本发明属于隧道施工，涉及一种适用于上硬下软地层的隧道施工工法。
背景技术：
1、在隧道施工时，经常会面临各种异常地质情况，如遇到隧道开挖断面上部为硬岩，围岩等级为i、ii级别，而隧道开挖断面下部为软岩，围岩等级为iv、v级别，以中间围岩级别iii作为软硬岩划分标准，由于上下断面围岩等级相差较大，因此如何根据软硬岩围岩级别来综合选择施工工法显得至关重要。而目前现有技术中，针对隧道开挖断面为上软下硬围岩地层的施工工法相对较多，如专利：公开号为cn114483054a的上软下硬地层导洞非爆开挖施工方法、公开号为cn113153311a的适用于土岩复合地层的隧道开挖工法、公开号为cn106437781a的一种上软下硬地层隧道支护结构及其施工方法、公开号为cn108412502a的一种深埋隧道穿越上软下硬地层施工方法等；现场施工方法：双侧壁导坑法、crd法、三台阶七步开挖法等。可以看出针对上软下硬地层的施工方法已研究较为深入，施工工法也逐渐走向成熟，而查阅上硬下软地层的施工方法则相对较少，但随着隧道工程的发展地质条件越来越复杂多变，也迫切需要该类围岩情况的施工方法，以此来指导现场施工，提供参考借鉴价值。
2、公开号为cn102562074a的发明专利公开了一种大断面隧道上硬下软复合地层的施工方法，其仅仅是将隧道断面化大为小，分割成各个小断面；同时对于上部硬岩地层，其中上部掌子面可能没有必要预留核心土(硬岩围岩自稳性好)，预留核心土会延长施工周期；同时对于衬砌结合处，未进行处理，若隧道经过软岩富水地段时，各分部(上下部，各小断面结合处)开挖连接处若接缝处理不当或存在一定的接缝间距，则会导致隧道内部发生衬砌渗漏水情况。
3、公开号为cn108457670a的发明专利公开了一种大断面隧道穿越上硬下软富水地层施工方法，其通过在上部硬岩地层进行超前小导管注浆加固后再进行开挖。但是，其实若无特殊情况，i、ii级围岩没有必要进行超前加固，除非前方围岩等级发生突变(从i、ii级别到iv、v级别时)，或者一次性开挖进尺较大(10～15m)时，可以考虑超前小导管或者大管棚的使用进行超前注浆加固。同时在下方软岩进行开挖时，对预设范围内的软岩区域进行超前加固防水，这样虽然有利于开挖的稳定性，但是若富水情况严重时，该方法可能并不适用，预设范围的选择也需要经过综合确定；而且该注浆区域也应该进行分部开挖，一次性开挖区域过大，可能对隧道周边两侧的软弱地层造成一定影响，最终引起滑塌事故的发生。
4、目前现有的专利针对上硬下软地层的施工方法，全部都假定硬软地层分界线为一条水平线，而根据现有的隧道施工开挖现场而言，大多硬软地层分界线并不水平，因此现有专利与实际并不相符，同样大大增加了开挖工作的难度。
5、以某实际隧道为工程依托，根据该隧道实际开挖揭露隧道开挖断面地层：上半断面为华力西中晚期花岗岩，整体性好，下半断面为泥岩，泥岩具弱膨胀性，岩体成岩作用差，遇水自行剥落，岩层分解线与隧道纵坡基本一致，主要表现为花岗岩与泥岩的角度不整合。可以看出，该隧道开挖断面属于典型的上硬下软的地层情况，普通的隧道施工方法已无法保证围岩整体稳定性，因此现场采用的解决方案为：将原设计方案两台阶法调整为三台阶临时仰拱法，具体来说：下部断面为泥岩分为中台阶和下台阶两部分施工，中部预留出核心土部分，隧道左右侧错开开挖，同时拱墙钢筋网喷射混凝土12cm厚，拱部花岗岩和边墙泥岩增设锚杆，长度为4m，间距1.2m×1.5m，梅花形布置，锚固剂快速锚固；泥岩顶部向下50cm一排锚杆调整角度打入上台阶花岗岩岩体内，锚入花岗岩不少于2m，锚杆采用钢筋网加强连接，并与上台阶花岗岩段锚杆连接成整体；钢筋网接头全部采用焊接，保证全断面初期支护形成整体，共同受力，形成有效支护。