CN108798702B - 一种大断面软岩大变形隧道的支护方法 - Google Patents

Abstract

一种大断面软岩大变形隧道的支护方法，开挖一个进尺后进行初喷混凝土，然后钻孔，将第一约束杆送入孔内，对第一约束杆进行注浆，形成上部初衬支护；在上部初衬支护下，两侧错位开挖中台阶后进行初喷混凝土；钻孔后将第二约束杆送入孔内，复喷混凝土至设计厚度；两侧错位开挖下台阶后进行初喷混凝土；钻孔后将第三约束杆送入孔内，回填下台阶左右两侧；开挖中台阶预留核心土部分和下台阶预留核心土部分，然后开挖仰拱，进行下一循环的施工，以至隧道贯通。本发明的支护方法中支护型式变内支撑为外支撑，节省隧道内空间，确保支护结构的安全性和耐久性，在有效控制隧道大变形的同时，更加安全、经济、耐久、操作性强，有效缩短工期。

Description

一种大断面软岩大变形隧道的支护方法

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，具体涉及一种大断面软岩大变形隧道的支护方法。

背景技术

我国是一个多山地和丘陵的国家，其中山地和丘陵占全国陆地面积的69%。交通基础设施建设也将得到快速发展，在公路、铁路的建设过程中必将遇到大量软散围岩隧道。在软散地层中修筑隧道时，围岩的自稳性较差，极易产生滑塌和牵引变形，且变形量大，持续时间长，流变特性明显。隧道初期支护结构容易在挤压大变形作用下出现开裂、掉块、钢架扭曲、折断和侵限等问题，导致工程造价不可控，建设费用严重超概，建设工期难以预测，施工质量难以保证，甚至造成二衬开裂，拱脚下沉，仰拱上隆等工程病害。

对于软散围岩隧道，大变形是常见的工程灾害之一，并且是尚未解决的世界性难题。传统的做法是增加初期支护结构的强度和刚度，主要支护手段有：两层、三层初期支护，加强二次衬砌，扩挖为受力性能更好的圆形断面，应力释放技术（超前导洞应力释放、预留变形应力释放、换拱应力释放），让压锚杆支护等。综合分析上述大变形支护方案，还存在以下不足之处：

（1）工程造价高，工序繁琐，进度缓慢，工期延长；

（2）控制软岩大变形效果一般，甚至无效；

（3）二衬往往在初期支护结构变形未收敛的情况下施作，二衬受力较大，隧道结构的可靠性、安全性和耐久性得不到保障；

（4）未考虑初期支护结构的稳定性，一味地加强初衬的强度和刚度，支护效果差，且造成隧道工程的经济性差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大断面软岩大变形隧道的支护方法，其既能限制初期支护结构在自重、振动、拱脚围岩压密、钢架间的约束反力作用下的沉降变形，防止产生背后空洞，围岩持续牵引变形，松动圈扩大，继而诱发的大变形等问题，同时又能增加初期支护结构的稳定性，约束初期支护结构在较小的围岩压力小产生“曲杆”失稳破坏问题，防止出现钢架扭曲、折断、初衬侵限等现象，优化初期支护结构的受力性，保证支护结构的安全。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种大断面软岩大变形隧道的支护方法，包括以下步骤：

（1）上台阶施工：首先进行上台阶的开挖，开挖一个进尺后进行初喷混凝土，初喷完成后，在上台阶左右拱腰钢架连接位置处按水平向上30°钻孔，然后，将第一约束杆送入孔内；通过注浆设备对第一约束杆进行注浆；架立上台阶钢架，使上台阶钢架与喷射混凝土密贴，挂设钢筋网；施作超前注浆小导管；最后，复喷混凝土至设计厚度，形成上部初衬支护；

（2）中台阶施工：在上部初衬支护下，两侧错位开挖中台阶，预留中台阶核心土部分，开挖完成后进行初喷混凝土；初喷完成后，在上中台阶钢架连接位置处偏下30~50cm处按水平向下10°钻孔；然后，将第二约束杆送入孔内；通过注浆设备对第二约束杆进行注浆；接长中台阶钢架，使中台阶钢架与喷射混凝土密贴，挂设钢筋网；最后，复喷混凝土至设计厚度；

