CN112663625A - 一种高寒区浅埋偏压软弱围岩隧道洞口施工及防护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高寒区浅埋偏压软弱围岩隧道洞口施工及防护方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、通过洞顶对围岩（土体）进行注浆加固；步骤二、开挖明洞基坑进行边坡挂网喷锚支护；步骤三、钻孔或挖孔，桩孔内下钢筋笼灌注混凝土；步骤四、架设型钢拱架，绑扎导向墙钢筋并模筑混凝土；步骤五、安装大管棚注浆，模筑钢筋混凝土明洞结构；步骤六、明洞基坑分层填筑，地表恢复原土；步骤七、暗挖段采用临时仰拱三台阶开挖。该方法通过地表注浆、超前大管棚、导向墙和明洞结构相结合形成整体洞口支护结构，能够对洞口边坡软弱土体段进行加固支护，避免开挖过程出现边坡滑塌、洞内的塌方与冒顶、导向墙的开裂与倾覆和初期衬砌侵限或垮塌。

Description

一种高寒区浅埋偏压软弱围岩隧道洞口施工及防护方法

技术领域

本发明属于寒区隧道施工技术领域，涉及一种高寒区浅埋偏压软弱围岩隧道洞口施工及防护方法。

背景技术

随着我国工程建设的迅猛发展，修建山岭隧道时普遍使用新奥法施工。我国山岭隧道施工秉承“早进洞，晚出洞”的原则，同时隧道选址的复杂性，隧道洞口避免不了出现浅埋、偏压、软弱地层或破碎断裂带等不良地质的情况。在这类地质条件下隧道洞口进行开挖作业，如未对不良地质进行加固及处理，或仅采用传统隧道洞口进洞施工方法，不予相应的施工方法调整，极易出现隧道洞口边坡失稳，造成隧道明暗挖交界处的导向墙倾覆，洞顶地表大范围沉降、开裂。尤其对于高纬度季节性冻土地区，隧道工程浅埋洞口围岩处于冻融环境，如洞口开挖施工正遇冻土融化期，又遇强富水地层并存在渗流现象，围岩强度迅速降低，如强风化泥质砂岩、遇水膨胀性土质围岩变形大、地层中存在软弱夹层等，导致开挖后稳定性极差，围岩和隧道结构变形和受力迅速加大，大管棚超前支护失效与初期支护坍塌侵限，极大地影响了隧道工程的整体施工进度和质量。

发明内容

为了解决常规施工方法存在效率低、施工过程中洞顶塌方与洞门边墙处滑坡等安全隐患，无法保证施工质量和工期的问题，本发明提供了一种高寒区浅埋偏压软弱围岩隧道洞口施工及防护方法。该方法通过地表注浆、超前大管棚、导向墙和明洞结构相结合形成整体洞口支护结构，能够对洞口软弱围岩（土体）段进行加固支护，确保了开挖过程中不会发生边坡滑塌、洞内塌方和冒顶、导向墙开裂与倾覆、初期锚喷衬砌侵限或垮塌等施工风险。本发明中，隧道洞口的围岩级别为Ⅴ和Ⅵ级，均为土体或强风化岩体等软弱围岩。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高寒区浅埋偏压软弱围岩隧道洞口施工及防护方法，包括如下步骤：

步骤一、通过洞顶对围岩（土体）进行注浆加固。

本步骤中，通过在洞顶地表向下打入多根袖阀管注浆进行洞顶地表加固施工，通过在洞顶地表向下打入多根注浆袖阀管，能够替代钻杆进行快速成孔，使用操作方便，且不存在塌孔现象，同时便于精确控制袖阀管定位。

本步骤中，洞顶注浆袖阀管的位置沿隧道纵向和横向分布呈梅花形布置，间距2m×2m，袖阀管注浆加固范围为隧道开挖轮廓外5m。打入深度随隧道埋置深度调节，实现了隧道洞周围岩（土体）加固并提高了围岩（土体）的稳定性。

本步骤中，袖阀管套壳料采用膨胀土：水泥：水的质量比例为1.5:2:2；注浆材料水泥浆的水灰比为0.8~1.1。

步骤二、开挖明洞基坑进行边坡挂网喷锚支护。

本步骤中，隧道明挖段临时基坑边坡进行挂网锚喷支护，单级刷坡坡度超过10m应分台阶开挖。降低了施工难度，分级放坡时每级设置缓台有利于明挖施工。边坡采用挂网喷射支护，支护紧跟开挖施工可缩短明挖工期。明挖临时基坑为隧道明洞结构提供了足够的施工场地。

