一种机械化配套隧道初期支护分序施工方法与流程

1.本发明涉及隧道工程技术领域，具体涉及一种机械化配套隧道初期支护分序施工方法，适用于围岩稳定性较好的隧道工程初期支护分序施工以提高隧道施工效率。


背景技术：

2.隧道建设正朝着机械化、智能化方向发展，大型机械设备逐渐取代人工，极大提高了施工效率和施工质量。在机械化配套的隧道施工过程中，由于隧道作业面空间限制，开挖、出渣、初期支护机具设备流转相互制约，限制了施工效率的提高。


技术实现要素：

3.为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种机械化配套隧道初期支护分序施工方法，在保证安全的前提下减少掌子面初期支护的支护量，缩短掌子面开挖-支护单循环时间，提高施工效率。
4.为实现上述目的，本发明的技术方案为一种机械化配套隧道初期支护分序施工方法，该方法包括：s1、通过获取隧道的基本信息参数，分析隧道围岩稳定性，将隧道围岩的稳定性分为四种类型：自稳、局部块体破坏、局部失稳、整体失稳；s2、将隧道初期支护的分序施工划分为三种方式：全分序施工、半分序施工、无分序施工；根据隧道围岩的稳定性和锚岩承载拱的安全系数判定初期支护的分序施工方式：围岩自稳和局部块体破坏的初期支护采用全分序施工，围岩整体失稳的初期支护采用无分序施工，围岩局部失稳的隧道通过计算锚岩承载拱的安全系数判定初期支护采用半分序施工或无分序施工；s3、全分序施工为隧道开挖后采用一序喷射混凝土支护，系统锚杆和二序补强喷射混凝土滞后掌子面一定距离；半分序施工为隧道开挖后采用一序喷射混凝土和系统锚杆支护，二序补强喷射混凝土滞后掌子面一定距离；全分序施工和半分序施工中，一序初支与二序补强初支的距离需要满足隧道超前支护、开挖、出渣与一序初支机械化作业空间要求。
5.进一步地，s1中，分析隧道围岩稳定性，判别隧道开挖的稳定性类型，包括：利用所获取的基本信息参数，建立数值分析平面应变模型，计算开挖隧道后洞周围岩的破坏区，根据破坏区分布特征，判别围岩的稳定性类型：当隧道围岩无破坏区，判定为自稳；当隧道围岩破坏区零星分布，判定为局部块体破坏；当隧道围岩破坏区局部分布，判定为局部失稳；当隧道围岩破坏区分布较广，判定为整体失稳。
6.更进一步地，所述隧道围岩破坏区零星分布为破坏区占洞周长度的比例小于30%，所述隧道围岩破坏区局部分布为破坏区占洞周长度的比例在30%~60%之间，所述隧道围岩破坏区分布较广为破坏区占洞周长度的比例大于60%。
7.进一步地，s1中，所述隧道的基本信息参数包括隧道断面形状、隧道埋深、地应力特征和围岩物理力学参数。
8.进一步地，s2中，围岩局部失稳的初期支护采用半分序施工或无分序施工，包括，采用锚岩承载拱模型计算锚岩承载拱的安全系数并进行判定；如果锚岩承载拱的安全系数kc≥1.8，则围岩局部失稳的初期支护采用半分序施工；如果锚岩承载拱的安全系数kc＜1.8，则围岩局部失稳的初期支护采用无分序施工。
9.进一步地，s3中，隧道初期支护的全分序施工包括如下步骤：s31-1、对隧道拱墙部分开挖，找顶后清理堆渣；对不利岩层块体区域施作一序锚杆进行锚固；s31-2、出渣；s31-3、施作拱墙部分一序喷射混凝土，对岩面进行闭合；s31-4、系统锚杆和二序补强喷射混凝土滞后掌子面一定距离施作；先进行系统锚杆支护，再施作二序补强喷射混凝土；s31-5、开挖仰拱部分，依次施作仰拱衬砌、仰拱回填层和拱墙衬砌，完成支护。
10.进一步地，s3中，隧道初期支护的半分序施工包括如下步骤：s32-1、对隧道拱墙部分开挖，找顶后清理堆渣；对不利岩层块体区域施作一序锚杆进行锚固；s32-2、出渣；s32-3、施作拱墙部分一序喷射混凝土，对岩面进行闭合；s32-4、进行系统锚杆支护；s32-5、二序补强喷射混凝土滞后掌子面一定距离施作；s32-6、开挖仰拱部分，依次施作仰拱衬砌、仰拱回填层和拱墙衬砌，完成支护。
