技术领域
[0001] 本发明涉及超大跨度隧道施工技术领域，具体地说是一种超大跨度隧道双侧壁导坑快速转换施工方法。
相关背景技术
[0002] 随着社会发展及车流量增加，传统的双向四车道或六车道公路隧道已无法适应交通量日益增长的需求，双向八车道隧道越来越普遍。针对这类隧道断面大、呈扁平状，围岩和支护体系应力集中现象明显，结构稳定性差、施工复杂，安全风险较大。
[0003] 现有技术中，面向这类超大跨度隧道洞口浅埋段，为保证隧道开挖的稳定性，常采用多种施工方法轮流切换进行，例如包括双侧壁工法、单侧壁工法和三台阶工法，在传统工法转换期间，需等待所有导坑开挖至同一水平面后再切换到新工法，将会导致隧道开挖和施工暂时停止，从而拖延施工进度，并造成人力与机械资源的浪费。
[0004] 因此，本申请提出了一种超大跨度隧道双侧壁导坑快速转换施工方法，无需等待先行导坑或后行导坑挖至同一里程的情况下进行工法转换，从而保持了隧道开挖的连续性并缩短了施工工期，满足结构和围岩稳定性和变形的要求，不仅提高了施工效率，还降低了施工成本。
具体实施方式
[0081] 现结合附图对本发明做进一步描述。
[0082] 参见图1～图18，本发明提供一种超大跨度隧道双侧壁导坑快速转换施工方法，本实施例以巷东隧道V级围岩施工为例说明，详细流程如图1所示：
[0083] 1.施工准备：
[0084] 在将双侧壁工法转换为单侧壁工法时，通常需将双侧壁工法的导坑完全挖平。仅当先行导坑与后行导坑挖掘至相同里程标时，方可开始工法转换。后行导坑追赶先行导坑至同等进度大约需要30天，在工法转化期间，先行导洞将暂停施工，挖掘进度也随之停止。先行导洞暂停施工期间，隧道工作面的停滞会拖慢施工进度。导致大量人力和机械资源的浪费。
[0085] 为解决传统工法转换中出现的问题，提出了一种特大跨度隧道从双侧壁工法快速转换到单侧壁工法的方法。该方法可以在无需等待先行导坑或后行导坑挖至同一里程的情况下进行工法转换，从而保持了隧道开挖的连续性并缩短了施工工期。科研单位通过有限元方法对比分析双侧壁工法转换单侧壁工法传统转换工法和优化(渐变)转换工法。优化后的渐变转换工法可以满足结构和围岩稳定性和变形的要求。并设计了可适应导坑尺寸变化的台车设备。
[0086] 2.双侧壁工法导坑尺寸及施工步距优化：
[0087] 导坑尺寸优化：
[0088] 对双侧壁工法侧导洞上下台阶的开挖比例进行了调整。
[0089] 调整方案如下：侧壁导坑上台阶的初次支撑完成并封闭成环之后，其高跨比调整为799:839(cm)。相应地，侧壁导坑下台阶的高跨比为502:839(cm)，主洞的净跨度为478cm，巷东隧道V级围岩双侧壁导坑调整后支护如图2所示。
[0090] 施工步距优化：
[0091] 为满足洞内机械化的需求，左右两侧壁导坑的上下台阶步距已由原设计的10米调整至25米。主洞的上、中、下台阶步距则调整至3～5米。同时，主洞下台阶与防水板台车间的步距调整为20米。单次循环施工的长度调整为106米，确保湿喷机械手以及初喷料罐车有足够的作业空间。双侧壁导工法湿喷机械手操作空间如图3所示，调整后的施工步骤如图4所示。
[0092] 3.超前地质预报：
[0093] 为了全动态的监控巷东隧道整个施工过程，在施工时应做好超前地质预报工作。采用TSP、地质雷达、超前钻孔等多种超前地质预报手段探测不良地质体位置并查明富水区段落和富水情况，及硬岩脆性塌方、不利节理面组合可能形成的脆性塌方类锥体的可能性。
[0094] TSP探测
[0095] 隧道开挖前，采用TSP每隔50到100m探测一次，初步查明前方不良地质体位置。该探测手段探测距离较长，且洞内操作不干扰施工。
[0096] 地质雷达探测
[0097] 隧道开挖前，采用地质雷达每隔20到30m探测一次，进一步查明前方是否存在不良地质体位置。
