一种矿山法暗挖隧道洞内管棚工作室结构型式及施工方法与流程

1.本发明属于隧道施工技术领域，特别涉及一种矿山法暗挖隧道洞内管棚工作室结构型式及施工方法。


背景技术：

2.目前矿山法暗挖隧道洞室与洞内管棚工作室均采用复合式衬砌支护型式，支护结构由初期支护和二次衬砌共同组成，并在两者间设置防水设施满足洞室的防、排水要求。暗挖隧道洞室结构轮廓采用受力较好的椭圆形或圆形型式以满足受力要求和防止开挖时坍塌。当隧道穿过软弱地层时，必须提前在该地段隧道顶部120
°
范围设置超前管棚进行超前预支护，预防隧道开挖时发生拱部坍塌；管棚实施时需要在洞内设置管棚工作室完成管棚施工；按照管棚施工的工艺要求，管棚工作室上半断面需比正常隧道上半断面外扩宽0.8米，在该空间进行管棚施工，保证实施后的管棚位于后期开挖的隧道洞室拱部开挖线外，对其拱部软弱地层进行超前棚架预支护，工作室下半断面不需要设置管棚，采用正常的隧道洞室下断面满足结构受力和运营限界要求即可，因此工作室初期支护上、下断面间有0.8米的错台，造成其上半断面初期支护结构和下半断面初期支护结构形成一体结构困难，若处理不当，将使初期支护的支护能力减弱，不利于工作室施工期间安全。另外，工作室范围在后期运营使用期间也是隧道的一部分，在结构型式设计时也应统筹考虑其防排水、二次衬砌支护结构等设施，以满足运营使用需求。
3.管棚工作室结构型式常规类型有两种：
4.第一种工作室结构型式：以正常隧道断面为基础，将其断面整体外扩0.8米形成管棚工作室。上半断面外扩空间为管棚施工空间，下半断面外扩后其净空大于正常隧道下半断面净空，轨面/道路面以下底部结构扩大部分进行回填，确保轨面/道路面与前后正常隧道平顺连接，工作室结构前后两端与正常隧道结构连接处采用错台或渐变连接。
5.该结构型式的优点和不足分别为：优点为上、下半断面等量外扩后，初期支护、防水层、二次衬砌均能在工作室范围上、下圆顺连接，断面整体呈椭圆形或圆形，结构受力和整体稳定性好。不足处为增加了断面开挖量和造价；下半断面外扩空间在隧道运营使用期无法利用造成空间浪费；轨面/道路面以下外扩部分需要回填，增加了投资；工作室结构前后两端与正常隧道结构连接处采用错台或渐变连接，会造成结构及防水设施纵向连接不便；因洞内净空扩大，工作室范围洞内管线支架等设施需要采用非标准构件。
6.第二种工作室结构型式：以正常隧道断面为基础，将其上半断面整体外扩0.8米形成管棚施工空间，下半断面基本不外扩，大部分与正常隧道下半断面相同，在上、下断面间设置顺接过渡连接段，将初期支护和二次衬砌进行渐变顺接；工作室结构前后两端与正常隧道结构连接处仅上半断面采用错台或渐变连接，下半断面纵向大部分能正常平顺连接。
7.该结构型式的优点和不足分别为：优点为上半断面外扩后，外扩空间设置管棚施工空间，下半断面基本不外扩，在两者间设置顺接渐变连接段，将初期支护和二次衬砌进行渐变顺接，断面整体轮廓圆顺，结构受力相对较好。不足处为断面为上大下小的倒椭圆形，
整体稳定性差；上、下断面间设置顺接连接段较短且内外轮廓曲率变化大，施工困难。
8.因此，怎样合理的确定工作室的结构型式，满足受力、稳定和便捷施工要求，仍是其断面结构型式设计应关注的重点。基于上述前提，在矿山法暗挖隧道管棚工作室设计时，有必要对其结构型式进行优化。


技术实现要素：

9.本发明针对现有技术中存在的工作室上半断面开挖大，小半断面开挖小，上下断面初期支护连接困难，及工作室前后与正常隧道连接不顺畅的技术问题，实施了不同轮廓初期支护间的便捷连接结构和二次衬砌结构不外扩的设计理念，提供一种矿山法暗挖隧道洞内管棚工作室结构型式及施工方法，满足管棚施工要求、洞室整体受力合理和安全外，结构型式简单，洞室施做便捷且经济合理。