步骤三、钻孔或挖孔，桩孔内下钢筋笼灌注混凝土。

本步骤中，在明挖段临时基坑的基础上施作钻孔灌注桩或人工挖孔桩。桩基沿隧道轴线依次设置在明洞和导向墙下部两侧，其间距S根据洞口软弱围岩情况而定。

步骤四、架设型钢拱架，绑扎导向墙钢筋并模筑混凝土。

本步骤中，钢筋混凝土桩基顶部与型钢拱架脚部连接形成整体结构。通过桩顶预留钢筋与明洞或导向墙内架设的型钢拱架脚部锚固，增加了型钢拱架的竖向承载力。通过钢筋焊接在型钢拱架上连接为稳定结构环向布置间距不影响绑扎钢筋。前后相邻两榀所述型钢拱架之间的间距为L，其中L的取值范围为0.8m～1.6m。通过横向连接件（焊接钢筋）紧固连接每榀型钢拱架，加之桩基作为基础，使桩基、型钢拱架、钢筋混凝土明洞结构和钢筋混凝土导向墙形成整体框架结构，大大的加强了导向墙的水平承载力，为洞口软弱滑坡体或破碎断裂带提供了反向推力，有效地阻止了洞口围岩（土体）的大变形，降低了隧道进洞的施工风险。

本步骤中，明洞结构中的型钢拱架不设置横支撑钢梁，导向墙与暗挖段内锚喷混凝土内设置临时横支撑钢梁，开挖下部土体时拆除。

步骤五、安装大管棚注浆，模筑钢筋混凝土明洞结构。

本步骤中，安装导向墙上大管棚并注浆，在导向墙供顶及供腰范围内1°~3°斜向前***多根注浆钢管，为了提高大管棚钢管刚度内部设置钢筋笼，对导向墙后部隧道暗挖段软弱围岩（土体）进行超前加固。大管棚注浆的超前加固增加了隧道软弱围岩（土体）的粘结力，有效的避免了拱顶塌方和冒顶，同时保证隧道暗挖施工能够顺利地通过围岩（土体）软弱滑动面，减小了初期支护受力且限制其变形，满足隧道界限的临空要求。

步骤六、明洞基坑分层填筑，地表恢复原土。

本步骤中，路堑式明洞回填从下至上分别为C20混凝土、C20片石混凝土、砂夹卵石反滤层、夯实土、黏土和土工布隔水层、原状土。通过隔水层和滤水层交错设置形成了隧道周边径向和纵向有效的截水与排水功能，降低了强富水地质段隧道后期运营与维护的排水难度。地表使用原状土回填，使施工对场地的破坏最低化，生态恢复较快，节约了施工环境恢复成本。

步骤七、暗挖段采用临时仰拱三台阶开挖。

本步骤中，开挖分为三步开挖，每步工序设置临时仰拱喷射混凝土。三台阶开挖方法较全断面开挖工序循环变多，但是在开挖时设置了临时仰拱，掌子面和拱顶卸荷缓慢，确保了不会发生塌方和涌泥等现象，同时保证了初支的施工质量。

本发明中，随着开挖步序的进行在配合洞顶地表水平位移与竖向沉降、导向墙平面与断面位移和倾角和隧道内位移收敛量的监控量测。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明使隧道明挖暗进施工过程中洞顶地表沉降量明显变小，土体变形趋于稳定。导向墙未出现倾覆现象，同时边墙变形收敛快。避免洞顶围岩塌方和边墙围岩滑坡，有效地增加了隧道施工的安全系数，还确保了隧道结构安全性，优化施工工序后可保证工期要求。

2、通过在洞顶地表向下打入多根注浆袖阀管，操作方便不塌孔定位精准。打入深度随隧道埋置深度调节，实现了隧道洞周围岩（土体）加固并提高了围岩（土体）的稳定性。明挖临时基坑为明洞结构提供了足够的施工场地。桩基、型钢拱架、钢筋混凝土明洞结构和钢筋混凝土导向墙形成整体框架结构。大管棚注浆的超前加固避免了暗挖段拱顶塌方和冒顶，减小了初期支护受力且限制其变形。三台阶开挖方法确保了不会发生塌方和涌泥等现象，同时保证了初支的施工质量。

