶部设置格构柱；
36.加固施工：在相邻支护桩间设置至少一个高压旋喷止水桩；并在待加固的隧道侧
壁边缘的支护桩上设置多个腰梁和/或冠梁；在隧道施工区域的拐角位置设置连接相邻支护桩的水平支撑板带；并通过锚杆将支护柱与既有建筑基础或围岩连接后，对非斜撑部分土方分层开挖至基底；通过水平支撑板带对隧道拐角位置的强化加固，既能保证隧道的稳定性，同时减少了斜支撑梁的使用，更加便于换撑施工，且大大节约了施工成本，更加省时省力。
37.斜支撑施工：将斜撑基座固定于支护桩上后，将斜支撑梁的一侧端部固定于斜撑基座上，再将斜支撑梁的另一侧端部通过钢筋砼支座与地下室基础大底板固定，再将斜撑以下土方分层开挖至基底；
38.喷锚施工：在隧道侧壁上插入钢筋后在相邻的支护桩间悬挂钢板网后进行喷砼；
39.排水结构施工：在隧道的坑顶且位于冠梁外侧的位置设置用于截断地表水的截水沟；再在隧道的坑底设置用于排泄隧道积水的排水沟，并设置与排水沟连通的集水井；再在隧道的坑顶位置设置用于将集水井内积水抽出并进行净化的沉淀池，通过水泵将积水泵入沉淀池内。
40.优选地，所述支护桩包括中空的钢筋笼，灌注于钢筋笼内部的c30水下混凝土，以及套设于钢筋笼外部且用于稳定孔口土壤护筒。支护桩的纵向受力钢筋采用hrb400级钢筋，直径20mm、22mm；实际施工时，对于不能满足支护桩施工需求的场地，需先进行施工场地预处理才能进行施工作业，该施工场地预处理包括场地平整、杂物清理、填至少500mm厚的砖渣并夯打密实。在场地整平后，将所有桩位钉好十字保护桩再进行支护桩的支护。该护筒采用钢护筒，护筒的长度应至少大于支护桩总长度的1/8，护筒的直径应大于钻机的钻头直径，护筒的顶标高应高于施工面－mm，并确保护筒的筒壁与水平面垂直，且护筒周围用粘土分层夯实。护筒施工时，应先隔离地面水，稳定孔口土壤以保护孔壁不塌，再对支护桩的桩位进行复核，然后以桩位为中心，定出相互垂直的十字控制桩线，并作十字栓点控制，挖好护筒孔位后，吊放入护筒，再将护筒周围的孔隙填入黏土并夯实，同时用十字线校正护筒中心及桩位中心，使之重合一致，并保证其护筒中心位置与桩中心偏差小于2cm，以便于钻孔工作的顺利进行。
41.优选地，所述钢筋笼包括hpb级的螺旋式箍筋，以及沿桩身设置的hrb400级加强箍筋。该加强箍筋的优选直径16mm，间距为0mm；纵向受力钢筋的保护层厚度为50mm；螺旋式箍筋采用hpb级钢筋，直径10mm，箍筋间距150mm，以增强整个钢筋笼的稳定性。
42.优选地，所述支护桩的主筋锚入冠梁，以保障支护桩的稳定性，并为隧道提供稳定的支护。
43.优选地，分级开挖是自上而下依次采用单排工程桩支护、双排工程桩支护、锚索支护桩与工程桩联合支护的施工方法，优化组合后满足了各级隧道的支护要求，同时实现一桩两用，大幅节省了支护成本，在保证工程正常施工的前提下，最大限度地节约工程造价，提高工程施工效率。本方法适用于工程地质条件差，隧道开挖深度大，群桩密集、工程施工难度大的复杂工程；适用于工程桩兼支护桩形式下，深隧道分多级开挖，根据隧道深度不同，结构受力不同，选用合适的桩基形式进行支护，单排、多排支护桩型结合施工的工程；适用于工程造价控制严格、工期紧张、质量要求高的工程。
44.具体施工时，作为支护桩的工程桩具体采用是单排桩支护，还是单排桩和多排桩结合支护，隧道的土方开挖共分几级，本领域技术人员可以根据施工现场实际情况、建筑物
结构设计等因素综合确定。支护桩在设计时，应考虑建筑物基础形式，尽可能地用工程桩兼做支护桩，实现一桩两用。施工特点如下：
