一种大断面隧道的快速修建方法与流程

1.本发明涉及地下施工技术领域，尤其涉及一种适用于隧道断面大于4米的隧道或地下工程的修建方法。


背景技术：

2.目前，在进行大断面的隧道挖掘及地下工程中，多数采用全断面隧道掘进机进行施工，一次性挖掘形成大断面隧道。可是，对于4米以上的大型隧道掘进机，其最快的施工速度大约为1000米/月，在施工成本方面，越大的隧道断面施工成本越高，14米左右的普通软土隧道造价接近30余万/米，由此可见，现有技术中的全断面隧道掘进机具有造价高、掘进速度慢以及施工成本高的缺陷。
3.此外，隧道掘进机在施工过程中风险度较高，而且换刀时间及检修时间也比较长。现有技术中，10米以上的隧道掘进机在施工过程中遇到停机故障较多，且大部分解救困难，尤其是一些过江过海盾构隧道。
4.如中国专利申请202010676330.8号公开的一种矿山法扩挖盾构隧道修建大断面隧道的方法，包括如下步骤：s1，采用盾构法掘进山体，并使用预制钢管片拼装出一段盾构隧道；s2，于该段盾构隧道的深处采用矿山法朝入口处反向扩挖所述盾构隧道，并在扩挖的过程中逐步拆除所述预制钢管片；s3，待该段盾构隧道扩挖完成后，再重复所述s1步骤和所述s2步骤，直至完成大断面隧道的修建。但是，该发明依然存在以下缺点或不足：(1)、采用矿山法的人工装载机进行隧道挖掘，施工效率低，延长了施工周期；(2)、由于矿山法需要使用打眼放炮的方式，将前期拼装出的支护全部破坏，造成了极大的配件浪费。
5.又如中国专利申请202011193128.6号公开的一种大断面隧道的挖掘方法，包括以下步骤：开挖小断面隧道：对小断面隧道进行初期支护；扩挖小断面隧道：将所述小断面隧道扩挖至所述大断面隧道的高度；侧向扩挖并初期支护：由小断面隧道的侧壁沿垂直小断面隧道中心线的方向侧向扩挖至大断面隧道的宽度，并对大断面隧道进行初期支护；开挖大断面隧道：将所述大断面隧道分割成若干导洞，采用常规大断面开挖工法开挖若干所述导洞；施做二衬。但是，该发明依然存在以下缺点或不足：(1)、大部分工序为人工挖掘，施工量大、施工成本高；(2)、施工工序复杂，无法进行流水线挖掘，施工进度慢。
6.因此，提供一种新型的、自动化程度高、施工速度快、综合成本低、性价比高的大断面隧道的快速修建方法成为业内急需解决的问题。