10.本发明采用的技术方案是：一种矿山法暗挖隧道洞内管棚工作室结构型式，包括管棚工作室结构和管棚工作墙；所述管棚工作室结构的上半断面为扩大断面，所述上半断面的开挖面内侧为上半断面初期支护结构，所述上半断面初期支护结构在所述开挖面内侧沿洞室纵向设置；所述管棚工作室结构的下半断面为正常隧道下半断面，所述下半断面的开挖面内侧为下半断面初期支护结构；所述上半断面初期支护结构与下半断面初期支护结构通过上下断面初期支护连接结构连接；所述管棚工作墙位于所述管棚工作室结构的实施管棚方向端部，在所述上半断面初期支护结构内侧布置；回筑拱形结构满布于管棚施工所需空间，回筑拱形结构位于所述上半断面初期支护结构内侧、管棚工作墙后方。
11.进一步的，所述上半断面初期支护结构、下半断面初期支护结构均采用含钢架的喷射混凝土结构，所述上下断面初期支护连接结构为钢架，所述上下断面初期支护连接结构分别与上半断面初期支护结构内钢架、下半断面初期支护结构内钢架通过钢架连接节点板采用螺栓连接。
12.进一步的，所述上下断面初期支护连接结构位于所述回筑拱形结构内。
13.进一步的，所述回筑拱形结构为现浇素混凝土结构，在管棚施工完毕后实施回筑。
14.进一步的，所述管棚工作墙内设置有管棚导向钢架和管棚导向钢管，多个所述管棚导向钢管与所述管棚导向钢架焊接连接。
15.进一步的，所述管棚工作墙为现浇拱型混凝土结构。
16.进一步的，洞室防水设施设置于所述回筑拱形结构和下半断面初期支护结构内侧。
17.进一步的，所述洞室防水设施包括无纺布、防水板和环向排水盲管，环向排水盲管纵向间隔布置在防水板内侧，无纺布设置在所述防水板外侧。
18.进一步的，所述洞室防水设施的内侧为二次衬砌结构，所述二次衬砌结构为现浇钢筋混凝土结构。
19.本发明采用的技术方案还是：一种矿山法暗挖隧道洞内管棚工作室结构型式的施工方法，包括以下步骤：
20.步骤1：工作室范围上半扩大断面土体开挖，按照边挖边支的施工要求，架设上半断面初期支护结构内钢架，进行喷射混凝土施工，直至完成工作室范围纵向全部上半扩大断面的土体开挖和初期支护施工；
21.步骤2：安装管棚导向钢架和管棚导向钢管，然后架设混凝土浇筑模板进行混凝土浇筑，形成管棚工作墙，然后进行管棚施工；
22.步骤3：管棚施工完毕后，进行工作室下半断面开挖，下半断面为正常隧道下半断面，按照边挖边支的施工要求，架设下半断面初期支护结构内钢架，进行下半断面喷射混凝土施工，形成下半断面初期支护结构；
23.步骤4：架设上下断面初期支护连接结构，其上端与上半断面初期支护结构内钢架上预设的钢架连接节点板螺栓连接，其下端通过钢架连接节点板与下半断面初期支护结构内钢架上端连接，形成闭合的全断面整体钢架支撑体系，完成整个断面的初期支护内的封闭钢架施工；
24.步骤5：进行回筑拱形结构的浇筑混凝土施工；
25.步骤6：在回筑拱形结构和下半断面初期支护结构内侧挂设无纺布，在无纺布内侧铺设防水板；
26.步骤7：在防水板内侧，纵向间隔设置环向排水盲管，在环向排水盲管下端设置纵向排水盲管，并将两者连通；横向排水管纵向间隔设置，一端与纵向排水盲管连接贯通，一端设置在洞内水沟内；
27.步骤8：完成二次衬砌结构的现浇混凝土施工，工作室形成复合式衬砌结构型式。
28.与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
29.1、本发明实施了不同轮廓初期支护间的便捷连接结构的设计理念，即管棚工作室结构上半断面整体外扩，开挖后在开挖面内设置初期支护结构，在该支护的保护下进行管棚施工；管棚施工完毕后进行工作室下半断面开挖施工，该下半断面不外扩，同正常隧道下半断面，开挖完成后设置下半断面初期支护结构，并在其上端设置上下断面初期支护连接结构，使上、下断面初期支护形成闭合整体承载结构，承担施工期间的围岩压力，保证了洞室安全。
