CN115110966B - 一种隧道支护结构及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种隧道支护结构及施工方法，用于解决现有技术面对软土地层围岩时，隧道施工中采用刚度较大的隧道支护结构强力“抵抗”围岩变形，容易导致围岩压力积累从而引起支护产生脆性破坏的问题；包括：弧形管片组件、加固材料和锁脚锚杆；所述弧形管片组件包括弧形内板、弧形中板和弧形外板，所述弧形内板和弧形中板之间通过加强筋固定连接，所述弧形中板和所述弧形外板通过弹性件浮动连接。若干所述弧形管片组件环向拼接，其中，所述弧形中板拼接成第二支撑层，所述弧形外板拼接成弹性支撑层，所述弹性支撑层紧贴隧道岩体，所述第一支撑层和所述第二支撑层围成环形注浆空间，所述环形注浆空间中填充有所述加固材料。
Description
技术领域
本发明属于隧道施工技术领域，特别是涉及一种隧道支护结构及施工方法。
背景技术
近年来随着我国基础设施建设的迅猛发展，在修建公路、铁路、水利等工程中修建的隧道工程也随之增多。隧道工程施工过程中的复杂性及风险性对隧道工程衬砌结构的安全性及实用性提出了更高的要求；隧道施工面对不同的围岩采用的支护结构和施工方法不同，其中，软弱围岩由于其强度低、岩体破碎、赋存环境差等特性，使其力学特性与一般的围岩存在较大差异。隧洞开挖后，地应力将重新分布，由于软弱围岩强度低，对工程扰动极其敏感，在受拉或受压条件下将产生塑性区，使围岩和支护发生变形，将极易发生拱顶崩塌、掌子面失稳、底板鼓起、长时间的持续变形或变形不收敛、初期支护严重变形侵限、富水条件下出现涌水等工程灾。
软土地层围岩就属于比较常见的软弱围岩，自稳能力差，承载能力低，开挖后容易产生坍方，甚至发生涌泥现象，造成施工无法正常进行。例如，长春市城市轨道交通6号线一标二工区工程采用M双连拱施工的暗挖隧道总长455m，本段暗挖隧道区间主要穿越地层结构为杂填土、淤泥质粉质粘土、粉土和全风化泥岩，由于拱脚围岩地基承载力不足导致隧道上部支护结构和上部围岩整体下沉，地面沉降难以控制；此外，隧道开挖后，在初期施做和产生支护作用之前，围岩由于其流变特性会快速向隧道内移动，产生较大变形，进而引起地面沉降，施工进度缓慢。因此，软土地层因自稳能力差，承载力低产生地面沉降处理十分复杂，施工工期和质量得不到保障。目前工程中常采用刚度较大的支撑结构强力“抵抗”其变形，然而，围岩变形太大的地方，如果采用结构刚度较大的初期支护，可能仍然不能抵抗其变形，围岩压力积累到一定的阶段，反倒会对刚度较大的支护产生脆性破坏。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种隧道支护结构及施工方法，用于解决现有技术面对软土地层围岩时，隧道施工中采用刚度较大的隧道支护结构强力“抵抗”围岩变形，容易导致围岩压力积累从而引起支护产生脆性破坏的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种隧道支护结构，包括：弧形管片组件、加固材料和锁脚锚杆；若干所述弧形管片组件环形拼接；述弧形管片组件包括弧形内板、弧形中板和弧形外板，所述弧形内板和弧形中板之间通过加强筋固定连接，所述弧形中板和所述弧形外板通过弹性件浮动连接。
相邻所述弧形内板固定连接，相邻所述弧形中板固定连接，相邻所述弧形外板活动连接，所述弧形内板拼接形成第一支撑层，所述弧形中板拼接成第二支撑层，所述弧形外板拼接成弹性支撑层，所述弹性支撑层紧贴隧道岩体，所述第一支撑层和所述第二支撑层围成环形注浆空间；所述环形注浆空间中填充有所述加固材料。
所述弧形内板、所述弧形中板和所述弧形外板上均设置有锚杆孔，所述锁脚锚杆穿过所述弧形内板、所述弧形中板和所述弧形外板上的所述锚杆孔，所述弧形管片组件和所述隧道岩体通过所述锁脚锚杆固定连接。
