CN108798702A - 一种大断面软岩大变形隧道的支护方法 - Google Patents
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Abstract
一种大断面软岩大变形隧道的支护方法,开挖一个进尺后进行初喷混凝土,然后钻孔,将第一约束杆送入孔内,对第一约束杆进行注浆,形成上部初衬支护;在上部初衬支护下,两侧错位开挖中台阶后进行初喷混凝土;钻孔后将第二约束杆送入孔内,复喷混凝土至设计厚度;两侧错位开挖下台阶后进行初喷混凝土;钻孔后将第三约束杆送入孔内,回填下台阶左右两侧;开挖中台阶预留核心土部分和下台阶预留核心土部分,然后开挖仰拱,进行下一循环的施工,以至隧道贯通。本发明的支护方法中支护型式变内支撑为外支撑,节省隧道内空间,确保支护结构的安全性和耐久性,在有效控制隧道大变形的同时,更加安全、经济、耐久、操作性强,有效缩短工期。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程领域,具体涉及一种大断面软岩大变形隧道的支护方法。
背景技术
我国是一个多山地和丘陵的国家,其中山地和丘陵占全国陆地面积的69%。交通基础设施建设也将得到快速发展,在公路、铁路的建设过程中必将遇到大量软散围岩隧道。在软散地层中修筑隧道时,围岩的自稳性较差,极易产生滑塌和牵引变形,且变形量大,持续时间长,流变特性明显。隧道初期支护结构容易在挤压大变形作用下出现开裂、掉块、钢架扭曲、折断和侵限等问题,导致工程造价不可控,建设费用严重超概,建设工期难以预测,施工质量难以保证,甚至造成二衬开裂,拱脚下沉,仰拱上隆等工程病害。
对于软散围岩隧道,大变形是常见的工程灾害之一,并且是尚未解决的世界性难题。传统的做法是增加初期支护结构的强度和刚度,主要支护手段有:两层、三层初期支护,加强二次衬砌,扩挖为受力性能更好的圆形断面,应力释放技术(超前导洞应力释放、预留变形应力释放、换拱应力释放),让压锚杆支护等。综合分析上述大变形支护方案,还存在以下不足之处:
(1)工程造价高,工序繁琐,进度缓慢,工期延长;
(2)控制软岩大变形效果一般,甚至无效;
(3)二衬往往在初期支护结构变形未收敛的情况下施作,二衬受力较大,隧道结构的可靠性、安全性和耐久性得不到保障;
(4)未考虑初期支护结构的稳定性,一味地加强初衬的强度和刚度,支护效果差,且造成隧道工程的经济性差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大断面软岩大变形隧道的支护方法,其既能限制初期支护结构在自重、振动、拱脚围岩压密、钢架间的约束反力作用下的沉降变形,防止产生背后空洞,围岩持续牵引变形,松动圈扩大,继而诱发的大变形等问题,同时又能增加初期支护结构的稳定性,约束初期支护结构在较小的围岩压力小产生“曲杆”失稳破坏问题,防止出现钢架扭曲、折断、初衬侵限等现象,优化初期支护结构的受力性,保证支护结构的安全。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种大断面软岩大变形隧道的支护方法,包括以下步骤:
(1)上台阶施工:首先进行上台阶的开挖,开挖一个进尺后进行初喷混凝土,初喷完成后,在上台阶左右拱腰钢架连接位置处按水平向上30°钻孔,然后,将第一约束杆送入孔内;通过注浆设备对第一约束杆进行注浆;架立上台阶钢架,使上台阶钢架与喷射混凝土密贴,挂设钢筋网;施作超前注浆小导管;最后,复喷混凝土至设计厚度,形成上部初衬支护;
(2)中台阶施工:在上部初衬支护下,两侧错位开挖中台阶,预留中台阶核心土部分,开挖完成后进行初喷混凝土;初喷完成后,在上中台阶钢架连接位置处偏下30~50cm处按水平向下10°钻孔;然后,将第二约束杆送入孔内;通过注浆设备对第二约束杆进行注浆;接长中台阶钢架,使中台阶钢架与喷射混凝土密贴,挂设钢筋网;最后,复喷混凝土至设计厚度;
