CN110847930A - 极高地应力软岩大变形隧道多级让抗支护结构及施工方法 - Google Patents

极高地应力软岩大变形隧道多级让抗支护结构及施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种极高地应力软岩大变形隧道多级让抗支护结构及施工方法，开挖近圆型断面隧道后，向围岩内间隔打设长锚索和短锚杆，在长锚索和短锚杆的尾端架立环形的型钢钢架并喷射混凝土，向围岩内增打补强加长或加密锚索，再次架设钢架、喷射混凝土组成多层延期支护；多层延期支护内侧施做钢筋混凝土衬砌结构，长锚索、短锚杆、多层支护和钢筋混凝土衬砌结构组成多级让抗支护结构。本发明通过预留变形量主动卸压，通过长锚索、短锚杆及时高预紧力锚固使表层围岩压力向围岩深部转移并扩大围岩承载圈，通过让抗支护结构提供高阻力与连续变形能力，通过钢筋混凝土结构抵抗流变作用，能有效控制围岩变形，保证结构长期稳定。

Description

极高地应力软岩大变形隧道多级让抗支护结构及施工方法
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种极高地应力软岩大变形隧道多级让抗支护结构及施工方法。
背景技术
随着道路等级的提高，长、大、深埋隧道日益增多，遇到的地质条件更加复杂，地应力更高，在施工过程中会出现更多的地质灾害问题，像硬岩岩爆，软岩大变形，岩溶涌突水等问题。由于对地质灾害产生机理认识不清，按常规理念进行设计施工，会导致采用的支护结构、施工工法与地质环境不适应，导致各类灾害性事故的发生，尤其是软岩大变形隧道，未能充分考虑隧道所处的极高地应力环境以及原始岩体极软弱、流变效应明显的工程特征，问题更为突出，采用的支护结构多以抗为主，一味通过加大支护强度与刚度，使开挖断面、结构厚度、结构用钢量越来越大，但仍不能有效控制围岩及支护结构变形；在施工中未能有效利用时空效应以及围岩深层锚固与围岩自承载作用，导致施工中变形量大、变形速率快，变形不可控，施工安全风险大，出现支护开裂、钢架扭曲、侵限等问题，建了拆、拆了建，出现多次返工，不仅加大了施工安全风险，延长了建设周期，也使工程投资急剧增加；还有在施工中勉强建成，运营几年后衬砌结构仍出现开裂问题，需要中断交通进行加固整治，严重影响了道路的正常运营。
因此，需要针对极高地应力条件下挤压大变形隧道提出新的支护形式，通过有效的支护手段、施工工法，强化过程控制，充分挖掘围岩承载能力，确保支护体系与复杂地质环境相适应，避免围岩及支护结构侵限、换拱，对软岩大变形隧道施工安全、保证施工进度与衬砌结构的长期稳定都具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种极高地应力软岩大变形隧道多级让抗支护结构及施工方法，该让抗支护结构及施工方法针对极高地应力、软岩力学特性以及流变作用的长期影响，充分挖掘围岩自承能力，以主动锚固、应力释放、让抗支护、高强衬砌结构为手段，将浅层支护与深层锚固相结合扩大承载圈，让抗支护结构协同受力，有效控制围岩变形量及变形速率，避免支护结构侵限而频繁拆换拱、施工进度缓慢、工程费用急剧增加的情况，极大提高了施工安全性与支护结构的可靠性。
本发明所采用的技术方案为：
极高地应力软岩大变形隧道多级让抗支护结构，其特征在于：
