本发明涉及人防工程领域，尤其涉及了一种用于特殊地层硐室的开挖施工方法。

背景技术：

在人防指挥所指挥大厅的开挖支护过程中，基本的设计类型都是通道小硐室与指挥大厅大硐室呈“十”字相交的形式，其中指挥大厅由于断面设计大，都要跨在通道上面。在由通道小硐室向指挥大厅大硐室扩挖支护成型及由指挥大厅反向扩挖与通道小硐室相交成型的过程中，特殊地质条件下，一旦施工工法不当，很容易造成塌方等失控的局面。我公司由于长期从事人防坑地道工程施工，不断总结成果，最终形成了在特殊地质条件下指挥大厅开挖支护的一种新方法--特殊地层大跨小硐室开挖施工方法。

技术实现要素：

本发明针对现有技术开挖支护不牢容易塌方，工程量大等缺点，提供了一种用于特殊地层硐室的开挖施工方法。

为了解决上述的技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

一种用于特殊地层硐室的开挖施工方法，包括如下施工步骤：

步骤一、准备施工器械和人员配备，并对施工区域进行测量放样；

步骤二、对小硐室进行开挖及支护：采用爆破或者掘进机进行开挖，并及时出渣，每一循环的进度为0.5m-0.75m，出渣完成后，及时采用钢拱架和锚网进行支护，

步骤三、中导洞上山的开挖以及支护：在开挖中导洞进口端之前，先按照开挖轮廓线测量放线，然后沿开挖轮廓线搭设超前锚杆或超前小导管注浆，沿开挖线将小硐室支护结构切割拆除，然后进行爆破开挖中导洞的入口端；中导洞沿13度～15度的向上倾角进行开挖及支护；

步骤四、大硐室上台阶反向扩挖：中导洞开挖及支护到大硐室远端墙后，中导洞左右两侧交错进行反向扩挖及支护大硐室上台阶，上台阶两侧采用工字钢支撑架结合锚杆或锚垫板进行支撑和支护；

步骤五、大硐室中台阶开挖及支护：支护大硐室中台阶，开挖及支护时，左右两侧前后错开进行，走“之”字形路线，一次开挖及支护不能超过2榀钢拱架，防止出现过大沉降变形，开挖后要及时将工字钢支撑到位，底脚不得脱空，拱架支撑好后，立即打设缩脚锚杆，锚杆与钢拱架焊接牢固，然后挂网喷射混凝土；

步骤六、大硐室下台阶(仰拱)开挖及支护：中台阶开挖及支护到大硐室远端墙后，下台阶反向开挖及支护；

步骤七、大硐室仰拱衬砌及回填。

作为优选，步骤一包括如下步骤：

(1)组织人员、设备进场，施工前完成水电供应、通风、动力风、排水、道路交通、办公生活用房、仓库、消防、安全等设施；

(2)根据设计文件，编制专项施工方案并组织专家论证；

(3)对管理人员及施工班组进行详细的施工技术及安全交底；

(4)组织施工设施设备进场，所有物资、机具完备，满足现场施工条件要求；

测量放样：用全站仪确定每一循环开挖及支护尺寸，做好现场安全防护、照明、通风、排水、警告警示标识。

作为优选，当地质为软弱围岩的地质时，步骤一的爆破采用光面爆破和松动爆破结合的方式进行，出渣采用装载机配合自卸汽车或者拖拉机进行出渣。

作为优选，步骤一中小硐室到达开挖至大硐室设计侧墙边线后，继续向前开挖大硐室跨度1/2距离进尺并支护完毕。

作为优选，步骤四中在反向开挖过程中保持上台阶上端面平整，上台阶开挖到小硐室部位后，对于小硐室工字钢和网喷支护结构，最多只拆除中间部分。

作为优选，步骤四和步骤五中间还有如下步骤，将小硐室范围内大硐室上台阶两侧的拱架接长支撑到小硐室加强段的钢拱架上焊接固定。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

