CN110318772B - 黄土地区大跨小净距非对称断面隧道支护结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了黄土地区大跨小净距非对称断面隧道支护结构及施工方法，大断面支护结构包括超前夯管帷幕预支护、初期支护与二次衬砌结构，小断面支护结构包括超前注浆支护、第一层初期支护、第二层初期支护与二次衬砌结构，围岩采用地表注浆加固和侧壁拱形支护，能够有效的控制变形、确保施工与运营安全。本发明采用“先开挖大断面后开挖小断面”的施工顺序，大断面采用双侧壁导坑法开挖，小断面采用两台阶法进行开挖。选取合理的开挖顺序及支护结构，确保隧道开挖过程围岩的稳定，尽量减少对围岩的扰动，大大缩短了施工工期和工程造价，创造了显著的经济效益。

Description

黄土地区大跨小净距非对称断面隧道支护结构及施工方法

技术领域

本发明涉及隧道施工领域，尤其涉及黄土地区大跨小净距非对称断面隧道支护结构及施工方法。

背景技术

如何确保大跨小净距非对称断面黄土隧道施工和周边环境的安全至关重要。隧道施工的沉降控制除了和黄土力学性状紧密相关外，还与开挖方式、支护***的选择相关。在都市化发展过程中土地利用的限制，大跨小间距非对称断面隧道的设计方案已经无法避免，左、右线隧道属于典型非对称断面，在国内黄土地区尚属少见，围岩应力分布极复杂，并且双孔隧道间的中间岩柱宽度较小，围岩应力状态不同于单一隧道开挖，一般会出现应力叠加的现象，且大跨度的施工如支护时机控制不当极易造成地表剧烈沉降，冲击周边环境的安全。上述原因大幅增加隧道的施工难度，所以选取合理的开挖顺序和施工参数对本工程至关重要。由于黄土隧道特有的不良地质现象开挖过程中支护体系易出现变形，使隧道工程存在较大的风险，如果采取的支护工艺不合理，很容易在施工中出现塌方的状况，威胁工作人员的生命安全。根据黄土隧道的变形特征，在保障施工与运营安全前提下采用何种施工方法及支护结构最具经济性，是首先需要解决的问题。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种黄土地区大跨小净距非对称断面隧道的支护结构及施工方法，大断面采用超前夯管帷幕预支护、初期支护和二次衬砌结构，小断面采用超前注浆支护、第一层初期支护、第二层初期支护与二次衬砌结构，按照“先开挖大断面后开挖小断面”的施工顺序，解决大跨小净距非对称断面黄土隧道施工关键工程问题。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

黄土地区大跨小净距非对称断面隧道支护结构，其特征在于：包括支护结构一、支护结构二、支护结构三；

所述支护结构一是对大断面和小断面之间的围岩设置的支护结构，包括在围岩上表面进行的地表注浆加固；

所述支护结构二是对大断面设置的支护结构，包括设置在大断面内表面上的超前夯管帷幕预支护，所述超前夯管帷幕预支护内表面上覆盖有初期支护，所述初期支护上设置有多个锁脚锚管；所述大断面通过双侧壁导坑法分隔成六个区域，分别为左上区域、左下区域、中上区域、中下区域、右上区域和右下区域，相邻的两个区域之间均设置有中隔墙；所述大断面施工成环后，在拱墙处还设置有二次衬砌；

所述支护结构三是对小断面设置的支护结构，包括设置在小断面内表面的超前小导管支护，所述超前小导管支护内表面上覆盖有初期支护和第二层初期支护，所述初期支护和第二层初期支护上也设置有多个锁脚锚管；所述小断面施工成环后，在拱墙处也设置有二次衬砌。

进一步的，所述支护结构一还包括设置在所述围岩底部的两个侧壁拱形支护，其中一个所述侧壁拱形支护沿所述大断面内侧壁设置，另一个所述侧壁拱形支护沿小断面内侧壁设置，两个侧壁拱形支护之间使用不少于3根的拉杆刚性连接。

优选的，所述侧壁拱形支护大小不超过对应断面周长的1/4。

进一步的，所述初期支护包括沿断面铺设的钢筋网，所述钢筋网上喷射有混凝土，断面四周通过设置钢架来进行支护，钢架纵向连接牢固，将钢架固定形成整体受力结构；在钢架拱脚上部打设锁脚锚管，所述锁脚锚管与所述钢架固定连接。