30.2、本发明实施了上半断面设置回筑拱形结构理念，即管棚施工完毕后，开挖工作室下半断面和施工下半断面初期支护结构，并将上、下断面初期支护间的连接结构内的钢架两端与上、下断面初期支护结构内的钢架进行连接，架设模板将上半断面管棚施工后的剩余空间回筑为拱形支护混凝土结构，建成后的工作室结构上半断面由初期支护、回筑拱形结构和二次衬砌结构三部分组成，加强了工作室拱部支护强度，更有利于洞室的后期运营使用安全。
31.3、本发明实施了防水设施和二次衬砌结构不随上半断面开挖轮廓外扩的设计理念，即工作室上半断面回筑成拱形支护结构后，其工作室范围全断面防水设施与二次衬砌实施空间同正常隧道实施条件，防水设施和二次衬砌可正常纵向连续施工，规避了错台处防水设施施工困难，保证了洞室防水效果；二次衬砌结构可采用正常隧道的衬砌模板台车进行纵向连续施工，施工快速、便捷。
32.4、本发明的工作室范围内净空与正常隧道内净空一致，洞内设施安装和布置无需特殊处理，各管线支架均可全隧道采用统一构件。
附图说明
33.图1为本发明实施例的横断面示意图；
34.图2为本发明实施例的纵断面示意图；
35.图3为本发明实施例的钢架总装配示意图；
36.图4为本发明实施例的上下断面初期支护连接结构构造示意图；
37.图5为本发明实施例的管棚导向钢架和管棚导向钢管的结构示意图。
38.图中：1-上半断面初期支护结构，2-下半断面初期支护结构，3-洞内电缆沟，4-上半断面初期支护结构内钢架，5-下半断面初期支护结构内钢架，6-上下断面初期支护连接结构，7-钢架连接节点板，8-管棚工作墙，9-管棚导向钢架，10-管棚导向钢管，11-回筑拱形结构，12-无纺布，13-防水板，14-二次衬砌结构，15-环向排水盲管，16-纵向排水盲管，17-横向排水管，18-轨面或路面，19-洞内水沟。
具体实施方式
39.为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。
40.本发明的实施例提供了一种矿山法暗挖隧道洞内管棚工作室结构型式，如图1-图5所示，其包括管棚工作室结构和管棚工作墙8。
41.所述管棚工作室结构的上半断面为扩大断面，所述上半断面的开挖面内侧为上半断面初期支护结构1，所述上半断面初期支护结构1在所述开挖面内侧沿洞室纵向设置。所述管棚工作室结构的下半断面为正常隧道下半断面，即下半断面不外扩，所述下半断面的开挖面内侧为下半断面初期支护结构2。所述上半断面初期支护结构1、下半断面初期支护结构2均采用含钢架的喷射混凝土结构，所述上下断面初期支护连接结构6为钢架。上下断面初期支护连接结构6沿下半断面初期支护结构2向上延伸至上半断面初期支护结构1。所述上下断面初期支护连接结构6分别与上半断面初期支护结构内钢架4、下半断面初期支护结构内钢架5通过钢架连接节点板7采用螺栓连接。
42.所述管棚工作墙8位于所述管棚工作室结构的实施管棚方向端部，在所述上半断面初期支护结构1内侧布置。所述管棚工作墙8内设置有管棚导向钢架9和管棚导向钢管10，多个所述管棚导向钢管10与所述管棚导向钢架9焊接连接。所述管棚工作墙8为现浇拱型混凝土结构。回筑拱形结构11满布于管棚施工所需空间，回筑拱形结构11位于所述上半断面初期支护结构1内侧、管棚工作墙8后方。所述上下断面初期支护连接结构6位于所述回筑拱形结构11内。所述回筑拱形结构11为现浇素混凝土结构，在管棚施工完毕后实施回筑。
43.洞室防水设施设置于所述回筑拱形结构11和下半断面初期支护结构2内侧。所述洞室防水设施包括无纺布12、防水板13和环向排水盲管15，无纺布12设置在所述防水板13外侧，环向排水盲管15纵向间隔布置在防水板13内侧，在拱部和边墙环向间隔设置。纵向排水盲管16与环向排水盲管15在边墙下端连接贯通。横向排水管17一端与纵向排水盲管16连接贯通，一端设置在洞内水沟19内。所述洞室防水设施的内侧为二次衬砌结构14，所述二次衬砌结构14为现浇钢筋混凝土结构。横向排水管17贯穿二次衬砌结构14。