本施工方法遵循“短进尺、弱开挖(爆破)、强支护、早封闭、快仰拱、勤量测”的原则，采用小硐室先行开挖支护穿过大硐室，然后从小硐室侧壁开挖大硐室中导洞前进到大硐室顶部，然后逐步扩挖，采取偷梁换柱方式，将丁字口处大小硐室交界面开挖及支护到位。

相较于传统的大跨小硐室开挖方法，本发明所提供的技术方案具有如下优点：

(1)小硐室先行开挖支护穿过大硐室，避免了另一侧小硐室二次开挖破坏切割及扰动大硐室支护结构。一方面利于围岩及支护结构稳定，另一方面节约了支护工程量，降低了造价；

(2)大硐室上台阶反向扩挖时，丁字口处原小硐室支护结构采取从中间局部逐步拆除的形式，保持了靠交叉口两侧小硐室支护结构的稳定，对丁字口上方的围岩起到强有力的支撑作用，不至于造成靠近丁字口侧大硐室端墙前方围岩处于悬臂状态。

(3)大硐室扩挖过程中，沿大硐室轴线，开挖及支护顺序采用了两个“之”字形路线，即上、中、下台阶沿立面走了一个“之”字形路线，左右分部开挖在平面上走“之”字形路线，在最大限度上保持了已完成支护结构的稳定受力，避免钢拱架产生较大沉降变形；同时避免了大型机械在已完初期支护仰拱上碾压行走对仰拱支护结构的破坏，更有利于平行施工，及早开始衬砌仰拱施工。

附图说明

图1是整体方案的施工步骤图；

图2是整体方案的分区施工示意图，

图3是大硐室分区施工示意图；

图4是大硐室施工模板图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1至3所示，本实施例提供的施工方法可应用于地下人防工程、国防工程、矿山、地下油库、粮库等各种“十”字交叉型小变大地下空间开拓施工。

如图2和图3所示，整体开挖顺序为：小硐室—中导洞—A—B—C—D，其中BCD应该左右错开开挖。

整个施工方法的工艺原理为：采用小硐室先行开挖支护穿过大硐室超过1/2 大硐室跨度距离，对丁字口两侧的小硐室进行钢拱架和锚网喷联合支护，形成一个稳定的加固段。

大硐室开挖时，先从小硐室侧壁进行下导洞破窗，然后采用15°上山坡角进行中导洞掘进直到大硐室顶部，然后采用上导洞掘进到大硐室远端墙。

上导洞开挖结束后，从大硐室源端墙开始，向两侧，先后将上台阶开挖到位，形成上台阶掘进工作面；然后采取上台阶反向开挖到“丁”口附近，此时，大硐室的上台阶钢拱架要在每个循环支护中，与小硐室加固段的钢拱架支护结构紧密焊接。

大硐室上台阶反向扩挖到近端端墙后，从“丁”字口开始采取“之”形路线开挖及支护中台阶至大硐室远端墙。

中台阶开挖及支护结束后，从大硐室远端墙开始开挖下台阶，边开挖边支护；下台阶开挖及支护仍然采取“之”字形路线，最终大硐室仰拱封闭成环，直到“丁”字口大硐室近端端墙。至此，大硐室开挖及初期支护结束。

由于在特殊地质条件下，围岩比较软弱，在大硐室仰拱初期支护完成后，必须立即施工仰拱衬砌钢筋混凝土及回填，避免仰拱负弯矩过大，造成安全隐患，仰拱衬砌钢筋混凝土和回填混凝土的自重起到平衡作用。

具体的施工方法为：

1.包括如下施工步骤：

步骤一、准备施工器械和人员配备，并对施工区域进行测量放样；

步骤二、对小硐室进行开挖及支护：采用爆破或者掘进机进行开挖，并及时出渣，每一循环的进度为0.5m-0.75m，出渣完成后，及时采用钢拱架和锚网进行支护，

步骤三、中导洞上山的开挖以及支护：在开挖中导洞进口端之前，先按照开挖轮廓线测量放线，然后沿开挖轮廓线搭设超前锚杆或超前小导管注浆，沿开挖线将小硐室支护结构切割拆除，然后进行爆破开挖中导洞的入口端；中导洞沿13度～15度的向上倾角进行开挖及支护；到达大硐室拱顶高度后，顶部支护改为按照大硐室支护结构进行支护。为防止拱顶钢拱架下沉，应采用临时工字钢支腿在导洞侧墙位置对拱顶工字钢进行支撑。