3、隔水层和滤水层交错设置形成了隧道周边径向和纵向有效的截水与排水功能，降低了强富水地质段隧道后期运营与维护的防排水难度。

4、地表使用原状土回填，使施工对场地的破坏最低化，生态恢复较快，节约了施工环境恢复成本。

附图说明

图1为本发明的结构构成侧示图；

图2为本发明的结构构成立面图；

图3为本发明的导向墙、初支和二衬平面图；

图4为本发明的明洞回填示意图；

图5为图2中的断面1（导向墙）；

图6为图2中的断面2（明洞）；

图7为本发明的暗挖隧道三台阶开挖示意图；

图8为本发明的导向墙和明洞配筋示意图；

图9为本发明的型钢拱架示意图；

图10为本发明的大管棚与型钢拱架安装位置示意图；

图11为本发明的型钢拱架与桩基连接示意图；

图12为本发明的钢筋混凝土桩配筋示意图；

图13为本发明的洞顶地层注浆加固立面示意图；

图14为本发明的洞顶地层注浆加固平面图；

图15为本发明的大管棚内设置钢筋笼示意图；

图16为本发明的工序示意图。

图中：1-钢筋混凝土桩基础；2-钢筋混凝土衬砌明洞；3-钢筋混凝土导向墙；4-管棚；5-型钢拱架；6-钢支撑连接件；7-初期喷射混凝土衬砌；8-钢筋混凝土二次衬砌；9-C20混凝土；10-C20片石混凝土；11-砂夹卵石反虑层；12-素填土；13-黏土隔水层与原土；14-袖阀管；15-挂网锚喷；16-上台阶开挖面；17-中台阶开挖面；18-下台阶开挖面；19-大管棚内钢筋笼。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

某隧道处于我国东北高纬度季节冻融冻土地区，隧道洞口围岩为Ⅴ、Ⅵ级。待开挖掌子面围岩为全风化砂岩、泥岩、玄武岩，岩性接触关系复杂，玄武岩、泥岩风化层强膨胀性，地下水较丰富。明洞段和暗挖段边坡支护完成，整体进入冬季施工阶段。经过冬季施作暗挖导向墙后，春季地面融雪和地下水位上升，掌子面处于复杂的砂泥岩互层地段，岩体破碎，富水偏压，砂泥岩遇水后强度降低，上中台阶左侧压力大，导致收敛变形严重，沉降过大、初支坍塌破坏与导向墙剥离，导向墙倾覆角度过大倒塌，洞内钢支撑和大管棚严重变形，洞顶山体地表开裂、位移大，迫使隧道施工停止，此项目成为整条线路上极高风险的隧道。

为此，本发明提供了一种高寒区浅埋偏压隧道洞口软弱围岩施工及防护方法，通过导向墙和管棚超前支护范围地表下方土体（或强风化岩）进行注浆加固，提高此范围内围岩（土体）受力性质；开挖隧道明挖段临时基坑至设计标高，临时边坡进行挂网锚喷支护，单级刷坡坡度超过10m应分台阶开挖；根据暗挖段围岩（土体）压力确定钢筋混凝土桩基间距，施作钢筋混凝土桩，桩头预留与明洞或导向墙连接锚固钢筋；架设导向墙混凝土模板绑扎钢筋浇筑混凝土，绑扎钢筋前架设型钢拱架；后续在导向墙定位钻孔安装大管棚，完成对管棚的注浆；浇筑导向墙的同时组装明洞衬砌钢支撑，每榀钢支撑通过多根钢筋焊接为框架结构，绑扎明洞衬砌钢筋浇筑混凝土；明洞段基坑分层填筑，地表恢复为原状土；前续工序形成整体暗挖进洞保护套供后，开始进行型钢拱架横撑拆除，暗挖段采用三台阶临时仰拱方式开挖。开挖施工过程中及防护方法均符合国家行业技术规范要求。如图16所示，所述方法具体包括以下步骤：

步骤一、通过洞顶对围岩（土体）进行注浆加固。

如图13和图14所示，本步骤中通过在洞顶地表向下打入多根直径为50mm袖阀管进行洞顶地表注浆施工，袖阀管采用双向皮碗式止浆塞。洞顶上方的袖阀管至隧道结构上缘，洞身两侧的袖阀管至结构最大跨位置。注浆范围内，注浆孔呈梅花型布置，间距2m×2m。为避免钻孔对隧道结构产生影响，钻孔边界、钻孔端头、隧道结构外边缘两侧及结构顶部留设1m的安全距离。加固范围为隧道开挖轮廓线外5m。钻孔孔径为60mm，袖阀管外径50mm，采用渗透~劈裂的方式注浆扩散，扩散半径为1.2~1.5m。注浆压力为2~3MPa或现场试验调整，注浆速度同样根据现场试验确定。袖阀管套壳料采用膨胀土：水泥：水的质量比例为1.5:2:2；注浆材料水泥浆水灰比为0.8~1.1。袖阀管施工工艺为：钻孔；浇筑套壳料、下管；待凝；注浆；注浆结束标准；注浆效果检查；清孔、孔壁打毛，M15水泥砂浆封堵注浆孔。