优选的，所述二次衬砌采用钢筋混凝土结构。

进一步的，黄土地区大跨小净距非对称断面隧道支护结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，根据大断面和小断面的结构，将大断面分隔成六个区域，分别为左上区域、左下区域、中上区域、中下区域、右上区域和右下区域；将小断面分隔成上部和下部；

步骤二，隧道开挖前，对小净距隧道间围岩采用地表注浆加固；

步骤三，对小净距隧道间围岩底部采用侧壁拱形支护；

步骤四，对大断面进行超前夯管帷幕预支护；

步骤五，开挖大断面的左上区域和右上区域，并施作初期支护及中隔墙；

步骤六，开挖大断面的左下区域和右下区域，并施作初期支护及中隔墙；

步骤七，开挖大断面的中上区域，并施作初期支护及中隔墙；

步骤八，开挖大断面的中下区域，并施作仰拱初期支护；

步骤九，对大断面的拱墙进行二次衬砌施工；

步骤十，对小断面进行超前小导管支护；

步骤十一，开挖小断面的上部，并施作初期支护；

步骤十二，开挖小断面的下部，并施作仰拱初期支护；

步骤十三，对小断面进行第二层初期支护；

步骤十四，对小断面进行二次衬砌施工。

优选的，步骤五至步骤八中，开挖大断面的左上区域、左下区域、中上区域、中下区域、右上区域和右下区域时，每个导洞开挖面错开4～6m距离，一次开挖进尺不大于1榀钢架间距。

优选的，步骤十超前小导管支护过程中的注浆采用水泥浆液，注浆顺序由外向内，注浆方法为间隔注浆。

优选的，所述水泥浆液的水灰比为1:1。

优选的，步骤八和步骤十二中隧道挖进过程中仰拱初期支护与掌子面的距离不超过15m，二次衬砌与掌子面的距离不超过40m，以保证支撑的稳定性。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明设置超前预支护、采用刚度较大的初期支护并及时封闭、采用合理的施工工法、及时施作二次衬砌等都是控制变形、确保施工与运营安全行之有效的措施。该支护结构适用于黄土地区浅埋小净距非对称断面隧道，可更好地控制初支变形和施工风险，保证施工安全。

本发明的方法采用“先开挖大断面后开挖小断面”的施工顺序，大断面采用双侧壁导坑法开挖，小断面采用两台阶法进行开挖，选取合理的开挖顺序，确保隧道开挖过程围岩的稳定，尽量减少对围岩的扰动，大大缩短了施工工期和工程造价，形成了短开挖、快循环来减少对土体的扰动的黄土隧道的快速安全施工技术，大幅缩短了施工工期，创造显著的经济效益。

附图说明

图1为本发明大跨小净距非对称断面隧道施工支护结构示意图；

图2为本发明大断面施工支护结构示意图；

图3为本发明小断面施工支护结构示意图；

其中：1-大断面，2-小断面，3-围岩，4-地表注浆加固，5-超前夯管帷幕预支护，6-初期支护，7-锁脚锚管，8-中隔墙，9-超前小导管支护，10-第二层初期支护，11-二次衬砌，12-侧壁拱形支护，13-拉杆。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

参照附图1-3所示，本发明的黄土地区大跨小净距非对称断面隧道支护结构包括支护结构一、支护结构二、支护结构三；

支护结构一是对大断面1和小断面2之间的围岩3进行的支护，包括在围岩3表面上进行的地表注浆加固4和设置在围岩3底部的两个侧壁拱形支护12，两个所述侧壁拱形支护12之间之间使用不少于3根的拉杆13刚性连接；

优选的，其中一个所述侧壁拱形支护12沿所述大断面1内侧壁设置，另一个所述侧壁拱形支护12沿小断面内2侧壁设置；

优选的，所述侧壁拱形支护12大小不超过对应断面周长的1/4。

所述支护结构二是对大断面1设置的支护，包括设置在大断面1内表面上的超前夯管帷幕预支护5，所述超前夯管帷幕预支护5的内表面上覆盖有初期支护6，所述初期支护6上设置有多个锁脚锚管7；所述大断面1通过双侧壁导坑法分隔成六个区域，分别为左上区域、左下区域、中上区域、中下区域、右上区域和右下区域，相邻的两个区域之间均设置有中隔墙8；所述大断面1施工成环后，在拱墙处设置有二次衬砌11；