步骤四、大硐室上台阶反向扩挖：中导洞开挖及支护到大硐室远端墙后，中导洞左右两侧交错进行反向扩挖及支护大硐室上台阶，上台阶两侧采用工字钢支撑架结合锚杆或锚垫板进行支撑和支护；但是要按照“短进尺、弱开挖(爆破)、勤量测、强支护”的原则指导施工。在软弱围岩地质条件下，控制每个循环的开挖进尺非常关键，同时也要控制掌子面平整性，不可挖成“锅底”形。拱顶沉降观测和拱脚收敛观测是安全施工的保障。上台阶开挖到小硐室部位后，一方面不要急于拆除小硐室工字钢和网喷支护结构，即使拆除，也只拆除中间部分，保证小硐室强支撑对大硐室上台阶掌子面的支撑作用，防止掌子面出现“神仙土”现象。在开挖大硐室中台阶之前，一定要将小硐室范围内大硐室上台阶两侧的拱架接长支撑到小硐室加强段的钢拱架上，并焊接牢固。

步骤五、大硐室中台阶开挖及支护：支护大硐室中台阶，开挖及支护时，左右两侧前后错开进行，走“之”字形路线，一次开挖及支护不能超过2榀钢拱架，防止出现过大沉降变形，开挖后要及时将工字钢支撑到位，底脚不得脱空，拱架支撑好后，立即打设缩脚锚杆，锚杆与钢拱架焊接牢固，然后挂网喷射混凝土；

步骤六、大硐室下台阶(仰拱)开挖及支护：中台阶开挖及支护到大硐室远端墙后，下台阶反向开挖及支护；由于仰拱是大硐室开挖及支护的最后一道工序，反向扩挖及支护的好处是：(1)开挖及支护可以平行作业，相互不干扰； (2)避免挖掘机、装载机、汽车大型车辆碾压仰拱支护结构，破坏支护层整体性、稳定性和混凝土强度，并避免机械重量可能造成的仰拱沉降变形；(3)避免对已完仰拱支护层造成污染，保护成品质量，并减少了清理污染物带来的成本开支。

步骤七、大硐室仰拱衬砌及回填。大硐室仰拱开挖及支护完成后，支护层结构已完整闭环，形成比较完整的支护体系。但是，在软弱地质条件下，必须及时施工衬砌层，才能保证大硐室支护结构的稳定、安全、耐久。由于仰拱受力理论上为负弯矩，在软弱围岩地质条件下，一旦仰拱隆起变形，可能造成上部支护结构整体失稳。因此，及时施做仰拱衬砌及回填砼，显得尤为重要，起到“配重”作用。待上部支护结构收敛变形观测达到要求后，再做上部衬砌钢筋混凝土。

其中步骤一包括如下步骤：

(1)组织人员、设备进场，施工前完成水电供应、通风、动力风、排水、道路交通、办公生活用房、仓库、消防、安全等设施；

(2)根据设计文件，编制专项施工方案并组织专家论证；

(3)对管理人员及施工班组进行详细的施工技术及安全交底；

(4)组织施工设施设备进场，所有物资、机具完备，满足现场施工条件要求；

测量放样：用全站仪确定每一循环开挖及支护尺寸，做好现场安全防护、照明、通风、排水、警告警示标识。

当地质为软弱围岩的地质时，步骤一的爆破采用光面爆破和松动爆破结合的方式进行，出渣采用装载机配合自卸汽车或者拖拉机进行出渣。

步骤一中小硐室到达开挖至大硐室设计侧墙边线后，继续向前开挖大硐室跨度1/2距离进尺并支护完毕。

步骤四中在反向开挖过程中保持上台阶上端面平整，上台阶开挖到小硐室部位后，对于小硐室工字钢和网喷支护结构，最多只拆除中间部分。

其中本实施例中用到以下材料和设备。

主要施工材料表

主要施工机具设备表

实施例2

本实施例与实施例1的区别之处在于，本实施例还提供了一种大硐室大厅支护的整体施工方案。

大厅支护的总体施工方案

如图4所示，(1)在主体6米跨设计一副整体式钢模台车。台车分两部分组成，每段长3米可对接。

(2)大厅采用满樘脚手架做中间支撑，墙20#工钢立柱，拱部12#工钢拱图形成支撑体系主体，通过螺杆千斤顶达成联合受力。模板拱部采用定型钢模板，侧墙大块钢木组合模板。

