CN108412519A - 高原地区软岩轻微大变形单线隧道支护装置及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种高原地区软岩轻微大变形单线隧道支护装置及施工方法，支护装置包括用于提高混凝土喷射附着力的钢筋网，以及用于将该钢筋网固定在初喷面上的钢架，所述钢筋网挂设在隧道内壁上，所述钢架底部设有用于增大钢架与隧底支撑面接触面积的大拱脚，该大拱脚包括与钢架连接的主体部和沿隧道径向方向延伸的板状支撑部，且所述主体部和板状支撑部之间一体式连接有斜撑，该支护装置避免隧道施工工程中因受力集中而发生变形，并提高支护装置的接触面积，防止因隧道底部沉陷而导致支护整体结构损坏。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，特别涉及一种高原地区软岩轻微大变形单线隧道支护装置及施工方法。
背景技术
隧道通过软岩和断层带时，在高地应力和富水条件下便会产生大变形，工程岩体在工程力作用下产生显著塑性变形即为软岩大变形。
软岩隧道变形量大，而且位移速度也很大，一般可以达到数十厘米到数米，如果不支护或支护不当，收敛的最终趋势是隧道被完全封死。如果发生在永久衬砌构筑以前，往往表现为初期支护严重破裂、扭曲，挤出面侵入限界。这种大变形危害巨大，严重影响施工工期或线路正常运营，而且整治费用高昂。
另外，高原地区软岩还存在以下危害和影响：
首先，软弱围岩变形量大、变形持续时间长。隧道初期支护之后仍以较快的变形速度长时间持续增加，变形难以控制，拱顶沉降和水平收敛等变形特征的时空效应明显，长时间的持续变形引发支护结构破坏，甚至是洞室坍塌等工程事故；
其次，软岩大变形段的变形量很难预测。由于软岩大变形存在较大的不确定性，导致较难预测大变形段的最大变形量，无法较为准确的确定初支断面尺寸，初支轮廓非大即小，在施工过程中频繁更改初支钢架尺寸和单元划分，影响施工效率，初支不可避免的出现阶段性破坏，由此而产生的初期支护的加固、加强的工程量，以及降低的工作效率无法预估。
软岩大变形根据围岩强度应力比（Rb/σmax）的大小，可以分为无大变形、轻微大变形、中等大变形和严重大变形。当围岩强度应力比（Rb/σmax）在0.25～0.5的范围内时，为轻微大变形。
发明内容
本发明的目的在于：针对在高原地区软弱围岩中长时间的持续变形易引发初期支护结构不可避免地出现阶段性破坏，导致在开挖过程中支护结构失效，进而发生坍塌、沉陷等问题，提供一种高原地区软岩轻微大变形单线隧道支护装置及施工方法，该支护装置通过增大拱脚与隧道底部之间的接触面积，从而减小隧道底部单位面积内的受力大小，避免因受力集中而发生变形，另外，通过增大接触面积，防止因隧道底部局部沉陷而导致支护整体结构损坏。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种高原地区软岩轻微大变形单线隧道支护装置，包括用于提高混凝土喷射附着力的钢筋网，以及用于将该钢筋网固定在初喷面上的钢架，所述钢筋网挂设在隧道内壁上，所述钢架底部设有用于增大钢架与隧底支撑面接触面积的大拱脚，该大拱脚包括与钢架连接的主体部和沿隧道径向方向延伸的板状支撑部，且所述主体部和板状支撑部之间一体式连接有斜撑。
采用本方案的隧道支护装置，钢筋网能提高混凝土喷射附着力，混凝土凝固后，与钢筋网作为整体结构形成对隧道支撑，能有效解决支护结构自身的失效问题；同时设置钢架，并且在钢架底部连接大拱脚，大拱脚的主体部与钢架连接，并依靠板状支撑部形成较好的支撑，避免隧道施工工程中因受力集中而发生变形，并提高支护装置的接触面积，防止因隧道底部沉陷而导致支护整体结构损坏。
本方案通过改变单线隧道支护装置的结构形式，保证软弱围岩隧道段落开挖期间的结构稳定性，避免出现较大变形、持续变形的问题，使变形量得到有效控制的，保护隧道安全。
进一步地，相对于普通段落的型钢支护，在不改变型钢类型的前提下，将用作钢架进行支撑的型钢间距调整为0.6m/榀。通过加密型钢间距，既避免了更换型钢类型，又有效的避免了频繁更改初支钢架尺寸和单元划分的问题，提高施工效率。