技术实现要素：

7.针对现有技术的不足，本发明的目的之一是提供一种大断面隧道的快速修建方法，其可以实现大断面隧道施工的快捷安全，隧道运营期的安全性高、施工成本低，保证隧道的快速安全经济建造。
8.为了实现上述目的，本发明提供了一种大断面隧道的快速修建方法，其包括如下步骤：(1)、使用小型盾构机或tbm对待修建的大断面隧道进行超前隧道施工，形成超前隧道
段，超前隧道的断面直径设定为2～6米；(2)、使用扩挖盾构机或tbm对超前隧道段的尾部进行扩挖隧道施工，形成扩挖隧道段，扩挖隧道段的断面直径设定为大于10米；其中，步骤(1)中使用的小型盾构机或tbm与步骤(2)中使用的扩挖盾构机或tbm为一体化连接的，以使得步骤(1)与步骤(2)连续进行，进而使得大断面隧道一体成型。
9.其中，步骤(1)和步骤(2)中的tbm为tunnel boring machine的缩写，意为全断面隧道掘进机，它分为敞开式隧道掘进机和广义盾构机，可以掘进、支护、出渣等施工工序并行连续作业。
10.超前隧道的断面直径设定为2～6米，可方便施工人员进入超前隧道段进行检修。
11.可选地，超前隧道段的前端超前扩挖隧道段的前端距离设置为10～100米。
12.可选地，在进行步骤(1)的过程中，产生的渣土实时输送至超前隧道段的尾部。
13.可选地，在步骤(1)中，超前隧道施工包括施作超前隧道的临时支护，形成超前支护段，超前支护段与扩挖隧道段相连。
14.可选地，在步骤(1)中，超前隧道的临时支护包括：自动拼装管片或伸缩节。
15.可选地，在步骤(1)的超前隧道的临时支护中，还包括：在位于步骤(1)中使用的小型盾构机或tbm的后侧的超前隧道段处，于径向或侧面轴向预留若干个孔洞，在若干个孔洞中设置孔口管以进行密封，并对超前隧道段的外侧地层进行加固处理。
16.可选地，在步骤(2)中，扩挖隧道施工包括拆除超前支护段的超前支护配件，并将超前支护配件实时传送至超前隧道段的首部，以继续施作超前隧道的临时支护，进而循环使用超前支护配件。
17.可选地，在步骤(2)中，扩挖隧道施工包括对扩挖隧道段施行不停机拼装管片或采用挤压混凝土工法进行衬砌。
18.可选地，步骤(1)中使用一台或多台小型盾构机或tbm，步骤(2)中使用一台或多台扩挖盾构机或tbm，其中，步骤(1)中使用的每台小型盾构机或tbm与步骤(2)中使用的每台扩挖盾构机或tbm依次一体化连接，以经过一次扩挖或多次扩挖，进而使得大断面隧道一体成型。
19.可选地，步骤(1)和步骤(2)采用全机械化装置进行。
20.本发明至少获得例如以下有益效果：(1)、可以实现整个隧道的快速掘进，实现7千米/月的建造速度，将现有技术中的常规盾构施工法的速度提高4～10倍；(2)、适用于大断面隧道施工，隧道断面可以是圆形、矩形或马蹄形的规则形状，也可以是不规则的形状，适用于所有地质情况；(3)、超前隧道段临时支护及对超前隧道段外侧地层进行加固和处理，可以对隧道整体地质进行改良，方便快速掘进，同时具有止水、防沉降、防扩挖隧道上浮或下沉等效果，同时为扩挖盾构机的刀具更换、刀盘检修等工作提供了更稳定的地质条件，对于具有诸如孤石、球状风化、断层破碎带等特性的特殊地层进行了预处理，实现了快速安全建造，为建成后整个隧道的运营安全和质量提供了良好的条件；(4)、扩挖隧道段由于有超前隧道段的松动和地层应力的释放，从而更好掘进，比常规大断面隧道掘进速度更高，功耗更小，成本更低。
附图说明
21.图1示出了本发明的大断面隧道的快速修建方法的流程图。
22.图2示出了施用本发明的大断面隧道的快速修建方法的工程机械示意图。
具体实施方式
23.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他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.在本文中出现的各种术语仅仅用于描述具体的实施方式的目的而无意作为对本发明的限定。除非上下文另外清楚地指出，则单数形式意图也包括复数形式。当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包括有”时，这些术语指明了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是也不排除一个以上其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在和/或附加。