(3)其它断面与支洞采工字钢拼装式模架，拱部定型钢模板，侧墙大块定型钢模板。

(4)模筑混凝土均采用商品混凝土。

2、工艺要求

模架及模板设计要求：

——尺寸和相互位置正确；

——足够的强度、刚度、稳定性(主要承受砼重量及侧压力、施工荷载)；

——构造简单，拆装方便，便于钢筋绑扎和安装；

——接缝严密，不得漏浆，表面平整度和错台符合要求。

——经济实用、利用率高，周转次数最大化。

3、具体施工方案

(1)施工顺序及分模方案

本方案包含大厅、6米钢模台车段、通道段、穿廊、电站及支洞施工分模，防护段、斜井与竖井均为独立模板放在最后自内向外施工。其余部分穿插平行进行。

原则：——能够在坑道掘进期间穿插或同时完成的挖沟修欠就尽早完成；工程口部、水库及防护段分模时要充分考虑整体浇筑。

——在保证爆破震动安全的情况下，能够先施工的就要先开展被复工作面 (主要是一些支洞、室)；

——为了多开展被复工作面，保证被复施工期间的主通道畅通，同时考虑后期内部工程的材料运输通道。

(2)指挥大厅模板

大厅被复基本数据：

——净跨14.58米，净高11.19米，总长43.9米；

——墙高6.6米，C35P8混凝土厚0.7米；

——拱高4.59米，顶部厚0.6米；

——端墙混凝土厚0.7米；

——顶部最大一模浇筑量预计在150立方米。

总思路：

——混凝土墙、拱分开浇筑，墙浇筑高度6.25米；混凝土采用商品砼，用输送泵浇筑混凝土。在施工缝处加设钢板止水带。由于洞室净断面尺寸大，模板支撑难度大，因此砼浇筑施工分三次进行，第一次浇筑墙体，距起拱线下 145cm；第二次浇筑拱部砼，最后底板砼浇筑。

——交叉处利用D型模具及大厅模组合进行；

——分五模浇筑，模架制作13榀；榀间用钢管扣件连接。

支撑体系：

满堂脚手架支撑，脚手架800*800*915，两端用螺杆千斤顶托顶置20#工钢。拱顶用12#工字钢、16#槽钢和架子管做成拱形钢桁架，钢桁架分三段，利用满堂脚手架支架支撑，其高低采用螺杆顶托调节。

模板：

被复混凝土边墙采用915mm*600mm×60mm平钢模板，拱部采用 915mm*600mm×60mm定型钢模板。

(3)主体台车

主体段被复C35P8商品混凝土，主体坑道分为两类，一类坑道净宽6米，高5.35米，衬砌厚度350-500，施工长度约171米；根据分段，计划做1台6 米长钢模台车。具体施工工艺如下：

——立模

1)松开卡轨器后，将钢模台车空行到位，此时台车中心线应与隧道中心线一致，其偏差应小于3mm。

2)钢模台车就位制动后，锁定卡轨器，交替启动垂直千斤顶和侧向千斤顶，使模板立于设计位置。

3)放下翻转模板，并用连接螺栓拧紧，调整基脚千斤顶使其支顶于垫木和木楔上，然后挂上台车两端的侧向千斤顶，此时检查模板如发现有偏差，可放下托架，用侧向斤顶进行调整。

