CN104847374A - 软岩大变形隧道支护体系及其施工方法 - Google Patents

Abstract

一种软岩大变形隧道支护体系及施工方法，包括超前支护、初期支护、防水层和二次衬砌等主体结构，各结构紧跟施工工序依次施作。超前支护通过超前小导管注浆加固围岩，初期支护包括加长锚杆、初喷层、钢拱架和复喷层组成，上台阶和拱脚处还设置有锁脚锚杆与钢拱架焊接，相邻钢拱架之间通过纵向连接筋连接，最后施作二次衬砌共同组成支护体系。本发明步骤简洁，环环相扣，避免窝工而导致支护滞后问题，对于控制隧道大变形具有有益效果。

Description

软岩大变形隧道支护体系及其施工方法

技术领域

本发明涉及软弱围岩大变形隧道施工方法领域，具体涉及一种软岩大变形隧道的支护体系及其施工方法。

背景技术

随着我国交通事业的发展，越来越多的公路隧道投入建设，我国是一个地质复杂的国家，在软岩大变形地质区修建隧道将不可避免。目前隧道施工常用的方法为新奥法，新奥法遵循“少扰动，早喷锚，勤量测，紧封闭”的原则对于普通地质条件下的隧道具有广泛的适应性，然而，对于特殊地质条件下的隧道，如软岩大变形条件时，仅仅采取常规新奥法施工措施很难保证施工安全，需要采取必要的新型的支护方式及施工方法来保证施工安全。

众所周知，软岩具有不同于普通地质的工程特性，具体表现为：低弹性高塑性，力学强度低，变形性能强，并且一般具有变形速率快，变形时间长的特点，这就造成了软岩隧道围岩的自承能力低，变形量大，因此，采用合适的隧道支护体系及施工方法对于保证软岩大变形地区隧道施工的稳定性具有重要的意义。目前为控制软岩隧道变形量，通常采取的措施有增大钢架型号、增加系统锚杆长度、多重支护及增加二衬厚度等措施来减少隧道的变形，然而，这些措施施作并不系统，虽然对变形控制能够起到一定的作用，但是其在多数情况下的效果却不很理想，隧道仍然会出现变形量过大导致界限受侵问题，这样不得不进行二次扩挖来解决问题，这样不但浪费了材料，延误了工期，增加了施工成本，另一方面二次扩挖还给隧道的施工人员带来极大的风险。

针对软岩隧道的变形问题，许多学者已经做了许多研究，从多个方面分析了大变形产生机理并提出了处治措施，可以说取得了诸多阶段性研究成果，但是目前仍然没有彻底的解决软岩大变形隧道的变形问题。如专利号为201310491598.4，名称为用于大变形地层的隧道支护结构和支护方法，明确了软岩隧道的核心支护理论为“先柔后刚，先放后抗”，提出了带有初期支护、内层初期支护和二次衬砌的复合支护体系，通过初期支护与围岩共同变形作用，起到柔性支护的效果，二次衬砌作为最后的刚性支护，理论上能在一定程度上解决大变形问题，但是在实际应用中存在一定的局限性，首先，设置两层初期支护造成了施工工艺更为复杂，施工期变的更长，对于软岩大变形隧道及时施作刚性支护的二次衬砌是至关重要的，较长的施工期可能造成围岩变形失稳破坏而造成塌方，其次，初期支护与围岩共同变形时二衬的施作时机是难以控制的，因此很难确定合适的二衬施作时机，因此实际应用方面存在一定的局限性。又如专利号为200910062525.7，名称为高地应力软岩卸压施工方法专利，提出了在初期支护和二次衬砌之间加设一层高分子弹性材料，形成释放空间，然而实际中大变形隧道的变形是不均匀的且未知的，通过初支和二衬之间加设的高分子弹性材料，由于变形不均匀导致了二衬上受力的不均匀，有可能出现衬砌背后空洞效应或者应力集中效应；此外，加设高分子弹性材料也存在施工期滞后的问题，难以控制合理的二次衬砌施作时机。因此，目前针对软岩大变形区的隧道变形问题还未得到完全的解决。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷和不足，提供一种软岩大变形隧道的支护体系及其施工方法，能够有效解决软岩隧道大变形导致的侵限问题，从而保证隧道施工安全和后期运营安全。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的支护体系包括：沿隧道径向由外向内依次设置的超前支护、初期支护、防水层和二次衬砌，所述初期支护包括沿隧道径向由外向内依次设置的加长锚杆、初喷层、钢拱架和复喷层。

进一步的，所述的超前支护由超前小导管注浆形成，超前小导管在隧道掌子面处拱顶120°范围内沿隧道轴向设置，超前小导管环向间距为30-50cm，外插角为3-5°，长度为6-8m。