（3）下台阶施工：两侧错位开挖下台阶，预留下台阶核心土部分，开挖完成后进行初喷混凝土；初喷完成后，在中下台阶钢架连接位置处偏下30~50cm处按水平向下10°钻孔；将第三约束杆送入孔内；通过注浆设备对第三约束杆进行注浆；接长下台阶钢架，使下台阶钢架与喷射混凝土密贴，挂设钢筋网；施作下台阶锁脚锚管；最后，复喷混凝土至设计厚度，回填下台阶左右两侧；

（4）预留核心土开挖：开挖中台阶预留核心土部分和下台阶预留核心土部分，开挖进尺与各台阶循环进尺一致；

（5）仰拱开挖：每循环开挖长度3~5m，仰拱部分开挖后，进行初喷；

（6）在超前注浆小导管支护下，进行下一循环的施工，以至隧道贯通。

本发明进一步的改进在于，步骤（1）中超前注浆小导管的直径为42mm。

本发明进一步的改进在于，步骤（1）、（2）与（3）中钻孔时，均预留0.2m的长度。

本发明进一步的改进在于，步骤（1）、（2）与（3）中压浆时，压力为0.5~2MPa。

本发明进一步的改进在于，步骤（1）~（5）中采用弱爆破和机械开挖相结合的方式进行开挖，上台阶开挖矢跨比不小于0.3，开挖进尺根据钢架间距确定。

本发明进一步的改进在于，第一约束杆、第二约束杆与第三约束杆均为注浆锚管。

本发明进一步的改进在于，第一约束杆、第二约束杆与第三约束杆的直径均为76mm，长度均为6~10m。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）根据初期支护结构的力学原理，结合初期支护结构的破坏形式或失稳模态，利用欧拉公式，采用稳定杆原理，通过设置第一约束杆、第二约束杆与第三约束杆，解决初期支护结构的失稳破坏；

（2）本发明选择取消系统锚杆、上台阶的锁脚锚管和中台阶的锁脚锚管，加强钢架间纵向连接，以形成稳定的承载结构，有效增加初期支护结构的稳定性，控制围岩大变形，减少开挖预留变形量，解决初期支护结构失稳破坏、侵限导致的频繁换拱问题，同时大大降低开挖量、出渣量及喷射混凝土用量；

（3）采用本发明中的支护方法，取消了隧道系统锚杆、上台阶的锁脚锚管和中台阶的锁脚锚管，可节约工程造价，简化工序，节省时间，加快进度；

（4）本发明的支护方法中初期支护结构采用单层钢架，与传统两层、三层钢架相比，所述新型支护型式为初期支护结构做“减法”，达到明显“瘦身”的效果，充分发挥支护的材料强度；

（5）本发明的支护方法中支护型式变内支撑为外支撑，节省隧道内空间，利于大型机械施工，提高施工效率，其中约束杆作为永久支护，后期不用拆除，可进一步确保支护结构的安全性和耐久性。

本发明的新型支护型式相比传统支护型式，在有效控制隧道大变形的同时，更加安全、经济、耐久、操作性强，有效缩短工期。

附图说明

图1为本发明开挖步骤三维示意图；

图2为本发明的支护型式的三维示意图；

图3为本发明的支护型式的主视图。

图中，1为第一约束杆，2为超前注浆小导管，3为第二约束杆，4为第三约束杆，5为下台阶锁脚锚管，6为连接构件，Ⅰ为上台阶，Ⅱ（1）为左侧中台阶，Ⅱ（2）为右侧中台阶，Ⅲ（1）为左侧下台阶，Ⅲ（2）为右侧下台阶，Ⅳ（1）为下台阶左侧空间，Ⅳ（2）为下台阶右侧空间，Ⅴ为中台阶核心土部分，Ⅵ为下台阶预留核心土部分，Ⅶ为仰拱部分。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明进行详细描述。

本发明提供的一种大断面软岩大变形隧道的支护方法，包括以下步骤：

（1）上台阶施工：首先进行上台阶Ⅰ（见图1）的开挖，开挖一个进尺后快速进行初喷混凝土，喷射混凝土需满足厚度及平整度要求，初喷完成后，在上台阶左右拱腰钢架连接位置处按上倾角（即水平向上）30°钻孔，锚孔需包括0.2m的预留长度；然后，立即将第一约束杆1送入孔内，对孔口进行封堵并预留排气孔，排气孔在注浆过程中也可用于排水；通过注浆设备对第一约束杆1进行压浆，注浆压力需达到0.5~2MPa，确保注浆达到饱压密实效果；若孔内有地下水汇集，注浆时应采用间歇压浆；注浆完毕后立即清洗注浆设备；架立上台阶钢架，确保上台阶钢架与喷射混凝土密贴，挂设钢筋网；施作ϕ42mm超前注浆小导管2；最后，复喷混凝土至设计厚度，形成上部初衬支护。