[0098] 超前钻孔
[0099] 必要时，根据实际情况在采用TSP和地质雷达的基础上，再采用超前钻孔较为准确地探测前方是否存在不良地质体。探孔长度为20至30米，保护段长度应不小于10米。应根据探孔探测结果和出水情况来确定相应的处理措施。根据实际需要，可以采取钻孔取芯的方式，以便进一步查明前方岩体的情况。
[0100] 结合VICAM V10‑3288PTN‑1孔内成像技术，将玻璃纤维推杆同轴电缆沿着已钻好的探孔推进，摄像头可在孔内360°进行高清摄像，在控制终端显示屏上直观显示前方围岩情况，并同步完成孔内信息收集录制。利用一种孔内电视成像技术，应用于隧道开挖地质超前预报施工中，以钻孔孔内成像方式取代钻孔取芯方式进行地质情况判别，同时结合地质雷达系统相互辅助，极大地提高了隧道开挖施工效率、监测的准确性、施工的安全性。该技术易于掌握，装置成本低廉，占用工序时间更少，这不仅提高了施工效率和经济效益，还提升了监测的准确性，并减少了隧道施工的相互影响。
[0101] 4.工法转化渐变段施工方法：
[0102] 为实现从双侧壁工法到单侧壁工法的顺利转换，并确保隧道开挖工作不中断，计划在距离Z2K5+980桩号15米的位置即Z2K5+995处开始调整工法。具体操作步骤如下：
[0103] 通过CAD图纸比对发现，双侧壁工法与单侧壁工法的中隔壁距离为161厘米。从Z2K5+995处的双侧壁工法开始，左上导坑将逐步扩大，并通过15m渐变段过渡到单侧壁工法的左上导坑。渐变段施工顺序为为：
[0104] 1)第一阶段从Z2K5+995到Z2K5+990，中隔壁位置扩大55厘米；
[0105] 2)第二阶段从Z2K5+990到Z2K5+985，中隔壁位置再扩大55厘米；
[0106] 3)第三阶段最后从Z2K5+985到Z2K5+980，中隔壁位置扩大51厘米。这样的分段设计使得双侧壁上导坑顺利转变为单侧壁上导坑。
[0107] 当其它导坑开挖至Z2K5+995位置时，会经过一个15米的过渡段，其尺寸将从双侧壁工法逐步增大，直至符合单侧壁工法的导坑尺寸。
[0108] 双侧壁工法中所有导坑在Z2K5+980处完成工法的转换。
[0109] 双侧壁工法渐变单侧壁工法设计如图5所示，施工步序如图6所示，Z2K5+995双侧壁工法现场施工如图7所示，Z2K5+985左上导坑扩大现场施工如图8所示。
[0110] 5.边网可伸缩的变截面台车：
[0111] 为实现Z2K5+995至Z2K5+980之间15m的从双侧壁工法到单侧壁工法的顺利过渡，针对侧壁外扩161cm的情况，为此专门设计了一款边网可伸缩的台车。
[0112] 这样，在不更换开挖台车的情况下，仅通过调整台车边侧伸缩性网片的活动范围，即可适应不同断面尺寸下的隧道施工需求。开挖台车的高度为699cm，最大宽度为866cm，纵向长度为550cm；其中，龙门架净高为430cm，净宽为418cm，以确保龙工50装载机的铲斗能够进入龙门架内并牵引开挖台架移动，从而根据工序变化进行纵向移动，如图9、图10所示。
[0113] 1)①为开挖台车底座。为加强底部受力，底座采用20号工字钢双拼焊接牢固。
[0114] 2)②③④均为宽度50cm的可调节网片，网片两端采用直径为25mm的钢管作为活动端。如图11所示，可调节网片的活动端固定端则采用30mm钢管焊接在一、二、三架活动平台的16号工字钢下方，并通过调整插入固定端的深度来调节网片的伸缩。A处截面构造图如图12所示。
[0115] 3)⑤为龙门架，是开挖台架承重的主要结构，采用16号工字钢双拼焊接牢固，确保整个台架的安全稳定。
[0116] 4)除龙门架外，一、二、三架上的操作平台骨架均采用单根16号工字钢，并以φ14螺纹钢以10cm×10cm的间距焊接布置。
[0117] 6.渐变段临时侧壁拱架的设计：
