CN102011597A - 隧道软弱围岩支护方法及支护结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道软弱围岩支护方法及支护结构，可对围岩进行快速应力补充，主动对围岩稳固支撑，缩短围岩变形时间，围岩变形量较传统方法显著降低。具体为先沿隧道延伸方向间隔布置初支钢架；再在初支钢架与围岩之间设置施力装置，通过施力装置对初支钢架及围岩施加预应力；将施加有预应力的相邻两个初支钢架之间浇注或喷射速凝早强混凝土，形成混凝土结构，混凝土结构分别与相邻两个初支钢架以及围岩相连；最后将施力装置从初支钢架与围岩之间取出并及时回填砼。初支钢架将预应力通过混凝土施加在围岩上，可抑制围岩释放内部应力，从而可充分利用围岩自身强度，达到对围岩进行良好支撑的目的，可有效防止围岩的应力恶化，控制地层沉降。

Description

隧道软弱围岩支护方法及支护结构

技术领域

本发明涉及一种隧道开挖过程中对隧道软弱围岩的支护方法及支护结构。

背景技术

目前城市软弱围岩(一般为国家地铁施工规范中所指IV级并包括IV级以上的分类围岩)隧道初支施工的工序时间长，效率低，开挖、安设拱架、喷砼、初支背后注浆，这些因素使围岩暴露的时间很长，软弱围岩预留核心土无法及时安装临时仰拱，结构无法及时闭合，等闭合后也需要几天的时间，隧道开挖后围岩应力得到充分的释放，等初支结构能够提供支护应力时已经是十几个小时甚至是一两天或更长时间之后，无法及时提供有效的应力，使隧道围岩的应力恶化，围岩变形加剧，围岩结构易遭破坏，所以隧道沉降发生率较大，加剧了隧道施工的风险，经常造成隧道周围环境的沉降超标，甚至造成地表建筑破坏或地表坍塌，而城市的环境要求非常高，特别是城市低层建筑物的基础形式和房屋结构抵抗变形能力很弱，雨污水管道、燃气、热力、上水等各种管线的抗变形能力也很差，为了满足地面建筑物、地下管线等的安全需求，对城市暗挖隧道的施工提出了新的要求，必须保证地面及地下各种建筑物的安全环境要求，但目前的被动式的隧道施工技术都无法很好的保证这方面的要求。隧道施工安全风险大，城市暗挖隧道施工已成为城市施工的高危行业。

中国专利200710027739.1公开了一种浅埋暗挖工程施工方法，该方法在已开挖的隧道断面挂网并预喷砼，在隧道断面安装可调预应力钢拱架，在钢拱架与预喷射砼间塞垫刚性垫块并使他们紧密接触，给钢拱架施加预应力，然后喷射砼固定钢拱架。该方法是通过给钢拱架施加一个朝向围岩的预应力，该预应力通过垫块和混凝土施加给围岩，来抵挡围岩的收敛变形，但由于给钢拱架施加预应力后，钢拱架会具有回复变形的趋势，即背离围岩方向变形的趋势，该趋势会降低钢拱架以及混凝土形成的支撑结构抵抗围岩变形的能力，并且给围岩的应力是点应力，因此，围岩的变形程度依然较大。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种可主动对隧道围岩稳固支撑的隧道软弱围岩支护方法及支护结构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：隧道软弱围岩支护方法，包括以下步骤：

A、先沿隧道延伸方向间隔布置初支钢架，所述初支钢架安装在隧道围岩上；

B、然后在初支钢架与围岩之间设置施力装置，通过施力装置对初支钢架施加背离围岩方向的预应力并同时对围岩施加背离初支钢架的预应力；

C、将步骤B中施加有预应力的相邻两个初支钢架之间浇注或喷射混凝土，形成混凝土结构，所述混凝土结构分别与相邻两个初支钢架以及围岩相连；

D、最后将施力装置从初支钢架与围岩之间取出。

进一步的是：步骤A中所述初支钢架沿隧道围岩的横截面周向安装。

进一步的是：步骤D中，所述施力装置取出后，向初支钢架与围岩之间浇注或喷射混凝土，使初支钢架通过混凝土与围岩相连。

进一步的是：所述施力装置为气囊，步骤B中，通过气囊充气对初支钢架施加背离围岩方向的预应力，同时对围岩施加背离初支钢架的预应力。

进一步的是：所述混凝土为速凝早强混凝土。

隧道软弱围岩支护结构，包括隧道围岩，所述隧道围岩上沿隧道延伸方向间隔设置有一组初支钢架，初支钢架与围岩之间设置有施力装置；相邻两个初支钢架之间设置有混凝土结构，所述混凝土结构分别与相邻两个初支钢架以及围岩相连。