优选的，该支护装置还包括锚杆，该支护装置还包括锚杆，包括布置在隧道拱部的组合中空锚杆和布置在隧道边墙的砂浆锚杆，以及增设在隧道边墙的钢花管、涨壳式预应力中空锚杆或自进式补强锚杆中的任意一种或多种。
通过设置锚杆，避免钢架、钢筋网等初支护被破坏，保证软弱围岩的结构稳定性，避免出现较大变形、持续变形的问题，使变形量得到有效控制的，布置锚杆，能保护支护结构不被破坏，有效避免了频繁更改初支钢架尺寸和单元划分的问题，提高施工效率，保护隧道安全。
优选的，所述大拱脚布置在顶部台阶层的钢架底部，所述主体部采用与钢架相同的型钢，所述支撑部为支撑钢板，所述斜撑为连接主体部和支撑部的型钢。应用时，型钢通常采用工字钢，也可以采用槽钢、L型钢等。
对应地，本发明还提供了一种高原地区软岩轻微大变形单线隧道施工方法，包括以下步骤：
a、超前支护；
b、采用台阶法开挖隧道，并在开挖除隧底部分外的其余断面时，采用如上述所述的支护装置对单线隧道进行支撑，包括锚杆施工、钢筋网施工、喷锚施工和架立钢架；
c、灌注边墙基础、仰拱及隧底填充；
d、进行一次性浇筑衬砌。
针对高原地区软弱围岩变形量大、变形持续时间长的问题，采取上述方式，使钢架对软弱围岩形成良好的支撑，避免隧道初期支护之后仍以较快的变形速度长时间持续增加，保护支护结构安全，避免发生工程事故，同时，通过台阶法开挖隧道，并应用支护装置对钢架进行支撑，并进行锚杆施工、喷锚施工和钢筋网施工，有效降低了变形量，避免了在施工过程中频繁更改初支钢架尺寸和单元划分的问题，有效保护初支结构安全，提高施工效率。
进一步地，采用三台阶法开挖隧道，首先开挖顶部台阶层，并对隧道拱部进行喷锚施工、钢筋网施工及架立钢架，架立的钢架采用本发明的支护装置支撑；其次开挖中部台阶层，并对隧道边墙进行喷锚施工、钢筋网施工及架立钢架，架立的钢架采用本发明的支护装置支撑，最后开挖隧底台阶层。
进一步地，喷锚施工包括初喷施工和复喷施工，在初喷后、复喷前，进行钢筋网施工，挂设钢筋网。
进一步地，在步骤b中进行开挖时，调整开挖预留变形量，拱墙部位的开挖预留变形量增大为20cm。通过增大预留变形量，在隧道开挖后，给围岩一定的收缩变形空间，既充分发挥了围岩的自承能力，又避免造成过强支护结构的浪费。
进一步地，在施工过程中，增加监控量测项目，同时增加用于监测各施工阶段围岩和支护结构的位移及应力变化动态的测量仪。在为验证支护参数的合理性提供依据时，同时为掌握软岩轻微大变形的规律奠定基础。
在浇筑时，利用衬砌模板台车进行一次性浇筑。
优选的，在所述步骤a中超前支护时，在隧道拱部120°范围内设置导管，所述导管的直径为Φ42，导管间的环向间距0.4～0.5m，纵向间距2.3～2.5m，所述导管的长度为3.5m，每环设置24根导管。
隧道拱部120°是指以隧道拱顶为中心的两侧60°范围。
优选的，在所述步骤b锚杆施工过程中，隧道拱部采用组合中空锚杆，隧道边墙采用砂浆锚杆，且隧道边墙还增设有钢花管、涨壳式预应力中空锚杆或自进式补强锚杆中的任意一种或多种。
首先，采用普通砂浆锚杆锚固形式无法满足使用要求，存在难以成孔、主动支护时机较长等问题。同时针对高原地区软弱围岩的地质条件，采用单一的锚杆锚固形式无法满足使用要求，存在变形量大、变形持续时间长及变形难以控制的问题，隧道拱部采用组合中空锚杆，隧道边墙采用砂浆锚杆并增设其他类型锚杆，能保护支护结构不被破坏，有效避免了频繁更改初支钢架尺寸和单元划分的问题，提高施工效率，保护隧道安全。
优选的，在所述步骤b锚杆施工过程中，包括自进式锚杆施工和涨壳式锚杆施工，其中，所述自进式锚杆施工采用锚杆台车进行施作，包括以下步骤：
b11、标识出锚杆锚固部位；
b12、加强支护，钻进锚固孔；
b13、检查锚杆并安装止浆塞和垫板；
b14、注浆并封口，注浆前进行备料，并制备水泥砂浆或双液浆；
所述涨壳式锚杆施工包括以下步骤：
b11′、钻孔，用凿岩机在地层中钻孔，钻头为十字钻头；
b12′、***锚杆，并连接安装工具，通过冲转力使涨壳锚头在孔道底部充分涨开；
b13′、卸去安装工具，安装垫板、螺母及注浆管；
b14′、注浆。