调整侧向没缸机械锁的长度并插上锁子锁定。

4)挂上其余侧向千斤顶，调整侧向没缸机械锁的长度并插上锁定。

5)撑起台车两侧脚手板，上紧模板收拢绞处得对接螺栓。利用斜撑将模板可靠地固定在设计位置。

6)降下垂直千斤顶，使托架与模板分离。

7)安装堵头板和接缝模板。堵头板可根据开挖情况架设，当衬砌厚度在30～60mm范围时，仅架设内侧30m，超过60cm时可再增加外侧30cm。堵头板一定要顶在岩面上，为防止U形螺栓受力过大，堵头板的悬臂端要用斜撑顶紧。

8)安放基脚模板，下部贴紧基脚千斤顶下的垫木外侧，上部用木撑使其与边墙模板密贴。

——就位调整

1)前后调整：通过台车走行机构来完成。

2)左右横向调整：3cm以内用侧向千斤顶调整，超过3cm需矢调整轨道位置。

3)模板高度调整：单调垂直千斤顶。

——灌注混凝土

1)检查堵头板、接缝模板是否安装牢固。

2)检查灌注部位的作业窗是否关闭。

3)检查输送管接头是否牢靠。

4)灌注混凝土前，必须用水将基底冲洗干净，灌注时要求两侧同时进行，否则造成偏压导致跑模，灌注部位的作业窗两侧必须都用销子插上。

5)混欲土材料的选用、配合比、搅拌、运输、灌注等按混凝土施工技术规范进行。

——拆模

1)当衬砌混凝土达到拆模强度时，先拆除堵头板和接缝模板的伸缩杆，再拆除侧向千斤顶和侧向千斤顶机械锁插销以及千斤顶与模板的联结，下降垂直千斤顶和托架，放下上层脚手板，使台车与模板完全脱离。

2)将台车移动到待浇段。

3)用垂直千斤顶同步顶升托架并与模板联结，将侧向千斤顶与模板联结起来。

4)先将拱顶模板收拢铰和翻转铰处的对接螺栓，放下其余脚手板，松开基脚千斤顶。

5)再收两侧模板。

6)同步下降垂直千斤顶，使模板与衬砌混凝土全部脱离。

7)交替启动垂直千斤顶与侧向千斤顶、使模板收拢到穿行运行状态。

8)清除模板表面粘结的混凝土，喷涂脱模剂。

(4)、主体简易拼装式型钢模架

主体简易拼装式型钢模架共两种，6米净宽与7米净宽。适用于支洞、交叉、转弯部位。

——墙模板安装质量要求

1)模板安装必须垂直、位置标高正确，两端水平一致。

2)模板之间及模板与结构间的拼缝做到严密不漏浆。

3)脱模剂必须涂刷均匀。

4)门窗洞口必须垂直方正，位置准确，门窗洞口采取先立口的作法，必须固定牢固紧密，在浇筑混凝上时不得位移和变形。

5)螺栓必须紧固，各榀之间连接可靠。

6)因有防水板，封头板位置必须顶至岩石。

——拆除模板时要求

1)严禁碰撞墙体。对拆下的模板要及时进行清理和保养，如发现变形、开裂，应及时进行修理。

2)要求混凝土强度必须达到充许拆模强度以上，并经工程技术负责人同意后方可进行。

3)拆除模板时，操作人员应站在安全处，以避免发生不安全事故，待该片模板拆除后方准将模板、配件及支架等运出堆放，拆下的模板和配件，严禁抛扔，并有人接应传递，按指定地点堆放整齐，并做到及时清理、维修和涂刷好隔离剂，以备后用。

4)模板拆除后，对于结构的棱角部位，要及时进行保护，以防止损伤。

(5)防护段模架

防护段被复要点如下。

①因密闭要求必须整体浇筑；

②因防护要求钢筋应整体制安，特别是水平筋不充许在施工缝处断开。

③立模前有屏蔽要求的门框墙钢筋必须焊接。

④水平不留施工缝，环向施工缝必须采用钢板止水带。

⑤本段砼与毛洞间不充许有防水层。

六、脚手架施工参数验算

七、拆模及养护

拆模时间按试验方法确定，一般钢模台车及3米以下跨度拆模时间：24小时；3～8米拼装式模板拆模时间30个小时；大厅拱顶拆模时间4天。拆模后洒水养护连续14天。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。