（2）中台阶施工：在上部初衬支护下，两侧错位开挖中台阶，具为左侧中台阶Ⅱ（1）和右侧中台阶Ⅱ（2），预留中台阶核心土部分Ⅴ，开挖完成后快速进行初喷混凝土，喷射混凝土需满足厚度及平整度要求；初喷完成后，在上中台阶钢架连接位置处偏下30~50cm处按下倾角（即水平向下）10°钻孔，锚孔需包括0.2m的预留长度；然后，立即将第二约束杆3送入孔内，对孔口进行封堵并预留排气孔，排气孔在注浆过程中也可用于排水；通过注浆设备对第二约束杆进行压浆，注浆压力需达到0.5~2MPa，确保注浆达到饱压密实效果；若孔内有地下水汇集，注浆时应采用间歇压浆；注浆完毕后立即清洗注浆设备；接长中台阶钢架，确保中台阶钢架与喷射混凝土密贴，挂设钢筋网；最后，复喷混凝土至设计厚度。

（3）下台阶施工：两侧错位开挖下台阶，具体为左侧下台阶Ⅲ（1）和右侧下台阶Ⅲ（2），预留下中台阶核心土部分Ⅵ，开挖完成后快速进行初喷混凝土，喷射混凝土需满足厚度及平整度要求；初喷完成后，在中下台阶钢架连接位置处偏下30~50cm处按下倾角（水平向下）10°钻孔，锚孔需包括0.2m的预留长度；然后，立即将第三约束杆4送入孔内，对孔口进行封堵并预留排气孔，排气孔在注浆过程中也可用于排水；通过注浆设备对第三约束杆4进行压浆，注浆压力需达到0.5~2MPa，确保注浆达到饱压密实效果；若孔内有地下水汇集，注浆时应采用间歇压浆；注浆完毕后立即清洗注浆设备；接长下台阶钢架，确保下台阶钢架与喷射混凝土密贴，挂设钢筋网；施作下台阶锁脚锚管5；最后，复喷混凝土至设计厚度，待混凝土达到一定强度，回填下台阶左右两侧空间（见图1中下台阶左侧空间Ⅳ（1）和下台阶右侧空间Ⅳ（2）为已经回填得到部分）。

（4）预留核心土开挖：开挖中台阶预留核心土部分Ⅴ和下台阶预留核心土部分Ⅵ（见图1），开挖进尺与各台阶循环进尺一致；

（5）仰拱开挖：每循环开挖长度3~5m，仰拱部分Ⅶ（见图1）开挖后，立即进行初喷。

（6）在超前注浆小导管2支护下（见图2和图3），进行下一循环的施工，以至隧道贯通。

本发明的一种大断面软岩大变形隧道的施工工艺的要点为：

步骤（1）~（5）中应采用弱爆破和机械开挖相结合的方式进行开挖，上台阶开挖矢跨比不小于0.3，开挖进尺根据钢架间距确定。

步骤（1）~（3）中应选择取消系统锚杆，步骤（1）和（2）中还取消锁脚锚管，加强钢架间纵向连接，以形成稳定的承载结构。

步骤（1）~（3）中钢架架设或落底接长后，应快速连接第一约束杆1、第二约束杆3与第三约束杆4与钢架，并快速施作步骤（3）中的锁脚锚管，避免因钢架下端自由而加剧钢架的沉降和收敛变形。

步骤（1）~（3）中在改善初期支护结构受力性能方面，特别重视加强约束杆与钢架的连接质量，避免两者在受力过程中脱开而导致约束杆失效。

本发明的支护形式可概括为“约束杆+钢架+喷网+超前注浆小导管+锁脚锚管”组合结构，即该支护型式包括约束杆、型钢钢架、钢筋网、超前注浆小导管以及锁脚锚管，喷射混凝土。

本发明中的第一约束杆1、第二约束杆3第三约束杆4为大直径大尺度（直径为Φ76mm，长度为6~10m）的注浆锚管。第一约束杆1、第二约束杆3与第三约束杆4与钢架均通过连接构件6相连接，约束杆通过注浆产生抗拔力。约束杆用于增加钢架、喷射混凝土等初期支护结构的稳定性，起到铰约束的作用，防止初期支护结构的失稳破坏，并限制初期支护结构在自重、振动、拱脚围岩压密、钢架间的约束反力作用下的沉降变形，防止产生背后空洞及围岩牵引变形。