45.1、工程桩兼作支护桩施工时，经过施工前的现场勘测和桩基抗压抗剪验算，确定保证工程结构及施工安全的专项方案。利用工程桩及上部的承台连梁将排桩连成整体，形成护坡桩。基槽开挖时，对边坡起支护作用，基槽内部结构施工完后，再用作外侧结构的桩承台基础。
46.2、工程桩兼作支护桩不仅要满足工程桩竖向承载力要求，还要具有支护桩抗侧滑移的能力，分级施工的桩基下一级桩受力时，需要考虑上一级桩土层对其产生的影响。
47.3、根据工程地质条件、基槽开挖深度的需要，将桩基设计为单排桩与多排桩结合施工，基槽分层开挖，将工程需要与桩基支护形式合理地进行设计，既保证工程施工质量安全的需要，又最大限度地节约工程造价，经过与同类施工方法比较，本方法优势明显。
48.本发明方法设计合理、操作简便、施工快速，主要创新点为：1深隧道采用分级开挖、分级支护；2工程桩兼作支护桩；3采用单排桩、双排桩、锚索支护桩分级复合支护；可有效地保证工程施工安全和工期，对同类施工具有很好的借鉴意义，取得了较好的经济和社会效益，解决了目前传统的方法在深隧道工程施工中，经常出现因深隧道支护工程量大、成本高，影响施工工期的问题。
49.在锚杆一一锚索共同作用的锚一一岩支护体中，是通过锚杆限制了与其连接的岩体的变形，乃至岩体的破坏，因而对围岩起着主导承载效果。而锚网的作用主要是防止锚杆间松软岩石的垮落，进一步提高了巷道整体的支护能力。锚索解决了锚杆支护锚固不够、支护强度不足的缺陷，通过施加预紧力，将锚索伸入到巷道关键层内，从而将下部不稳定的岩体锚固在上部稳定的岩层中。起到主动支护的作用。
50.深隧道工程中土压力的计算是合理设计支护结构的前提，作用于支护结构上的土压力并非恒定值，而是会随着土体出现的位移发生变化，是一种位移土压力。若土体所产生的位移在极限变形范围之内，这种土压力的值将介于主动土压力与被动土压力之间。对于位移土压力的计算分析方法大致可分为两类，一类是采用土体的抗剪强度发挥值的概念，将经典土压力理论下土体的极限摩擦角用非极限状态下土体的摩擦角参数来代替；另一类是根据实测数据用函数来拟合土压力随位移变化的关系曲线。且两类方法都得到了不同的发展及应用。
51.深隧道桩锚支护结构内力与变形是支护结构与周围岩土体相互作用的结果。通常这种支护结构可简化为受侧向土压力作用的结构，常采用极限平衡法、弹性地基梁法及有限元法进行计算。隧道开挖及使用过程中，支护结构内力受多方面因素的影响而不断变化，理论计算结果往往与实际相差很大。
52.深隧道工程的稳定性分析主要有六个方面：整体稳定性分析、抗隆起稳定性分析、抗倾覆稳定性分析、抗承压水稳定性分析。抗水平滑移稳定性分析、抗渗流稳对于桩锚结构支护的隧道，则主要进行整体稳定性分析。
53.①
采用锚杆代替隧道支护内支撑，可在锚杆上施加预应力，给排桩提供锚拉力，减小排桩的位移及内力，并将隧道的变形控制在允许范围之内；
54.②
增大了隧道内施工空间，土方开挖与地下结构施工更为方便；
55.③
锚杆是在开挖过程中逐层开挖、逐层安装的，因而上下排锚杆的间距必须同时
考虑支护桩的强度控制要求及变形控制要求；
56.④
锚杆所需锚固力是由锚固段的锚固体与周围土体间的摩阻力提供的，因此，隧道深度较大时，由于锚杆必须具有超出潜在滑动面之外的足够锚固长度，故深隧道支护中，锚杆长度较大；
57.⑤
软勃土中，因土体的流变及锚固体与周围土体间接触面的流变，会导致锚固力损失及变形逐渐增大的现象发生，故在软勃土层中不宜应用锚杆。