进一步的，所述初期支护6位于所述超前夯管帷幕预支护5和所述二次衬砌11的中间位置；

优选的，所述超前夯管帷幕预支护5的环形长度为所述大断面1周长的1/2；

优选的，所述初期支护6的长度与所述超前夯管帷幕预支护5的长度一致，或者是围绕整个所述大断面1的侧壁。

所述支护结构三是对小断面3设置的支护，包括设置在小断面2内表面的超前小导管支护9，所述超前小导管支护9的内表面上覆盖有初期支护6和第二层初期支护10，所述初期支护6、第二层初期支护10上也设置有多个锁脚锚管7；所述所述小断面2施工成环后，在拱墙处也设置有二次衬砌11。

进一步的，所述大断面1分隔时采用双侧壁导坑法，其原理是利用两个中隔壁把整个隧道大断面分成左中右3个小断面施工，左、右导洞先行，中间断面紧跟其后；初期支护仰拱成环后，拆除两侧导洞临时支撑，形成全断面。两侧导洞皆为倒鹅蛋形，有利于控制拱顶下沉。

进一步的，所述小断面2分隔时采用上下台阶法；其原理是在隧道开挖过程中将整个坑道断面分为几层，由上往下或者由下往上分部进行开挖，每层开挖面的前后距离较小形成几个台阶。

进一步的，所述初期支护6包含洞室开挖后立即铺设的间距15cm×15cm的φ8钢筋网，钢筋网上喷射有厚35cm的C25混凝土，然后采用间距0.6m的I20a型钢钢架支护，两排钢架用φ22(直径为22mm)钢筋拉杆纵向连接牢固，环向间距1m，钢架安装好后，用锚杆锁固定，便形成整体受力结构。在钢架拱脚以上50cm处，紧贴钢架两侧按斜向下倾角45°打设锁脚锚管7，锁脚锚管7与钢架采用U型钢筋牢固焊接。

进一步的，所述大断面1在挖进过程中，按照各部开挖顺序采用临时横竖支撑***逐次对开挖面采取中间支护，以提高围岩稳定性，确保施工安全。中间支护***采用型钢横竖支撑和中隔壁喷射混凝土，开挖轮廓一侧与初期支护6的型钢钢架连为一体。在初期支护6完成后，在围岩3及初期支护6变形基本稳定后进行二次衬砌11的施工。在围岩3变形发展加快或不能趋于稳定，出现安全隐患的情况下，采取二次衬砌11紧跟、加快二次衬砌11的措施，以保证隧道结构与施工安全。二次衬砌11采用全断面模板台车整体浇筑工艺施工，模板台车每循环长度10.5m，混凝土采用混凝土输送泵，***式捣固器捣固。

进一步的，所述初期支护6和所述二次衬砌11之间铺设防水板、防水布和透水管道作防水层。

优选的，考虑到后施工的小断面2对先施工的大断面1的影响，规定先施工洞室与后施工隧道间的纵向距离保持在25-40m范围。

进一步的，将整个小断面2分成两部分，分为两步进行开挖。上部开挖后，立即铺设间距20cm×20cm的φ8钢筋网片，钢筋网上喷射厚26cm的C25混凝土，布设I20a型钢钢架，间距为0.6m/榀，在钢架拱脚处，紧贴钢架两侧斜向下倾角45°设置有长6m的锁脚锚管7，所述锁脚锚管7与钢架采用U型钢筋固定。然后进行下部开挖，开挖后初期支护2同上。小断面2开挖并施作初期支护2后，采用第二层初期支护10，铺设间距20cm×20cm的φ8钢筋网片，钢筋网上喷射厚21cm的C25混凝土，布设I18型钢钢架，间距为0.6m/榀，在钢架拱脚处，紧贴钢架两侧斜向下倾角45°设置有长6m的锁脚锚管7，所述锁脚锚管7与钢架采用U型钢筋固定。

本发明的黄土地区大跨小净距非对称断面隧道支护结构的施工方法包括以下步骤：

步骤一，根据大断面和小断面的结构，将大断面分隔成六个区域，分别为左上区域、左下区域、中上区域、中下区域、右上区域和右下区域，将小断面分隔成上部和下部；

步骤二，开挖前，对小净距隧道间围岩采用地表注浆加固，注浆管采用φ42热轧无缝钢管，壁厚3.2mm，钻孔间距1.2m，梅花形布置。浆液采用1:1水泥－水玻璃双液浆，注浆压力为0.3～0.5Mpa；