将开挖方法和支护参数调整后，该隧道才得以成功贯通，围岩稳定性好。但是，不可能隧道开挖断面每遇到一个上硬下软的地层，就不断变更开挖方法和支护参数，同时开挖方法和支护参数的变更需要设计方、施工方和甲方三方的共同探讨，不仅延误工期，还难以保证变更后的参数会控制住围岩稳定性，因此上述隧道施工方法不具有普适性，仅仅针对该隧道来说应用效果良好。而随着隧道地下工程的蓬勃建设，地下管廊、管线等工程的不断发展，尤其是复杂多变的川藏地区铁路建设，上硬下软隧道开挖断面的情况会逐渐增多，若没有一套专门针对该情况的施工方法，则会使得施工掘进困难，施工周期十分缓慢，因此，迫切需要设计一种针对上硬下软地层的通用施工方法。
技术实现思路
1、为了达到上述目的，本发明提供一种适用于上硬下软地层的隧道施工工法，解决了上硬下软地层开挖难度大，且现有针对上硬下软地层的方法普适性差的问题。
2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，一种适用于上硬下软地层的隧道施工工法，包括以下步骤：
3、步骤s1、对隧道开挖断面的工程地质条件进行勘察和分析；
4、步骤s2、如果为上硬下软地层，根据地层分界线划将隧道开挖断面分为上下台阶两部分，其中上台阶分为左上区域、右上区域两部分，下台阶分为左下区域、右下区域、中下区域三部分；
5、步骤s3、确定各区域的开挖次序、台阶开挖高度和开挖跨度；
6、步骤s4、对各部分按次序进行开挖及初期支护；
7、步骤s5、对开挖后的隧道断面进行仰拱和二次衬砌的施作，完成隧道施工。
8、进一步地，所述步骤s2中：
9、上硬下软地层的判断标准为：以iii围岩级别作为划分标准，若上部硬岩围岩等级为i、ii级别中的任意一种或两种，且下部软岩围岩等级为iv、v级别中的任意一种或两种，则为上硬下软地层；
10、如果为除了上硬下软地层之外的其他地层，则根据现有方法进行开挖。
11、进一步地，所述步骤s3中：
12、各区域的开挖次序依次为：左上区域、右上区域、左下区域或右下区域、右下区域或左下区域、中下区域；
13、所述左上区域台阶开挖高度为地层分界线与隧道断面左侧相交的第一交点处1～2m的直线上，左上区域开挖跨度为隧道断面开挖跨度的1/2；右上区域开挖高度为高于地层分界线与临时支撑的第二交点处1～2m的直线上，右上区域开挖跨度为隧道断面开挖跨度的1/2；所述左下区域、右下区域的开挖宽度应为隧道跨度的1/4，中下区域的开挖宽度应为隧道跨度的1/2；
14、所述临时支撑位于左上区域右侧，上端与隧道顶部相接，底端位于地层分界线相交。
15、进一步地，所述步骤s4中左上区域的开挖及初期支护的具体方法为：
16、对左上区域的掌子面采用爆破开挖，在开挖结束后，通过钢拱架，系统锚杆、钢筋网和喷射混凝土进行初期支护，其中，钢筋网位于喷射混凝土中，钢拱架支撑在喷射混凝土下方，系统锚杆穿过喷射混凝土插入左上方硬岩中；然后在左下角部分打设第一锁脚锚杆，将第一锁脚锚杆的尖端打入左下方软岩部分；接下来在左上区域右侧架立临时支撑，在临时支撑的上部用弧形钢板装置与拱顶相连接，临时支撑的下部直接插入到左上区域底部的硬岩中；最后对左上区域的左下侧进行30°～45°斜向注浆加固，使得左下区域左侧软岩部分进行凝结硬化。