进一步的，所述的加长锚杆采用自进式注浆锚杆，锚杆长度为3-5m，沿隧道环向设置，间距为50-100cm。

进一步的，所述的初期支护内初喷层与钢拱架之间还设置有钢筋网，钢筋网的网格间距为20×20cm，所述初喷层厚度≥40mm。

进一步的，所述钢拱架采用工字钢拼接而成，单榀钢拱架采用螺栓连接的方式，纵向相邻钢架之间采用纵向连接筋连接；且在隧道上台阶和拱脚处分别加设上台阶锁脚锚杆和拱脚锁脚锚杆，所述上台阶锁脚锚杆和拱脚锁脚锚杆与钢拱架焊接连接。

进一步的，所述的二次衬砌采用素混凝土整体浇筑而成，厚度≥50cm。

本发明提供的施工方法，包括以下步骤：

1)首先在隧道掌子面处拱顶120°范围内沿隧道轴向施作超前小导管，超前小导管环向间距为30-50cm，外插角为3-5°，长度为6-8m；

2)超前小导管施工完成后，通过超前小导管对围岩进行注浆加固，注浆浆液采用水泥-水玻璃混合液，注浆压力采用0.5-0.8Mpa；

3)采用预留核心土法开挖上台阶环形部分，完成后立即施作加长锚杆，并进行初喷初喷层，初喷层施作完毕后悬挂钢筋网，然后架设钢拱架的上台阶部分，完成后通过纵向连接筋使其与前一榀钢拱架连接形成承载整体，上台阶脚处打入上台阶锁脚锚杆，并将上台阶锁脚锚杆与钢拱架焊接连接，最后施作复喷层；

4)开挖核心土部分；

5)开挖下台阶左侧部分，立即施作加长锚杆，拱脚处打入拱脚锁脚锚杆，喷射初喷层，然后施作钢拱架的下台阶部分，使其与上台阶部分钢拱架通过螺栓连接，并使钢拱架与拱脚处的拱脚锁脚锚杆焊接连接，喷射复喷层；

6)然后开挖下台阶右侧，施工步骤同下台阶左侧；

7)开挖仰拱部分，并施作仰拱处的钢拱架，使其形成闭合承重环；

8)在复喷层表面敷设防水层，并使用土工布防护；

9)最后整体浇筑二次衬砌；

10)重复步骤1-9，进行隧道持续开挖。

优化的，所述加长锚杆采用自进式注浆锚杆，锚杆长度为3-5m，沿隧道环向设置，间距为50-100cm。

优化的，所述钢筋网的网格间距为20×20cm，所述初喷层厚度≥40mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本发明提供的支护体系通过沿沿隧道径向由外向内依次设置的超前支护、初期支护、防水层和二次衬砌，主体结构的施工跟随各施工工序依次施作，避免窝工和工序滞后对围岩造成过大变形的问题。通过设置超前支护，提高了围岩的自承能力，主动减小了围岩的变形量。通过设置钢拱架，控制了围岩的大变形，并且对不均匀变形具有良好的适应性，通过在外层设置二次衬砌，确保了隧道运营期的安全。

进一步的，通过设置加长锚杆，避免了打孔后塞锚杆对围岩形成不利扰动，并且避免了施工工序的滞后效应，具有明显的抗变形效果。

进一步的，通过纵向连接筋将钢拱架连接起来，使其形成承重整体，从而避免了不均匀大变形形成的应力集中破坏问题；并且通过设置上台阶锁脚锚杆和拱脚锁脚锚杆，进一步抑制大变形发生。

本发明提供的施工方法，步骤简洁紧凑，环环相扣，不存在窝工而导致支护滞后问题，对于控制隧道变形具有及时性的特点。另外方法采用了加长的自进式注浆抗变形锚杆，锁脚锚杆，超前小导管等提高了围岩的自承能力，主动减小了围岩的变形量，另外采用了加密钢拱架承重环的刚性支护措施，通过纵向连接筋将钢拱架连接成承重整体，进一步控制了围岩的大变形，并且对不均匀变形具有良好的适应性，最后整体施作二次衬砌，确保了隧道运营期的安全。

附图说明

图1为本发明隧道支护体系结构示意图；

图2为本发明施工步骤图，其中：上台阶环形Ⅰ部分，核心土Ⅱ部分，下台阶左侧部分Ⅲ-1，下台阶右侧部分Ⅲ-2；

图3为本发明钢架纵向连接及超前支护示意图；

图4为本发明超前小导管布置图；

其中：1-加长锚杆，2-初喷层，3-钢拱架，4-复喷层，5-防水层，6-上台阶锁脚锚杆，7-二次衬砌，8-拱脚锁脚锚杆，9-纵向连接筋，10-超前小导管，11-钢筋网。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

