CN103410527A - 围岩中含湿陷性黄土和软岩的隧道初期支护施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种围岩中含湿陷性黄土和软岩的隧道初期支护施工方法，包括以下步骤：先在湿陷性黄土层设置多层超前管棚，在软岩层设置单层超前管棚；在超前管棚安设完成后用喷射混凝土封闭工作面，在软岩层布置系统锚杆，并在隧道的拱脚处设置锁脚小导管，利用系统锚杆、锁脚小导管的渗入对岩体进行注浆；将预制的钢筋网紧贴混凝土初喷后形成的混凝土初喷层面起伏敷设，对位于湿陷性黄土层的钢筋网作加密处理；在湿陷性黄土层架设钢拱架，在软岩层搭设钢筋格栅，钢筋格栅和钢拱架的连接处进行焊接；最后再采用喷射混凝土进行复喷，完成隧道初期支护的施工。本发明能够很好地控制两层围岩应力释放与变形协调、可操作性强、施工成本低，安全性好。

Description

围岩中含湿陷性黄土和软岩的隧道初期支护施工方法

技术领域

本发明涉及一种隧道初期支护的施工方法，尤其涉及一种横断面中含湿陷性黄土与软岩的隧道初期支护施工方法。 

背景技术

与I～III等级的隧道围岩相比，含湿陷性黄土与软岩的层状围岩的强度低、变形量大、自稳能力差，且上下岩土层的特性存在差异性，特别是随着隧道开挖面积的大幅提高，施工难度急剧增加，施工中对围岩的扰动可能导致围岩出现松动或进入大变形阶段，造成隧道初期支护难度增大，因此，采用一种合理的初期支护技术显得尤为重要。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能够很好地控制围岩应力释放与变形协调、可操作性强、经济合理、施工成本较低的围岩中含湿陷性黄土和软岩的隧道初期支护施工方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种围岩中含湿陷性黄土和软岩的隧道初期支护施工方法，包括以下步骤：

（1）施工超前管棚：在明洞外廓线外以外施作混凝土套拱作为导向墙，在导向墙达到所要求的强度后，开始钻孔施工超前管棚，在湿陷性黄土层区域设置多层超前管棚，在软岩层区域设置单层超前管棚；

（2）混凝土初喷：在超前管棚安设完成后，用速凝砂浆封口，向前进行开挖，并用喷射混凝土封闭工作面，完成初喷；

（3）施工系统锚杆：在软岩层区域布置系统锚杆，并在隧道的拱脚处设置锁脚小导管，利用系统锚杆、锁脚小导管的渗入对岩体进行注浆；

（4）钢筋网铺设：将预制的钢筋网紧贴混凝土初喷后形成的混凝土初喷层面起伏敷设，钢筋网的节点与所述系统锚杆焊接牢固，对位于湿陷性黄土层区域的钢筋网作加密处理；

（5）钢结构联合支护：根据围岩地层的不同，在湿陷性黄土层区域架设钢拱架，在软岩层区域搭设钢筋格栅，钢筋格栅和钢拱架的连接处进行焊接（具体可通过焊接钢板并通过螺栓联接）；钢筋格栅的锁脚采用锁脚锚杆锁定；

（6）混凝土复喷：在所述系统锚杆、钢筋网、钢筋格栅和钢拱架全部装设完毕后，再采用喷射混凝土进行复喷，完成隧道初期支护的施工。

上述的隧道初期支护施工方法中，优选的，在施工系统锚杆以前，在隧道围岩的软岩层区域设置超前小导管注浆，在隧道围岩的湿陷性黄土层区域不设置超前小导管。

上述的隧道初期支护施工方法中，优选的，所述超前小导管的端头加工成锥形，超前小导管的尾部预留止浆段，超前小导管注浆前先对掌子面的软岩层区域喷射混凝土封闭，注浆时先用风枪钻孔并插入超前小导管，然后向孔内压注浆液；所述浆液为水泥-水玻璃双浆液，注浆时由下向上进行，注浆后立即堵塞孔口。

上述的隧道初期支护施工方法中，优选的，所述步骤（1）中，钻孔时在围岩的湿陷性黄土层区域采用两次钻孔法，在围岩的软岩层区域采用一次钻孔法；钻孔的孔径比管棚钢管的直径大30mm～40mm；在湿陷性黄土层区域设置的多层超前管棚至少包括三层，且多层超前管棚是按照由内到外的顺序进行施工。

上述的隧道初期支护施工方法中，优选的，所述步骤（3）中，所述布置系统锚杆是指将中空的系统锚杆插入已经布设的锚杆孔内，在锚杆孔处预装锚杆专用止浆塞，使系统锚杆的锚杆头与压浆机出浆管连接。