可选地，所述弹性件包括若干弧形弹性钢板，所述弧形弹性钢板沿弯曲方向的一端和所述弧形外板固定连接，所述弧形弹性钢板沿弯曲方向的另一端和所述弧形中板固定连接。
可选地，所述加强筋沿所述弧形内板的弯曲方向设置，若干所述加强筋平行布置。
可选地，所述第二支撑层和所述弹性支撑层之间填充有弹性注浆材料。
可选地，所述弧形管片组件还包括波纹钢板，所述波纹钢板和所述弧形外板固定连接，所述弧形外板两端均设置有所述波纹钢板，相邻所述弧形管片组件上的所述波纹钢板互相接触。
可选地，相邻两个所述弧形管片组件之间设置有连接筋，所述连接筋的一端固定连接其中一个弧形管片组件的弧形内板或/和弧形中板，所述连接筋的另一端伸入到另一个弧形管片组件的弧形中板和弧形内板之间。
可选地，在隧道长度方向上，相邻的两个所述弧形管片组件采用错缝拼接。
可选地，所述隧道支护结构还包括临时横撑和临时竖撑，施工过程中，所述临时横撑和所述临时竖撑配合对所述弧形管片组件形成临时支撑，所述临时横撑形成临时仰拱，所述临时竖撑形成临时隔墙，所述临时横撑、所述临时竖撑和所述弧形管片组件围成掘进空间。
可选地，所述临时横撑和所述临时竖撑均包括支撑块和连接块，相邻支撑块采用榫卯结构连接，所述连接块横跨相邻两块所述支撑块的连接缝并分别与两块支撑块固定连接。
一种隧道支护的施工方法，包括如下步骤：
区域划分步骤：测量放样，将隧道断面规划上下两个区域，上下两个区域分别沿水平方向至少包含一个洞室；
预加固步骤：隧道拱顶设置超前小导管并注浆加固；
挖掘步骤：从隧道上区域一侧的洞室开挖，上区域所有洞室挖掘完成后，在从下区域一侧依次开挖；
支护步骤：挖好一个洞室后，沿着隧道岩体安装所述弧形管片组件，所述弧形外板和隧道岩体接触，所述弧形管片组件上打上锁脚锚杆，安装临时横撑和临时竖撑，使得所述弧形管片组件、所述临时横撑和所述临时竖撑形成一个完整闭环支撑，支护完成以后，开挖下一个洞室；
注浆步骤：所有洞室挖掘完成后，所述弧形管片组件拼接成完整圆环，所述第一支撑层和所述第二支撑层之间注入加固材料；待加固材料凝固后拆掉所有所述临时横撑和所述临时竖撑。
如上所述，本发明的一种隧道支护结构及施工方法，至少具有以下有益效果：
1.通过所述弧形管片组件拼接形成所述第一支撑层、所述第二支撑层和弹性支撑层，三个支撑层对隧道形成支护作用，弧形管片组件采用预先制作，现场拼接，安装方便，节省人力，效率高，当所述弧形管片组件拼装好后，在向所述第一支撑层和所述第二支撑层之间注入加固材料，整个环形结构形成一个整体，承载能力强。
2. 通过所述弹性支撑层能够释放围岩形变压力，减小支护结构的结构内力，从而保证支护结构的稳定性，避免了围岩压力积累从而引起支护产生脆性破坏，保证施工作业人员的安全。
3.由于所述弧形管片组件可以现场拼接，所述隧道施工过程分多洞室，多次挖掘，每次开挖面积小，可提高施工过程中隧道的稳定性。
4. 由于所述临时横撑和所述临时竖撑均采用多个支撑块拼接而成，方便运输和现场安装，当所述弧形管片组件安装好后，现场拼装所述临时横撑和所述临时竖撑形成临时仰拱和临时隔墙，对挖掘的洞室形成临时支护，当环向的弧形管片组件安装好后，形成完成的环形支撑。
5.由于设置有连接筋，所述连接筋横跨相邻两块所述弧形管片组件的连接缝，再加上加固材料的加固，极大的增强了两块所述弧形管片组件连接处的承载能力。
附图说明
图1显示为本发明中隧道支护结构的立体结构示意图；
图2显示为本发明中隧道支护结构的正式图；
图3显示为本发明中图1的局部A的放大图；
图4显示为本发明中弧形管片组件的立体结构示意图；
图5显示为本发明中相邻两块弧形管片组件连接的示意图；
图6显示为本发明中弧形管片组件上加强筋的排列方式的示意图。
元件标号说明