17、进一步地，所述步骤s4中右上区域的开挖及初期支护的具体方法为：
18、对右上区域的掌子面采用爆破开挖，在开挖结束后，通过钢拱架，系统锚杆、钢筋网和喷射混凝土进行初期支护：其中，钢筋网位于喷射混凝土中，钢拱架支撑在喷射混凝土下方，系统锚杆穿过喷射混凝土插入右上方硬岩中；然后在右下角部分打设第二锁脚锚杆，将第二锁脚锚杆的尖端打入左下方软岩部分；最后对右上区域的右下侧进行30°～45°斜向注浆加固，使得右下区域右侧软岩部分进行凝结硬化。
19、进一步地，所述步骤s4中左下区域的开挖及初期支护的具体方法为：
20、首先对左下区域进行注浆加固，然后对左下区域左侧部和底部进行注浆加固，如果左下区域左侧部无垮塌风险则不需要对左侧部注浆；待注浆区的注浆材料强度达到85％～90％后，则可以进行开挖，待开挖完成后，最后通过钢拱架，系统锚杆、钢筋网和喷射混凝土进行左下区域侧部和底部的初期支护的施作：其中，钢筋网位于喷射混凝土中，钢拱架支撑在喷射混凝土侧面，系统锚杆穿过喷射混凝土插入软岩中；所述左下区域左侧的喷射混凝土高度高于1区底部。
21、进一步地，所述步骤s4中右下区域的开挖及初期支护的具体方法为：
22、首先对右下区域进行注浆加固，然后对右下区域右侧部和底部进行注浆加固，如果右下区域右侧部无垮塌风险则不需要对右侧部注浆；待注浆区的注浆材料强度达到85％～90％后，则可以进行开挖，待开挖完成后，最后通过钢拱架，系统锚杆、钢筋网和喷射混凝土进行右下区域侧部和底部的初期支护的施作：其中，钢筋网位于喷射混凝土中，钢拱架支撑在喷射混凝土侧面，系统锚杆穿过喷射混凝土插入软岩中；所述右下区域右侧的喷射混凝土高度高于右上区域底部。
23、进一步地，所述步骤s4中，中下区域的开挖及初期支护的具体方法为：
24、首先对中下区域的底端区域进行注浆加固，待注浆区的注浆材料的强度达到85％～90％时，再将临时支撑撤出；然后对中下区域进行开挖，待开挖2～3m后，在中下区域的底部打设系统锚杆进行初期支护；若在开挖中下区域时，发现中下区域的左右两侧强度不够，对中下区域进行掌子面超前注浆加固或对中下区域左右两侧进行反压回填。
25、进一步地，所述步骤s4中，仰拱的施作方法为：
26、在施工之前在开挖仰拱前方设置积水井，将仰拱内部的积水抽排出去；开挖时仰拱循环开挖长度不大于5m，开挖形成后喷射混凝土。
27、进一步地，所述步骤s4中，二衬的施作方法为：
28、首先拱顶先喷射混凝土，厚度为30～35cm；待强度达到85％～90％后，然后在底部喷射混凝土，厚度为60～70cm；待强度达到85％～90％后，最后在拱顶喷射混凝土，厚度为30～35cm；其中，在拱顶第一次喷射混凝土时，在隧道开挖断面左拱腰侧往下多喷2～3m，在隧道开挖断面右拱腰侧往下多喷2～3m；底部喷射混凝土时，左底部高于左拱腰侧3～5m，右底部高于右拱腰侧3～5m。
29、本发明的有益效果是：
30、1、由于上部分围岩的左右拱脚和下部分围岩的边墙可能存在整体结合性较差，即存有较大的施工接缝，造成日后营运过程中的渗漏水问题。因此，将上下台阶的初期喷混和二衬喷混设置不同高度并进行交错喷混施工，保证结合整体性。