[0118] Z2K5+995～Z2K5+980之间15m双侧壁工法左上导渐变至单侧壁工法左上导，临时侧壁尺寸随着掘进变化，为了顺利过渡，将Z2K5+995～Z2K5+980之间15m，切分为3个渐变段，每个渐变段为5m，Z2K5+995～Z2K5+990为渐变段阶段一，Z2K5+990～Z2K5+985为渐变段阶段二，Z2K5+985～Z2K5+975为渐变段阶段三，结合图纸设计和现场施工工艺，临时侧壁拱架切分为A、B两个单元，每个渐变段采用不同尺寸的临时侧壁，其中Z2K5+995～Z2K5+990渐变段阶段一采用Ⅰ类临时侧壁拱架，Z2K5+990～Z2K5+985渐变段阶段二采用Ⅱ类临时侧壁拱架，Z2K5+985～Z2K5+975渐变段阶段三采用Ⅲ类临时侧壁拱架，Z2K5+975之后进入单侧壁工法后采用Ⅳ临时侧壁拱架，渐变段临时侧壁设计图如图13所示。
[0119] 7.监控量测：
[0120] 工法转化施工过程中，通过现场监控量测可以掌握围岩和支护在施工过程中的力学动态及稳定程度，为评价和修改初期支护参数、力学分析及二(三)次衬砌施作时间提供信息依据，如若出现异常情况，应立即停工并通知相关方共同商定处理措施，确保施工安全。
[0121] 地质和支护状况观察：
[0122] 主要是对岩性、岩层产状、结构面、溶洞、断层等进行描述，支护结构裂缝观察。
[0123] 1)地质观察
[0124] a、洞内开挖面观察：在每次爆破开挖后进行一次，应立即对开挖后没有支护的围岩进行观测。观察后应绘制开挖面素描剖面图，填写工作面状态记录及围岩级别判定卡。
[0125] b、初期支护完成区段观察：每天至少进行一次，观察内容包括喷混、锚杆、钢架法状态。
[0126] c、洞外观察：洞口地表情况、地表沉陷、边坡、仰坡的稳定、地表水渗漏的观察。
[0127] 2)支护结构观察
[0128] 在每次爆破开挖后进行，观察内容包括喷砼、锚杆、钢架的状态。观察中如果发现异常情况时，应详细记录发现时间、距开挖工作面的距离、附近测点的各项量测数据及超前地质预报情况，并应增加目测观察的频率。
[0129] 周边收敛量测：
[0130] 根据位移、收敛状况、断面变形状态等量测，对以下项目做出判断：
[0131] 1)周边岩体的稳定性；
[0132] 2)初期支护的设计与施工方法是否妥善；
[0133] 3)模筑混凝土的浇筑时间等。每次开挖后尽早进行，最迟不大于24小时，在下一循环开挖前应完成。
[0134] 拱顶下沉量测：
[0135] 要求及目的是监视隧道拱顶下沉，了解断面的变形状态，判断隧道拱顶的稳定性。拱顶下沉量测应与周边位移量测在同一量测断面内进行，其量测频率应相同；当地质条件复杂，下沉量大或偏压明显时，除量测拱顶下沉外，尚应量测拱腰及基底隆起量。
[0136] 地表下沉量测：
[0137] (h0≤2b，其中b为隧道开挖宽度，h0为隧道埋深)从地表设点观察，根据下沉位移量判定开挖对地表下沉的影响，以确定隧道支护结构能力。
[0138] 隧道洞口段及洞身浅埋段地表下沉量测断面布置宜与拱顶下沉量测及周边移量测在同一量测断面内，地表下沉量测应在开挖面前方隧道埋置深度与隧道开挖高度之和处开始，直到衬砌结构封闭、下沉基本停止为止。同时，还应加强隧道洞口山体坡面的地表位移测量，以便及时掌握坡面的稳定状态。
[0139] 8.双侧壁工法临时支护拆除：
[0140] 拆除临时支护施工条件：
[0141] 经过上述三维有限元数值建模，模拟双侧壁导坑法开挖、支护及拆撑过程研究后，得出结论拆除的安全距离定为6m，即双侧壁导坑法中的主洞下台阶初支封闭成环6m后，可安排拆除临时支护侧壁，且第一次拆除长度不大于3m，直至满足第一环仰拱衬砌施工。临时支护拆除安全步距示意图如图14所示。
[0142] 拆除临时支护步骤：