开挖近圆型断面隧道后，向围岩内间隔打设长锚索和短锚杆，在长锚索和短锚杆的尾端架立环向的型钢钢架并喷射混凝土，之后向围岩内增打补强加长或加密锚索再次架立钢架、喷射混凝土，两层结构组成多层延期支护；
多层延期支护内侧施做钢筋混凝土衬砌结构，长锚索、短锚杆、多层延期支护和钢筋混凝土衬砌结构组成多级让抗支护结构。
多层延期支护喷混凝土层环向间隔设置有喷混凝土纵向缝，喷混凝土纵向缝内设置钢板与钢管，钢管受压后收缩。
长锚索的锚固端深入围岩的深层稳定区。
短锚杆全长锚固在围岩的浅层破裂区。
长锚索和短锚杆的端部设置有W钢带与垫板，W钢带按3根1组将长锚索和短锚杆连在一起，每根锚索、锚杆均施加高预紧力；短锚杆与W钢带联合作用形成浅层围岩压缩带。
长锚索端部设置有长锚索可让压装置，长锚索可让压装置包括套筒式结构和刚性套管，长锚索端部穿过刚性套管，并通过楔子固定于刚性套管内；套筒式结构内设内螺纹，刚性套管设外螺纹，通过刚性套管挤压套筒式结构内螺纹实现纵向滑移；套筒式结构的端部设有外螺纹，刚性套管穿过W钢带上预留的孔洞再通过螺母固定于垫板上。
型钢钢架环向由多个节段拼接，拼接处设置可伸缩接头，可伸缩接头为承插式接头，接头上预留螺栓孔，与预设在喷混凝土纵向缝内的可压缩钢管共同实现让压变形。
极高地应力软岩大变形隧道多级让抗支护结构的施工方法，其特征在于：
包括以下步骤：
步骤一：采用三台阶法开挖隧道，采用机械开挖，少***，少扰动；
步骤二：开挖后及时施作短锚杆，长500cm，采用树脂全长快速锚固，恢复临空面的法向应力，将松散、薄层状岩层锚固成厚层状，形成浅部围岩压缩带，实现协调、均匀变形；
步骤三：施作高预应力长锚索，短锚杆、长锚索间隔布设，长锚索长度为1-1.5倍洞径，将浅部锚杆加固区与深层稳定区连成整体，加大围岩承载圈；长锚索延伸率小，杆体设置长锚索可让压装置，允许发生让压滑移，释放围岩压力；
步骤四：架立型钢钢架并喷射混凝土，型钢钢架设置可伸缩接头，喷混凝土层对应位置设置纵向缝，纵向缝内安放钢板及可压缩钢管；
步骤五：实施监控量测，当支护结构变形量、变形速率仍较大时，在滞后掌子面3倍洞径以后地段实施加固补强措施，采用单一或组合形式，具体措施有：对浅层破裂损伤区围岩进行径向围岩注浆，使破裂区围岩固结；增打加长或加密锚索；施作第二层或多层延期支护，提高支护结构刚度与强度；
步骤六：当支护结构变形基本稳定后施作高强度、大刚度的钢筋混凝土衬砌结构，抵抗长期流变、碎胀等持续围压作用，实现衬砌结构的长久稳定。
本发明具有以下优点：
（1）采用近圆形断面，受力状态好，利于衬砌结构安全稳定。
（2）主动卸压，留足变形量，采用多级让抗体系分步联合支护，使围岩塑性能有效释放，实现了支护不侵限、不拆换的目标。
（3）长、短锚杆（索）主动施压锚固、协同承载，使围岩浅层形成压缩带，并将浅层应力向围岩深部转移，加大围岩承载圈，充分发挥围岩自承载能力。
（4）利用围岩注浆、加长锚索、第二层延期支护等补强加固措施将支护结构变形控制在设计要求范围内，避免了模筑衬砌结构承受过大的后期压力。
（5）采用高强度、大刚度钢筋混凝土衬砌结构抵抗围岩流变作用，确保了衬砌结构的长期稳定。
综上所述，本发明通过采用近圆形断面、多级让抗支护结构，留足变形量主动卸压，利用长锚索、短锚杆的主动施压与深层锚固作用，形成“锚、索”主动支护+让抗支护结构+抗压高强钢筋混凝土衬砌协同承载结构，边让边抗，具有变形可控、安全性高的特点，能够保证施工进度与衬砌结构长期稳定，有效控制工程投资。
附图说明
图1为多级让压结构示意图。
