CN114673528B - 隧洞顶部空腔支护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隧洞顶部空腔支护方法及结构，涉及岩土工程领域，目的是对隧洞破后隧洞顶部出现不稳定空腔进行支护，安全快速通过软弱破碎围岩洞段。本发明采用的技术方案是：隧洞顶部空腔支护方法，在软弱破碎围岩洞段的***开挖期间，靠近掌子面隧洞顶部处出现不稳定空腔，先制作钢拱片、拱片支架、拱脚以及拱脚固定件备用；然后去除隧洞的底脚浮渣，在隧洞的两个侧壁分别架设拱脚，在拱脚上分别固定安装拱片支架，安装钢拱片；再出渣并进行余下洞段钢拱片安装作业，直至掌子面；再在拱脚内侧挂设钢筋并喷砼，形成结构层；最后通过回填孔对不稳定空腔进行回填。本发明用于对软弱破碎围岩洞段的靠近掌子面的隧洞顶部处出现不稳定空腔的处理。

Description

隧洞顶部空腔支护方法
技术领域
本发明涉及岩土工程领域，具体是一种对隧洞开挖过程中出现的顶部空腔进行支护处理的方法及结构。
背景技术
隧洞开挖过程中，在软弱破碎围岩洞段，尤其是地下水发育的碳质板岩地质条件下，面临较大塌方风险，易出现***后隧洞顶部含水率较高的松散岩土体不时掉落的情况，如不及时处理，可能造成更大损失。
目前，对该工况的处理措施包括以下几种方法：第一、待隧洞顶部松散岩体基本稳定，不再出现较大岩土块体掉落后，进行出渣施工，之后再对空腔部分进行支护和回填灌浆处理。第二、若隧洞顶部松散岩土体短时间内无法稳定，较大岩土块体掉落现象时有发生，根据现场实际情况通常有两种处理方案，方案①：掉块现象较为严重，顶部空腔较大，则待掉落的松散岩土体全面覆盖掌子面后，对松散渣体进行注浆固结，并对空腔进行回填处理，达到设计固结强度后采用预留核心土的开挖方式进行洞挖出渣；方案②：若洞渣和掉块不足以完全覆盖掌子面，则采用回填渣料的方式，对掌子面进行覆盖，再对松散渣体进行注浆固结，后续处理方式与方案①相同。
上述第一种处理方法的不足之处：第一、可能需要等待较长时间，不及时支护可能加剧塌方风险；第二、在不采取任何防护措施的情况下，对隧洞顶部空腔进行支护仍然存在较大安全风险；第三、对空腔进行回填注浆，工序复杂，对工艺要求较为严格，且浆液固结需要一定时间，对施工进度造成不利影响。上述第二种处理方法存在下述不足：一方面，通过回填渣料的方式对掌子面进行覆盖需要一定时间，且后续还要对渣体进行出渣外运，对施工进度造成较大影响；另一方面，对空腔进行回填注浆的不利影响同第一种处理方法的第三点不足。
发明内容
本发明首先提供一种隧洞顶部空腔支护方法，目的是对隧洞***后隧洞顶部出现不稳定空腔进行支护，安全快速地通过软弱破碎围岩洞段。
本发明采用的技术方案是：隧洞顶部空腔支护方法，在软弱破碎围岩洞段的***开挖期间，靠近掌子面的隧洞顶部处出现不稳定空腔，支护处理方法包括以下步骤：
S1、制作钢拱片、拱片支架、拱脚以及拱脚固定件备用，钢拱片为弯折为拱形的条状钢板，拱片支架的一侧设置连续的拱片卡槽。
其中，拱片支架为截面呈U形的槽钢，槽钢的前端呈尖锐状，槽钢一侧形成呈U形的拱片卡槽，拱片卡槽的宽度大于钢拱片的厚度；拱脚为型钢，拱脚固定件为锁脚锚杆。例如，钢拱片的厚度为1～2cm、宽度为20～50cm；拱片支架的拱片卡槽的宽度为钢拱片厚度的1.5～2.0倍，拱片卡槽的深度为3～5cm；拱脚为I16工字钢。