本发明第一约束杆1、第二约束杆3第三约束杆4中注浆浆液为高强快硬锚固砂浆，高强快硬锚固砂浆通过以下过程制得：将水泥、水和缓凝剂混合均匀即可，其中，水灰比为0.46，缓凝剂用量为水泥含量的0.03%～0.1%。其中，缓凝剂为柠檬酸，水泥为硫酸盐水泥。该高强快硬锚固砂浆4h抗压强度大于10MPa。约束杆钻孔应采用快速钻孔设备，钻孔直径应满足浆液握裹厚度。钢架采用型钢钢架，钢架节与节环向通过螺栓连接，钢架与钢架纵向通过钢筋相连。钢筋网由钢筋焊接而成。超前注浆小导管端头与钢架相连。锁脚锚管于下台阶拱脚施作，锁脚锚管分布于钢架两侧，并与钢架相连。

本发明中步骤（1）～（3）中喷射混凝土施作分为初喷和复喷。初喷利于所述钢架与围岩紧贴密实，防止围岩松动圈扩大。喷射混凝土为早强快硬型，4h抗压强度大于10MPa，能快速封闭开挖面，提供承载力，防止松动圈不断牵引扩大。

Claims (3)

1.一种大断面软岩大变形隧道的支护方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）上台阶施工：首先进行上台阶的开挖，开挖一个进尺后进行初喷混凝土，初喷完成后，在上台阶左右拱腰钢架连接位置处按水平向上30°钻孔，然后，将第一约束杆（1）送入孔内；通过注浆设备对第一约束杆（1）进行注浆；架立上台阶钢架，使上台阶钢架与喷射混凝土密贴，挂设钢筋网；第一约束杆（1）与上台阶钢架通过连接构件（6）相连接；施作超前注浆小导管（2）；最后，复喷混凝土至设计厚度，形成上部初衬支护；

（2）中台阶施工：在上部初衬支护下，两侧错位开挖中台阶，预留中台阶核心土部分，开挖完成后进行初喷混凝土；初喷完成后，在上中台阶钢架连接位置处偏下30~50cm处按水平向下10°钻孔；然后，将第二约束杆（3）送入孔内；通过注浆设备对第二约束杆（3）进行注浆；接长中台阶钢架，使中台阶钢架与喷射混凝土密贴，挂设钢筋网；第二约束杆（3）与中台阶钢架通过连接构件（6）相连接；最后，复喷混凝土至设计厚度；

（3）下台阶施工：两侧错位开挖下台阶，预留下台阶核心土部分，开挖完成后进行初喷混凝土；初喷完成后，在中下台阶钢架连接位置处偏下30~50cm处按水平向下10°钻孔；将第三约束杆（4）送入孔内；通过注浆设备对第三约束杆（4）进行注浆；接长下台阶钢架，使下台阶钢架与喷射混凝土密贴，挂设钢筋网，第三约束杆（4）与下台阶钢架通过连接构件（6）相连接；施作下台阶锁脚锚管（5）；最后，复喷混凝土至设计厚度，回填下台阶左右两侧；

（4）预留核心土开挖：开挖中台阶预留核心土部分和下台阶预留核心土部分，开挖进尺与各台阶循环进尺一致；

（5）仰拱开挖：每循环开挖长度3~5m，仰拱部分开挖后，进行初喷；

（6）在超前注浆小导管（2）支护下，进行下一循环的施工，以至隧道贯通；

其中，第一约束杆（1）、第二约束杆（3）与第三约束杆（4）均为注浆锚管；第一约束杆（1）、第二约束杆（3）与第三约束杆（4）的直径均为76mm，长度均为6~10m；第一约束杆（1）、第二约束杆（3）与 第三约束杆（4）中注浆浆液为高强快硬锚固砂浆；

步骤（1）、（2）与（3）中压浆时，压力为0.5~2Mpa；

步骤（1）~（5）中采用弱爆破和机械开挖相结合的方式进行开挖，上台阶开挖矢跨比不小于0.3，开挖进尺根据钢架间距确定。

2.根据权利要求1所述的一种大断面软岩大变形隧道的支护方法，其特征在于，步骤（1）中超前注浆小导管（2）的直径为42mm。

3.根据权利要求1所述的一种大断面软岩大变形隧道的支护方法，其特征在于，步骤（1）、（2）与（3）中钻孔时，均预留0.2m的长度。

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