(3)下台阶施工:两侧错位开挖下台阶,预留中台阶核心土部分,开挖完成后进行初喷混凝土;初喷完成后,在中下台阶钢架连接位置处偏下30~50cm处按水平向下10°钻孔;将第三约束杆送入孔内;通过注浆设备对第三约束杆进行注浆;接长下台阶钢架,使下台阶钢架与喷射混凝土密贴,挂设钢筋网;施作下台阶锁脚锚管;最后,复喷混凝土至设计厚度,回填下台阶左右两侧;
(4)预留核心土开挖:开挖中台阶预留核心土部分和下台阶预留核心土部分,开挖进尺与各台阶循环进尺一致;
(5)仰拱开挖:每循环开挖长度3~5m,仰拱部分开挖后,进行初喷;
(6)在超前注浆小导管支护下,进行下一循环的施工,以至隧道贯通。
本发明进一步的改进在于,步骤(1)中超前注浆小导管的直径为42mm。
本发明进一步的改进在于,步骤(1)、(2)与(3)中钻孔时,均预留0.2m的长度。
本发明进一步的改进在于,步骤(1)、(2)与(3)中压浆时,压力为0.5~2MPa。
本发明进一步的改进在于,步骤(1)~(5)中采用弱***和机械开挖相结合的方式进行开挖,上台阶开挖矢跨比不小于0.3,开挖进尺根据钢架间距确定。
本发明进一步的改进在于,第一约束杆、第二约束杆与第三约束杆均为注浆锚管。
本发明进一步的改进在于,第一约束杆、第二约束杆与第三约束杆的直径均为76mm,长度均为6~10m。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
(1)根据初期支护结构的力学原理,结合初期支护结构的破坏形式或失稳模态,利用欧拉公式,采用稳定杆原理,通过设置第一约束杆、第二约束杆与第三约束杆,解决初期支护结构的失稳破坏;
(2)本发明选择取消***锚杆、上台阶的锁脚锚管和中台阶的锁脚锚管,加强钢架间纵向连接,以形成稳定的承载结构,有效增加初期支护结构的稳定性,控制围岩大变形,减少开挖预留变形量,解决初期支护结构失稳破坏、侵限导致的频繁换拱问题,同时大大降低开挖量、出渣量及喷射混凝土用量;
(3)采用本发明中的支护方法,取消了隧道***锚杆、上台阶的锁脚锚管和中台阶的锁脚锚管,可节约工程造价,简化工序,节省时间,加快进度;
(4)本发明的支护方法中初期支护结构采用单层钢架,与传统两层、三层钢架相比,所述新型支护型式为初期支护结构做“减法”,达到明显“瘦身”的效果,充分发挥支护的材料强度;
(5)本发明的支护方法中支护型式变内支撑为外支撑,节省隧道内空间,利于大型机械施工,提高施工效率,其中约束杆作为永久支护,后期不用拆除,可进一步确保支护结构的安全性和耐久性。
本发明的新型支护型式相比传统支护型式,在有效控制隧道大变形的同时,更加安全、经济、耐久、操作性强,有效缩短工期。
附图说明
图1为本发明开挖步骤三维示意图;
图2为本发明的支护型式的三维示意图;
图3为本发明的支护型式的主视图。
图中,1为第一约束杆,2为超前注浆小导管,3为第二约束杆,4为第三约束杆,5为下台阶锁脚锚管,6为连接构件,Ⅰ为上台阶,Ⅱ(1)为左侧中台阶,Ⅱ(2)为右侧中台阶,Ⅲ(1)为左侧下台阶,Ⅲ(2)为右侧下台阶,Ⅳ(1)为下台阶左侧空间,Ⅳ(2)为下台阶右侧空间,Ⅴ为中台阶核心土部分,Ⅵ为下台阶预留核心土部分,Ⅶ为仰拱部分。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明进行详细描述。
本发明提供的一种大断面软岩大变形隧道的支护方法,包括以下步骤:
(1)上台阶施工:首先进行上台阶Ⅰ(见图1)的开挖,开挖一个进尺后快速进行初喷混凝土,喷射混凝土需满足厚度及平整度要求,初喷完成后,在上台阶左右拱腰钢架连接位置处按上倾角(即水平向上)30°钻孔,锚孔需包括0.2m的预留长度;然后,立即将第一约束杆1送入孔内,对孔口进行封堵并预留排气孔,排气孔在注浆过程中也可用于排水;通过注浆设备对第一约束杆1进行压浆,注浆压力需达到0.5~2MPa,确保注浆达到饱压密实效果;若孔内有地下水汇集,注浆时应采用间歇压浆;注浆完毕后立即清洗注浆设备;架立上台阶钢架,确保上台阶钢架与喷射混凝土密贴,挂设钢筋网;施作φ42mm超前注浆小导管2;最后,复喷混凝土至设计厚度,形成上部初衬支护。
(2)中台阶施工:在上部初衬支护下,两侧错位开挖中台阶,具为左侧中台阶Ⅱ(1)和右侧中台阶Ⅱ(2),预留中台阶核心土部分Ⅴ,开挖完成后快速进行初喷混凝土,喷射混凝土需满足厚度及平整度要求;初喷完成后,在上中台阶钢架连接位置处偏下30~50cm处按下倾角(即水平向下)10°钻孔,锚孔需包括0.2m的预留长度;然后,立即将第二约束杆3送入孔内,对孔口进行封堵并预留排气孔,排气孔在注浆过程中也可用于排水;通过注浆设备对第二约束杆进行压浆,注浆压力需达到0.5~2MPa,确保注浆达到饱压密实效果;若孔内有地下水汇集,注浆时应采用间歇压浆;注浆完毕后立即清洗注浆设备;接长中台阶钢架,确保中台阶钢架与喷射混凝土密贴,挂设钢筋网;最后,复喷混凝土至设计厚度。
(3)下台阶施工:两侧错位开挖下台阶,具体为左侧下台阶Ⅲ(1)和右侧下台阶Ⅲ(2),预留下中台阶核心土部分Ⅵ,开挖完成后快速进行初喷混凝土,喷射混凝土需满足厚度及平整度要求;初喷完成后,在中下台阶钢架连接位置处偏下30~50cm处按下倾角(水平向下) 10°钻孔,锚孔需包括0.2m的预留长度;然后,立即将第三约束杆4送入孔内,对孔口进行封堵并预留排气孔,排气孔在注浆过程中也可用于排水;通过注浆设备对第三约束杆4进行压浆,注浆压力需达到0.5~2MPa,确保注浆达到饱压密实效果;若孔内有地下水汇集,注浆时应采用间歇压浆;注浆完毕后立即清洗注浆设备;接长下台阶钢架,确保下台阶钢架与喷射混凝土密贴,挂设钢筋网;施作下台阶锁脚锚管5;最后,复喷混凝土至设计厚度,待混凝土达到一定强度,回填下台阶左右两侧空间(见图1中下台阶左侧空间Ⅳ(1)和下台阶右侧空间Ⅳ(2)为已经回填得到部分)。
(4)预留核心土开挖:开挖中台阶预留核心土部分Ⅴ和下台阶预留核心土部分Ⅵ(见图 1),开挖进尺与各台阶循环进尺一致;
(5)仰拱开挖:每循环开挖长度3~5m,仰拱部分Ⅶ(见图1)开挖后,立即进行初喷。
(6)在超前注浆小导管2支护下(见图2和图3),进行下一循环的施工,以至隧道贯通。
本发明的一种大断面软岩大变形隧道的施工工艺的要点为:
步骤(1)~(5)中应采用弱***和机械开挖相结合的方式进行开挖,上台阶开挖矢跨比不小于0.3,开挖进尺根据钢架间距确定。
步骤(1)~(3)中应选择取消***锚杆,步骤(1)和(2)中还取消锁脚锚管,加强钢架间纵向连接,以形成稳定的承载结构。
步骤(1)~(3)中钢架架设或落底接长后,应快速连接第一约束杆1、第二约束杆3与第三约束杆4与钢架,并快速施作步骤(3)中的锁脚锚管,避免因钢架下端自由而加剧钢架的沉降和收敛变形。
步骤(1)~(3)中在改善初期支护结构受力性能方面,特别重视加强约束杆与钢架的连接质量,避免两者在受力过程中脱开而导致约束杆失效。
本发明的支护形式可概括为“约束杆+钢架+喷网+超前注浆小导管+锁脚锚管”组合结构,即该支护型式包括约束杆、型钢钢架、钢筋网、超前注浆小导管以及锁脚锚管,喷射混凝土。
本发明中的第一约束杆1、第二约束杆3第三约束杆4为大直径大尺度(直径为Φ76mm,长度为6~10m)的注浆锚管。第一约束杆1、第二约束杆3与第三约束杆4与钢架均通过连接构件6相连接,约束杆通过注浆产生抗拔力。约束杆用于增加钢架、喷射混凝土等初期支护结构的稳定性,起到铰约束的作用,防止初期支护结构的失稳破坏,并限制初期支护结构在自重、振动、拱脚围岩压密、钢架间的约束反力作用下的沉降变形,防止产生背后空洞及围岩牵引变形。