上述的隧道初期支护施工方法中，优选的，所述步骤（4）中，钢筋网横向钢筋在湿陷性黄土层区域的间距设置为20cm，在软岩层区域的间距设置为25cm。

上述的隧道初期支护施工方法中，优选的，所述步骤（5）中，所述钢拱架为型钢搭设成的钢拱架。

上述的隧道初期支护施工方法中，优选的，所述混凝土初喷和混凝土复喷均采用混凝土湿喷机作业，喷射的混凝土采用钢纤维混凝土，喷射时按照先喷射软岩层区域再喷射湿陷性黄土层区域的施工顺序施工。

上述的隧道初期支护施工方法优选适用于隧道横断面上存在两种类型岩土层（黄土层和软岩层）的隧道初期支护施工，即所述隧道的围岩中同时含湿陷性黄土层和软岩层，且湿陷性黄土层位于软岩层上方。湿陷性黄土层的特点是遇水后土体结构遭到破坏，强度急剧下降，产生沉降变形，属于特殊土。软岩层是指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著，或含有大量的膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱层。

本发明上述施工方法的特点在于：针对隧道横断面同时存在一种或多种特殊地质的情况，采用了包括超前管棚布置、超前小导管、锚杆布置、钢拱架和钢筋格栅布置、钢筋网布置和喷射混凝土等多种支护结构形式，并对多种支护结构形式进行了组合应用，实现了优势互补。本发明施工方法的特点还在于：要求在不同的岩土层区域采用不同的支护方法或支护结构布置形式，例如管棚布置在该类隧道的黄土层区域设置成多层布置形式，软岩层区域则设置成单层布置形式，超前小导管和系统锚杆则仅在软岩层区域设置，在软岩层区域还使用锁脚小导管技术取代传统的锁脚锚杆，黄土层区域则设置型钢拱架，软岩层区域则设置钢筋格栅，钢筋网在黄土层区域作加密处理等等。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的隧道初期支护施工方法可以充分发挥各支护施工方式的优势，能够很好地控制围岩应力释放与变形协调，不仅可操作性强，而且经济合理，施工成本较低。本发明的隧道初期支护施工方法可有效抑制初期过大变形避免塌方，同时充分释放围岩应力，避免永久结构长期受力过大，确保此类型隧道的设计要求，保证结构安全可靠，从而达到安全、经济和实用的目的。

附图说明

图1为本发明具体实施例中超前管棚和超前小导管布置横断面结构示意图。

图2为本发明具体实施例中隧道初期支护施工纵向结构布置示意图。

图3为本发明具体实施例中洞身系统锚杆和锁脚小导管正面布置结构示意图。

图4为本发明具体实施例中钢筋网的布置示意图。

图5为本发明具体实施例中钢拱架和钢筋格栅的横断面示意图。

图6为图5中A处的局部放大图。

图例说明：

1、多层超前管棚；2、单层超前管棚；3、湿陷性黄土层；4、软岩层；5、初喷素混凝土层；6、超前小导管；7、钢拱架；8、钢筋格栅；9、纵向连接钢筋；10、系统锚杆；11、锁脚小导管；12、钢筋网；13、锁脚锚杆，14、复喷钢纤维混凝土层。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例：

一种本发明的围岩中含湿陷性黄土和软岩的隧道初期支护施工方法，该隧道围岩横断面上存在两种类型岩土层，即隧道的围岩中同时含湿陷性黄土层3和软岩层4，且湿陷性黄土层3位于软岩层4上方，本实施例的施工方法具体包括以下步骤：

（1）施工超前管棚

如图1所示，在明洞外廓线外以外施作混凝土套拱作为导向墙，在套拱内预埋工字钢，按设计孔位准确安放导向钢管，工字钢与导向钢管焊成整体。用经纬仪以坐标法在工字钢上定出孔口管的平面位置；用水准尺配合坡度板设定孔口管的倾角；用前后差距法设定孔口管的外插角。

在导向墙达到所要求的强度后，开始钻孔施工超前管棚；钻孔机械采用管棚钻机，钻孔选用比管棚钢管直径大30mm～40mm的钻头，在本实施例围岩上部的黄土层区域采用两次钻孔法，在围岩下部的软岩层区域采用一次钻孔法，钻孔完成后，把事先加工好的管节连接套焊接在管棚钢管两端，针对本实施例类型的隧道，我们采用大管棚，管棚直径在89mm～159mm之间，然后将管棚钢管安放在管棚钻机钻头上，管棚钻机对准已钻好的管棚孔，低速推进管棚钢管，并用管节连接套接长管棚钢管，直至钻进到超前管棚的设计长度。在坍塌性和稳定性不高的湿陷性黄土层区域，本实施例设置了多层超前管棚1（具体为三层），在软岩层区域设置有单层超前管棚2，多层超前管棚1按照从内到外的施工顺序进行。

