[发明专利]大断面软弱地层隧道全断面施工结构及施工方法

说明书

本发明公开了一种大断面软弱地层隧道全断面施工结构及施工方法，该结构包括由多个对掌子面前方岩体进行开挖与锚固的隧道开挖及锚固机构组成的隧道开挖及锚固系统，每个隧道开挖及锚固机构均包括一个锚杆、锚固机构和一个旋挖刀具；该方法包括步骤：一、后端节段施工；二、下一个隧道节段施工；三、一次或多次重复步骤二，直至完成隧道施工过程。本发明设计合理、施工简便且使用效果好、施工质量易于控制，采用多个隧道开挖及锚固机构组成隧道开挖及锚固系统对掌子面前方岩体进行有效动态锚固的同时，能对大断面软弱地层隧道进行机械化全断面开挖施工，确保隧道围岩与隧道结构稳定，减少施工风险，并能有效加快施工进度且隧道施工质量易于控制。

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，尤其是涉及大断面软弱地层隧道全断面施工结构及施工方法。

背景技术

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，穿越软弱地层的隧道工程越来越多，其中穿越软弱围岩地层的软岩隧道(也称软弱围岩隧道)占有很高的比例，并且穿越黄土地层的隧道工程也较多，隧道断面也越来越大。软岩(即软弱围岩)发生塑性变形的概率非常高，常引起隧道的净空变小，影响正常的隧道施工和使用。由于软弱围岩本身的地质性质结构松散，并且稳定性极差，这就决定了它在隧道建设中必然会产生一定程度的变形。由于软弱围岩稳定性较差的原因，在软岩隧道开挖后，使原有的地应力平衡遭到了破坏，从而导致围岩发生变形。黄土地层具有多孔性、垂直节理发育、透水性强和沉陷性等地质特性，对于处于黄土地层的黄土隧道进行施工时，洞体周侧土层变形大。尤其是对于大断面黄土隧道而言，洞体周侧土层变形非常大，并且开挖施工难度非常大。

采用矿山法对土质隧道(主要指黄土隧道)或者软岩隧道进行施工时，为了保证开挖掌子面稳定，不得不将掌子面划分成若干小块，相应形成CD法、CRD法、双侧壁开挖法、台阶法等分部开挖工法，目前现场主要采用台阶法。此类方法存在以下三方面的共同缺陷：第一、开挖断面分部多(也称为分块多)，工序复杂；第二、每部分开挖断面小，机械化程度低；第三、支护成环时间周期长，变形大。上述缺陷导致隧道施工安全风险大，施工进度慢，并且施工成本高。

盾构法非常适合土质和软岩地层的隧道施工，依靠盾构机械实现全断面开挖和支护，施工进度快，安全有保障。然而，大断面盾构机械制造成本比较高，加上设备的通用性不强，导致工程造价往往很高；另外，大断面盾构管片隧道有时还考虑结构的抗震性能需增加二次衬砌，此时采用采用盾构法施工很不经济。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种大断面软弱地层隧道全断面施工结构，其结构设计合理、施工简便且使用效果好、施工质量易于控制，采用多个隧道开挖及锚固机构组成隧道开挖及锚固系统，结构简单、操作简便，对掌子面前方岩体进行有效动态锚固的同时，能对大断面软弱地层隧道进行机械化全断面开挖施工，确保隧道结构稳定，减少施工风险，并能有效加快施工进度，缩短施工工期，并且隧道施工质量易于控制。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种大断面软弱地层隧道全断面施工结构，其特征在于：包括对所施工隧道的掌子面前方岩体进行开挖与锚固的隧道开挖及锚固系统，所施工隧道为开挖断面大于50m²的大断面软岩隧道或大断面黄土隧道；所述隧道开挖及锚固系统包括多个对掌子面前方岩体进行开挖与锚固的隧道开挖及锚固机构，多个所述隧道开挖及锚固机构的结构均相同且其均位于所施工隧道的掌子面前方，多个所述隧道开挖及锚固机构均呈平行布设且其均沿所施工隧道的隧道纵向延伸方向布设；

每个所述隧道开挖及锚固机构均包括一个由后向前钻进至掌子面前方岩体内的锚杆、将锚杆固定于掌子面前方岩体内的锚固机构和一个由后向前对掌子面前方岩体进行开挖并形成初步开挖洞体的旋挖刀具，所述旋挖刀具同轴套装于锚杆后部；所述旋挖刀具为由锚杆带动进行旋转且随锚杆同步向前移动的圆盘形刀具，所述旋挖刀具与锚杆呈垂直布设；所述锚杆沿隧道纵向延伸方向布设，所述锚杆包括平直钻杆和安装在所述平直钻杆前端的钻头，所述平直钻杆为空心钻杆；所述旋挖刀具中部开有供所述平直钻杆安装的安装孔，所述平直钻杆的后端伸出至旋挖刀具后侧；