S2、清除隧洞的底脚浮渣，在隧洞的两个侧壁分别架设拱脚，并将拱脚通过拱脚固定件固定于侧壁。例如，拱脚为型钢，每根型钢间隔布置并通过至少两根锁脚锚杆固定于隧洞的侧壁，每根型钢的竖直度偏差均小于2°。
为了提高拱脚之间的稳固性，隧洞任一侧壁的拱脚之间固定设置至少一根横向加强筋。横向加强筋最好与隧洞轴线平行，横向加强筋最好与拱脚之间焊接连接，横向加强筋远离掌子面的一端最好与已有的钢支撑的拱脚部分固定连接。
S3、在隧洞两个侧壁的拱脚上分别固定安装拱片支架，拱片支架的拱片卡槽开口朝上，两条拱片支架均与隧洞轴线平行，拱片支架的前端***掌子面内。例如，拱片支架与拱脚之间焊接或螺栓连接，拱片支架的前端***掌子面内1～2m。
S4、从远离掌子面的一端开始，对隧洞开挖轮廓面影响钢拱片安装的渣体进行清除，再将钢拱片逐一安装至隧洞顶部，钢拱片的外侧与隧洞开挖轮廓面贴合，钢拱片的两端分别置于拱片支架的拱片卡槽内，相邻的钢拱片之间不留空隙；对应于隧洞顶部存在不稳定空腔处的至少一块钢拱片预留至少一个回填孔。
进一步的是：隧洞同侧壁的钢拱片之间固定设置至少一根横向连接筋，横向连接筋位于钢拱片的内侧。例如，横向连接筋焊接固定于钢拱片，横向连接筋的长度方向与隧洞轴线平行。
S5、对钢拱片安装范围内的隧洞段进行出渣作业，出渣完成后继续进行余下洞段的钢拱片安装作业，直至掌子面。
S6、在拱脚内侧挂设钢筋网并喷砼，形成结构层。若相邻的拱脚之间的空隙较大，可先在拱脚之间的空隙处码放干砌石进行填充，再挂设钢筋网并喷砼，喷砼厚度为8～10cm。
S7、通过回填孔对不稳定空腔进行回填。例如，对不稳定空腔回填干砂，回填厚度经过设计计算确定。
本发明还提供一种隧洞顶部空腔支护结构，目的同样是对隧洞***后隧洞顶部出现不稳定空腔进行支护，安全快速地通过软弱破碎围岩洞段。隧洞顶部空腔支护结构，包括用于架设于隧洞两个侧壁的拱脚、用于将拱脚固定于隧洞侧壁的拱脚固定件、固定安装于拱脚的拱片支架，以及架设于两条拱片支架之间的钢拱片，两条拱片支架均与隧洞轴线平行，拱片支架设置连续的拱片卡槽，拱片卡槽开口朝上，钢拱片为弯折为拱形的条状钢板，钢拱片至少两块，至少一块钢拱片预留至少一个回填孔，钢拱片的两端分别置于拱片支架的拱片卡槽内，钢拱片之间密缝拼接；拱脚的内侧为挂设钢筋网并喷砼而形成的结构层。
进一步的是：拱脚为型钢，拱脚固定件为锁脚锚杆；拱片支架为截面呈U形的槽钢，槽钢的前端呈尖锐状，槽钢一侧形成呈U形的拱片卡槽，拱片卡槽的宽度大于钢拱片的厚度。
具体的：钢拱片的厚度为1～2cm、宽度为20～50cm；拱片支架的拱片卡槽的宽度为钢拱片厚度的1.5～2.0倍，拱片卡槽的深度为3～5cm；拱脚为I16工字钢。
具体的：每根型钢间隔布置并通过至少两根锁脚锚杆固定，每根型钢的竖直度偏差小于2°。
进一步的是：隧洞同侧壁的拱脚之间固定设置至少一根横向加强筋。横向加强筋最好与隧洞轴线平行，横向加强筋与拱脚之间最好焊接连接。
更进一步的是：拱脚之间的空隙处码放有干砌石，拱脚和干砌石的内侧为挂设钢筋网并喷砼而形成的结构层。
具体的：拱片支架与拱脚之间焊接连接或螺栓连接。
进一步的是：钢拱片之间固定设置至少一根横向连接筋，横向连接筋位于钢拱片的内侧。为了便于施工，横向连接筋焊接固定于钢拱片，横向连接筋的长度方向与隧洞轴线平行。
