CN105065037A - 公路软岩隧道双层拱架支护施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种公路软岩隧道双层拱架支护施工方法，包括以下步骤：⑴、施工准备：包括分别制作内层钢拱架和外层钢拱架，两层钢拱架紧贴密实并焊接；⑵、超前导管施作：依次包括钻孔、送管、密封和注浆；⑶、洞身开挖：采用三台阶七步开挖法或三台阶七步开挖法施工开挖；⑷、钢拱架的安装：外层钢拱架与步骤⑶挖好的洞内壁紧贴；⑸、安装锁脚钢管、钢筋网片和纵向连接筋；⑹、喷射混凝土。公路软岩隧道初期支护采用双层钢拱架，在处在持续高地应力和软岩大变形特性围岩的隧道中，采用内外层拱架连续安装的技术，两层钢拱架连续安装并连接在一起，形成强力的初期支护钢骨架，以有效抵抗围岩压力。

Description

公路软岩隧道双层拱架支护施工方法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，尤其是一种公路软岩隧道双层拱架支护施工方法。

背景技术

随着山区高速公路的快速发展，软岩隧道越来越多地出现在公路建设中。软岩隧道的围岩主要表现为裂隙及节理发育、产状紊乱、褶皱明显、岩体破碎且软弱、强度低、稳定性极差，有些软岩还伴有高地应力，具有流变特性，隧道在开挖后应力重新分布完成时间较长，且应力分布不均匀。由于软岩的上述特性，若隧道初期支护薄弱，会造成初支钢拱架扭曲变形、喷射混凝土开裂掉块、初支侵限等问题，严重影响隧道的施工质量和安全，延误施工工期。

针对软岩隧道初期支护易发生病害的问题，传统的解决方法是做好钢花管注浆加固围岩，抑制围岩松动圈变形，同时减小钢拱架间距或提高钢拱架型号、增加喷射混凝土厚度。但按照上述方案施工后，部分围岩极差的隧道仍然出现初衬裂缝、掉皮、钢拱架扭曲变形等现象。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种公路软岩隧道双层拱架支护施工方法，操作简便，能有效避免了公路软岩隧道因初期支护不到位而造成的一系列病害问题。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：一种公路软岩隧道双层拱架支护施工方法，包括以下步骤：

⑴、施工准备：包括分别制作内层钢拱架和外层钢拱架，两层钢拱架紧贴密实并焊接；

⑵、超前导管施作：依次包括钻孔、送管、密封和注浆；

⑶、洞身开挖：采用三台阶七步开挖法或三台阶七步开挖法施工开挖；

⑷、钢拱架的安装：外层钢拱架与步骤⑶挖好的洞内壁紧贴；

⑸、安装锁脚钢管、钢筋网片和纵向连接筋；

⑹、喷射混凝土。

进一步地，内层钢拱架和外层钢拱架的曲率半径和分段长度均不同。

进一步地，步骤⑶洞身开挖过程中，出现超挖时，

①、小于50cm的，采用同标号喷射混凝土回填；

②、大于50cm或者出现小型塌腔的，对围岩进行速喷处理，喷射厚度宜控制在5cm～10cm，安装钢拱架、网片及纵向连接筋，喷射混凝土，形成初期支护承载壳体，用方木垛对初期支护壳体支护，塌腔回填至回填混凝土定型。

进一步地，内层钢拱架和外层钢拱架的焊接处环向间距不大于50cm，焊缝长度不小于10cm。

进一步地，内层钢拱架的拱脚处要高于外层钢拱架的拱脚处30cm。

进一步地，三台阶七步开挖法的每个台阶的长度为3~6m，仰拱与掌子面间的距离在25m以内。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：公路软岩隧道初期支护采用双层钢拱架，在处在持续高地应力和软岩大变形特性围岩的隧道中，采用内外层拱架连续安装的技术，两层钢拱架连续安装并连接在一起，形成强力的初期支护钢骨架，以有效抵抗围岩压力。隧道掘进开挖完成后，立即施做***锚杆并注浆、安装钢筋网，然后安装外层钢拱架，完成后连续安装里层钢拱架，并将双层钢拱架靠紧密贴，通过焊接手段连接牢固，施做锁脚锚杆、安装纵向连接钢筋后，一次性喷射混凝土完成初期支护。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