25.接下来参照附图具体描述本发明的大断面隧道的快速修建方法。如图1所示，作为一种非限制性实施方式，首先，在步骤s1中，使用小型盾构机或tbm对待修建的大断面隧道进行超前隧道施工，形成超前隧道段，超前隧道的断面直径设定为2～6米。随后，在步骤s2中，使用扩挖盾构机或tbm对超前隧道段的尾部进行扩挖隧道施工，形成扩挖隧道段，扩挖隧道段的断面直径设定为大于10米，在该非限制性实施方式中，步骤s1中使用的小型盾构机或tbm与步骤s2中使用的扩挖盾构机或tbm为一体化连接的，由此使得步骤s1与步骤s2连续进行，进而使得大断面隧道一体成型。
26.步骤s1中使用的小型盾构机(或称为超前隧道盾构)或tbm可以利用现在中国市场上大量存在的常规地铁盾构或tbm，由于国内地铁盾构或tbm存量大，闲置多，可以进行适当改造后使用，从而节省大量的资金和资源。步骤s2中使用扩挖盾构机或tbm，其整个结构设计和参数性能可以更好地实现快速掘进，由于有了超前隧道作为临空面，扩挖盾构或tbm可以采用不同于常规全断面盾构或tbm的破岩机理和参数性能，比如斜向切削等。
27.如图2所示，在步骤s1的超前隧道段的施工中，小型盾构机1的刀盘2的开挖断面直径一般在2～6米之间，从而方便人员进入检修，而且，超前隧道段的前端需要超前扩挖隧道段的前端10～100米。
28.为了提高功效，如图2所示，小型盾构机1与扩挖盾构机10之间连接有螺旋输送机3及连续皮带运输机4。步骤s1的超前隧道段的施工过程中挖掘的渣土便可以通过螺旋输送机3及连续皮带运输机4输送到隧道尾部，并通过扩挖隧道段的设备转运出隧道。同理，超前隧道段施工过程中所需的材料、备品备件也可以通过扩挖隧道段转运到超前隧道段内。
29.作为另一种非限制性实施方式，在步骤s1中，施作超前隧道的临时支护，形成超前支护段，超前支护段与扩挖隧道段11相连。其中，超前隧道的临时支护包括：钢管片或伸缩节5(如图2所示)。具体来讲，超前隧道段施工的小型盾构机采用钢管片自动拼装或伸缩节技术或挤压混凝土工法(ecl工法)，形成了与后部扩挖隧道段相连的超前支护段，由此便可以不需要停顿施工去建造内部衬砌，从而实现了连续快速掘进。在这种连续掘进的情况下，超前隧道段的施工速度可达4～10米/小时，最快情况下每月的掘进速度可达7km以上。
30.在步骤s1的超前隧道的临时支护中，还包括：在位于步骤s1中使用的小型盾构机或tbm的后侧的超前隧道段处，于径向或侧面轴向预留若干个孔洞，在若干个孔洞中设置孔
口管以进行密封，并对超前隧道段的外侧地层进行加固处理。由此，超前隧道段在掘进机后面具备操作空间的区域通过钻孔取芯或地质改良钻机6，采用自动化径向钻孔取芯或地质改良等措施，从而实现更大空间，为扩挖盾构机10的刀盘9的更换或检修等工作提供了更稳定的地质条件，同时保证隧道施工的快捷安全，隧道运营期的安全。
31.此外，超前隧道段也可径向施作桩、墙等辅助设施，方便后续扩挖机械的检修及改造。
32.在进行步骤s2时，超前隧道段的尾部是与扩挖隧道段的首部呈相连的状态，扩挖隧道段使用机械化开挖或全断面大型掘进设备扩挖，扩挖盾构机可以利用超前隧道段做部分支撑和导向。
33.在该非限制性实施方案中，在步骤s2中，扩挖隧道施工包括拆除超前支护段的超前支护配件(衬砌)，诸如钢管片或伸缩节5，并将超前支护配件通过图2所示的螺旋输送机3及连续皮带运输机4实时传送至超前隧道段的首部，重复利用，继续施作超前隧道的临时支护，进而循环使用超前支护配件，同时扩挖隧道段可以通过超前隧道段的衬砌结构实现密封。
34.由此，进行扩挖段施工的扩挖机械，如图2所示的材料转运吊机7和渣土转运装置8负责超前隧道段的物资转运和渣土转运，此外，由于扩挖隧道段的断面大，由此可以实现不停机拼装管片或采用挤压混凝土工法进行衬砌。
35.利用本发明的修建方法，超前隧道段和扩挖隧道段可以同步或不同步施工，利用多台步骤s1中使用的作为小型掘进机或小型盾构机超前隧道施工，后部连接一台或多台在步骤s2中使用的作为扩挖装备的扩挖盾构机，经过一次扩挖或多次扩挖，实现大断面隧道的建造。
36.尽管在此已详细描述本发明的优选实施方式，但要理解的是本发明并不局限于这里详细描述和示出的具体结构和步骤，在不偏离本发明的实质和范围的情况下可由本领域的技术人员实现其它的变型和变体。