（2）混凝土初喷

如图1所示，针对该类围岩稳定性差的隧道，在超前管棚安设完成后，用速凝砂浆封口，向前进行开挖，并迅速用喷射混凝土封闭工作面，完成初喷，形成初喷素混凝土层5。初喷在开挖（或分部开挖）完成后立即进行，以尽早封闭岩面，防止表层风化剥落。喷射混凝土时按照先喷射软岩层4区域再喷射湿陷性黄土层3区域的施工顺序施工。

（3）设置超前小导管

如图1所示，在隧道围岩的软岩层4区域设置超前小导管6注浆，在隧道围岩的湿陷性黄土层3区域不设置超前小导管，因为在湿陷性黄土层3区域，黄土一遇水就变得松散，注浆起不到凝固胶结成环的作用，在湿陷性黄土层3区域注浆只会使围岩变的愈加不稳定。根据该软岩层区域的强度情况，每根超前小导管6取一定的长度和间距进行布设。

本实施例的超前小导管6采用热轧钢管加工而成，施工前，对掌子面的软岩层区域喷射混凝土封闭以防漏浆、跑浆。按设计标出孔位，用YT-28风枪钻孔后插入超前小导管，外插角控制在10°～15°。用风枪或大锤直接将超前小导管送入，纵向相邻两排超前小导管水平搭接长度不应小于1m。超前小导管6安装后，根据情况向孔内压注浆液，为保证围岩的安全稳定，浆液选用水泥-水玻璃双浆液，浆液采用砂浆搅拌机拌制，注浆时由下向上进行，注浆后立即堵塞钢管孔口，防止浆液外流。

（4）施工系统锚杆

如图3所示，根据我们的研究，由于湿陷性黄土层3区域的系统锚杆所起的支护作用不大，本实施例从经济和实用性角度考虑，不对该类型隧道的湿陷性黄土层区域采用系统锚杆支护，仅在软岩层4区域布置系统锚杆10，与此同时，在隧道的拱脚处设置锁脚小导管代替传统的锁脚锚杆，利用锁脚小导管的渗入对岩体进行注浆；该技术手段主要是通过锁脚小导管渗入注浆改善岩体物理力学性能，增加隧道拱部初期支护的自稳时间，并能有效控制不良地质和初期支护的超量变形。

如图3所示，系统锚杆的施工中应按设计要求并结合本实施例此类隧道软岩实际情况定出锚杆孔位置、孔位，深度应符合设计要求。钻孔完毕后、安装锚杆前，先用高压风清洗锚杆孔内石屑，再将中空的系统锚杆10插入锚杆孔，系统锚杆10插入深度应符合设计规定，系统锚杆10外露10cm～20cm，以便于与压浆机出浆管连接。压浆前，锚杆孔处预装锚杆专用止浆塞，压浆时，系统锚杆10的锚杆头与压浆机出浆管连接，开始压浆。当孔内水泥浆压满后，立即顶紧止浆塞，防止浆液溢出，待达到额定强度后，开始安装锚杆专用垫板，拧紧螺帽，垫板应保证与支护面岩面密贴。本实施例的锁脚小导管11在此后需安装的钢筋格栅8上下间距40cm处布置，共6根，向下插脚5°，锁脚小导管11的安设采用Y-28风枪。

（5）钢筋网铺设

在加工场事先将钢筋网加工成方片后，将预制好的钢筋网12运送至工作面。钢筋网12加工制作及安装时应注意除锈、去油污，确保钢筋质量符合要求。钢筋网12铺设时，使其紧贴混凝土初喷后形成的初喷素混凝土层5面起伏敷设，并与壁面接触紧密。钢筋网12的节点与系统锚杆10、钢架接头等焊接牢固（可采用点焊方式），对位于湿陷性黄土层3区域的钢筋网12作加密处理。布置钢筋网12时，钢筋网12横向钢筋在湿陷性黄土层3区域的间距设置为20cm，在软岩层4区域的间距设置为25cm（参见图4）。

（6）钢结构联合支护

针对本实施例此类型的隧道，我们采用钢拱架7和钢筋格栅8联合支护，如图2和图5所示，根据围岩地层的不同，在湿陷性黄土层3区域架设刚度较大的钢拱架7（本实施例采用型钢拱架），在软岩层4区域搭设钢筋格栅8，施工时按照设计要求在洞外加工场分单元加工，汽车运至洞内分段拼装。钢拱架7安装前先初喷一层混凝土，钢筋格栅8在现场设计的工装台上加工。钢筋格栅8和钢拱架7的连接处用直流焊机各焊接一块钢板；钢板之间用螺栓联接，各钢拱架7之间还通过设置纵向连接钢筋9进行固接，钢筋格栅8的锁脚采用锁脚锚杆13锁定，两侧各设置一根长的锁脚锚杆13。