参见图1，本发明提供的支护体系包括：沿隧道径向由外向内依次设置的超前支护、初期支护、防水层5和二次衬砌7，所述初期支护包括由外向内依次设置的加长锚杆1、初喷层2、钢筋网11、钢拱架3和复喷层4。

超前支护由超前小导管10注浆形成，是预加固的重要措施。参见图4，超前小导管10在隧道掌子面处拱顶120°范围内沿隧道周向施作，超前小导管10环向间距为30-50cm，外插角为3-5°，长度为6-8m。

加长锚杆1采用自进式注浆锚杆，锚杆长度为3-5m，沿隧道环向设置，间距为50-100cm。锚杆钻进后一步到位，避免传统锚杆先打孔后安设对围岩造成的二次扰动，加长锚杆1通过注浆提高了围岩承载能力，减小了变形。

初期支护内初喷层2与钢拱架3之间还设置有钢筋网11，钢筋网采用Φ8钢筋，钢筋网的网格间距为20×20cm，所述初喷层2厚度≥40mm，混凝土标号不小于C25。初喷层2是开挖后立即施作的混凝土喷射层，初喷层2与围岩共同形成支护圈，也对围岩大变形具有抑制作用。

钢拱架3采用工字钢拼接而成，单榀钢拱架采用螺栓连接的方式，参见图3，纵向相邻钢架之间采用纵向连接筋9连接；纵向连接筋9是连接相邻钢拱架3的结构，钢拱架3通过纵向连接筋9形成了受力整体，避免了不均匀大变形对支护体系带来的不利影响。钢拱架3是刚性承载结构，加长锚杆1和初喷层2施作完成后，立即施作钢拱架3，需要注意的是钢拱架3的施作紧跟开挖工序进行，不得延时窝工。复喷层4是在钢拱架3施作完成后进行喷射的混凝土层，一方面可进一步加强支护强度，另一方面便于下一步防水层5的敷设，防水层5主要作用避免渗漏水对隧道造成危害。

在隧道上台阶和拱脚处分别加设上台阶锁脚锚杆6和拱脚锁脚锚杆8，所述上台阶锁脚锚杆6和拱脚锁脚锚杆8与钢拱架3焊接连接，形成支护受力整体。上台阶锁脚锚杆6和拱脚锁脚锚杆8对控制隧道大变形具有重要作用，上台阶锁脚锚杆6在环形开挖完成后立即施作，拱脚锁脚锚杆8在下台阶开挖完成后施作。

二次衬砌7采用素混凝土整体浇筑而成，厚度≥50cm。二次衬砌7作为支护受力的最后承载结构，在大变形隧道到即参与承载围岩压力，又作为安全储备，因此二次衬砌7应全断面开挖完成后尽早整体浇筑。

本发明提供的施工方法，包括以下步骤：

1)首先在隧道掌子面处拱顶120°范围内沿隧道周向施作超前小导管10；超前小导管10长度为6-8m，超前小导管10环向间距为30-50cm，外插角为3-5°；

2)超前小导管10施工完成后，对其进行注浆，对围岩进行注浆加固，注浆浆液采用水泥-水玻璃混合液，注浆压力采用0.5-0.8Mpa；

3)参见图2，采用预留核心土法开挖上台阶环形部分Ⅰ，完成后立即施作加长锚杆1，并进行初喷初喷层2，初喷层施作完毕后立即悬挂钢筋网11，钢筋网11的网格间距为20×20cm，然后架设钢拱架3的上台阶部分，完成后通过纵向连接9使其与前一榀钢拱架连接形成承载整体，上台阶脚处打入上台阶锁脚锚杆6，并将上台阶锁脚锚杆6与钢拱架3焊接连接，最后施作复喷层4；

4)开挖核心土部分Ⅱ；

5)开挖下台阶左侧部分Ⅲ-1，立即施作加长锚杆1，加长锚杆1采用自进式注浆锚杆，锚杆长度为3-5m，沿隧道环向设置，间距为50-100cm，拱脚处打入拱脚锁脚锚杆8，喷射初喷层2，初喷层2厚度不小于40mm；然后施作钢拱架3的下台阶部分，使其与上台阶部分钢拱架3通过螺栓连接，并使钢拱架3与拱脚处的拱脚锁脚锚杆8焊接连接，喷射复喷层4；