1、弧形管片组件；11、弹性支撑层；12、第二支撑层；13、第一支撑层；101、弧形内板；102、弧形中板；103、弧形外板；104、弹性件；105、加强筋；106、连接筋；107、波纹钢板；108、锚杆孔；2、锁脚锚杆；3、临时横撑；4、临时竖撑；5、隧道岩体。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图6。须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以下各个实施例仅是为了举例说明。各个实施例之间，可以进行组合，其不仅仅限于以下单个实施例展现的内容。
请参阅图1和图6，本发明提供一种隧道支护结构，所述隧道支护结构包括：弧形管片组件1、加固材料和锁脚锚杆2；所述弧形管片组件1包括弧形内板101、弧形中板102和弧形外板103，所述弧形内板101、所述弧形中板102和所述弧形外板103可以采用钢材制作，所述弧形内板101和弧形中板102之间通过所述加强筋105固定连接，所述加强筋105和所述弧形内板101、所述加强筋105和所述弧形中板102均可以采用焊接或者高强度螺栓连接，所述弧形中板102和所述弧形外板103通过弹性件浮动连接。
若干所述弧形管片组件1环向拼接，其中，相邻弧形内板101固定连接，可以采用焊接、螺栓连接或者采用榫卯结构连接，相邻弧形中板102固定连接，可以采用焊接、螺栓连接或者采用榫卯结构连接，可以在所述弧形内板101上开设安装孔，方便安装工具伸入所述弧形内板101和所述弧形中板102之间，方便安装，相邻弧形外板103活动连接，所述弧形内板101拼接形成第一支撑层13，所述弧形中板102拼接成第二支撑层12，所述弧形外板103拼接成弹性支撑层11，所述弹性支撑层11紧贴隧道岩体5，所述第一支撑层13和所述第二支撑层12围成环形注浆空间，所述弧形内板101上开设有加固材料注浆孔，所述环形注浆空间中填充有所述加固材料；所述加固材料可以是混凝土，所述弧形内板101、所述弧形中板102和所述弧形外板103上均设置有锚杆孔108，所述锁脚锚杆108穿过所述弧形内板101、所述弧形中板和102所述弧形外板103上的所述锚杆孔108，所述弧形管片组件1和隧道岩体5通过所述锁脚锚杆2固定连接。
由于所述弧形管片组件1可以现场拼接，所述隧道施工过程分多洞室，多次挖掘，每次开挖面积小，可提高施工过程中隧道的稳定性，通过所述弧形管片组件1拼接形成所述第一支撑层13、所述第二支撑层12和弹性支撑层11，三个支撑层对隧道形成支护作用，弧形管片组件1采用预先制作，现场拼接，安装方便，节省人力，效率高，当所述弧形管片组件1拼装好后，在向所述第一支撑层13和所述第二支撑层12之间注入加固材料，整个环形结构形成一个整体，承载能力强。通过所述弹性支撑层11能够释放围岩形变压力，减小支护结构的结构内力，从而保证支护结构的稳定性，避免了围岩压力积累从而引起支护产生脆性破坏，保证施工作业人员的安全。
本实施例中，请参阅图4和图5，所述弹性件104包括若干弧形弹性钢板，所述弧形弹性钢板可以为半圆形或者波浪形，所述弧形弹性钢板沿弯曲方向的一端和所述弧形外板103固定连接，所述弧形弹性钢板沿弯曲方向的另一端和所述弧形中板102固定连接，所述隧道岩体5产生变形时，所述弧形弹性钢板具有吸能功能，能起到稳压的作用。
本实施例中，请参阅图6，所述加强筋105沿所述弧形内板101的弯曲方向设置，若干所述加强筋105平行布置，增强所述弧形内板101和所述弧形中板102的承载能力。
本实施例中，请参阅图1和图2，所述第二支撑层12和所述弹性支撑层11之间填充有弹性注浆材料，如聚氨酯灌浆料，所述弧形管片组件1上设置有注浆管道，通过所述注浆管道向所述第二支撑层12和所述弹性支撑层11之间注入弹性注浆材料，增强弹性支撑层11的承载能力和吸能稳压能力。