技术特征：
1.一种大断面隧道的快速修建方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)、使用小型盾构机或tbm对待修建的大断面隧道进行超前隧道施工，形成超前隧道段，所述超前隧道的断面直径设定为2～6米；以及(2)、使用扩挖盾构机或tbm对所述超前隧道段的尾部进行扩挖隧道施工，形成扩挖隧道段，所述扩挖隧道段的断面直径设定为大于10米；其中，所述步骤(1)中使用的小型盾构机或tbm与所述步骤(2)中使用的扩挖盾构机或tbm为一体化连接的，以使得所述步骤(1)与所述步骤(2)连续进行，进而使得所述大断面隧道一体成型。2.如权利要求1所述的一种大断面隧道的快速修建方法，其特征在于，所述超前隧道段的前端超前所述扩挖隧道段的前端距离设置为10～100米。3.如权利要求2所述的一种大断面隧道的快速修建方法，其特征在于，在进行所述步骤(1)的过程中，产生的渣土实时输送至所述超前隧道段的尾部。4.如权利要求3所述的一种大断面隧道的快速修建方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，所述超前隧道施工包括施作超前隧道的临时支护，形成超前支护段，所述超前支护段与所述扩挖隧道段相连。5.如权利要求4所述的一种大断面隧道的快速修建方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，所述超前隧道的临时支护包括：自动拼装管片或伸缩节。6.如权利要求5所述的一种大断面隧道的快速修建方法，其特征在于，在所述步骤(1)的所述超前隧道的临时支护中，还包括：在位于所述步骤(1)中使用的小型盾构机或tbm的后侧的所述超前隧道段处，于径向或侧面轴向预留若干个孔洞，在所述若干个孔洞中设置孔口管以进行密封，并对所述超前隧道段的外侧地层进行加固处理。7.如权利要求5所述的一种大断面隧道的快速修建方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，所述扩挖隧道施工包括拆除所述超前支护段的超前支护配件，并将所述超前支护配件实时传送至所述超前隧道段的首部，以继续施作超前隧道的临时支护，进而循环使用所述超前支护配件。8.如权利要求7所述的一种大断面隧道的快速修建方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，所述扩挖隧道施工包括对所述扩挖隧道段施行不停机拼装管片或采用挤压混凝土工法进行衬砌。9.如权利要求1所述的一种大断面隧道的快速修建方法，其特征在于，所述步骤(1)中使用一台或多台小型盾构机或tbm，所述步骤(2)中使用一台或多台扩挖盾构机或tbm，其中，所述步骤(1)中使用的每台小型盾构机或tbm与所述步骤(2)中使用的每台扩挖盾构机或tbm依次一体化连接，以经过一次扩挖或多次扩挖，进而使得所述大断面隧道一体成型。10.如权利要求1～9任一项所述的一种大断面隧道的快速修建方法，其特征在于，所述步骤(1)和所述步骤(2)采用全机械化装置进行。

技术总结
本发明公开了一种大断面隧道的快速修建方法，包括：(1)、使用小型盾构机或TBM对待修建的大断面隧道进行超前隧道施工，形成超前隧道段，超前隧道的断面直径设定为2～6米；(2)、使用扩挖盾构机或TBM对超前隧道段的尾部进行扩挖隧道施工，形成扩挖隧道段，扩挖隧道段的断面直径设定为大于10米；步骤(1)中使用的小型盾构机或TBM与步骤(2)中使用的扩挖盾构机或TBM为一体化连接的，以使得步骤(1)与步骤(2)连续进行，进而使得大断面隧道一体成型。本发明的快速修建方法，可以实现整个隧道的快速掘进，实现7千米/月的建造速度，将常规盾构施工法的速度提高4～10倍，具有掘进速度高，功耗小，成本低的优点。成本低的优点。成本低的优点。


技术研发人员：吕传田
受保护的技术使用者：瑞威智造（北京）机械科技有限公司
技术研发日：2023.06.25
技术公布日：2023/8/9