如图1所示的一种公路软岩隧道双层拱架支护施工方法，包括以下步骤：

1、施工准备

1）钢拱架集中加工场地要充分考虑型钢进场的通道及吊车、装载机和装卸车辆的工作区域，设置加工、存放区域，合理规划布置。

2）根据设计的双层钢拱架的型号调配型钢，进场后逐批进行试验检测，确定材料质量符合国家标准后，方可使用。不合格材料全部清场或退货。

3）技术准备

①组织技术人员学习图纸，掌握设计意图；

②收集现场开挖轮廓、开挖高度、预留沉降量等数据。

2、钢拱架的加工制作

1）拱架加工前，先根据预留沉降量、安装顺序、接缝部位等指标设计分段拱架尺寸，并用CAD技术进行模拟验证。为避免拱架连接处的产生应力集中，双层拱架的接缝断面必须错开。

2）双层钢拱架支护施工中内外层拱架的曲率半径和分段长度均不同，规格型号也不尽相同，因此必须分批加工，分类存放，并做好标识，以免发生混淆。

3）按照设计的拱架弧度和长度在液压冷弯机上设置弯曲胎模。胎模可由2cm厚钢板加工制作，焊接在冷弯机的弯曲平台上。型钢冷弯时，用冷弯机的千斤顶缓缓推进型钢，每推进5cm测量一下型钢水平度等指标，直至达到所要求的设计弧度。

4）拱架连接端设置连接板，位于里外层拱架相邻面的连接板一侧应与拱架的翼板相对齐，以保证双层拱架在安装时能够密贴。其次，拱架连接处是拱架结构的薄弱部位，要保证型钢与连接板的焊接质量，不得出现砂眼、夹渣、焊缝不饱满等质量问题。

5）设置专门的拱架检测模型，拱架加工完成后在检测模型上试拼，合格后方可进行分类存放。拱架的加工速度以满足现场施工需要为准，以免因围岩变化，预留沉降量等指标变化而造成材料浪费。

3、超前导管施作

1）钻孔

采用普通TY28风枪Φ50钻头钻孔，孔深大于设计值10cm。达到设计深度后，立即拔出钻杆并进行送管工序。

2）送管

由于钻孔后软岩孔壁会有小量回缩，可采用风枪将小导管顶入。小导管尾部应焊接加劲箍防止风枪送管时将小导管尾部打裂，影响小导管尾部与注浆阀外接丝头的焊接。

3）密封

先用麻絮封堵小导管与围岩间的空隙，再用砂浆封堵。待强度达到要求后焊接外丝接头并安装球阀，准备注浆。

4）注浆

浆液严格按照设计配合比制作，注浆压力满足设计要求。

4、洞身开挖

公路软岩隧道一般采用三台阶七步开挖法或短台阶法施工。在开挖前要做好超前地质预报，根据对开挖面前方地质情况的预测，选择合适的开挖方法和分部台阶长度。

1）三台阶七步开挖

三台阶七步开挖法采用三层短台阶，分步平行开挖，每个台阶的长度控制在3～6m，仰拱与掌子面间的距离严格控制在25m以内。上台阶开挖时预留核心土，开挖长度不宜大于2.0m；中台阶与下台阶每次开挖长度不宜大于3m，且左右侧前后相互错开至少3m。开挖时应优先选用机械开挖，开挖机械为铣挖机或液压破碎锤，遇有坚硬的孤石时，可采用弱***松动后，再用机械开挖。拱架落底处预留20cm人工开挖，严禁超挖造成拱架悬空。

2）超挖处理

由于软岩围岩整体性差，自稳能力低，围岩变形过大，易出现失稳坍塌，开挖轮廓外岩体难以形成稳定的承载拱，即使采用机械开挖也会出现超挖或者小型塌方，尤其是围岩节理为水平状时。对于超挖小于50cm的可采用同标号喷射混凝土回填，大于50cm或者出现小型塌腔的按照以下工序流程处理：

①设置警戒线，将人员及设备撤至安全处，并严格执行进出洞人员登记制度。

②安排专人对塌腔处的围岩及附近的初支认真观察，待围岩基本稳定后（一般表现为塌腔处的围岩不再掉落碎渣30分钟），对围岩进行速喷处理。

③采用C25喷射混凝土对塌腔处所有外露围岩速喷，速喷时如果塌腔过大或者危险性较高时，可将喷锚机的枪头固定在挖掘机的挖斗上，操纵挖掘机实施移动喷射，避免人员直接作业的安全隐患，喷射厚度宜控制在5cm～10cm。