进一步的是：所述施力装置为气囊。

进一步的是：所述初支钢架沿隧道围岩的横截面周向安装。

本发明的有益效果是：通过施力装置对初支钢架施加背离围岩的预应力并同时对围岩施加背离初支钢架的预应力，对围岩能够及时提供主动支护，减少围岩应力的释放；当将施力装置取出后，初支钢架失去施力装置的支撑，具有释放预应力的趋势，但此时由于初支钢架受到位于相邻两个初支钢架之间的混凝土结构的限位作用，使得初支钢架将预应力通过上述混凝土结构施加在围岩上，进而可以抑制围岩释放内部应力，从而可对围岩起到良好的支撑作用，可有效防止围岩的变形，控制地层沉降。

附图说明

图1为初支钢架与气囊和围岩的位置关系示意图；

图2为施力装置对初支钢架以及围岩施加预应力的示意图；

图3为图2中A区域的放大图；

图4为取出施力装置后位于相邻两个初支钢架之间的混凝土结构的受力情况示意图；

图5为将初支钢架与围岩之间浇注或喷射混凝土后受力情况示意图。

图中标记为：1-围岩，2-气囊，3-初支钢架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1至图5所示，本发明的隧道软弱围岩支护方法，包括以下步骤：A、先沿隧道延伸方向间隔布置初支钢架3，所述初支钢架3安装在隧道围岩1上；B、然后在初支钢架3与围岩1之间设置施力装置，通过施力装置对初支钢架3施加背离围岩1方向的预应力并同时对围岩1施加背离初支钢架3的预应力；C、将步骤B中施加有预应力的相邻两个初支钢架3之间浇注或喷射混凝土，形成混凝土结构，所述混凝土结构分别与相邻两个初支钢架3以及围岩1相连；D、最后将施力装置从初支钢架3与围岩1之间取出。实现上述方法的支护结构，包括隧道围岩，所述隧道围岩1上沿隧道延伸方向间隔设置有一组初支钢架3，初支钢架3与围岩1之间设置有施力装置；相邻两个初支钢架3之间设置有混凝土结构，所述混凝土结构分别与相邻两个初支钢架3以及围岩1相连。

围岩状态的控制主要是围岩应力的控制，而作用在围岩上的应力大小主要受围岩的埋深和围岩应力释放的程度决定，围岩埋深固定后，需要对围岩应力释放进行控制，围岩应力释放程度高，围岩的岩土受力大，围岩变形就大，围岩结构就容易被破坏，围岩应力释放的程度小，围岩的岩土受力小，围岩变形就小，围岩就不容易被破坏。软弱围岩的结构可以承受的破坏力较小，很容易被破坏，所以必须控制围岩因隧道开挖而释放的应力程度。本发明基于上述思想，在隧道开挖并安装完初支钢架后，立即通过施力装置对初支钢架施加背离围岩的预应力，同时对围岩施加背离初支钢架的应力，即朝向围岩的应力，这样可以对围岩进行应力补充，减少围岩的应力释放，当将施力装置取出后，初支钢架失去施力装置的支撑，具有释放预应力的趋势，但此时由于初支钢架受到位于相邻两个初支钢架之间的混凝土结构的限位作用，使得初支钢架将预应力通过上述混凝土结构施加在围岩上，进而可以抑制围岩释放应力，这样隧道围岩应力释放较小，岩土受力较小，不超过岩土的剪切破坏强度，能充分保护和利用围岩的既有强度，实现隧道的安全施工。

为了进一步对围岩整体进行有效支护，如图1所示，步骤A中所述初支钢架3沿隧道围岩1的横截面周向安装，即围岩1的横截面周向均安装有初支钢架3，这样在浇注或喷射混凝土时，也是沿围岩1的横截面周向进行，进而使得围岩整体受到支护。

为了在上述基础上，增加对围岩的支护能力，提高对围岩应力释放的抑制作用，步骤D中，所述施力装置取出后，向初支钢架3与围岩1之间的空隙浇注或喷射混凝土，即回填混凝土，使初支钢架3整体通过混凝土与围岩1相连。由于施力装置取出后，位于相邻两个混凝土结构之间的围岩失去施力装置的支撑，该区域的围岩的应力释放程度有可能增加，通过及时回填混凝土，可以有效抑制上述区域的围岩的应力释放，并且通过混凝土对初支钢架3整体限位，可以充分利用初支钢架3整体的预应力来抑制围岩1释放应力，从而可提高对围岩1的支护能力，有效抑制围岩应力的释放，提高施工的安全性，另外，通过向初支钢架与围岩之间回填混凝土，可以使初支钢架的整体受力均匀，有利于保持初支钢架的结构稳定，使初支钢架可以长期稳定的对围岩进行支护。