58.深隧道工程由于环境条件的限制及地下空间开发的要求，桩锚支护结构得以快速发展。其实受力过程中力的传递途径主要为：隧道外侧作用于支护桩上的土压力一支护桩一腰梁一锚头一预应力锚杆一锚固体(主要表现为锚杆与锚固体之间的粘结力)一周围稳固土体(主要表现为锚固体与周围土体之间的摩阻力)。
59.因此，锚杆和桩是主要受力及传力结构。锚杆在正常工作状态下，是锚杆、注浆体、土体等的共同作用，由于各部分材料性能的差异很大，其整个体系受力复杂。通常认为锚杆中的锚固力由自由段传递到锚固段，锚固段锚杆受力时，首先通过锚杆钢筋与水泥砂浆之间的握裹力传递至砂浆锚固体中，再通过锚固体与周围土体间的摩擦力传递至土体深处。
60.在隧道周围土压力、水压力、建筑物及构筑物等附加荷载作用下，支护桩有向隧道内侧倾倒的趋势，并产生侧向位移。隧道内侧开挖面以下土体，受支护桩侧向位移的影响产生被动土压力，以抵抗支护桩所承受的部分主动土压力，另一部分主动土压力则主要由预应力锚杆承担。可知，支护桩所受主动土压力由隧道内开挖面以下被动土压力及锚杆共同抵抗。因此，隧道开挖过程中应严格控制桩身侧向位移，以免位移过大导致支护结构失效破坏，同时要保证支护桩、锚杆等自身具有足够的刚度和强度，避免桩身剪切破坏、锚杆拉断等现象的发生。深隧道桩锚支护结构中，支护桩侧土压力是作用于支护结构上的主要荷载，支护桩及锚杆设主要受力构件。
61.建立了桩锚支护结构内力计算的混合法模型，依据winkler模型，将土体对桩的作用一系列的土弹簧来表示，锚杆也用弹簧等效，建立支护结构整体平衡非线性方程组，确定隧道开挖工况，计算工况所对应的荷载增量及结构整体刚度矩阵，进而计算该工况荷载增量作用下支护结构所产生的内力及位移，并迭代修正计算结果，重复以上步骤计算剩余工况下支护结构的内力及位移，叠加得到支护结构总的内力及位移。
62.深隧道桩锚支护结构体系中，一般都是先开挖后加锚杆，即加锚杆时土体和排桩已产生变形，故通常采用的简单计算方法中不考虑桩土的变形是不符合实际的。另一方面，由于隧道环境的要求越来越高，隧道深度更深，需要设置多道锚杆才能满足要求。这将进一步复杂化了计算过程，每一开挖涉及加设锚杆的过程都会引起土体及排桩内力及位移等的变化。混合法可较好地考虑整个施工过程中桩、土、锚杆的相互作用，因此，依照混合法建立等效预应力作用下桩锚支护结构稳定性计算模型。深隧道工程常采用分步开挖、分步支撑或加锚杆的方式进行施工，这样可以随时观察掌握支护结构及隧道周围环境的变化，以便对其进行有效地控制等。
63.深隧道工程中，水平位移监测是最重要、最直接的项目，采用全站仪与经纬仪相结合的方法进行监测，全站仪为主，经纬仪为辅。通常包括土钉墙坡顶水平位移监测及桩顶水平位移监测，首先布设水平位移试验控制网，选取稳定可靠的基准点，基准点一般设置在隧道的拐角处，便于观测隧道相邻两边的试验监测点。试验监测点布置在支护桩的冠梁上，测
点尽量布置在一条直线上。为提高试验控制网的精度，试验监测点、基准点组成边角控制网，进而统一观测和平差，并采用测角交汇法及小角度法测定试验监测点的水平位移量。
64.实施例4