11.更进一步地，所述一序锚杆与隧道轴线倾斜角度不小于60
°
。
12.更进一步地，所述一序喷射混凝土的厚度为5cm。
13.更进一步地，所述滞后掌子面一定距离为滞后掌子面的距离不大于60m。
14.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明将初期支护分序实施，在保证安全的前提下，减少掌子面初期支护的支护量，缩短掌子面开挖-支护单循环时间，提高施工效率，后续补强初期支护滞后于掌子面，为开挖、出渣、一序初期支护的机械设备流转留出空间，能够有效地解决由于隧道作业面空间限制、掌子面开挖与初期支护机具设备流转相互制约导致施工效率的提高受到限制的问题。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
16.图1为本发明实施例提供的机械化配套隧道初期支护分序施工方法的流程图；图2为本发明实施例提供的隧道初期支护的全分序施工和半分序施工工序的横断面图；图3为本发明实施例提供的隧道初期支护的全分序施工工序的纵断面图；图4为本发明实施例提供的隧道初期支护的半分序施工工序的纵断面图；图中：1、一序锚杆；2、一序喷射混凝土；3、系统锚杆；4、二序补强喷射混凝土；5、拱墙衬砌；6、仰拱衬砌；7、仰拱回填层。
具体实施方式
17.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。
18.如图1所示，本实施例提供一种机械化配套隧道初期支护分序施工方法，该方法包括：s1、通过获取隧道的基本信息参数，分析隧道围岩稳定性，将隧道围岩的稳定性分为四种类型：自稳、局部块体破坏、局部失稳、整体失稳；具体地，s11、获取隧道的基本信息参数，包括隧道断面形状、隧道埋深、地应力特征和围岩物理力学参数；s12、利用所获取的基本信息参数，建立数值分析平面应变模型，计算开挖隧道后洞周围岩的破坏区，根据破坏区分布特征，判别围岩的稳定性类型：当隧道围岩无破坏区，判定为自稳；当隧道围岩破坏区零星分布，判定为局部块体破坏；当隧道围岩破坏区局部分布，判定为局部失稳；当隧道围岩破坏区分布较广，判定为整体失稳；s2、将隧道初期支护的分序施工划分为三种方式：全分序施工、半分序施工、无分序施工；具体地，根据补强喷射混凝土和系统锚杆是否滞后掌子面一定距离施作，将隧道初期支护的分序施工分为三种方式：补强喷射混凝土和系统锚杆均滞后掌子面一定距离施作，为全分序施工；仅补强喷射混凝土滞后掌子面一定距离施作，为半分序施工；补强喷射混凝土和系统锚杆均不滞后掌子面一定距离施作，为无分序施工；根据隧道围岩的稳定性和锚岩承载拱的安全系数判定初期支护的分序施工方式：围岩自稳和局部块体破坏的初期支护采用全分序施工，围岩整体失稳的初期支护采用无分序施工，围岩局部失稳的隧道通过计算锚岩承载拱的安全系数判定初期支护采用半分序施工或无分序施工；s3、全分序施工为隧道开挖后采用一序喷射混凝土支护，系统锚杆和二序补强喷射混凝土滞后掌子面一定距离；半分序施工为隧道开挖后采用一序喷射混凝土和系统锚杆支护，二序补强喷射混凝土滞后掌子面一定距离；全分序施工和半分序施工中，一序初支与
二序补强初支的距离需要满足隧道超前支护、开挖、出渣与一序初支机械化作业空间要求。
19.考虑地层参数不确定性、施工质量的不确定性和运营期围岩劣化等因素，支护结构往往具有较高的安全冗余，以我国时速350km高速铁路隧道初期支护在ⅱ、ⅲ级围岩为例，初期支护安全系数大于16.0，远大于要求的1.80，因此，可以将初期支护分序实施，在保证安全的前提下，减少掌子面初期支护的支护量，缩短掌子面开挖-支护单循环时间，提高施工效率。后续补强初期支护滞后于掌子面，为开挖、出渣、一序初期支护的机械设备流转留出空间，能够有效地解决由于隧道作业面空间限制、掌子面开挖与初期支护机具设备流转相互制约导致施工效率的提高受到限制的问题，由其适用于围岩稳定性较好的隧道工程初期支护分序施工以提高隧道施工效率。经测算，采用实施例提供的技术方案，施工进度可以提高15.7~28.6%。