44.本发明的实施例还提供了一种矿山法暗挖隧道洞内管棚工作室结构型式的施工方法，包括以下步骤：
45.步骤1：工作室范围上半扩大断面土体开挖，按照边挖边支的施工要求，架设上半断面初期支护结构内钢架4，进行喷射混凝土施工，形成上半断面初期支护结构1，按此顺序
循环实施，直至完成工作室范围纵向全部上半扩大断面的土体开挖和上半断面初期支护结构1施工。
46.步骤2：在上半断面初期支护结构1保护下，进行管棚工作墙8的施工。安装管棚导向钢架9和管棚导向钢管10，然后架设混凝土浇筑模板进行混凝土浇筑，形成管棚工作墙8，然后进行管棚施工。
47.步骤3：管棚施工完毕后，进行工作室下半断面开挖，下半断面为正常隧道下半断面，按照边挖边支的施工要求，架设下半断面初期支护结构内钢架5，进行下半断面喷射混凝土施工，形成下半断面初期支护结构2。
48.步骤4：架设上下断面初期支护连接结构6，将其上端与上半断面初期支护结构内钢架4上预设的钢架连接节点板7螺栓连接，其下端通过钢架连接节点板7与下半断面初期支护结构内钢架5上端连接，形成闭合的全断面整体钢架支撑体系，完成整个断面的初期支护内的封闭钢架施工。
49.步骤5：进行上半断面管棚施工空间内的回筑拱形结构11的浇筑混凝土施工。
50.步骤6：在回筑拱形结构11和下半断面初期支护结构2内侧挂设无纺布12，在无纺布12内侧铺设防水板13；形成洞室的防水体系。
51.步骤7：在防水板13内侧，纵向间隔5米左右设置环向排水盲管15，在环向排水盲管15下端设置纵向排水盲管16，并将两者连通；纵向排水盲管16布置在边墙下方，且两侧边墙沿隧道纵向通长布置。横向排水管17纵向间隔5米左右设置，一端与纵向排水盲管16连接贯通，一端设置在洞内水沟19内；形成防水板13内侧渗漏水排出系统。
52.步骤8：完成二次衬砌结构14的现浇混凝土施工，工作室形成复合式衬砌结构型式。
53.步骤9：最后进行工作室范围洞内水沟19、洞内电缆沟3等附属设施的施工。
54.以上通过实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的示例性实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。本发明的保护范围由权利要求书限定。凡利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，在本发明的实质和保护范围内，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的，或者对申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖保护范围之内。

技术特征：
1.一种矿山法暗挖隧道洞内管棚工作室结构型式，其特征在于，包括管棚工作室结构和管棚工作墙；所述管棚工作室结构的上半断面为扩大断面，所述上半断面的开挖面内侧为上半断面初期支护结构，所述上半断面初期支护结构在所述开挖面内侧沿洞室纵向设置；所述管棚工作室结构的下半断面为正常隧道下半断面，所述下半断面的开挖面内侧为下半断面初期支护结构；所述上半断面初期支护结构与下半断面初期支护结构通过上下断面初期支护连接结构连接；所述管棚工作墙位于所述管棚工作室结构的实施管棚方向端部，在所述上半断面初期支护结构内侧布置；回筑拱形结构位于所述上半断面初期支护结构内侧、管棚工作墙后方。2.如权利要求1所述的一种矿山法暗挖隧道洞内管棚工作室结构型式，其特征在于，所述上半断面初期支护结构、下半断面初期支护结构均采用含钢架的喷射混凝土结构，所述上下断面初期支护连接结构为钢架，所述上下断面初期支护连接结构分别与上半断面初期支护结构内钢架、下半断面初期支护结构内钢架通过钢架连接节点板采用螺栓连接。