进一步地，在***涨壳式锚杆时，一端安上安装工具，工厂配合提供的钎尾，并接上凿岩机，开动凿岩机，通过其冲转力使涨壳锚头在孔道底部充分涨开（一般以凿岩机无法转动为止即可）。
注浆材料采用纯水泥浆，水灰比W/C为（0.35～0.45）：1，将水灰比W/C值设置较小时，水泥浆的收缩率少。
注浆设备：使用注浆压力1～1.5MPa的螺杆泵型注浆，该注浆泵能用极浓浆（W/C=0.35:1），以提高注浆体与孔壁之间的饱满度，减少浆体的收缩率，当W/C值小于0.4时可控制浆体固结后收缩率小于1％。
注浆时应将初步拌和的水泥浆放入注浆泵的进料器中。开动泵工作后，注浆前将进料器中的全部浆液通过泵泵回到进料器中，使泥浆体通过泵充分拌和后再行锚杆注浆，这样浆液和易性很好，注浆效果好。
锚杆特定的向上注浆和向下注浆功能提高了锚杆注浆的可靠性。当锚杆向上安装时，即如向隧道拱部安装时，注浆液从注浆管进浆，浆体逐渐充溢钻孔并向上流动，注浆体从涨壳锚头尾端进浆，此时中空锚杆体的空腔成为排气道。
当锚杆向下安装时，中空锚杆体为进浆道，塑料管为排气道注浆时，浆体从涨壳锚头底部出浆，并逐渐充溢钻孔道。浆体从塑料管流出，并保持约30s的压力时停止注浆。
所述自进式锚杆施工方法具体包括以下内容：
①将合金钻头与锚杆一端连接，自进式锚杆另一端连接上钎套、钎尾后再与手持式钻机连接好，自进式锚杆按设计的深度开始钻进，钻进时须加注冷却水（锚杆单根长度不超过4米，如需加长可用连接套进行连接，然后钻进）；
②卸下钻机，将止浆塞套进杆体，并将其塞入孔内，准备注浆。特殊情况下注浆压力过大或围岩太破碎，可用锚固剂封孔；
③将快速注浆接头与锚杆尾端连接，注浆接头另一端与注浆机连接；
④开动注浆机注浆，待注浆饱满且压力达到设计值时关机。注浆压力根据设计参数和注浆机性能确定，灰沙比参考值1：0～1：1，水灰比参考值0.45～0.5：1；
⑤安装垫板和螺母，并旋紧螺母。
优选的，在所述步骤b钢筋网施工过程中，按照以下步骤进行：
b21、调直钢筋，并将钢筋剪截成设计长度；
b22、清理钢筋表面，并焊接成钢筋网；
b23、在预定位置挂设钢筋网，所述钢筋网随初喷面起伏铺设，钢筋网与锚杆固定，且相邻两个钢筋网焊接。
钢筋条焊接成钢筋网片，钢筋的设计长度根据拱架间距和钢筋网片之间搭接长度确定，在焊接钢筋前，先将钢筋表面的油污、漆污、水泥浆、浮皮和铁锈清除干净，焊接完成的钢筋网片应保持平整状态，且钢筋表面无削弱钢筋截面的伤痕。
在将相邻两个钢筋网焊接成整体的过程中，两个钢筋网之间应进行搭接焊接，搭接长度为1～2个网格。
进一步地，钢筋网片采用Ⅰ级φ8或Φ6钢筋焊制，针对高原地区软岩条件，采用这种规格的钢筋网片，能提高较好的受力结构，增强隧道在喷射混凝土后的结构稳定性和安全性。
优选的，在所述步骤b喷锚施工过程中，按照以下步骤进行：
b31、施工准备，包括清理受喷面、配备混凝土、设置控制喷射混凝土厚度的标志及施工机具就位，清理受喷面时采用高压水或高压风除净受喷岩面，
b32、拌合喷射混合料并运输到位，拌合时加入合成纤维或钢纤维；
b33、初喷混凝土，初喷时加入速凝剂。
b34、施作如上述所述的支护装置，并清除初喷面粉尘；
b35、复喷混凝土至设计厚度。
进一步地， 在步骤b31中，采用埋设钢筋头作为控制混凝土厚度的标志，也可以在喷射时***长度比设计厚度大5cm的铁丝，每1～2m设置一根，作为施工控制用。
喷射前应对受喷岩面进行处理，一般岩面可用高压水冲洗受喷岩面的浮尘、岩屑，当岩面遇水容易潮解、泥化时，宜采用高压风吹净岩面。
喷射混凝土必须满足设计的强度、厚度及其与岩面粘结力；喷射时，分段分片依次进行，喷射顺序应自下而上，分段长度不宜大于6m；分层喷射时，后一层喷射在前一层混凝土终凝后进行，当终凝1小时后再进行喷射时，先用风水清洗喷层表面；喷射混凝土的一次喷射厚度边墙不超过10cm，拱部不超过6cm；初喷混凝土在开挖后及时进行，复喷应根据掌子面地质情况和一次***药量分层、分时段进行喷射作业，确保喷射混凝土的支护能力和喷层的设计厚度，喷射混凝土终凝后3h内不再进行***作业；喷射混凝土拌合物的停放时间不大于30分钟；喷射混凝土时，喷嘴宜与喷射面垂直，其间距宜为1.5～2.0m；喷嘴连续、缓慢作横向环行移动，喷层厚度均匀；喷射在岩面上的混凝土表面应无滑移下坠现象，当表面有松动、开裂、下坠、滑移等现象时，清除重喷；喷射完成后检查喷射混凝土的回弹率和实际配合比，喷射混凝土的回弹率：边墙不应大于15%，拱部不应大于25%；喷射完成后检查喷射混凝土与岩面粘结情况，才用锤敲击检查，当有空敲、脱壳时，凿除冲洗干净进行重喷，或采用压浆法充填。