本实施例中，请参阅图1和图3，所述弧形管片组件1还包括波纹钢板107，所述波纹钢板107和所述弧形外板103固定连接，所述弧形外板103两端均设置有所述波纹钢板107，相邻两块所述弧形管片组件1上的所述波纹钢板107互相接触，当所述弧形外板103受到压力变形时，所述波纹钢板107提供环形的支撑力，同时所述波纹钢板107能起到吸能的作用，并把载荷传递到相邻的所述弧形管片组件1上。
本实施例中，请参阅图1-图5，所述弧形管片组件1还包括连接筋106，所述连接筋106固定设置在所述弧形管片组件1的一端，所述弧形管片组件1固定安装在所述弧形内板101和所述弧形中板102之间，所述连接筋106的部分伸出所述弧形内板101和弧形中板102之外，所述连接筋106伸入到相邻所述弧形管片组件1的弧形中板102和弧形内板101之间。由于设置有所述连接筋103，所述连接筋106横跨相邻两块所述弧形管片组件1的连接缝，再加上加固材料的加固，使得整个环形支撑形成一个整体，增强了两块所述弧形管片组件连接处的承载能力，从而增强了整体的承载能力。
本实施例中，请参阅图1，在隧道长度方向上，相邻的两个所述弧形管片组件1采用错缝拼接，即所述弧形管片组件1沿隧道长度方向上的拼接缝不在同一条直线上，增强其承载能力。
本实施例中，请参阅图1和图2，所述隧道支护结构还包括临时横撑3和临时竖撑4，施工过程中，所述临时横撑3和所述临时竖撑4配合对所述弧形管片组件1形成临时支撑，所述临时横撑3形成临时仰拱，所述临时竖撑4形成临时隔墙。
本实施例中，请参阅图1和图2，所述临时横撑3和所述临时竖撑4均包括支撑块和连接块，相邻支撑块采用榫卯结构连接，所述连接块横跨相邻两块所述支撑块的连接缝并分别与两块支撑块固定连接，当挖掘空间只有一个所述临时竖撑4时，所述临时横撑3一端的支撑块和所述弧形管片组件1固定连接，所述临时横撑3的另一端和所述临时竖撑4端部的支撑块固定连接，当挖掘空间有两个零时竖撑4时，所述临时横撑3的两端分别和两个所述零时竖撑4的端部支撑块固定连接，所述临时竖撑4的一端的支撑块和所述弧形管片组件1固定连接，所述临时竖撑4的一端的另一端和所述临时横撑3端部的支撑块固定连接。
由于所述临时横撑3和所述临时竖撑4采用多个支撑块拼接而成，方便运输和现场安装，当所述弧形管片组件1安装好后，现场拼装所述临时横撑3和所述临时竖撑4形成临时仰拱和临时隔墙，对挖掘的洞室形成临时支护，当环向的弧形管片组件1安装好后，形成完成的环形支撑。
一种隧道支护的施工方法，包括如下步骤：
区域划分步骤：测量放样，将隧道断面规划上下两个区域，上下两个区域分别沿水平至少包含一个洞室；
预加固步骤：隧道拱顶设置超前小导管并注浆加固；
挖掘步骤：从隧道上区域一侧的洞室开挖，上区域所有洞室挖掘完成后，在从下区域一侧依次开挖；
支护步骤：挖好一个洞室后，沿着隧道岩体5安装所述弧形管片组件1，所述弧形外板103和隧道岩体接触，所述弧形管片组件1上打上锁脚锚杆2，安装临时横撑3和临时竖撑4，使得所述弧形管片组件1、所述临时横撑3和所述临时竖撑4形成一个完整闭环，支护完成以后，开挖下一个洞室；
注浆步骤：所有洞室挖掘完成后，所述弧形管片组件1拼接成完整圆环，向所述第一支撑层13和所述第二支撑层12之间注入加固材料；待加固材料凝固后拆掉所有所述临时横撑3和所述临时竖撑4。
由于隧道施工过程分多洞室多次挖掘，每次开挖面积小，可提高施工过程中隧道的稳定性。