20.s12中，可以采用有限元或者离散元等计算方法计算判别隧道围岩稳定性，在建立数值分析平面应变模型后，通过杀死单元的方式计算开挖隧道后洞周围岩的破坏区。作为优选的方案，以破坏区占洞周长度的比例为依据来判断破坏区是零星分布、局部分布还是广泛分布；当破坏区占洞周长度的比例小于30%时，判定隧道围岩破坏区零星分布；当破坏区占洞周长度的比例在30%~60%之间，判定隧道围岩破坏区局部分布；当破坏区占洞周长度的比例大于60%，判定隧道围岩破坏区分布较广。
21.进一步地，s2中，围岩局部失稳的初期支护采用半分序施工或无分序施工，具体是采用锚岩承载拱模型计算锚岩承载拱的安全系数并进行判定；如果锚岩承载拱的安全系数kc≥1.8，则围岩局部失稳的初期支护采用半分序施工；如果锚岩承载拱的安全系数kc＜1.8，则围岩局部失稳的初期支护采用无分序施工。本实施例中采用总安全系数法中的锚岩承载拱模型计算安全系数，锚杆采用设计的系统锚杆参数，喷层由于仅5cm，不作为结构层参与计算。
22.进一步地，如图2和图3所示，s3中，隧道初期支护的全分序施工包括如下步骤：s31-1、采用钻爆法对隧道拱墙部分开挖，爆破后采用挖机找顶后清理堆渣，满足拱部一序锚杆1的施作空间；对不利岩层块体区域施作一序锚杆1进行锚固，必要时可以加密锚杆间距；优化地，一序锚杆1与隧道轴线倾斜角度不小于60
°
；s31-2、出渣；s31-3、及时施作拱墙部分一序喷射混凝土2，对岩面进行闭合，防止围岩劣化；优化地，一序喷射混凝土2的厚度为5cm；s31-4、系统锚杆3和二序补强喷射混凝土4滞后掌子面一定距离施作，该距离需要满足隧道超前支护、开挖、出渣与一序初支提供机械化作业空间要求，优化地，该距离一般不大于60m；先进行系统锚杆3支护，再施作二序补强喷射混凝土4，二序补强初支完成后强度达到初期支护的设计强度；之后将一序锚杆1和系统锚杆3端头出露的部分进行切割，防止划破防水板；s31-5、开挖仰拱部分，依次施作仰拱衬砌6、仰拱回填层7和拱墙衬砌5，并在衬砌施工前施作防水板，完成支护。
23.进一步地，如图2和图4所示，s3中，隧道初期支护的半分序施工包括如下步骤：s32-1、采用钻爆法对隧道拱墙部分开挖，爆破后采用挖机找顶后清理堆渣，满足拱部一序锚杆1的施作空间；对不利岩层块体区域施作一序锚杆1进行锚固，必要时可以加
密锚杆间距；s32-2、出渣；s32-3、及时施作拱墙部分一序喷射混凝土2，对岩面进行闭合，防止围岩劣化；s32-4、进行系统锚杆3支护，充分发挥锚岩承载拱的支护性能；s32-5、二序补强喷射混凝土4滞后掌子面一定距离施作，该距离需要满足隧道超前支护、开挖、出渣与一序初支提供机械化作业空间要求，优化地，该距离一般不大于60m；之后将一序锚杆1和系统锚杆3端头出露的部分进行切割，防止划破防水板；s32-6、开挖仰拱部分，依次施作仰拱衬砌6、仰拱回填层7和拱墙衬砌5，并在衬砌施工前施作防水板，完成支护。
24.进一步地，s3中，隧道初期支护的无分序施工包括如下步骤：s33-1、采用钻爆法对隧道拱墙部分开挖；s33-2、出渣，找顶；s33-3、及时施作初喷混凝土，对岩面进行闭合，防止围岩劣化；s33-4、进行系统锚杆支护，充分发挥锚岩承载拱的支护性能；s33-5、复喷混凝土；之后将系统锚杆端头出露的部分进行切割，防止划破防水板；s33-6、开挖仰拱部分，依次施作仰拱衬砌、仰拱回填层和拱墙衬砌，并在衬砌施工前施作防水板，完成支护。
25.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。