步骤三，围岩地表注浆加固后，对围岩底部进行侧面拱形支护，在大断面内侧和小断面内侧分别设置侧壁拱形支护，通过沿断面打入φ8钢筋网片进行支护，侧壁拱形支护的长度分别为大断面和小断面周长的1/4，两条侧壁拱形支护之间用3根拉杆13螺栓连接。每挖进一段隧道后，对未开挖的部分再施做侧壁拱形支护，连接两条侧壁拱形支护的拉杆就需要贯穿围岩，以此防止大断面隧道和小断面隧道中间岩柱发生贯通现象而失稳，崩塌，使用侧壁拱形支护还可以利用拱的约束力，保证即使断面隧道和小断面隧道中间中岩柱发生失稳、变形，整个岩柱部分仍然是一个整体。

步骤四，夯管帷幕超前支护，沿隧道轮廓线依次向隧道纵向夯入带有连接导向装置的φ500mm的钢管；钢管夯通后利用风压将管内土壤压出，然后向钢管内压注细石混凝土，形成水平向的钢管混凝土桩。每根钢管混凝土桩在导向连接装置的连接下形成钢管混凝土桩帷幕；

步骤五，开挖大断面的左上区域和中上区域，并施作初期支护及中隔墙；采用小挖掘机开挖洞室，开挖左上区域和中上区域土体，及时施作初期支护，开挖进尺0.6m；

步骤六，开挖大断面的左下区域和右下区域，并施作初期支护及中隔墙；机械开挖左下区域和右下区域，其及时施作初期支护，开挖进尺0.6m；

步骤七，开挖大断面的中上区域，并施作初期支护及中隔板；机械开挖中上区域，其及时施作初期支护。将横支撑接长至右侧横支撑与中隔墙形成完整的中间支护体系，开挖进尺0.6m；

步骤八，开挖大断面的中下区域，并施作仰拱初期支护；机械开挖中下区域，仰拱及回填混凝土均在拌合场拌和，用输送泵泵送，然后实施***式振捣器捣固，及时施作仰拱初期支护，仰拱混凝土填充在仰拱施工后完成，及早成环；

步骤九，对大断面的进行二次衬砌施工；二次衬砌采用C35钢筋混凝土结构，衬砌钢筋环向采用φ22@20cm(公称直径22mm，间距20cm)，纵向采用φ14@20cm，箍筋采用φ8@20cm；

步骤十，对小断面进行超前小导管支护；拱部设φ42超前小导管并预注水泥浆，导管注浆无缝钢管壁厚4mm，直径为42mm，长度3.5m，环向间距为40cm，纵向间距1.8m/环。注浆采用水灰比例为1:1的水泥浆液，注浆压力设置为0.5-3MPa，注浆顺序为由外向内，注浆方法为间隔注浆；

步骤十一，开挖小断面的上部，并施作初期支护；在拱部超前支护完成后，采用小型机械开挖小断面的上部，上台阶宽度控制在3m左右，距拱顶的高易控制在2.5m左右，及时施作初期支护，开挖循环进尺为1m；

步骤十二，开挖小断面的下部，并施作仰拱初期支护；上下台阶距离保持在4-5m，机械开挖下断面，下台阶长度控制在9m左右，下台阶开挖时，左右下台阶采用拉中槽、跳马口开挖，左右两侧错开跳马口，马口长度控制在两榀拱架。开挖后及时施作初支，钢架底部垫槽钢，且仰拱的开挖、支护及仰拱衬砌必须一次施作完成，及早成环，每循环开挖进尺长度可控制在4-6m；

步骤十三，对小断面进行第二层初期支护；

步骤十四，对小断面进行二次衬砌施工；采用C35钢筋混凝土结构，衬砌钢筋环向采用φ22@20cm，纵向采用φ14@20cm，箍筋采用φ8@20cm。

隧道在初期支护时，施工中注意支护过程中要步步、部部紧跟，喷射混凝土要及时密实充填，金属网和钢拱架支撑与围岩紧密贴合且背后不留空隙，拱架拱脚必须置于牢固的基础上，并用锁脚锚杆锁牢，初期支护应及时封闭成环。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.黄土地区大跨小净距非对称断面隧道支护结构，其特征在于：包括支护结构一、支护结构二、支护结构三；