31、2、由于下部软岩区域的开挖，可能会造成临时支撑的移动，因此将临时支撑底端插入到硬岩地层中去，同时在临时支撑与上部弧形钢板装置接触的部分，设置了防滑垫层和抗剪钢，主要作用是防止侧移以及发生剪断。
32、3、本发明利用软硬地层分界线作为上下断面开挖界限，可让软岩地层和硬岩地层采用不同的开挖方法和步骤，既保证了隧道开挖的安全可靠，又加快了施工速度。
33、4、本发明通过在下部软弱地层掌子面内施作超前小导管，同时与钢拱架配合使用，能够保证下部软岩在开挖后保持稳定，同时在下部软岩的左右侧部浇筑注浆，形成左右侧的梯形状的注浆区域，保证开挖时，两侧不会因为软岩的滑动而受到较大的作用力，防止钢拱架等初期支护变形破坏。
34、5、本发明通过在上台阶地层中部设置临时支撑，并将临时支撑的尾端插入到已预留硬岩地层的内部，可有效维持上部岩体的稳定，防止在隧道施工过程中拱顶发生较大的变形，以至于导致坍塌事故的发生。
35、6、上部岩体采用光面爆破的开挖方式，同时在开挖上台阶右侧部分时，将上下台阶错开一定距离并同时开挖下台阶左侧部分，同时在下台阶左侧开挖一定距离后，开挖下台阶右侧区域部分，通过采用这些方法均能加快施工速度；如果下台阶软岩等级较差，将下台阶左右侧再次分成小区域，如下台阶左侧上部分，下台阶左侧下部分，下台阶右侧上部分，下台阶右侧下部分，这样多区域的分布开挖既可以保障围岩的稳定性，同时可以在下台阶左侧上部分开挖一定距离后，开挖下台阶右侧上部分，当其开挖一定距离后再开挖下台阶左侧下部分，再次开挖一定距离后，开挖下台阶右侧下部分，这样不断循环开挖，同样可以大大提高施工速度。
36、7、在上台阶硬岩左右侧部分开挖时，其左右侧开挖高度的选择对后期开挖至关重要，若将硬岩全部开挖完，则在软岩地层上，机械施工难度较大，因此本发明预留一定高度的硬岩部分，当上部硬岩全部开挖完后，再开挖下部软岩区域，这样可以大大保证下部开挖机械的操作。
37、8、本发明的方法相较于现有方法大大降低了施工复杂度，且适用于各种上硬下软地层的施工，具有很高的普适性，能够为实际工程的施工提供重大的参考价值。
1.一种适用于上硬下软地层的隧道施工工法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种适用于上硬下软地层的隧道施工工法，其特征在于，所述步骤s2中：
3.根据权利要求1所述的一种适用于上硬下软地层的隧道施工工法，其特征在于，所述步骤s3中：
4.根据权利要求3所述的一种适用于上硬下软地层的隧道施工工法，其特征在于，所述步骤s4中左上区域的开挖及初期支护的具体方法为：
5.根据权利要求3所述的一种适用于上硬下软地层的隧道施工工法，其特征在于，所述步骤s4中右上区域的开挖及初期支护的具体方法为：
6.根据权利要求3所述的一种适用于上硬下软地层的隧道施工工法，其特征在于，所述步骤s4中左下区域的开挖及初期支护的具体方法为：
7.根据权利要求3所述的一种适用于上硬下软地层的隧道施工工法，其特征在于，所述步骤s4中右下区域的开挖及初期支护的具体方法为：
8.根据权利要求3所述的一种适用于上硬下软地层的隧道施工工法，其特征在于，所述步骤s4中，中下区域的开挖及初期支护的具体方法为：
9.根据权利要求1所述的一种适用于上硬下软地层的隧道施工工法，其特征在于，所述步骤s4中，仰拱的施作方法为：
10.根据权利要求1所述的一种适用于上硬下软地层的隧道施工工法，其特征在于，所述步骤s4中，二衬的施作方法为：