65.本技术还提供一种基于围岩等级的区间暗挖方法，包括对以及完成标准化测量和标记的隧道区域进行超前地质预报，并依据获取的超前地质预报进行隧道区域地质围岩等级信息的获取并依据围岩等级的分布情况建立供后续施工参考的隧道开挖工序，且根据建立的隧道开挖工序和围岩等级在待开挖隧道内搭建超前支护。根据构建的隧道开挖工序对隧道不同区段采取不同的开挖工法进行掘进操作，并在隧道掘进过程中针对不同的围岩等级增加能够与超前支护进行联合以适应围岩应力的动态变化和强刚度持续衰减的主动支护。在沿设定方向以预设开挖工法进行隧道掘进时，地质信息采集设备能够对待开挖隧道的地质进行探测，并根据探测地质信息获取隧道围岩等级，并依据围岩等级输出与该段隧道相适配的开挖工法和支护结构。在实时输出的开挖工法无法匹配隧道开挖工序中对应隧道区段的开挖工法时，根据地质信息采集设备采集的围岩数据更新其建立的隧道开挖工序。施工人员依据更新后的隧道开挖工序或实时输出的区间隧道的开挖工法进行该区段隧道的掘进，施工人员依据地质信息采集设备采集的围岩等级信息在其开挖区域以增加主动支护的方式控制隧道围岩的变形量。通过地质信息采集设备采集的施工区域实时隧道围岩等级来验证根据超前地质预报输出的隧道围岩等级是否准确的方式，对预先设定的隧道开挖工序和超前支护架构进行核实或修正，使得在隧道掘进过程中能够始终利用最优的开挖工法和支护结构进行隧道的挖掘操作和围岩支护操作，保证掘进过程的围岩变形的可控性，从而隧道的开挖过程始终处于可控范围之内，实现安全高效的掘进。在进行隧道开挖过程中，施工人员能够选择性地根据围岩等级调节开挖工法和对应的支护架构，从而对不同地质条件和围岩等级的隧道采取不同的工法进行掘进，并构建出相适配的支护体系，尤其是能够在超前支护的情况下进行有效地增加主动支护，通过联合支护结构的设置，能够充分保证隧道围岩的稳定性，限制了围岩变形随时间的变化度，从而推迟或防止变形破坏的出现，确保隧道能够在设计使用年限或大修周期内保持良好的洞体结构。
66.优选地，在依据地质信息采集设备采集地质数据对其构建的隧道开挖工序进行更新的情况下，还通过对未开挖隧道区域进行二次超前地质预报的方式验证更新后的隧道开挖工序，并依据验证通过后的隧道开挖工序对待开挖区域需要增强支护的隧道区段进行二次超前支护。通过依据施工过程中实时采集的地质数据和围岩等级，对初始探测的围岩等级进行验证和修正，从而能够准确地调整预设的隧道开挖工序和超前支护架构，使得隧道开挖工程能够快速稳定地完成施工。优选地，隧道开挖工序是指根据待开挖隧道不同区段的围岩等级而选取与该段隧道适配的开挖工法并将多种开挖工法有序排列形成操作集。即隧道开挖工序至少包括依据隧道不同区段的围岩等级选取的多种开挖工法有序进行至少部分隧道区域开挖施工的操作步骤。优选地，多个与区段隧道围岩等级相关联的开挖工法以区段隧道对接形成隧道模型的方式将多种与区段隧道围岩等级相对应的开挖工法进行有序的拼接并在构建的隧道模型仅进行分段标记。
67.优选地，超前地质预报是通过地质调查、物理探测、超前地质钻探与探孔等综合手段，查清隧道掌子面前方的不良工程和水文地质等信息，提前预警，以便采取针对性的工程技术措施，降低不良地质对轨道交通工程施工造成的危害，保证隧道工程施工的安全质量。
工程整体围岩情况等级以及周边环境，采用地质雷达预报手段进行探测，并配合超前地质钻孔，及时掌握岩层及破碎带的规模、性质、稳定性以及地下水情况，从而获取的待开挖隧道区域地质信息建立针对性、合理性的隧道开挖工序。优选地，超前地质钻探以探测围岩前方岩性、构造和隐含水情况为目的，通过岩性的变化和卡钻、钝钻以及出现漏水情况判断前方地质情况。在钻孔过程中，观察成孔速度、孔渣、孔内水流等判断前方地层是否突变。施工过程中每次爆破完成后需进行地质素描和地质编录，并分析地质情况，与勘查地质报告和超前地质预报进行对比，从而优化调整支护参数、加快循环进尺、提高施工进度。