本发明的有益效果是：本发明适用于软弱破碎围岩洞段，例如是地下水发育的碳质板岩地质条件下，隧洞***后顶部出现不稳定空腔的工况，可快速进行施工作业，通过在不稳定空腔下部安装钢拱片，对作业面进行防护，降低了施工的安全风险，同时加快了施工进度，是一种操作简单、安全快速且造价成本低的支护方法及结构。钢拱片预留回填孔，通过钢拱片上的回填孔对不稳定空腔进行回填，改善钢拱片外侧的受力结构。对不稳定空腔回填干砂，降低了施工难度，操作简单，施工快速，尤其对于地下水发育洞段，节省了浆液固结时间，提升了处理效果，回填后可快速进行后续开挖作业，最大程度降低了对施工进度的不利影响。
附图说明
图1是按照本发明对隧洞顶部空腔进行处理后的示意图。
附图标记：钢拱片1、拱片支架2、拱脚3、回填孔4、横向加强筋5、钢支撑6、横向连接筋7、干砌石8。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明隧洞顶部空腔支护方法，用于软弱破碎围岩洞段的***开挖期间，靠近掌子面的隧洞顶部处出现不稳定空腔的工况，支护处理方法包括以下步骤：
S1、制作钢拱片1、拱片支架2、拱脚3以及拱脚固定件备用。钢拱片1为弯折为拱形的条状钢板，钢拱片1也可是其他金属或合金材质，钢拱片1用于安装于隧洞顶部并对隧洞顶部形成支撑作用，因此钢拱片1的拱形最好与隧洞开挖轮廓线一致。例如，钢拱片1采用厚度为1～2cm的普通钢板制作，钢拱片1的宽度根据实际情况，可为20～50cm。
拱片支架2用于支撑固定钢拱片1，拱片支架2的一侧设置连续的拱片卡槽，钢拱片1的两端置于拱片卡槽内。拱片卡槽可以是呈直角状的开放式结构，也可以是呈U形的槽状结构。例如，拱片支架2为截面呈U形的槽钢，槽钢的一侧自然形成呈U形的拱片卡槽，拱片卡槽的宽度大于钢拱片1的厚度，以便于钢拱片1的一端***拱片卡槽内，例如拱片卡槽的宽度为钢拱片1厚度的1.5～2.0倍，拱片卡槽的深度为3～5cm，以保证钢拱片1易放入拱片卡槽内且不会出现明显缝隙。拱片支架2的前端最好呈尖锐状，以便于打入掌子面。
拱脚3用于固定于隧洞的侧壁，以便于拱片支架2稳固地安装于拱脚3。例如，拱脚3为型钢，再例如为I16工字钢。拱脚固定件用于将拱脚3固定于隧洞侧壁的岩土体，拱脚固定件的数量以拱脚3能承载上部结构的荷载为宜。拱脚固定件最好为锁脚锚杆，以便于现场施工。
S2、清除隧洞的底脚浮渣，在隧洞的两个侧壁分别架设拱脚3，并将拱脚3通过拱脚固定件固定于侧壁。拱脚3从已进行初期支护的洞段且靠近存在顶部空腔的洞段开始架设，拱脚3的内侧最好与隧洞开挖轮廓线对齐并竖直安装，例如拱脚3为型钢，每根型钢间隔布置并通过至少两根锁脚锚杆固定于隧洞的侧壁，每根型钢的竖直度偏差均小于2°。拱脚3定位后通过均衡打设锁脚锚杆进行固定。为了提高拱脚3之间的稳固性，隧洞任一侧壁的拱脚3之间固定设置至少一根横向加强筋5。横向加强筋5最好均匀分布并且与隧洞轴线平行，横向加强筋5远离掌子面的一端最好与已有的钢支撑6的拱脚部分固定连接，例如焊接连接，以提高拱脚3的整体性和稳固性。
S3、在隧洞两个侧壁的拱脚3上分别固定安装拱片支架2，拱片支架2的拱片卡槽开口朝上，两条拱片支架2均与隧洞轴线平行，拱片支架2的前端***掌子面内。
拱片支架2的前端***掌子面1m以上深度，例如***掌子面内1～2m。拱片支架2的后端搭接已有的钢支撑6，例如将隧洞顶部空腔影响范围内的钢支撑6相应部位进行钻孔，以便于将拱片支架2的后端固定于钢支撑6。拱片支架2的安装高度最好位于隧道起拱部位，拱片支架2可以固定安装于拱脚3的顶部，也可以安装于拱脚3的外侧。拱片支架2与拱脚3之间固定连接，可以焊接或螺栓连接，考虑到螺栓连接不好准确就位，因此最好焊接连接。