所述支护结构一是对大断面(1)和小断面(2)之间的围岩(3)设置的支护结构，包括在围岩(3)上表面进行的地表注浆加固(4)；

所述支护结构二是对大断面(1)设置的支护结构，包括设置在大断面(1)内表面上的超前夯管帷幕预支护(5)，所述超前夯管帷幕预支护(5)内表面上覆盖有初期支护(6)，所述初期支护(6)上设置有多个锁脚锚管(7)；所述大断面(1)通过双侧壁导坑法分隔成六个区域，分别为左上区域、左下区域、中上区域、中下区域、右上区域和右下区域，相邻的两个区域之间均设置有中隔墙(8)；所述大断面(1)施工成环后，在拱墙处还设置有二次衬砌(11)；

所述支护结构三是对小断面(2)设置的支护结构，包括设置在小断面(2)内表面的超前小导管支护(9)，所述超前小导管支护(9)内表面上覆盖有初期支护(6)和第二层初期支护(10)，所述初期支护(6)和第二层初期支护(10)上也设置有多个锁脚锚管(7)；所述小断面(2)施工成环后，在拱墙处也设置有二次衬砌(11)；

所述支护结构一还包括设置在所述围岩(3)底部的两个侧壁拱形支护(12)，其中一个所述侧壁拱形支护(12)沿所述大断面(1)内侧壁设置，另一个所述侧壁拱形支护(12)沿小断面(2)内侧壁设置，两个侧壁拱形支护(12)之间使用不少于3根的拉杆(13)刚性连接；

所述侧壁拱形支护(12)大小不超过对应断面周长的1/4；

所述初期支护(6)包括沿断面铺设的钢筋网，所述钢筋网上喷射有混凝土，断面四周通过设置钢架来进行支护，钢架纵向连接牢固，将钢架固定形成整体受力结构；在钢架拱脚上部打设锁脚锚管(7)，所述锁脚锚管(7)与所述钢架固定连接。

2.根据权利要求1所述的黄土地区大跨小净距非对称断面隧道支护结构，其特征在于：所述二次衬砌(11)采用钢筋混凝土结构。

3.如权利要求1或2所述的黄土地区大跨小净距非对称断面隧道支护结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，根据大断面和小断面的结构，将大断面分隔成六个区域，分别为左上区域、左下区域、中上区域、中下区域、右上区域和右下区域；将小断面分隔成上部和下部；

步骤二，隧道开挖前，对小净距隧道间围岩采用地表注浆加固；

步骤三，对小净距隧道间围岩底部采用侧壁拱形支护；

步骤四，对大断面进行超前夯管帷幕预支护；

步骤五，开挖大断面的左上区域和右上区域，并施作初期支护及中隔墙；

步骤六，开挖大断面的左下区域和右下区域，并施作初期支护及中隔墙；

步骤七，开挖大断面的中上区域，并施作初期支护及中隔墙；

步骤八，开挖大断面的中下区域，并施作仰拱初期支护；

步骤九，对大断面的拱墙进行二次衬砌施工；

步骤十，对小断面进行超前小导管支护；

步骤十一，开挖小断面的上部，并施作初期支护；

步骤十二，开挖小断面的下部，并施作仰拱初期支护；

步骤十三，对小断面进行第二层初期支护；

步骤十四，对小断面进行二次衬砌施工。

4.根据权利要求3所述的黄土地区大跨小净距非对称断面隧道支护结构的施工方法，其特征在于：步骤五至步骤八中，开挖大断面的左上区域、左下区域、中上区域、中下区域、右上区域和右下区域时，每个导洞开挖面错开4～6m距离，一次开挖进尺不大于1榀钢架间距。

5.根据权利要求3所述的黄土地区大跨小净距非对称断面隧道支护结构的施工方法，其特征在于：步骤十超前小导管支护过程中的注浆采用水泥浆液，注浆顺序由外向内，注浆方法为间隔注浆。

6.根据权利要求5所述的黄土地区大跨小净距非对称断面隧道支护结构的施工方法，其特征在于：所述水泥浆液的水灰比为1:1。

7.根据权利要求3所述的黄土地区大跨小净距非对称断面隧道支护结构的施工方法，其特征在于：步骤八和步骤十二中隧道挖进过程中仰拱初期支护与掌子面的距离不超过15m，二次衬砌与掌子面的距离不超过40m，以保证支撑的稳定性。