68.优选地，施工人员能够根据预先建立的隧道开挖工序有序地对不同隧道区段采用不同的开挖工法进行掘进施工和隧道围岩支护。具体地，施工人员的开挖施工操作是根据预先制定的施工方案进行操作的，其能够在施工操作过程中，根据预先建立的隧道开挖工序对围岩等级不同的隧道区段利用不同的开挖工法进行掘进施工。优选地，施工人员选取某一特定区段隧道的开挖工法是按照地质信息采集设备采集隧道该待开挖区段的围岩等级信息和输出的可采用开挖工法对预先建立的隧道开挖工序进行验证。优选地，施工人员可以是组装的掘进设备和隧道掘进工艺。优选地，在地质信息采集设备采集的地质信息而输出的区段隧道开挖工法与预先建立的隧道开挖工序中同一段区段的开挖工法不一致时，根据地质信息采集设备采集的该区段隧道实际围岩等级对该区段隧道中已搭建的超前支护进行补充，使得该区段隧道围岩能够在开挖过程中始终保持一个相对稳定的状态，为后续掘进过程中搭建主动支护提供充足的施工时间，并能够及时抑制初始变形阶段的变形，避免隧道在初始阶段还未构建出有效地支护结构就发生较大的变形；其次，有效地控制、推动快速完成急剧变形阶段的发生，使得变形尽快进入到变形减缓阶段。
69.优选地，施工人员能够根据验证后的隧道开挖工序而选择性地对不同区段隧道采取三台阶法、cd法或crd法进行不同区段隧道的掘进施工操作，并能够在围岩等级发生变化的隧道区段交接处利用地质信息采集设备对下一待开挖区段隧道的围岩实际等级进行采集确认后根据修正后的隧道开挖工序进行开挖工法的转换，从而完成连续的多个区段隧道的掘进操作。
70.优选地，在进行区段隧道的掘进操作时，根据隧道该区域所采用的开挖工法和围岩等级在隧道内构建不同的支护体系，并在隧道内布设能够对围岩变形情况进行监测的支护监测系统。支护监测系统通过对隧道全方位的空间结构进行监控并生成空间结构数据，从而对整个隧道空间的围岩变形和支护变形进行监测，进而利用采集的空间结构数据构建出随时间推移的隧道模型，并利用沿时间轴建立的多个有序排列的隧道模型进行对比的方式完成隧道变形分析，从而能够在围岩和支护结构发生异常变形的区段隧道进行更加频繁准确地监测，并提示施工维护人员对异常变形区域做出针对性的补充支护。即在沿时间轴建立的多个隧道模型之间存在差异的情况下，对隧道发生变形的区域进行选择性地补充支护以控制隧道围岩的变形量。优选地，支护监测系统采集地与时间相关的空间结构数据是以隧道围岩的预设变形量为驱动时间进行记录的，且其采样用的预设变形量是随隧道围岩变形剧烈程度而进行可调节设定的。优选地，支护监测系统在监测到隧道围岩发生预设变形量的时间周期缩短时，支护监测系统按照减小预设变形量而缩短采样周期的方式获取表征围岩变形情况的密集空间结构数据。进一步优选地，支护监测系统在检测到隧道围岩发生异常变形和/或过量变形时，其能够在调节采样的预设变形量的同时向至少一个显示终
端发出预警信息。