S4、安装钢拱片1。从远离掌子面的一端开始，对隧洞开挖轮廓面影响钢拱片1安装的渣体进行清除，再将钢拱片1逐一安装至隧洞顶部，钢拱片1的外侧与隧洞开挖轮廓面贴合，钢拱片1的两端分别置于拱片支架2的拱片卡槽内，相邻的钢拱片1之间不留空隙。
钢拱片1预先运至隧洞内，对应于隧洞顶部存在不稳定空腔处的至少一块钢拱片1预留至少一个回填孔4，回填孔4最好是在S1步骤进行开设。钢拱片1安装每隔0.5～1.0m，还可在拱片支架2下增设一根支撑件进行支撑，支撑件固定于岩土体并与拱片支架2焊接固定。增设的支撑件可以是上述的拱脚3，也即是拱脚3可以在S2步骤完成，也可以在S2步骤和S4步骤均进行拱脚3的施工。
为了提高钢拱片1之间的整体性，钢拱片1之间固定设置至少一根横向连接筋7，横向连接筋7位于钢拱片1的内侧。例如，横向连接筋7焊接固定于钢拱片1，横向连接筋7的长度方向与隧洞轴线平行。
S5、对钢拱片1安装范围内的隧洞段进行出渣作业，出渣完成后继续进行余下洞段的钢拱片1安装作业，直至掌子面。
S6、在拱脚3内侧挂设钢筋网并喷砼，形成结构层。若相邻的拱脚3之间的空隙较大，可先在拱脚3之间的空隙处码放干砌石8进行填充，再挂设钢筋网并喷砼，喷砼厚度为8～10cm。
S7、通过回填孔4对不稳定空腔进行回填。回填的目的是改善钢拱片1外侧的结构，使不稳定空腔靠近钢拱片1的部位变得尽量密实。钢拱片1的内侧还可以进行喷砼或其他防腐处理。钢拱片1的防腐处理可以在S7步骤进行，也可以在S1步骤进行。
本发明还提供一种隧洞顶部空腔支护结构，隧洞顶部空腔支护结构为按照上述支护方法得到的结构。参见图1，隧洞顶部空腔支护结构，包括用于架设于隧洞两个侧壁的拱脚3、用于将拱脚3固定于隧洞侧壁的拱脚固定件、固定安装于拱脚3的拱片支架2，以及架设于两条拱片支架2之间的钢拱片1，两条拱片支架2均与隧洞轴线平行，最好位于隧洞起拱的部位，拱片支架2设置连续的拱片卡槽，拱片卡槽开口朝上或朝隧洞内侧，钢拱片1为弯折为拱形的条状钢板，钢拱片1至少两块，至少一块钢拱片1预留至少一个回填孔4，钢拱片1的两端分别置于拱片支架2的拱片卡槽内，钢拱片1之间不留间隙密缝拼接。拱脚3的内侧为挂设钢筋网并喷砼而形成的结构层。
拱脚3可为型钢或槽钢，或者其他金属件，拱脚固定件最好是锁脚锚杆。为了确保每根拱脚3的稳固性，拱脚3间隔布置，每根拱脚3通过至少两根锁脚锚杆固定，每根型钢的竖直度偏差小于2°。拱片支架2为截面呈U形的槽钢，槽钢的前端呈尖锐状，槽钢一侧形成呈U形的拱片卡槽，拱片卡槽的宽度大于钢拱片1的厚度。拱片支架2与拱脚3之间焊接连接或螺栓连接，可选用焊接连接，以便于施工。隧洞同侧壁的拱脚3之间固定设置至少一根横向加强筋5。横向加强筋5可以与隧洞轴线平行，也可以与隧洞轴线不平行。横向加强筋5与拱脚3之间最好焊接连接，以便于施工。
拱脚3的内侧为挂设钢筋网并喷砼而形成的结构层。为了减少喷砼量，拱脚3之间的空隙处码放有干砌石8，拱脚3和干砌石8的内侧为挂设钢筋网并喷砼而形成结构层。
钢拱片1之间固定设置至少一根横向连接筋7，横向连接筋7位于钢拱片1的内侧。为了便于施工，横向连接筋7焊接固定于钢拱片1，横向连接筋7的长度方向最好与隧洞轴线平行。