综上所述，通过所述弧形管片组件1拼接形成所述第一支撑层13、所述第二支撑层12和弹性支撑层11，三个支撑层对隧道形成支护作用，弧形管片组件1采用预先制作，现场拼接，安装方便，节省人力，效率高，当所述弧形管片组件1拼装好后，在向所述第一支撑层13和所述第二支撑层12之间注入加固材料，整个环形结构形成一个整体，承载能力强，所述弹性支撑层11能够释放围岩形变压力，减小支护结构的结构内力，从而保证支护结构的稳定性，还可以避免支护结构的损坏，保证施工作业人员的安全。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种隧道支护结构，其特征在于，包括：
弧形管片组件，
若干所述弧形管片组件环形拼接；所述弧形管片组件包括弧形内板、弧形中板和弧形外板，所述弧形内板和弧形中板之间通过加强筋固定连接，所述弧形中板和所述弧形外板通过弹性件浮动连接；相邻所述弧形内板固定连接，相邻所述弧形中板固定连接，相邻所述弧形外板活动连接，所述弧形内板拼接形成第一支撑层，所述弧形中板拼接成第二支撑层，所述弧形外板拼接成弹性支撑层，所述弹性支撑层紧贴隧道岩体，所述第一支撑层和所述第二支撑层围成环形注浆空间；
加固材料，
所述环形注浆空间中填充有所述加固材料；
锁脚锚杆；
所述弧形内板、所述弧形中板和所述弧形外板上均设置有锚杆孔，所述锁脚锚杆依次穿过所述弧形内板、所述弧形中板和所述弧形外板上的所述锚杆孔，所述弧形管片组件和所述隧道岩体通过所述锁脚锚杆固定连接；
所述弹性件包括若干弧形弹性钢板，所述弧形弹性钢板沿弯曲方向的一端和所述弧形外板固定连接，所述弧形弹性钢板沿弯曲方向的另一端和所述弧形中板固定连接；
所述弧形管片组件还包括波纹钢板，所述波纹钢板和所述弧形外板固定连接，所述弧形外板两端均设置有所述波纹钢板，相邻所述弧形管片组件上的所述波纹钢板互相接触。
2.根据权利要求1所述的隧道支护结构，其特征在于：所述加强筋沿所述弧形内板的弯曲方向设置，若干所述加强筋平行布置。
3.根据权利要求1所述的隧道支护结构，其特征在于：所述第二支撑层和所述弹性支撑层之间填充有弹性注浆材料。
4.根据权利要求1所述的隧道支护结构，其特征在于：相邻两个所述弧形管片组件之间设置有连接筋，所述连接筋的一端固定连接其中一个所述弧形管片组件的所述弧形内板或/和所述弧形中板，所述连接筋的另一端伸入到另一个所述弧形管片组件的所述弧形中板和所述弧形内板之间。
5.根据权利要求1所述的隧道支护结构，其特征在于：在隧道长度方向上，相邻的两个所述弧形管片组件采用错缝拼接。
6.根据权利要求1所述的隧道支护结构，其特征在于：所述隧道支护结构还包括临时横撑和临时竖撑，施工过程中，所述临时横撑和所述临时竖撑配合对所述弧形管片组件形成临时支撑，所述临时横撑形成临时仰拱，所述临时竖撑形成临时隔墙，所述临时横撑、所述临时竖撑和所述弧形管片组件围成掘进空间。
7.根据权利要求6所述的隧道支护结构，其特征在于：所述临时横撑和所述临时竖撑均包括支撑块和连接块，相邻支撑块采用榫卯结构连接，所述连接块横跨相邻两块所述支撑块的连接缝并分别与两块支撑块固定连接。
8.一种隧道支护的施工方法，其特征在于：适用于权利要求6所述的隧道支护结构，包括如下步骤：
区域划分步骤：测量放样，将隧道断面规划上下两个区域，上下两个区域分别沿水平方向至少包含一个洞室；
预加固步骤：隧道拱顶设置超前小导管并注浆加固；
挖掘步骤：从隧道上区域一侧的洞室开挖，上区域所有洞室挖掘完成后，在从下区域一侧依次开挖；
支护步骤：挖好一个洞室后，沿着隧道岩体安装所述弧形管片组件，所述弧形外板和隧道岩体接触，所述弧形管片组件上打上锁脚锚杆，安装临时横撑和临时竖撑，使得所述弧形管片组件、所述临时横撑和所述临时竖撑形成一个完整闭环支撑，支护完成以后，开挖下一个洞室；
注浆步骤：所有洞室挖掘完成后，所述弧形管片组件拼接成完整圆环支撑，所述第一支撑层和所述第二支撑层之间注入加固材料；待加固材料凝固后拆掉所有所述临时横撑和所述临时竖撑。
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