3.如权利要求2所述的一种矿山法暗挖隧道洞内管棚工作室结构型式，其特征在于，所述上下断面初期支护连接结构位于所述回筑拱形结构内。4.如权利要求1或3所述的一种矿山法暗挖隧道洞内管棚工作室结构型式，其特征在于，所述回筑拱形结构为现浇素混凝土结构。5.如权利要求1所述的一种矿山法暗挖隧道洞内管棚工作室结构型式，其特征在于，所述管棚工作墙内设置有管棚导向钢架和管棚导向钢管，多个所述管棚导向钢管与所述管棚导向钢架焊接连接。6.如权利要求1或5所述的一种矿山法暗挖隧道洞内管棚工作室结构型式，其特征在于，所述管棚工作墙为现浇拱型混凝土结构。7.如权利要求1所述的一种矿山法暗挖隧道洞内管棚工作室结构型式，其特征在于，洞室防水设施设置于所述回筑拱形结构和下半断面初期支护结构内侧。8.如权利要求7所述的一种矿山法暗挖隧道洞内管棚工作室结构型式，其特征在于，所述洞室防水设施包括无纺布、防水板和环向排水盲管，环向排水盲管纵向间隔布置在防水板内侧，无纺布设置在所述防水板外侧。9.如权利要求7所述的一种矿山法暗挖隧道洞内管棚工作室结构型式，其特征在于，所述洞室防水设施的内侧为二次衬砌结构，所述二次衬砌结构为现浇钢筋混凝土结构。10.一种矿山法暗挖隧道洞内管棚工作室结构型式的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：工作室范围上半扩大断面土体开挖，按照边挖边支的施工要求，架设上半断面初期支护结构内钢架，进行喷射混凝土施工，直至完成工作室范围纵向全部上半扩大断面的土体开挖和初期支护施工；步骤2：安装管棚导向钢架和管棚导向钢管，然后架设混凝土浇筑模板进行混凝土浇筑，形成管棚工作墙，然后进行管棚施工；步骤3：管棚施工完毕后，进行工作室下半断面开挖，下半断面为正常隧道下半断面，按照边挖边支的施工要求，架设下半断面初期支护结构内钢架，进行下半断面喷射混凝土施工，形成下半断面初期支护结构；步骤4：架设上下断面初期支护连接结构，其上端与上半断面初期支护结构内钢架上预
设的钢架连接节点板螺栓连接，其下端通过钢架连接节点板与下半断面初期支护结构内钢架上端连接，形成闭合的全断面整体钢架支撑体系，完成整个断面的初期支护内的封闭钢架施工；步骤5：进行回筑拱形结构的浇筑混凝土施工；步骤6：在回筑拱形结构和下半断面初期支护结构内侧挂设无纺布，在无纺布内侧铺设防水板；步骤7：在防水板内侧，纵向间隔设置环向排水盲管，在环向排水盲管下端设置纵向排水盲管，并将两者连通；横向排水管纵向间隔设置，一端与纵向排水盲管连接贯通，一端设置在洞内水沟内；步骤8：完成二次衬砌结构的现浇混凝土施工，工作室形成复合式衬砌结构型式。

技术总结
本发明提供了一种矿山法暗挖隧道洞内管棚工作室结构型式及施工方法，属于隧道施工技术领域，包括管棚工作室结构和管棚工作墙；所述管棚工作室结构的上半断面为扩大断面，所述管棚工作室结构的下半断面为正常隧道下半断面，上半断面初期支护结构与下半断面初期支护结构通过上下断面初期支护连接结构连接；所述管棚工作墙位于所述管棚工作室结构的实施管棚方向端部，在所述上半断面初期支护结构内侧布置；回筑拱形结构位于所述上半断面初期支护结构内侧、管棚工作墙后方。本发明实施了不同轮廓初期支护间的便捷连接结构和二次衬砌结构不外扩的设计理念，满足管棚施工要求、洞室整体受力合理和安全外，结构型式简单，洞室施做便捷且经济合理。做便捷且经济合理。做便捷且经济合理。


技术研发人员：翟一茗 翟可 谭满生 王怀东 张美琴 田峰 李晓英 张金伟 罗涛
受保护的技术使用者：中铁第六勘察设计院集团有限公司
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/9/5