6)然后开挖下台阶右侧部分Ⅲ-2，施工步骤同下台阶左侧；

7)开挖仰拱部分，并施作仰拱处的钢拱架3，将各部分的钢拱架通过连接筋9连接，使其形成闭合承重环；

8)在复喷层4表面敷设防水层5，为了保证防水层不被破坏，可选择土工布防护；

9)最后整体浇筑二次衬砌7；

10)重复步骤1-9，进行隧道持续开挖。

通过上述发明的施工方法，设置了初喷层2，钢拱架3，复喷层4的支护结构，遵循先柔后刚的支护原则，并且充分协调好各部分施工步骤，并及时施作各个结构部件，避免了窝工带来延迟从而发生大变形问题，通过设置了纵向连接筋9使相邻钢拱架3形成支护整体，大大避免了大变形隧道不均匀变形对支护体系带来的不利影响。

Claims (9)

1.一种软岩大变形隧道支护体系，其特征在于，包括沿隧道径向由外向内依次设置的超前支护、初期支护、防水层(5)和二次衬砌(7)，所述初期支护包括沿隧道径向由外向内依次设置的加长锚杆(1)、初喷层(2)、钢拱架(3)和复喷层(4)。

2.根据权利要求1所述的一种软岩大变形隧道支护体系，其特征在于所述的超前支护由超前小导管(10)注浆形成，超前小导管(10)在隧道掌子面处拱顶120°范围内沿隧道轴向设置，超前小导管(10)环向间距为30-50cm，外插角为3-5°，长度为6-8m。

3.根据权利要求1所述的一种软岩大变形隧道支护体系，其特征在于，所述的加长锚杆(1)采用自进式注浆锚杆，锚杆长度为3-5m，沿隧道环向设置，间距为50-100cm。

4.根据权利要求1所述的一种软岩大变形隧道支护体系，其特征在于，所述的初期支护内初喷层(2)与钢拱架(3)之间还设置有钢筋网(11)，钢筋网(11)的网格间距为20×20cm，所述初喷层(2)厚度≥40mm。

5.根据权利要求1所述的一种软岩大变形隧道支护体系，其特征在于，所述钢拱架(3)采用工字钢拼接而成，单榀钢拱架采用螺栓连接的方式，纵向相邻钢架之间采用纵向连接筋(9)连接；且在隧道上台阶和拱脚处分别加设上台阶锁脚锚杆(6)和拱脚锁脚锚杆(8)，所述上台阶锁脚锚杆(6)和拱脚锁脚锚杆(8)与钢拱架(3)焊接连接。

6.根据权利要求1所述的一种软岩大变形隧道支护体系，其特征在于，所述的二次衬砌(7)采用素混凝土整体浇筑而成，厚度≥50cm。

7.一种软岩大变形隧道支护体系的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：1)首先在隧道掌子面处拱顶120°范围内沿隧道轴向施作超前小导管(10)，超前小导管(10)环向间距为30-50cm，外插角为3-5°，长度为6-8m；

2)超前小导管(10)施工完成后，通过超前小导管(10)对围岩进行注浆加固，注浆浆液采用水泥-水玻璃混合液，注浆压力采用0.5-0.8Mpa；

3)采用预留核心土法开挖上台阶环形部分，完成后立即施作加长锚杆(1)，并进行初喷初喷层(2)，初喷层(2)施作完毕后悬挂钢筋网(11)，然后架设钢拱架(3)的上台阶部分，完成后通过纵向连接筋(9)使其与前一榀钢拱架连接成为承载整体，上台阶脚处打入上台阶锁脚锚杆(6)，并将上台阶锁脚锚杆(6)与钢拱架(3)焊接连接，最后施作复喷层(4)；

4)开挖核心土部分；

5)开挖下台阶左侧部分，立即施作加长锚杆(1)，拱脚处打入拱脚锁脚锚杆(8)，喷射初喷层(2)，然后施作钢拱架(3)的下台阶部分，使其与上台阶部分钢拱架(3)通过螺栓连接，并使钢拱架(3)与拱脚处的拱脚锁脚锚杆(8)焊接连接，喷射复喷层(4)；

6)然后开挖下台阶右侧，施工步骤同下台阶左侧；

7)开挖仰拱部分，并施作仰拱处的钢拱架(3)，使其形成闭合承重环；

8)在复喷层(4)表面敷设防水层(5)，并使用土工布防护；

9)最后整体浇筑二次衬砌(7)；

10)重复步骤1-9，进行隧道持续开挖。

8.根据权利要求7所述的一种软岩大变形隧道支护体系的施工方法，其特征在于，所述加长锚杆(1)采用自进式注浆锚杆，锚杆长度为3-5m，沿隧道环向设置，间距为50-100cm。

9.根据权利要求7所述的一种软岩大变形隧道支护体系的施工方法，其特征在于，所述钢筋网(11)的网格间距为20×20cm，所述初喷层(2)厚度≥40mm。