步骤二、开挖明洞基坑进行边坡挂网喷锚支护。

如图1和图4所示，本步骤中隧道明挖段临时基坑边坡进行挂网锚喷支护，单级刷坡坡度超过10m应分台阶开挖。放坡坡率1:2，表面喷射混凝土等级C25的早强混凝土，厚度不小于100mm，内设φ8@150mm×150mm钢筋网，土钉采用φ22钢筋，间距为1500×1500mm，梅花型布置，土钉成孔直径100mm，内注水泥浆，水灰比为0.4~0.6，水泥采用P.0 42.5。基坑下底宽大于明洞结构，长度根据明挖段确定。

步骤三、钻孔或挖孔，桩孔内下钢筋笼灌注混凝土。

如图1、图2所示，本步骤中桩基采用钻机钻孔或人工挖孔，桩径为0.8m，间距根据现场实际地质情况确定，设置在明洞和导向墙结构拱脚下部。桩身采用均匀配筋，每隔1.5m布置一根φ18的加强箍筋，桩身配筋如图12。桩最外侧钢筋保护层厚度为50mm，为保证桩与型钢拱架紧固连接，桩顶预留29d长的主筋作为锚固长度。桩身混凝土强度等级为C30。

步骤四、架设型钢拱架，绑扎导向墙钢筋并模筑混凝土。

如图2、图9所示，明洞衬砌和导向墙结构中包括多榀型钢拱架，前后相邻两榀型钢拱架结构均相同且其沿隧道纵向延伸方向等距布设，每榀所述型钢拱架均位于所施工轴向的一个横断面上。前后相邻两榀所述型钢拱架之间的间距为L，其中L的取值范围为0.8m～1.6m。将各纵向连接件6分别连接于前后相邻两榀所述型钢拱架的翼缘板之间，实际连接简便且牢靠。纵向连接件6为φ22钢筋与型钢拱架之间以焊接方式进行固定连接。如图11所示，桩基顶部预留钢筋锚固在明洞和导向墙内，架脚稳定支撑在桩基顶部，根据实际需要可设置抗剪蹬。

如图5、图6和图8所示，本步骤中绑扎钢筋支模浇筑混凝土，施作C20导向墙结构。

步骤五、安装大管棚注浆，模筑钢筋混凝土明洞结构。

如图10所示，本步骤中大管棚注浆工序流程：制作钢花管→搭设工作平台→钻机就位→钻孔后顶进钢管棚或采用跟管钻进工艺→清孔→放置钢筋笼19→注浆→压力流量达到要求→结束。管棚采用φ108热轧无缝钢管，壁厚6mm。每节长4~6m以丝扣连接而成，钢花管上钻注浆孔，孔径10~16mm，孔间距150mm，呈梅花型布置，尾部留不钻孔1100mm长止浆段。钢管沿导向墙拱顶及供腰布置，环向间距400mm布置，沿隧道轴线方向钢管轴线与型钢拱架外缘线夹角1°~3°。为了提高管棚的抗弯刚度，在钢管内设置钢筋笼。大管棚注浆采用水灰比为1:1的水泥浆液，注浆压力在0.5~2.0MPa之间。大管棚施作完成后绑扎明洞钢筋支模浇筑混凝土，使桩、大管棚超前支护、明洞衬砌和导向墙成为牢固整体，形成全断面支撑体系。

如图6所示，本步骤中路堑式明洞断面结构自内向外依次为：钢筋混凝土；M15砂浆找平层30mm；4mm聚氨酯防水涂料；≥3mm厚自粘防水卷材；50mm厚聚氨酯保温板+防水板；双层土工布；60mm厚砖砌保护层。