[0143] 1)布置变形观测点，确保安全。
[0144] 拆除临时支护侧壁前，进行监控量测，取得拆除前的初始数据，监测点布置如图15所示。在整个拆除过程，对隧道拱顶下沉、水平收敛釆取不间断观测，以保证隧道的安全。
[0145] 2)拆撑临时支护顺序
[0146] 拆除钢架时，釆用逐环拆除的方法。每环钢架拆除顺序为：①拆除左导洞临时仰拱；②拆除右导洞临时仰拱；③拆除左导洞上台阶临时侧壁；④拆除右导洞上台阶临时侧壁；⑤拆除左导洞下台阶临时侧壁；⑥拆除右导洞下台阶临时侧壁。如图16所示。
[0147] 解开两侧临时支撑钢架顶部顺序可采用隔3拆1或隔1拆1的方法，如图17所示。
[0148] 首先采取隔3拆1的方法，在两侧临时支撑钢架顶部切开2～3cm，若隧道变形量和变形速率在正常控制范围内时，采取隔1拆1的方法，切开侧壁支撑钢架顶部，观测隧道变形量和变形速率；严禁连续切开钢架，以防止侧壁支撑突然失稳。
[0149] 拆撑过程初期支护结构监测分析：
[0150] 现场实测右线K5+810、K5+820、K5+830拱顶沉降曲线如图18a所示，将该三个断面拱顶测点观测到的中隔墙拆除后6天的沉降数据提取出来，与数值分析拆除中隔墙后(第56计算步)的拱顶沉降整理到同一个图中，如图18b所示。
[0151] 从图18可以看出，拆除支撑后拱顶发展基本稳定，实测与计算获得的最终沉降值基本吻合，误差较小。拆除支撑后K5+810、K5+820、K5+830、数值模拟4个测点沉降分别增长1.0mm、0.9mm、0.8mm和0.45mm。增量未超过1mm，通过优化拆撑距离，可以较好控制隧道初支变形。
[0152] 本实施例中的巷东隧道双侧壁导坑法应用于翔安机场高速公路巷东隧道：
[0153] 隧道施工对设备的选型要求很高，施工中的车辆伤害和机械伤害很难完全避免，使用机械化作业时对导坑尺寸和施工步距要求极高。将双侧壁工法左右导洞高跨比调大，将双侧壁工法上下导洞步距扩大至25m，实现洞内机械化作业。原双侧壁工法每延米初期支3
护施工时间为34h，C25早强喷射混凝土29.61m (喷射砼损耗率60％)，应用后双侧壁工法每
3
延米初期支护初期支护施工时间为30h，C25早强喷射混凝土22.21m (喷射砼损耗率20％)。
3
C25早强喷射混凝土按1130.06元/m计，双侧壁工法在巷东隧道应用长度为248m，节约工期
41天。传统工法转换中需等双侧壁工法所有导坑开挖至同一断面，期间大约需要30天，应用本工法可节约工期30天，减少直接人工工资约32000元/天(单个洞口按100人计)，减少项目管理费按18000元/天计。
[0154] (1)初期支护喷射砼耗损降低节约的成本：(29.61‑22.21)*248*1130.06＝2073886元；
[0155] (2)提高机械化作业后节省工期减少的费用：(32000+18000)*41＝2050000元；
[0156] (3)工法转换节省工期减少的费用：(32000+18000)*30＝1500000元。
[0157] 本发明方法应用于巷东隧道，共节约成本约562.3万元。
[0158] 以上仅是本发明的优选实施方式,只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
[0159] 本发明从整体上解决了现有技术中使用多个传统工法转换期间，需等待所有导坑开挖至同一水平面后再切换到新工法，将会导致隧道开挖和施工暂时停止，从而拖延施工进度，并造成人力与机械资源浪费等问题，通过扩大两侧导坑尺寸和优化施工步距、在渐变段施工期间加强监控量测和安全距离临时支撑拆除顺序等方法，提高了工作效率，减少材料消耗，缩减隧道建设工期，绿色低碳、节能减排，社会经济效益显著；为类似的隧道开挖施工，提供可靠的施工工艺和方法，具有广泛的推广应用前景。