图2为分步开挖示意图。
图3为第一层支护体系横断面示意图。
图4为多级让压支护结构纵剖面示意图。
图5为多级让压支护结构施作流程图。
图6为喷混凝土纵向缝示意图。
图7为可伸缩接头视角一示意图。
图8为可伸缩接头视角二示意图。
图9为可伸缩接头视角三示意图。
图10为W钢带示意图。
图11为长锚索可让压装置示意图。
其中，1-长锚索，2-短锚杆，3-多层延期支护，4-钢筋混凝土衬砌结构，5-浅层破裂区，6-塑性区，7-深层稳定区，8-预留变形空间，9-围岩注浆，10-补强加长或加密锚索，11-第一次喷混凝土层，12-喷混凝土纵向缝，13-长锚索可让压装置，14-W钢带，15-垫板，16-H型钢拱架，17-可伸缩接头，18-预留螺栓孔，19-钢板，20-钢管，21-套筒式结构，22-刚性套管，23-楔子，24-螺母。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
本发明涉及一种能实现主动控制的极高地应力软岩大变形隧道多级让抗支护结构，开挖近圆型断面隧道后，向围岩内间隔打设长锚索1和短锚杆2，在长锚索1和短锚杆2的尾端架立环形的型钢钢架并喷射混凝土，滞后一定时间向围岩内增打补强加长或加密锚索10，再次喷射混凝土、架设钢架组成多层延期支护3；多层延期支护3内侧施做钢筋混凝土衬砌结构4，长锚索1、短锚杆2、多层延期支护3和钢筋混凝土衬砌结构4组成多级让抗支护结构。
多层延期支护3喷混凝土层内环向间隔设置有纵向缝12，纵向缝内安放钢板19及可压缩钢管20。
长锚索1的锚固端深入围岩的深层稳定区7。短锚杆2全长锚固于围岩浅层破裂区5。长锚索1和短锚杆2的尾端设置有W钢带14与垫板15，环向每3根为1组连在一起。
长锚索1端部设有可让压装置13，可让压装置13由套筒式结构21和刚性套管22组合而成，锚索端部穿过刚性套管22，并通过楔子23固定于刚性套管22内。套筒21与刚性套管通过螺纹连接。套筒式结构21的端部还设有外螺纹，套筒式结构21穿过W钢带上预留的孔洞再通过螺母24固定于垫板15上。
型钢钢架环向由多个节段拼接，拼接处设置可伸缩接头，可伸缩接头17为承插式接头，接头上预留螺栓孔18。喷射混凝土11之间预留纵向变形槽，槽内安装双层可压缩钢管20，每层钢管的上下通过焊接固定在钢板19上。
上述极高地应力软岩大变形隧道多级让抗支护结构的施工方法，包括以下步骤：
步骤一：开挖前确定预留变形量，采用三台阶法开挖隧道，利用机械开挖，少***，少扰动；
步骤二：开挖后首先及时施作短锚杆2，长500cm，采用树脂全长快速锚固，恢复临空面的法向应力，将松散、薄层状岩层锚固成厚层状，形成浅部围岩压缩带，实现协调、均匀变形；
步骤三：施作高预应力长锚索1，短锚杆2、长锚索1间隔布设，长锚索1长度为1-1.5倍洞径，将浅部锚杆加固区与深层稳定区连成整体，加大围岩承载圈；长锚索1延伸率小，杆体设置长锚索可让压装置13，允许发生让压滑移，释放围岩压力，防止锚索被拉断；
步骤四：架立型钢钢架并喷射混凝土，型钢钢架设置可伸缩接头，喷混凝土层对应位置设置喷混凝土纵向缝12，纵向缝内安放钢板（19）及可压缩钢管（20）；
步骤五：实施监控量测，当支护结构变形量、变形速率仍较大时，在滞后掌子面3倍洞径以后地段实施加固补强措施，采用单一或组合形式，具体措施有：对破裂损伤区围岩进行径向围岩注浆，使破裂区围岩固结；增打补强加长或加密锚索10；施作第二层延期支护，提高支护结构刚度与强度；