采用上述方式，喷射的混凝土中加入合成纤维或钢纤维，特别适合应用在高原地区软弱围岩的条件下，保证隧道在喷射混凝土后具有稳定、可靠的结构，不会发生大变形。
优选的，在所述步骤b架立钢架时，在定位锚杆施工完成后进行，且架立钢架前，清除底脚浮碴，在架立钢架时，包括以下步骤：
b41、加工、预拼钢架；
b42、安装钢架，将钢架与定位锚杆焊接，并设置锁脚锚管将钢架锁定；
b43、增设鞍形垫块，并安装纵向连接筋，使钢架连为整体。
完成上述架立钢架后，挂设钢筋网，进行混凝土复喷，采取上述方式，对隧道围岩进行支撑，并保证隧道不会发生变形，同时对钢筋网进行连接和支撑，保证在喷锚施工完成后，不会发生掉渣、沉陷等问题。
钢架安装前，清除钢架底脚下的虚碴及杂物，钢架安装允许偏差：钢架间距、横向位置和高程与设计位置的偏差不超过±5cm，垂直度误差为±2cm；各节钢架间以螺栓连接，且连接板应密贴；沿钢架外缘每隔2m应用钢楔或混凝土预制块楔紧；与钢架连接的支护装置置于牢固的基础上，钢架密贴围岩并与锚杆焊接牢固，钢架之间按设计进行纵向连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、采用隧道支护装置，钢筋网能提高混凝土喷射附着力，混凝土凝固后，与钢筋网作为整体结构形成对隧道支撑，能有效解决支护结构自身的失效问题，并同时设置钢架，且在钢架底部连接大拱脚，大拱脚的主体部与钢架连接，并依靠板状支撑部形成较好的支撑，避免隧道施工工程中因受力集中而发生变形，并提高支护装置的接触面积，防止因隧道底部沉陷而导致支护整体结构损坏，保证软岩隧道段落开挖期间的结构稳定性，进行保护隧道安全；
2、采用普通砂浆锚杆锚固形式无法满足高原地区软弱围岩的使用要求，存在难以成孔、主动支护时机较长等问题，隧道拱部采用组合中空锚杆，隧道边墙采用自进式锚杆并增设涨壳式预应力中空锚杆补强的方式，能有效保护支护结构不被破坏，保护隧道安全；
3、采用台阶法开挖隧道，并增大预留变形量，同时布置支护装置，使得隧道开挖后，围岩具有一定的收缩变形空间，既充分发挥了围岩的自承能力，又避免造成过强支护结构的浪费；
4、在喷射的混凝土中加入合成纤维或钢纤维，特别适合应用在高原地区软弱围岩的条件下，保证隧道在喷射混凝土后具有稳定、可靠的结构，不会发生大变形。
附图说明：
图1为本发明的台阶法开挖隧道施工过程中的隧道横断面示意图。
图2为本发明的台阶法开挖隧道施工过程中的隧道纵断面示意图。
图3为本发明的台阶法开挖隧道施工过程中的隧道平面示意图。
图4为本发明的支护装置中的大拱脚结构示意图。
图中标记：1-大拱脚，11-主体部，12-板状支撑部，13-斜撑，2-锚杆，3-超前支护，4-钢架，5-纵向连接钢筋，6-混凝土，7-锁脚锚杆，8-锚管,9-临时钢架。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
如图1和图4所示，高原地区软岩轻微大变形单线隧道支护装置，包括用于提高混凝土喷射附着力的钢筋网，以及用于将该钢筋网固定在初喷面上的钢架4，所述钢筋网挂设在隧道内壁上，所述钢架4底部设有用于增大钢架4与隧底支撑面接触面积的大拱脚1，该大拱脚1包括与钢架4连接的主体部11和沿隧道径向方向延伸的板状支撑部12，且所述主体部11和板状支撑部12之间一体式连接有斜撑13。
采用本方案的隧道支护装置，钢筋网能提高混凝土喷射附着力，混凝土凝固后，与钢筋网作为整体结构形成对隧道支撑，能有效解决支护结构自身的失效问题；同时设置钢架，并且在钢架底部连接大拱脚，大拱脚的主体部与钢架连接，并依靠板状支撑部形成较好的支撑，避免隧道施工工程中因受力集中而发生变形，并提高支护装置的接触面积，防止因隧道底部沉陷而导致支护整体结构损坏。