71.优选地，支护监测系统可以包括三维激光扫描仪和红外线热成像仪。三维激光扫描仪能够对隧道内部进行扫描。实时、准确、全方位获取空间结构数据，进行隧道变形分析，指导隧道信息化施工，从而能及时对隧道的施工进行风险预警预报。扫描过程中对隧道内部进行分段扫描，由三维激光扫描仪所搭载的无线传输装置将实时扫描图片传输到主控模块进行远程获取点云数据；在获取完点云数据后主控模块对数据进行处理并自动生成隧道结构图。另外，所测得的点云数据分别在以各测量站点为原点的相互独立的坐标系中，因此在隧道变形分析时，需要对各测站点数据进行拼接。将生成的隧道截面图与设计规范进行对比，观察其隧道的周边位移、拱顶下沉等位移量是否处于正常状态，当实测数据收敛速率出现反弯点等异常情况时，则说明围岩出现异常性变形，需采取加强支护措施。红外线热成像仪与三维激光扫描仪对隧道内部同时进行监测。红外热像仪是利用红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统组成，主要用于接收隧道内各个位置的红外辐射能量分布图，由探测器将红外辐射能转换成电信号，经放大处理、转换或标准视频信号通过显示模块显示红外热像图。显示模块可以是电视屏或监测器等；红外线热成像仪同样利用配备的无线传输装置对传输隧道施工环境。这有利于对隧道内的异常红外辐射(例如突水现象)进行监测。实时扫描图片和红外辐射能量分布图搭配分析，进行形态和能量互补分析，提高了检测能力，从而可以实时、全方位检测。
72.实施例2
73.本实施例是对实施例1的进一步改进，重复的内容不再赘述。
74.在进行起金区段地铁隧道施工时，横通道施工中同步预埋暗梁及预埋件，完成后施做马头门加强框架。然后开南侧马头门，进行正线开挖支护施工。待全断面封闭成环15m后，开对侧马头门进行正线开挖支护施工。
75.竖井施工中同步预埋暗梁及预埋件，完成后施做马头门加强框架。然后开北侧马头门，进行正线开挖支护施工。待全断面封闭成环15m后，开对侧马头门进行正线开挖支护施工。
76.正线采用钻爆法开挖，机械整修破除开挖配合。
[0077]ⅱ及ⅲ级围岩段采用三台阶法开挖，并采用钢筋网 喷射混凝土 锚杆的支护体系，台阶错距3～5米；
[0078]ⅳ级围岩段采用三台阶法开挖，并采用钢格栅 喷射混凝土 钢筋网 锚杆的支护体系，台阶错距3～5米；
[0079]
ⅴ
级围岩段采用cd法开挖，并采用钢格栅 喷射混凝土 钢筋网 锚杆的组合支护体系，左右导洞错距10m以上，每一导洞采用台阶法开挖，台阶错距3～5米。
[0080]
竖井井壁两侧5m范围内采用crd法开挖，即在原cd法开挖的上下台阶处加临时横撑。
[0081]
暗挖作业必须严格按设计施工步序施工，在确定实施前，应在超前地质预报指引下钻1～3个超前探孔，以探明地下水发育情况。探孔布置在拱顶下1m的位置。
[0082]
优选地，横通道马头门先向南侧区间施工，再向北侧区间施工。
[0083]
横通道施工阶段对正线区间马头门部位打设拱顶超前小导管及注浆、预埋暗梁钢筋
→
横通道初期支护完成后施做马头门加强框架
→
破除左侧导洞上台阶初支
→
架立洞门
拱部前三榀加强钢格栅并喷射砼
→
开挖拱部土体、架立拱部第四榀钢格栅并喷射砼
→
沿拱部打设中空锚杆注浆
→
进行下一榀施工
→
开挖进尺3～5米
→
破除左侧导洞下台阶初支
→
架立洞门前三榀加强钢格栅并喷射砼
→
开挖土体、架立第四榀钢格栅并喷射砼
→
进行下一榀施工
→
封闭成环后上下台阶循环施工。
[0084]
左侧导洞开挖不小于10m后，按同样方法施工右侧导洞马头门。
[0085]
左右侧导洞全断面封闭成环不小于15m后，按同样施工顺序开对侧马头门。
[0086]
马头门范围的强风化玄武岩优先采用机械破除，破除困难时采用钻爆法施工。其余中风化岩层采用钻爆法施工。
[0087]
优选地，竖井井壁两侧5m范围内采用crd法开挖。竖井马头门先向北侧区间施工，再向南侧区间施工。
[0088]