步骤六：当支护结构变形基本稳定后施作高强度、大刚度的钢筋混凝土衬砌结构4，抵抗长期流变、碎胀等持续围压作用，实现衬砌结构的长久稳定。
施工以量测数据为依据，实施过程动态控制。开挖前留够变形量8主动卸压，保证释放塑性能所需空间。采用微台阶开挖，开挖后先施做锚杆2快速锚固形成压缩带，再施做锚索1扩大围岩承载圈。施作多级让抗支护结构，当支护结构变形量、变形速率仍较大时，在滞后掌子面约3倍洞径后对第一层支护结构进行补强加固，采取围岩注浆9、补打加长或加密锚索10、施作第二层延期支护3等措施，使支护结构变形基本稳定，最后施作受力性能较好的近圆型、高强度、大刚度钢筋混凝土衬砌结构4。
以下结合附图对技术方案做具体说明：
（1）如图1所示，根据项目区地应力及地层产状、强度等情况，采用近圆形断面的多级让压支护结构。
（2）如图2、图5所示，主动卸压，给定预留变形量8，其取值一般约为50-120cm，留出释放塑性能的空间，动态调整，宁超勿欠，作到不侵限、不拆换。
（3）如图2、图5所示，采取三台阶开挖方式，上台阶开挖进尺不超过1.0m，中、下台阶长度不超过1.5m，台阶长度3-5m，采用机械开挖，少***，少扰动。
（4）如图1、图3、图5所示，开挖后先及时施做高预应力短锚杆2，锚杆长度500cm，采用高强树脂全长锚固，施加预应力不低于150KN，加固浅层破裂区并形成压缩带。锚杆端部设置W钢带14、垫板15。
（5）如图1、图3、图5所示，施作长锚索1，锚索长度为1-1.5倍洞径，长锚索1与短锚杆2间隔排列，并施加高预应力，预应力值不低于300KN，使浅部破裂区与深部稳定区连成整体，扩大围岩承载圈，提高围岩自承能力；锚索端部锚固段穿过塑性区置于深部稳定区，采用高强树脂锚杆，其锚固长度不低于150cm；锚索延伸率小，锚索尾部设置可延伸让压装置13，待围岩压力达到一定程度后允许产生让压滑移来释放围岩压力。锚索外露端设置W钢带14与垫板15，环向每3根为一组将锚索1、锚杆2连在一起。
（6）如图3、图5所示，施做钢架16、喷混凝土层11，钢架16采用H型钢，设置可缩接头17，喷混凝土层11对应位置设置纵向变形缝12，缝宽15-20cm，缝内安放钢板19及可压缩钢管20，喷混凝土层变形量与钢架变形量一致，协调变形；
（7）如图4、图5所示，实施监控量测，当支护结构变形量、变形速率仍较大时，在滞后掌子面约3倍洞径以后实施加固补强措施，可采用一种或多种组合形式，具体措施有：对破裂损伤区围岩进行径向注浆9，使破裂区围岩固结，提高围岩抗剪强度与整体强度；增打加长或加密锚索10；施作第二层延期支护结构3，提高支护刚度与强度。
（8）如图4、图5所示，待支护结构变形基本稳定后，施作高强度、大刚度钢筋混凝土衬砌结构4，其厚度一般为60-80cm，抵抗长期流变、碎胀等持续压力作用，实现隧道结构长久稳定。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.极高地应力软岩大变形隧道多级让抗支护结构，其特征在于：
开挖近圆型断面隧道后，向围岩内间隔打设长锚索（1）和短锚杆（2），在长锚索（1）和短锚杆（2）的尾端架立环向的型钢钢架并喷射混凝土，之后向围岩内增打补强加长或加密锚索（10）再次架立钢架、喷射混凝土，两层结构组成多层延期支护（3）；