④待速喷的混凝土形成一定强度后，按照设计图纸安装钢拱架、网片及纵向连接筋，喷射混凝土，形成初期支护承载壳体。初期支护必须封闭至掌子面，为回填塌腔做好准备。

⑤临时支护，可采用方木垛对初期支护壳体支护，准备塌腔回填。

⑥待初期支护承载壳体形成一定强度及临时支护完成后，对塌腔进行回填。

⑦上述工序完成并待回填混凝土形成一定强度后，方可进行下一循环。

5、拱架安装

1）拱架安装

①检查开挖轮廓是否符合设计要求，如果出现超挖时按照5.2.4.2）处理，欠挖部分补充开挖至符合设计要求。

②拱架拱脚必须采用方木进行支垫，保证拱架支撑在坚实的地基上。

③双层拱架要紧贴密实并进行焊接，焊接处环向间距不大于50cm，焊缝长度不小于10cm，双层拱架间紧贴不密实处采用钢板按照焊接处的环向间距填塞并与拱架焊接。

④外侧的型钢与围岩间要紧贴，未与围岩紧贴的部分沿钢拱架外缘采用木楔子将拱架与围岩楔紧，间距不宜大于2m。

⑤里侧拱架拱脚处要高于外侧拱架30cm，以方便与中、下台阶的拱架连接。

⑥拱架连接处的高强螺栓安装必须符合设计及规范要求，相邻拱架的连接板要充分靠实。如有缝隙，可用厚度适宜的钢板填塞并焊接牢固。

⑦双层拱架的垂直度、间距等其他指标符合规范要求。

2）锁脚钢管、钢筋网片及纵向连接筋安装

①锁脚钢管与拱架的连接

锁脚钢管与拱架的连接采用在型钢翼板一侧预先打孔，直接穿入和利用“L”型钢筋进行焊接相结合的方法，确保锁脚钢管与拱架牢固连接。

②钢筋网片、纵向连接筋安装

钢筋网片的焊接及搭接要符合规范要求；纵向连接筋的焊接及搭接长度符合规范要求。

3）施工时易发生下台阶与中台阶拱架连接不顺直问题的解决方案

①严格控制上、中、下台阶的距离，每个台阶长度宜控制在4-6m，及时施做仰拱达到快速封闭成环。

②严格控制开挖时的拱脚标高，杜绝出现超挖后支垫较高或多层方木造成变形收敛过大。

③根据监控量测数据，中台阶拱架加工时预留收敛量。

6、喷射混凝土

采用湿喷法喷射混凝土，施工控制要点为：

1）喷射混凝土的原材料要符合规范要求。

2）做好喷射混凝土喷射前的准备工作，诸如风、设备的完好性、工作面的通风照明情况以及混凝土的拌合运输等各项准备工作。

3）由于影响混凝土强度的主要因素为水胶比，影响凝结时间的主要因素为外加剂的掺量，故在现场施工时，要严格控制水胶比和外加剂的掺量。

4）通过各种措施确保喷射混凝土喷射密实，尤其要注意调整喷射角度，保证双层拱架空隙间的混凝土均匀、密实。

本发明施工方法优点如下：

⑴适用性强。双层拱架加工及安装与常规的单层拱架施工基本相同，无需增加设备，无需专门培训人员。

⑵安全性好。采用双层钢拱架支护后，洞内人员、设备作业更安全，初支结构自身的安全系数提高。

⑶质量可靠。双层拱架支护，提高了隧道初期支护的强度，通过拱架接缝错开技术，消除了拱架连接处的质量隐患，工程实体质量提高。

⑷缩短工期。公路软岩隧道采用双层钢拱架支护，避免了初期支护病害的发生，能够保证隧道连续均衡施工，缩短了工期。

⑸适用于公路软岩隧道初期支护。

在实施本发明施工方法时，所用的材料和设备如下表1和表2：

主要材料表表1

主要设备表表2

本发明质量控制执行的标准和规范

1）质量控制符合《公路隧道施工技术规范》（JTJF60-2009）和《公路隧道施工技术细则》（JTG/TF60-2009）的规定。

2）主要材料的施工和验收符合《公路工程水泥基水泥混凝土试验规程》（JTGE30-2005）、《公路工程集料试验规程》（JTGE42-2005）和《钢筋焊接及验收规范》（JGJ18-2003）、《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50086-2001）。