竖井施工阶段对正线区间马头门部位打设拱顶超前小导管及注浆、预埋暗梁钢筋
→
竖井初期支护完成后施做马头门加强框架
→
破除区间北侧左侧导洞上台阶初支
→
架立洞门拱部前三榀加强钢格栅并喷射砼
→
开挖拱部土体、架立拱部第四榀钢格栅并喷射砼
→
沿拱部打设中空锚杆注浆
→
进行下一榀施工
→
开挖进尺10米
→
破除右侧导洞上台阶初支
→
架立洞门前三榀加强钢格栅并喷射砼
→
开挖土体、架立第四榀钢格栅并喷射砼
→
进行下一榀施工
→
左右侧导洞上台阶循环施工按照crd封闭成环不小于10米。
[0089]
按同样方法施工区间对侧(南侧)左右导洞上台阶马头门按照crd封闭成环不小于5米。
[0090]
然后按照同样方法施工北侧左右导洞下台阶马头门，待左右侧导洞全断面封闭成环不小于15m后，按同样施工顺序开对侧(南侧)左右导洞下台阶马头门。
[0091]
马头门范围的强风化玄武岩优先采用机械破除，破除困难时采用钻爆法施工。其余中风化岩层采用钻爆法施工。
[0092]
优选地，为确保施工安全，当竖井由上往下施工到通道拱顶下2m时，进行竖井底临时封底。随即进行单排小导管的打设，超前小导管采用dn25
×
2.75mm钢管，小导管长4m，水平打设，注单液水泥浆，环向间距为0.3m，距离开挖线0.3m，沿拱部范围打设。
[0093]
当横通道上导洞完成后，随即进行单排小导管的打设，超前小导管采用dn32
×
2.75mm钢管，小导管长4m，水平打设，注单液水泥浆，环向间距为0.3m，距离开挖线0.3m，沿拱部范围打设。
[0094]
注浆压力：0.2～0.5mpa。注浆扩散半径：250mm。注浆速度≤30l/min。
[0095]
实施例3
[0096]
优选地，在三台阶法施工过程中，各台阶间距错开3～5m；各台阶均无需留设核心土，且各台阶根据土层稳定情况采用1:(0.7～1.0)放坡。施工中应保证工作面无水作业，严禁掌子面及隧道内积水。初支完成后及时进行背后注浆。施工中应加强监控量测，并根据其反馈信息对支护参数进行调整。进一步优选地，区间标准端面三台阶法施工步序包括：
[0097]
第1步：开挖上台阶，高度2.5m。打设拱部中空锚杆，挂网，喷混凝土。
[0098]
第2步：开挖中台阶，高度3.165m。打设中空锚杆，挂网，喷混凝土。
[0099]
第3步：开挖下台阶，高度3.165m。挂网，喷混凝土。
[0100]
区间交叉渡线断面三台阶法施工步序包括：
[0101]
第1步：开挖上台阶，高度2.5m。打设拱部中空锚杆，挂网，喷混凝土。
[0102]
第2步：开挖中台阶，高度3.735m。打设中空锚杆和局部砂浆锚杆，挂网，喷混凝土。
[0103]
第3步：开挖下台阶，高度3.735m。打设局部砂浆锚杆，挂网，喷混凝土。
[0104]
优选的，在cd法施工过程中，各导洞采用台阶法开挖，上下台阶间距错开3～5m，各导洞纵向开挖面错开10米以上；且各台阶根据土层稳定情况采用1:(0.7～1.0)放坡。施工中应保证工作面无水作业，严禁掌子面及隧道内积水。初衬背后及时注浆。施工中应加强监控量测，并根据其反馈信息对支护参数进行调整。为减小格栅底角的应力集中，在安装钢架前务必清除地脚下虚渣，超挖部分宜用喷射砼填充，使钢架底座落在喷射砼垫层上，以防止钢架整体下沉或两边不均匀下沉。
[0105]
进一步优选地，区间标准断面cd法施工步序包括：
[0106]
第1步：开挖左侧导洞上台阶，高4.75m宽6.5m。打设拱部中空锚杆，挂网，立钢格栅并打设锁脚锚管，打设拱顶超前小导管。喷混凝土。开挖3～5m。