（7）混凝土复喷

在系统锚杆、钢筋网、钢筋格栅和钢拱架全部装设完毕后，再采用喷射混凝土进行复喷，本实施例中混凝土的初喷和复喷均采用TK-500型混凝土湿喷机作业，混凝土采用钢纤维混凝土代替传统的素混凝土，同时根据水泥品种、水灰比等选择合适的速凝剂（可根据施工要求在市场购买常规通用的速凝剂），复喷后的复喷钢纤维混凝土层14可尽快形成联合支护体系，以抑制围岩变形，完成隧道初期支护的施工。喷射混凝土时按照先喷射软岩层区域再喷射湿陷性黄土层区域的施工顺序施工。

Claims (9)

1.一种围岩中含湿陷性黄土和软岩的隧道初期支护施工方法，包括以下步骤：

（1）施工超前管棚：在明洞外廓线外以外施作混凝土套拱作为导向墙，在导向墙达到所要求的强度后，开始钻孔施工超前管棚，在湿陷性黄土层区域设置多层超前管棚，在软岩层区域设置单层超前管棚；

（2）混凝土初喷：在超前管棚安设完成后，用速凝砂浆封口，向前进行开挖，并用喷射混凝土封闭工作面，完成初喷；

（3）施工系统锚杆：在软岩层区域布置系统锚杆，并在隧道的拱脚处设置锁脚小导管，利用系统锚杆、锁脚小导管的渗入对岩体进行注浆；

（4）钢筋网铺设：将预制的钢筋网紧贴混凝土初喷后形成的混凝土初喷层面起伏敷设，钢筋网的节点与所述系统锚杆焊接牢固，对位于湿陷性黄土层区域的钢筋网作加密处理；

（5）钢结构联合支护：根据围岩地层的不同，在湿陷性黄土层区域架设钢拱架，在软岩层区域搭设钢筋格栅，钢筋格栅和钢拱架的连接处进行焊接；钢筋格栅的锁脚采用锁脚锚杆锁定；钢筋格栅与钢筋网、钢拱架与钢筋网之间进行焊接；

（6）混凝土复喷：在所述系统锚杆、钢筋网、钢筋格栅和钢拱架全部装设完毕后，再采用喷射混凝土进行复喷，完成隧道初期支护的施工。

2.根据权利要求1所述的隧道初期支护施工方法，其特征在于：在施工系统锚杆以前，在隧道围岩的软岩层区域设置超前小导管注浆，在隧道围岩的湿陷性黄土层区域不设置超前小导管。

3.根据权利要求2所述的隧道初期支护施工方法，其特征在于：所述超前小导管的端头加工成锥形，超前小导管的尾部预留止浆段，超前小导管注浆前先对掌子面的软岩层区域喷射混凝土封闭，注浆时先用风枪钻孔并插入超前小导管，然后向孔内压注浆液；所述浆液为水泥-水玻璃双浆液，注浆时由下向上进行，注浆后立即堵塞孔口。

4.根据权利要求1、2或3所述的隧道初期支护施工方法，其特征在于：所述步骤（1）中，钻孔时在围岩的湿陷性黄土层区域采用两次钻孔法，在围岩的软岩层区域采用一次钻孔法；钻孔的孔径比管棚钢管的直径大30mm～40mm；在湿陷性黄土层区域设置的多层超前管棚至少包括三层，且多层超前管棚是按照由内到外的顺序进行施工。

5.根据权利要求1、2或3所述的隧道初期支护施工方法，其特征在于：所述步骤（3）中，所述布置系统锚杆是指将中空的系统锚杆插入已经布设的锚杆孔内，在锚杆孔处预装锚杆专用止浆塞，使系统锚杆的锚杆头与压浆机出浆管连接。

6.根据权利要求1、2或3所述的隧道初期支护施工方法，其特征在于：所述步骤（4）中，钢筋网横向钢筋在湿陷性黄土层区域的间距设置为20cm，在软岩层区域的间距设置为25cm。

7.根据权利要求1、2或3所述的隧道初期支护施工方法，其特征在于：所述步骤（5）中，所述钢拱架为型钢搭设成的钢拱架。

8.根据权利要求1、2或3所述的隧道初期支护施工方法，其特征在于：所述混凝土初喷和混凝土复喷均采用混凝土湿喷机作业，喷射的混凝土采用钢纤维混凝土，喷射时按照先喷射软岩层区域再喷射湿陷性黄土层区域的施工顺序施工。

9.根据权利要求1、2或3所述的隧道初期支护施工方法，其特征在于：所述隧道的围岩中同时含湿陷性黄土层和软岩层，且湿陷性黄土层位于软岩层上方。

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