3）质量验收符合《公路工程质量检验评定标准》（JTG/F80/1-2004）的规定。

本发明检测项目、检验方法和标准

1）隧道总体、支护检测项目和标准见表3、表4

隧道总体检测项目和标准表3

支护检测项目和标准表4

2）拱架支护实测项目和标准见表5

拱架支护实测项目和标准表5

3）锚杆支护施工质量标准见表6

锚杆支护施工质量标准表6

4）钢筋网支护施工质量标准见表7

钢筋网支护施工质量标准表7

采用本发明公路软岩隧道双层钢拱架初期支护施工方法，使施工进度加快，月进尺速度可达60m。未出现塌腔、初支病害等安全、质量事故，减少了大量的经济损失，相对于单层支护后再处理初支病害的方案，大大减少了工程成本及安全、质量风险。对今后公路软岩隧道初期支护的设计施工具有指导作用，具有较好的经济效益和社会效益。

双层支护与单层支护后病害处治施工方法工期、成本对照表

应用实例

1、工程名称：甘肃省平凉至武都高速公路成县至武都段土建工程第十八合同段

1.1工程地点：甘肃陇南地区武都市

1.2工程造价：5.18亿元。

1.3施工工期：2011年11月开工，2014年11月完工。

1.4工程概况：武都西隧道位于甘肃省武都市西郊10公里处的没水山，左线长3763m，右线长3781m，隧道围岩主要为千枚化的碳质页岩，产状紊乱，褶皱明显，节理发育，岩体极为破碎。隧道最大埋深超过1000m，存在高地应力，由于受F5断层次生带构造应力强力释放的影响，隧道处在软岩大变形段，围岩稳定性极差。按照单层支护完成后，发生初期支护变形、钢拱架扭曲、破坏等病害，经与业主单位和设计单位沟通，变更为双层拱架支护施工方法，有效解决了初支变形的病害问题，施工完成后初支结构稳定，隧道整体质量合格。在施工过程中，未发生一起安全和质量事故。

九龙峡2#隧道位于省道S313右侧的九龙峡峡谷地段，隧道进口位于曲子布卡沟内顺接九龙峡1#隧道，隧址区属青藏高原东部边缘，岷山山脉地区，属西秦岭地槽褶皱系。隧道起讫桩号K93+860-K95+680，总长1820m。其中K94+950～K95+500洞身段洞顶埋深最大32m，隧道在志留系下统的板岩中开挖，岩层产状125°∠29°、80°∠64°，板理发育，岩层破碎，岩体呈中薄层状结构，洞顶围岩局部位于强风化层中，围岩基本无自稳能力，高地应力分布，属于公路软岩隧道。施工中采用双层钢拱架初期支护施工技术，施工完成后初支结构稳定，隧道整体质量合格，施工中未发生一起质量、安全事故。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种公路软岩隧道双层拱架支护施工方法，包括以下步骤：

⑴、施工准备：包括分别制作内层钢拱架和外层钢拱架，两层钢拱架紧贴密实并焊接；

⑵、超前导管施作：依次包括钻孔、送管、密封和注浆；

⑶、洞身开挖：采用三台阶七步开挖法或三台阶七步开挖法施工开挖；

⑷、钢拱架的安装：外层钢拱架与步骤⑶挖好的洞内壁紧贴；

⑸、安装锁脚钢管、钢筋网片和纵向连接筋；

⑹、喷射混凝土。

2.如权利要求1所述公路软岩隧道双层拱架支护施工方法，其特征在于：内层钢拱架和外层钢拱架的曲率半径和分段长度均不同。

3.如权利要求1所述公路软岩隧道双层拱架支护施工方法，其特征在于：步骤⑶洞身开挖过程中，出现超挖时，

①、小于50cm的，采用同标号喷射混凝土回填；

②、大于50cm或者出现小型塌腔的，对围岩进行速喷处理，喷射厚度宜控制在5cm～10cm，安装钢拱架、网片及纵向连接筋，喷射混凝土，形成初期支护承载壳体，用方木垛对初期支护壳体支护，塌腔回填至回填混凝土定型。

4.如权利要求1所述公路软岩隧道双层拱架支护施工方法，其特征在于：内层钢拱架和外层钢拱架的焊接处环向间距不大于50cm，焊缝长度不小于10cm。

5.如权利要求1所述公路软岩隧道双层拱架支护施工方法，其特征在于：内层钢拱架的拱脚处要高于外层钢拱架的拱脚处30cm。

6.如权利要求1所述公路软岩隧道双层拱架支护施工方法，其特征在于：三台阶七步开挖法的每个台阶的长度为3~6m，仰拱与掌子面间的距离在25m以内。