步骤六、明洞基坑分层填筑，地表恢复原土。

如图4所示，本步骤中路堑式明洞两侧回填从下至上分别为C20混凝土、C20片石混凝土、砂夹卵石反滤层、夯实土、黏土和土工布隔水层、原状土。通过隔水层和滤水层交错设置形成了隧道周边径向和纵向有效的截水与排水功能，降低了强富水地质段隧道后期运营与维护的排水难度。地表使用原状土回填，使施工对场地的破坏最低化，生态恢复较快，节约了施工环境恢复成本。

步骤七、暗挖段采用临时仰拱三台阶开挖。

如图7所示，当完成上述步骤后，开始隧道施工进入暗挖段，开挖方式采用三台阶方法，每层开挖台阶设置临时钢支撑和仰拱喷射混凝土，每层台阶彼此错开距离，型钢拱架采用锁脚锚杆进行固定。断面开挖完成后拆除临时仰拱，接续进行初期衬砌的锚喷工序。三台阶开挖方法较全断面开挖工序循环变多，但是在开挖时设置了临时仰拱，掌子面和拱顶卸荷缓慢，确保了不会发生塌方和涌泥等现象，同时保证了初支的施工质量。

Claims (10)

1.一种高寒区浅埋偏压隧道洞口软弱围岩施工及防护方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一、通过洞顶对围岩（土体）进行注浆加固，

步骤二、开挖明洞基坑进行边坡挂网喷锚支护，

步骤三、钻孔或挖孔，桩孔内下钢筋笼灌注混凝土，

步骤四、架设型钢拱架，绑扎导向墙钢筋并模筑混凝土，

步骤五、安装大管棚注浆，模筑钢筋混凝土明洞结构，

步骤六、明洞基坑分层填筑，地表恢复原土，

步骤七、暗挖段采用临时仰拱三台阶开挖。

2.根据权利要求1所述的高寒区浅埋偏压软弱围岩隧道洞口施工及防护方法，其特征在于所述步骤一中，通过在洞顶地表向下打入多根袖阀管并注浆进行洞顶地表注浆加固施工。

3.根据权利要求2所述的高寒区浅埋偏压软弱围岩隧道洞口施工及防护方法，其特征在于所述袖阀管的位置沿隧道纵向和横向分布呈梅花形布置，间距2m×2m；袖阀管注浆加固范围为隧道开挖轮廓外5m；袖阀管套壳料采用膨胀土：水泥：水的质量比例为1.5:2:2；注浆材料水泥浆水灰比为0.8~1.1。

4.根据权利要求1所述的高寒区浅埋偏压软弱围岩隧道洞口施工及防护方法，其特征在于所述步骤二中，单级刷坡坡度超过10m分台阶开挖，放坡坡率1:2，明洞基坑下底宽大于明洞结构。

5.根据权利要求1所述的高寒区浅埋偏压软弱围岩隧道洞口施工及防护方法，其特征在于所述步骤三中，桩孔的桩径为0.8m，设置在明洞和导向墙结构拱脚下部。

6.根据权利要求1所述的高寒区浅埋偏压软弱围岩隧道洞口施工及防护方法，其特征在于所述步骤四中，明洞衬砌和导向墙结构中包括多榀型钢拱架，前后相邻两榀型钢拱架结构均相同且其沿隧道纵向延伸方向等距布设，每榀型钢拱架均位于所施工轴向的一个横断面上。

7.根据权利要求6所述的高寒区浅埋偏压软弱围岩隧道洞口施工及防护方法，其特征在于所述前后相邻两榀型钢拱架之间的间距为L，其中L的取值范围为0.8m～1.6m。

8.根据权利要求1所述的高寒区浅埋偏压软弱围岩隧道洞口施工及防护方法，其特征在于所述步骤五中，安装导向墙上大管棚并注浆，在导向墙供顶及供腰范围内1°~3°斜向前***多根注浆钢管，对导向墙后部隧道暗挖段软弱围岩进行超前加固；大管棚注浆采用水灰比为1:1的水泥浆液，注浆压力在0.5~2.0MPa之间。

9.根据权利要求1所述的高寒区浅埋偏压软弱围岩隧道洞口施工及防护方法，其特征在于所述步骤六中，明洞回填从下至上分别为C20混凝土、C20片石混凝土、砂夹卵石反滤层、夯实土、黏土和土工布隔水层、原状土。

10.根据权利要求1所述的高寒区浅埋偏压软弱围岩隧道洞口施工及防护方法，其特征在于所述步骤六中，三台阶开挖的每层开挖台阶设置临时钢支撑和仰拱喷射混凝土，每层台阶彼此错开距离，型钢拱架采用锁脚锚杆进行固定。

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