Claims (10)

1.隧洞顶部空腔支护方法，在软弱破碎围岩洞段的***开挖期间，靠近掌子面的隧洞顶部处出现不稳定空腔，其特征在于：支护处理方法包括以下步骤：
S1、制作钢拱片(1)、拱片支架(2)、拱脚(3)以及拱脚固定件备用，钢拱片(1)为弯折为拱形的条状钢板，拱片支架(2)的一侧设置连续的拱片卡槽；
S2、清除隧洞的底脚浮渣，在隧洞的两个侧壁分别架设拱脚(3)，并将拱脚(3)通过拱脚固定件固定于侧壁；
S3、在隧洞两个侧壁的拱脚(3)上分别固定安装拱片支架(2)，拱片支架(2)的拱片卡槽开口朝上，两条拱片支架(2)均与隧洞轴线平行，拱片支架(2)的前端***掌子面内；
S4、从远离掌子面的一端开始，对隧洞开挖轮廓面影响钢拱片(1)安装的渣体进行清除，再将钢拱片(1)逐一安装至隧洞顶部，钢拱片(1)的外侧与隧洞开挖轮廓面贴合，钢拱片(1)的两端分别置于拱片支架(2)的拱片卡槽内，相邻的钢拱片(1)之间不留空隙；对应于隧洞顶部存在不稳定空腔处的至少一块钢拱片(1)预留至少一个回填孔(4)；
S5、对钢拱片(1)安装范围内的隧洞段进行出渣作业，出渣完成后继续进行余下洞段的钢拱片(1)安装作业，直至掌子面；
S6、在拱脚(3)内侧挂设钢筋网并喷砼，形成结构层；相邻的拱脚(3)之间的空隙处码放干砌石(8)进行填充，再挂设钢筋网并喷砼；
S7、通过回填孔(4)对不稳定空腔进行回填。
2.如权利要求1所述的隧洞顶部空腔支护方法，其特征在于：S1中，拱片支架(2)为截面呈U形的槽钢，槽钢的前端呈尖锐状，槽钢一侧形成呈U形的拱片卡槽，拱片卡槽的宽度大于钢拱片(1)的厚度；拱脚(3)为型钢，拱脚固定件为锁脚锚杆。
3.如权利要求2所述的隧洞顶部空腔支护方法，其特征在于：S1中，钢拱片(1)的厚度为1～2cm、宽度为20～50cm；拱片支架(2)的拱片卡槽的宽度为钢拱片(1)厚度的1.5～2.0倍，拱片卡槽的深度为3～5cm；拱脚(3)为I16工字钢。
4.如权利要求1所述的隧洞顶部空腔支护方法，其特征在于：S2中，拱脚(3)为型钢，每根型钢间隔布置并通过至少两根锁脚锚杆固定于隧洞的侧壁，每根型钢的竖直度偏差均小于2°。
5.如权利要求1所述的隧洞顶部空腔支护方法，其特征在于：S2中，隧洞任一侧壁的拱脚(3)之间固定设置至少一根横向加强筋(5)，横向加强筋(5)远离掌子面的一端与已有的钢支撑(6)的拱脚部分固定连接。
6.如权利要求1所述的隧洞顶部空腔支护方法，其特征在于：S3中，拱片支架(2)与拱脚(3)之间焊接连接或螺栓连接，拱片支架(2)的前端***掌子面内1～2m。
7.如权利要求1～6任一权利要求所述的隧洞顶部空腔支护方法，其特征在于：S4中，钢拱片(1)之间固定设置至少一根横向连接筋(7)，横向连接筋(7)位于钢拱片(1)的内侧。
8.如权利要求7所述的隧洞顶部空腔支护方法，其特征在于：S4中，横向连接筋(7)焊接固定于钢拱片(1)，横向连接筋(7)的长度方向与隧洞轴线平行。
9.如权利要求1～6任一权利要求所述的隧洞顶部空腔支护方法，其特征在于：S6中，相邻的拱脚(3)之间的位置的喷砼厚度为8～10cm。
10.如权利要求1～6任一权利要求所述的隧洞顶部空腔支护方法，其特征在于：S7中，通过回填孔(4)对不稳定空腔回填干砂。
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