另外，上述施力装置可为千斤顶、液压起升机等，但上述这些施力装置对于初支钢架施加预应力时，初支钢架的受力不均匀且可能对初支钢架造成损伤，影响对围岩的支护能力，同时，由于初支钢架与围岩之间的的空隙较小，也不便于安装和设置上述施力装置，为了在施加预应力时，使初支钢架3受力均匀，且便于安装和设置施力装置，优选实施方式是：所述施力装置为气囊2，步骤B中，通过气囊2充气对初支钢架3施加背离围岩1方向的预应力，同时对围岩1施加背离初支钢架3的预应力。通过气囊可对初支钢架3均匀施力，同时也可给围岩施加均匀的面压力，及时给围岩补充应力，由于在本发明的方法实施过程中，无论是安装初支钢架3，还是浇注或喷射混凝土，都需要一定时间，在这段时间内，围岩的应力在不断释放，通过气囊对围岩应力的补充，可以相对减少围岩应力的释放，待相邻两个初支钢架3之间的混凝土凝固后，形成混凝土结构，即可将气囊放气取出，此时就可通过初支钢架3和混凝土结构继续抑制围岩应力的释放，整个过程衔接紧密，最大程度的抑制了围岩应力的释放，从而达到保护围岩强度的目的，充分利用了围岩的自身强度使隧道施工更安全，地层沉降更小。

为了提高支护效率，同时也为了进一步抑制围岩应力的释放，所述混凝土为速凝早强混凝土。速凝早强混凝土为现有技术，即混凝土中加入早强剂和速凝剂，可使混凝土在短时间内达到较高的强度。常用的早强剂有以下三种：氯化物系早强剂，如CaCl₂；硫酸盐系早强剂，如硫酸钠；有机物系早强剂，有机物系列早强剂主要有三乙醇胺、三异丙醇胺、甲醇、乙醇等等，最常用的是三乙醇胺。速凝剂的主要种类有无机盐类和有机物类，无机盐类速凝剂按其主要成分大致可分为三类：以铝酸钠为主要成分的速凝剂；以铝酸钙、氟铝酸钙等为主要成分的速凝剂；以硅酸盐为主要成分的速凝剂。通过使用速凝早强混凝土可以在短时间实现对围岩的有效支护，有利于进一步减少围岩的应力释放。

Claims (8)

1.隧道软弱围岩支护方法，其特征是包括以下步骤：

A、先沿隧道延伸方向间隔布置初支钢架(3)，所述初支钢架(3)安装在隧道围岩(1)上；

B、然后在初支钢架(3)与围岩(1)之间设置施力装置，通过施力装置对初支钢架(3)施加背离围岩(1)方向的预应力并同时对围岩(1)施加背离初支钢架(3)的预应力；

C、将步骤B中施加有预应力的相邻两个初支钢架(3)之间浇注或喷射混凝土，形成混凝土结构，所述混凝土结构分别与相邻两个初支钢架(3)以及围岩(1)相连；

D、最后将施力装置从初支钢架(3)与围岩(1)之间取出。

2.如权利要求1所述的隧道软弱围岩支护方法，其特征是：步骤A中所述初支钢架(3)沿隧道围岩(1)的横截面周向安装。

3.如权利要求1所述的隧道软弱围岩支护方法，其特征是：步骤D中，所述施力装置取出后，向初支钢架(3)与围岩(1)之间浇注或喷射混凝土，使初支钢架(3)通过混凝土与围岩(1)相连。

4.如权利要求1所述的隧道软弱围岩支护方法，其特征是：所述施力装置为气囊(2)，步骤B中，通过气囊(2)充气对初支钢架(3)施加背离围岩(1)方向的预应力，同时对围岩(1)施加背离初支钢架(3)的预应力。

5.如权利要求1至4中任意一项所述的隧道软弱围岩支护方法，其特征是：所述混凝土为速凝早强混凝土。

6.隧道软弱围岩支护结构，包括隧道围岩，其特征是：所述隧道围岩(1)上沿隧道延伸方向间隔设置有一组初支钢架(3)，初支钢架(3)与围岩(1)之间设置有施力装置；相邻两个初支钢架(3)之间设置有混凝土结构，所述混凝土结构分别与相邻两个初支钢架(3)以及围岩(1)相连。

7.如权利要求6所述的隧道软弱围岩支护结构，其特征是：所述施力装置为气囊(2)。

8.如权利要求6或7所述的隧道软弱围岩支护结构，其特征是：所述初支钢架(3)沿隧道围岩(1)的横截面周向安装。

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