本方案通过改变单线隧道支护装置的结构形式，保证软弱围岩隧道段落开挖期间的结构稳定性，避免出现较大变形、持续变形的问题，使变形量得到有效控制的，保护隧道安全。
进一步地，相对于普通段落的型钢支护，在不改变型钢类型的前提下，将用作钢架进行支撑的型钢间距调整为0.6m/榀，通过加密型钢间距，既避免了更换型钢类型，又有效的避免了频繁更改初支钢架尺寸和单元划分的问题，提高施工效率。
作为其中的一种实施方式，本实施例的支护装置还包括锚杆，所述锚杆锚固在隧道边墙及拱部，通过设置锚杆能避免钢架、钢筋网等初支护被破坏，保证软弱围岩的结构稳定性，避免出现较大变形、持续变形的问题，使变形量得到有效控制的，布置锚杆，能保护支护结构不被破坏，有效避免了频繁更改初支钢架尺寸和单元划分的问题，提高施工效率，保护隧道安全。
作为其中的一种实施方式，大拱脚1布置在顶部台阶层的钢架4的底部，所述主体部11采用与钢架4相同的工字钢，所述板状支撑部12为支撑钢板，所述斜撑13为连接主体部和支撑部的工字钢。
实施例2
如图1-图3所示，高原地区软岩轻微大变形单线隧道施工方法，在施工过程中，增加监控量测项目，同时增加用于监测各施工阶段围岩和支护结构的位移及应力变化动态的测量仪，包括以下步骤：
a、施作超前支护3；
b、采用台阶法开挖隧道，并在开挖除隧底部分外的其余断面时，采用如上实施例1中的支护装置对单线隧道进行支撑，在开挖时调整开挖预留变形量，将拱墙部位的开挖预留变形量增大为20cm，并根据需要进行锚杆2的施工；
c、灌注边墙基础、仰拱及隧底填充；
d、利用衬砌模板台车一次性浇筑衬砌。
针对高原地区软弱围岩变形量大、变形持续时间长的问题，采取上述方式，使钢架对软弱围岩形成良好的支撑，避免隧道初期支护之后仍以较快的变形速度长时间持续增加，保护支护结构安全，避免发生工程事故，同时，通过台阶法开挖隧道，并应用支护装置对钢架进行支撑，并进行锚杆施工、喷锚施工和钢筋网施工，有效降低了变形量，避免了在施工过程中频繁更改初支钢架尺寸和单元划分的问题，有效保护初支结构安全，提高施工效率。
进一步地，采用三台阶法开挖隧道，首先开挖顶部台阶层，并对隧道拱部进行喷锚施工、钢筋网施工及架立钢架，架立的钢架采用实施例1中的支护装置支撑；其次开挖中部台阶层，并对隧道边墙进行喷锚施工、钢筋网施工及架立钢架，架立的钢架采用本发明的支护装置支撑，最后开挖隧底台阶层。
喷锚施工包括初喷施工和复喷施工，在初喷后、复喷前，进行钢筋网施工，并挂设钢筋网。
通过增大预留变形量，在隧道开挖后，给围岩一定的收缩变形空间，既充分发挥了围岩的自承能力，又避免造成过强支护结构的浪费。
增加测量仪及监控量测项目，在为验证支护参数的合理性提供依据时，同时为掌握软岩轻微大变形的规律奠定基础。
作为其中的一种实施方式，在所述步骤a中进行超前支护3时，采用导管，在隧道拱部120°范围内设置导管，所述导管的直径为Φ42，导管间的环向间距0.4～0.5m，纵向间距2.3～2.5m，所述导管的长度为3.5m，每环设置24根导管，隧道拱部120°是指以隧道拱顶为中心的两侧60°范围。
作为其中的一种实施方式，在所述步骤b中，进行锚杆2的施工过程中，隧道拱部采用组合中空锚杆，隧道边墙采用砂浆锚杆，且隧道边墙还增设有钢花管、涨壳式预应力中空锚杆或自进式补强锚杆中的任意一种或多种。
首先，采用普通砂浆锚杆锚固形式无法满足使用要求，存在难以成孔、主动支护时机较长等问题。同时针对高原地区软弱围岩的地质条件，采用单一的锚杆锚固形式无法满足使用要求，存在变形量大、变形持续时间长及变形难以控制的问题，隧道拱部采用组合中空锚杆，隧道边墙采用砂浆锚杆并增设其他类型锚杆，能保护支护结构不被破坏，有效避免了频繁更改初支钢架尺寸和单元划分的问题，提高施工效率，保护隧道安全。
作为其中的一种实施方式，在所述步骤b锚杆施工过程中，包括自进式锚杆施工和涨壳式锚杆施工，其中，所述自进式锚杆施工采用锚杆台车进行施作，包括以下步骤：
b11、标识出锚杆锚固部位；
b12、加强支护，钻进锚固孔；
b13、检查锚杆并安装止浆塞和垫板；
b14、注浆并封口，注浆前进行备料，并制备水泥砂浆或双液浆；
所述涨壳式锚杆施工包括以下步骤：
b11′、钻孔，用凿岩机在地层中钻孔，钻头为十字钻头；