[0107]
第2步：开挖左侧导洞下台阶，高4.38m宽6.5m。挂网，立钢格栅，喷混凝土。开挖10m以上。
[0108]
第3步：开挖右侧导洞上台阶，高4.74m宽5.6m。打设拱部中空锚杆，挂网，立钢格栅并打设锁脚锚管，打设拱顶超前小导管。喷混凝土。开挖3～5m。
[0109]
第4步：开挖右侧导洞下台阶，高4.37m宽5.6m。挂网，立钢格栅，喷混凝土。
[0110]
区间交叉渡线断面cd法施工步序包括：
[0111]
第1步：开挖左侧导洞上台阶，高5.48m宽6.75m。打设拱部中空锚杆，挂网，立钢格栅并打设锁脚锚管，打设拱顶超前小导管。喷混凝土。开挖3～5m。
[0112]
第2步：开挖左侧导洞下台阶，高4.78m宽6.75m。打设局部砂浆锚杆，挂网，立钢格栅，喷混凝土。开挖10m以上。
[0113]
第3步：开挖右侧导洞上台阶，高5.47m宽5.85m。打设拱部中空锚杆，挂网，立钢格栅并打设锁脚锚管，打设拱顶超前小导管。喷混凝土。开挖3～5m。
[0114]
第4步：开挖右侧导洞下台阶，高4.78m宽5.85m。打设局部砂浆锚杆，挂网，立钢格栅，喷混凝土。
[0115]
优选地，隧道开挖过程中，根据隧道经过区域的围岩等级的不同需要对不同区段隧道采用不同的开挖工法进行隧道挖掘，因此，在隧道围岩等级发生改变并需要对应性的调整开挖工法时，根据实际前后开挖工法的不同可以包括以下开挖工法转换操作：
[0116]
cd法转三台阶法
[0117]
1、当cd法一侧导洞上台阶到达工法转换断面时，停止施工。2、待另一侧导洞上台阶到达工法转换断面时，开始三台阶法施工。3、cd法剩余部分按照cd法步序完成。
[0118]
三台阶法转cd法
[0119]
1、采用台阶法上台阶施工至工法转换断面时，按照cd法开挖步序分左右导洞分别施工。2、三台阶法开挖剩余部分，逐步过渡至cd法开挖断面。
[0120]
crd法转cd法
[0121]
施工过程中，crd法、cd法开挖步序一致，区别在于一侧导洞上台阶开挖后是否架设临时横撑。因此，crd法转cd法时只需取消临时横撑，按照cd法要求施工即可。
[0122]
优选地，针对选取的特定地铁隧道，区间隧道采用钻爆法开挖，机械或人工配合整修。碴土先水平运输至竖井，然后通过提升设备提升至地面渣场，在通过渣土运输车运出场
外。
[0123]
爆破施工详见爆破设计及施工。cd法开挖循环进尺考虑格栅间距和周边环境风险后，暂定上台阶0.75m，下台阶1.5m。三台阶法施工循环进尺暂定上台阶1m，中、下台阶2m。施工中，根据振动监测情况和风险源的保护动态调整循环进尺，以便安全经济高效开挖。
[0124]
为保证施工安全需要对岩层裂隙进行止水，止水方法为水泥水玻璃双液浆注浆止水，降低基岩的渗透性。若有渗水时，中间设临时集水坑，由潜水泵将积水及时抽出。
[0125]
平面开挖轮廓线拱顶外扩8cm，侧墙外扩6cm，满足围岩变形收敛和施工误差的净空要求，并根据监控量测情况调整外扩量。
[0126]
两对向开挖工作面距离13m时，一端停止施工，人员和机械撤至安全地区，一端施工直至隧道贯通。
[0127]
需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。在全文中，“优选地”所引导的特征仅为一种可选方式，不应理解为必须设置，故此申请人保留随时放弃或删除相关优选特征之权利。