本发明第一约束杆1、第二约束杆3第三约束杆4中注浆浆液为高强快硬锚固砂浆,高强快硬锚固砂浆通过以下过程制得:将水泥、水和缓凝剂混合均匀即可,其中,水灰比为0.46,缓凝剂用量为水泥含量的0.03%~0.1%。其中,缓凝剂为柠檬酸,水泥为硫酸盐水泥。该高强快硬锚固砂浆4h抗压强度大于10MPa。约束杆钻孔应采用快速钻孔设备,钻孔直径应满足浆液握裹厚度。钢架采用型钢钢架,钢架节与节环向通过螺栓连接,钢架与钢架纵向通过钢筋相连。钢筋网由钢筋焊接而成。超前注浆小导管端头与钢架相连。锁脚锚管于下台阶拱脚施作,锁脚锚管分布于钢架两侧,并与钢架相连。
本发明中步骤(1)~(3)中喷射混凝土施作分为初喷和复喷。初喷利于所述钢架与围岩紧贴密实,防止围岩松动圈扩大。喷射混凝土为早强快硬型,4h抗压强度大于10MPa,能快速封闭开挖面,提供承载力,防止松动圈不断牵引扩大。
Claims (7)
1.一种大断面软岩大变形隧道的支护方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)上台阶施工:首先进行上台阶的开挖,开挖一个进尺后进行初喷混凝土,初喷完成后,在上台阶左右拱腰钢架连接位置处按水平向上30°钻孔,然后,将第一约束杆(1)送入孔内;通过注浆设备对第一约束杆(1)进行注浆;架立上台阶钢架,使上台阶钢架与喷射混凝土密贴,挂设钢筋网;施作超前注浆小导管(2);最后,复喷混凝土至设计厚度,形成上部初衬支护;
(2)中台阶施工:在上部初衬支护下,两侧错位开挖中台阶,预留中台阶核心土部分,开挖完成后进行初喷混凝土;初喷完成后,在上中台阶钢架连接位置处偏下30~50cm处按水平向下10°钻孔;然后,将第二约束杆(3)送入孔内;通过注浆设备对第二约束杆(3)进行注浆;接长中台阶钢架,使中台阶钢架与喷射混凝土密贴,挂设钢筋网;最后,复喷混凝土至设计厚度;
(3)下台阶施工:两侧错位开挖下台阶,预留中台阶核心土部分,开挖完成后进行初喷混凝土;初喷完成后,在中下台阶钢架连接位置处偏下30~50cm处按水平向下10°钻孔;将第三约束杆(4)送入孔内;通过注浆设备对第三约束杆(4)进行注浆;接长下台阶钢架,使下台阶钢架与喷射混凝土密贴,挂设钢筋网;施作下台阶锁脚锚管(5);最后,复喷混凝土至设计厚度,回填下台阶左右两侧;
(4)预留核心土开挖:开挖中台阶预留核心土部分和下台阶预留核心土部分,开挖进尺与各台阶循环进尺一致;
(5)仰拱开挖:每循环开挖长度3~5m,仰拱部分开挖后,进行初喷;
(6)在超前注浆小导管(2)支护下,进行下一循环的施工,以至隧道贯通。
2.根据权利要求1所述的一种大断面软岩大变形隧道的支护方法,其特征在于,步骤(1)中超前注浆小导管(2)的直径为42mm。
3.根据权利要求1所述的一种大断面软岩大变形隧道的支护方法,其特征在于,步骤(1)、(2)与(3)中钻孔时,均预留0.2m的长度。
4.根据权利要求1所述的一种大断面软岩大变形隧道的支护方法,其特征在于,步骤(1)、(2)与(3)中压浆时,压力为0.5~2MPa。
5.根据权利要求1所述的一种大断面软岩大变形隧道的支护方法,其特征在于,步骤(1)~(5)中采用弱***和机械开挖相结合的方式进行开挖,上台阶开挖矢跨比不小于0.3,开挖进尺根据钢架间距确定。
6.根据权利要求1所述的一种大断面软岩大变形隧道的支护方法,其特征在于,第一约束杆(1)、第二约束杆(3)与第三约束杆(4)均为注浆锚管。
7.根据权利要求6所述的一种大断面软岩大变形隧道的支护方法,其特征在于,第一约束杆(1)、第二约束杆(3)与第三约束杆(4)的直径均为76mm,长度均为6~10m。
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