b12′、***锚杆，并连接安装工具，通过冲转力使涨壳锚头在孔道底部充分涨开；
b13′、卸去安装工具，安装垫板、螺母及注浆管；
b14′、注浆。
进一步地，在***涨壳式锚杆时，一端安上安装工具，工厂配合提供的钎尾，并接上凿岩机，开动凿岩机，通过其冲转力使涨壳锚头在孔道底部充分涨开（一般以凿岩机无法转动为止即可）。
注浆材料采用纯水泥浆，水灰比W/C为（0.35～0.45）：1，将水灰比W/C值设置较小时，水泥浆的收缩率少。
注浆设备：使用注浆压力1～1.5MPa的螺杆泵型注浆，该注浆泵能用极浓浆（W/C=0.35:1），以提高注浆体与孔壁之间的饱满度，减少浆体的收缩率，当W/C值小于0.4时可控制浆体固结后收缩率小于1％。
注浆时应将初步拌和的水泥浆放入注浆泵的进料器中。开动泵工作后，注浆前将进料器中的全部浆液通过泵泵回到进料器中，使泥浆体通过泵充分拌和后再行锚杆注浆，这样浆液和易性很好，注浆效果好。
锚杆特定的向上注浆和向下注浆功能提高了锚杆注浆的可靠性。当锚杆向上安装时，即如向隧道拱部安装时，注浆液从注浆管进浆，浆体逐渐充溢钻孔并向上流动，注浆体从涨壳锚头尾端进浆，此时中空锚杆体的空腔成为排气道。
当锚杆向下安装时，中空锚杆体为进浆道，塑料管为排气道注浆时，浆体从涨壳锚头底部出浆，并逐渐充溢钻孔道。浆体从塑料管流出，并保持约30s的压力时停止注浆。
所述自进式锚杆施工方法具体包括以下内容：
①将合金钻头与锚杆一端连接，自进式锚杆另一端连接上钎套、钎尾后再与手持式钻机连接好，自进式锚杆按设计的深度开始钻进，钻进时须加注冷却水（锚杆单根长度不超过4米，如需加长可用连接套进行连接，然后钻进）；
②卸下钻机，将止浆塞套进杆体，并将其塞入孔内，准备注浆。特殊情况下注浆压力过大或围岩太破碎，可用锚固剂封孔；
③将快速注浆接头与锚杆尾端连接，注浆接头另一端与注浆机连接；
④开动注浆机注浆，待注浆饱满且压力达到设计值时关机。注浆压力根据设计参数和注浆机性能确定，灰沙比参考值1：0～1：1，水灰比参考值0.45～0.5：1；
⑤安装垫板和螺母，并旋紧螺母。
作为其中的一种实施方式，在所述步骤b钢筋网施工过程中，按照以下步骤进行：
b21、调直钢筋，并将钢筋剪截成设计长度；
b22、清理钢筋表面，并焊接成钢筋网；
b23、在预定位置挂设钢筋网，所述钢筋网随初喷面起伏铺设，钢筋网与锚杆固定，且相邻两个钢筋网焊接。
钢筋条焊接成钢筋网片，钢筋的设计长度根据拱架间距和钢筋网片之间搭接长度确定，在焊接钢筋前，先将钢筋表面的油污、漆污、水泥浆、浮皮和铁锈清除干净，焊接完成的钢筋网片应保持平整状态，且钢筋表面无削弱钢筋截面的伤痕。
在将相邻两个钢筋网焊接成整体的过程中，两个钢筋网之间应进行搭接焊接，搭接长度为1～2个网格。
进一步地，钢筋网片采用Ⅰ级φ8或Φ6钢筋焊制，针对高原地区软岩条件，采用这种规格的钢筋网片，能提高较好的受力结构，增强隧道在喷射混凝土后的结构稳定性和安全性。
作为其中的一种实施方式，在所述步骤b喷锚施工过程中，按照以下步骤进行：
b31、施工准备，包括清理受喷面、配备混凝土、设置控制喷射混凝土厚度的标志及施工机具就位，清理受喷面时采用高压水或高压风除净受喷岩面，
b32、拌合喷射混合料并运输到位，拌合时加入合成纤维或钢纤维；
b33、初喷混凝土6，初喷时加入速凝剂。
b34、施作如上述所述的支护装置，并清除初喷面粉尘；
b35、复喷混凝土6至设计厚度。
进一步地， 在步骤b31中，采用埋设钢筋头作为控制混凝土厚度的标志，也可以在喷射时***长度比设计厚度大5cm的铁丝，每1～2m设置一根，作为施工控制用。
喷射前应对受喷岩面进行处理，一般岩面可用高压水冲洗受喷岩面的浮尘、岩屑，当岩面遇水容易潮解、泥化时，宜采用高压风吹净岩面。