多层延期支护（3）内侧施做钢筋混凝土衬砌结构（4），长锚索（1）、短锚杆（2）、多层延期支护（3）和钢筋混凝土衬砌结构（4）组成多级让抗支护结构。
2.根据权利要求1所述的极高地应力软岩大变形隧道多级让抗支护结构，其特征在于：
多层延期支护（3）喷混凝土层环向间隔设置有喷混凝土纵向缝（12），喷混凝土纵向缝（12）内设置钢板（19）与钢管（20），钢管（20）受压后收缩。
3.根据权利要求2所述的极高地应力软岩大变形隧道多级让抗支护结构，其特征在于：
长锚索（1）的锚固端深入围岩的深层稳定区（7）。
4.根据权利要求3所述的极高地应力软岩大变形隧道多级让抗支护结构，其特征在于：
短锚杆（2）全长锚固在围岩的浅层破裂区（5）。
5.根据权利要求4所述的极高地应力软岩大变形隧道多级让抗支护结构，其特征在于：
长锚索（1）和短锚杆（2）的端部设置有W钢带（14）与垫板（15），W钢带（14）按3根1组将长锚索（1）和短锚杆（2）连在一起，每根锚索、锚杆均施加高预紧力；短锚杆（2）与W钢带（14）联合作用形成浅层围岩压缩带。
6.根据权利要求5所述的极高地应力软岩大变形隧道多级让抗支护结构，其特征在于：
长锚索（1）端部设置有长锚索可让压装置（13），长锚索可让压装置（13）包括套筒式结构（21）和刚性套管（22），长锚索（1）端部穿过刚性套管（22），并通过楔子（23）固定于刚性套管（22）内；套筒式结构（21）内设内螺纹，刚性套管（22）设外螺纹，通过刚性套管（22）挤压套筒式结构（21）内螺纹实现纵向滑移；套筒式结构（21）的端部设有外螺纹，刚性套管（22）穿过W钢带（14）上预留的孔洞再通过螺母（24）固定于垫板（15）上。
7.根据权利要求6所述的极高地应力软岩大变形隧道多级让抗支护结构，其特征在于：
型钢钢架（16）环向由多个节段拼接，拼接处设置可伸缩接头（17），可伸缩接头（17）为承插式接头，接头上预留螺栓孔（18），与预设在喷混凝土纵向缝（12）内的可压缩钢管（20）共同实现让压变形。
8.极高地应力软岩大变形隧道多级让抗支护结构的施工方法，其特征在于：
包括以下步骤：
步骤一：采用三台阶法开挖隧道，采用机械开挖，少***，少扰动；
步骤二：开挖后及时施作短锚杆（2），长500cm，采用树脂全长快速锚固，恢复临空面的法向应力，将松散、薄层状岩层锚固成厚层状，形成浅部围岩压缩带，实现协调、均匀变形；
步骤三：施作高预应力长锚索（1），短锚杆（2）、长锚索（1）间隔布设，长锚索（1）长度为1-1.5倍洞径，将浅部锚杆加固区与深层稳定区连成整体，加大围岩承载圈；长锚索（1）延伸率小，杆体设置长锚索可让压装置（13），允许发生让压滑移，释放围岩压力；
步骤四：架立型钢钢架（16）并喷射混凝土，型钢钢架（16）设置可伸缩接头（17），喷混凝土层对应位置设置纵向缝（12），纵向缝内安放钢板（19）及可压缩钢管（20）；
步骤五：实施监控量测，当支护结构变形量、变形速率仍较大时，在滞后掌子面3倍洞径以后地段实施加固补强措施，采用单一或组合形式，具体措施有：对浅层破裂损伤区围岩进行径向围岩注浆（9），使破裂区围岩固结；增打加长或加密锚索（10）；施作第二层或多层延期支护，提高支护结构刚度与强度；
步骤六：当支护结构变形基本稳定后施作高强度、大刚度的钢筋混凝土衬砌结构（4），抵抗长期流变、碎胀等持续围压作用，实现衬砌结构的长久稳定。
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