喷射混凝土必须满足设计的强度、厚度及其与岩面粘结力；喷射时，分段分片依次进行，喷射顺序应自下而上，分段长度不宜大于6m；分层喷射时，后一层喷射在前一层混凝土终凝后进行，当终凝1小时后再进行喷射时，先用风水清洗喷层表面；喷射混凝土的一次喷射厚度边墙不超过10cm，拱部不超过6cm；初喷混凝土在开挖后及时进行，复喷应根据掌子面地质情况和一次***药量分层、分时段进行喷射作业，确保喷射混凝土的支护能力和喷层的设计厚度，喷射混凝土终凝后3h内不再进行***作业；喷射混凝土拌合物的停放时间不大于30分钟；喷射混凝土时，喷嘴宜与喷射面垂直，其间距宜为1.5～2.0m；喷嘴连续、缓慢作横向环行移动，喷层厚度均匀；喷射在岩面上的混凝土表面应无滑移下坠现象，当表面有松动、开裂、下坠、滑移等现象时，清除重喷；喷射完成后检查喷射混凝土的回弹率和实际配合比，喷射混凝土的回弹率：边墙不应大于15%，拱部不应大于25%；喷射完成后检查喷射混凝土与岩面粘结情况，才用锤敲击检查，当有空敲、脱壳时，凿除冲洗干净进行重喷，或采用压浆法充填。
采用上述方式，喷射的混凝土中加入合成纤维或钢纤维，特别适合应用在高原地区软弱围岩的条件下，保证隧道在喷射混凝土后具有稳定、可靠的结构，不会发生大变形。
作为其中的一种实施方式，在所述步骤b架立钢架4时，在定位锚杆施工完成后进行，且架立钢架前，清除底脚浮碴，在架立钢架时，包括以下步骤：
b41、加工、预拼钢架4；
b42、安装钢架4，将钢架4与定位锚杆焊接，并设置锁脚锚管将钢架锁定；
b43、增设鞍形垫块，并安装纵向连接钢筋5，使钢架3连为整体。
完成上述架立钢架后，挂设钢筋网，进行混凝土复喷，采取上述方式，对隧道围岩进行支撑，并保证隧道不会发生变形，同时对钢筋网进行连接和支撑，保证在喷锚施工完成后，不会发生掉渣、沉陷等问题。
钢架安装前，清除钢架底脚下的虚碴及杂物，钢架安装允许偏差：钢架间距、横向位置和高程与设计位置的偏差不超过±5cm，垂直度误差为±2cm；各节钢架间以螺栓连接，且连接板应密贴；沿钢架外缘每隔2m应用钢楔或混凝土预制块楔紧；与钢架连接的支护装置置于牢固的基础上，钢架密贴围岩并与锚杆焊接牢固，钢架之间按设计进行纵向连接。
实施例3
如图1、图2和图3所示，采用三台阶法开挖隧道，首先开挖顶部台阶层，并对隧道拱部进行喷锚施工、钢筋网施工及架立钢架，架立的钢架采用实施例1中的支护装置支撑；其次开挖中部台阶层，并对隧道边墙进行喷锚施工、钢筋网施工及架立钢架，架立的钢架采用本发明的支护装置支撑，最后开挖隧底台阶层。
具体施工工序包括如下六个步骤：
A：①利用上一循环架立的钢架4施作隧道拱部的超前支护3；②开挖Ⅰ部；③施作Ⅰ部初期支护，即初喷4cm厚混凝土6，铺设钢筋网，架立钢架4和I18临时钢架9（横撑）（必要时设置），施作大拱脚1，并设锁脚锚杆7或锚管8；④钻设径向锚杆2后复喷混凝6土至设计厚度。
B：①在滞后于Ⅰ部一段距离后，开挖Ⅱ部；②台阶周边部分初喷4cm厚混凝土6，并铺设钢筋网；③接长钢架；④钻设径向锚杆后复喷混凝土6至设计厚度。
C、①在滞后于Ⅱ部一段距离后，弱***开挖Ⅲ部；②施作隧底喷混凝土6。
D、①根据监控量测结果分析，待初期支护收敛后，拆除I18临时钢架；②灌筑Ⅳ部仰拱与矮边墙。
E：灌筑仰拱填充Ⅴ部至设计高度。
F：利用衬砌模板台车一次性灌筑Ⅵ部衬砌（拱墙衬砌一次施作）。
在施工过程中，应按照如下几个标准进行施工：
1、隧道施工应坚持“弱***、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则；
2、在工序变化处的钢架4应设置锁脚锚杆7或锚管8，确保钢架4基础稳定和下台阶安全，防止塌方；
3、台阶高度可根据设计高度进行适当调整；
4、钢架4之间设置有纵向连接钢筋5，并依靠该纵向连接钢筋5牢固连接；
5、采用三台阶法开挖隧道时，各步台阶开挖长度可根据设计长度进行调整，但是在Ⅲ部开挖后，应及时施作仰拱；
6、复合式衬砌在施工时，应进行监控量测，并根据量测结果确定浇筑二次衬砌的时机及调整支护参数，必要时刻喷混凝土封闭掌子面，同时根据情况在上台阶底部设20cm厚的喷混凝土临时仰拱；
7、I18横撑连接处或与钢架连接处均设置钢垫板，钢垫板的尺寸为240mm×200mm×16mm；
8、在实际应用时，大拱脚的主体部采用I18工字钢，支撑钢板的尺寸为1000mm×300mm×16mm或500mm×200mm×16mm或240mm×200mm×16mm，支撑钢板与斜撑焊接，连成整体，斜撑采用I18工字钢；
9、I18横撑为临时支护，施工中应尽量倒换使用。
Claims (10)
1.一种高原地区软岩轻微大变形单线隧道支护装置，其特征在于，包括用于提高混凝土喷射附着力的钢筋网，以及用于将该钢筋网固定在初喷面上的钢架，所述钢架底部设有用于增大钢架与隧底支撑面接触面积的大拱脚，该大拱脚包括与钢架连接的主体部和沿隧道径向方向延伸的板状支撑部，且所述主体部和板状支撑部之间连接有斜撑。
2.根据权利要求1所述的高原地区软岩轻微大变形单线隧道支护装置，其特征在于，该支护装置还包括锚杆，包括布置在隧道拱部的组合中空锚杆和布置在隧道边墙的砂浆锚杆，以及增设在隧道边墙的钢花管、涨壳式预应力中空锚杆或自进式补强锚杆中的任意一种或多种。
3.根据权利要求1所述的高原地区软岩轻微大变形单线隧道支护装置，其特征在于，所述大拱脚布置在顶部台阶层的钢架底部，所述主体部采用与钢架相同的型钢，所述支撑部为支撑钢板，所述斜撑为连接主体部和支撑部的型钢。
4.一种高原地区软岩轻微大变形单线隧道施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、施作超前支护；
b、采用台阶法开挖隧道，并在开挖除隧底部分外的其余断面时，采用如权利要求1-3之一所述的支护装置对单线隧道进行支撑，包括锚杆施工、钢筋网施工、喷锚施工和架立钢架；
c、灌注边墙基础、仰拱及隧底填充；
d、进行一次性浇筑衬砌。
5.根据权利要求4所述的高原地区软岩轻微大变形单线隧道施工方法，其特征在于，在所述步骤a中施作超前支护时，在隧道拱部120°范围内设置导管，所述导管的直径为Φ42，导管间的环向间距0.4～0.5m，纵向间距2.3～2.5m，所述导管的长度为3.5m，每环设置24根导管。
6.根据权利要求4所述的高原地区软岩轻微大变形单线隧道施工方法，其特征在于，在所述步骤b锚杆施工过程中，隧道拱部采用组合中空锚杆，隧道边墙采用砂浆锚杆，且隧道边墙还增设有钢花管、涨壳式预应力中空锚杆或自进式补强锚杆中的任意一种或多种。
7.根据权利要求6所述的高原地区软岩轻微大变形单线隧道施工方法，其特征在于，在所述步骤b锚杆施工过程中，包括自进式锚杆施工和涨壳式锚杆施工，其中，所述自进式锚杆施工采用锚杆台车进行施作，包括以下步骤：
b11、标识出锚杆锚固部位；
b12、加强支护，钻进锚固孔；
b13、检查锚杆并安装止浆塞和垫板；
b14、注浆并封口，注浆前进行备料，并制备水泥砂浆或双液浆；
所述涨壳式锚杆施工包括以下步骤：
b11′、钻孔，用凿岩机在地层中钻孔，钻头为十字钻头；
b12′、***锚杆，并连接安装工具，通过冲转力使涨壳锚头在孔道底部充分涨开；
b13′、卸去安装工具，安装垫板、螺母及注浆管；
b14′、注浆。
8.根据权利要求4所述的高原地区软岩轻微大变形单线隧道施工方法，其特征在于，在所述步骤b钢筋网施工过程中，按照以下步骤进行：
b21、调直钢筋，并将钢筋剪截成设计长度；
b22、清理钢筋表面，并焊接成钢筋网；
b23、在预定位置挂设钢筋网，所述钢筋网随初喷面起伏铺设，钢筋网与锚杆固定，且相邻两个钢筋网焊接。
9.根据权利要求4所述的高原地区软岩轻微大变形单线隧道施工方法，其特征在于，在所述步骤b喷锚施工过程中，按照以下步骤进行：
b31、施工准备，包括清理受喷面、配备混凝土、设置控制喷射混凝土厚度的标志及施工机具就位，清理受喷面时采用高压水或高压风除净受喷岩面，
b32、拌合喷射混合料并运输到位，拌合时加入合成纤维或钢纤维；
b33、初喷混凝土，初喷时加入速凝剂；
b34、施作如上述所述的支护装置，并清除初喷面粉尘；
b35、复喷混凝土至设计厚度。
10.根据权利要求4所述的高原地区软岩轻微大变形单线隧道施工方法，其特征在于，在所述步骤b架立钢架时，在定位锚杆施工完成后进行，且架立钢架前，清除底脚浮碴，在架立钢架时，包括以下步骤：
b41、加工、预拼钢架；
b42、安装钢架，将钢架与定位锚杆焊接，并设置锁脚锚管将钢架锁定；
b43、增设鞍形垫块，并安装纵向连接筋，使钢架连为整体。
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