CN103410528A - 一种隧道衬砌结构及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隧道衬砌结构及施工方法。为了解决现有的隧道拱顶及部分围岩和初期支护的变形量过大,存在安全隐患的问题，所述隧道衬砌结构包括由一个单拱段和分别通过连接板固定在单拱段两端的左右两个多层拱段组成的拱；所述单拱段位于多层拱段之上，所述左右两个多层拱段的底端分别固定连接有一个底板，两个底板分别与一仰拱的两个顶端对应固定相连。由此，在隧道需要衬砌的位置安放所述隧道衬砌结构，可以有效地防止拱顶及部分围岩和初期支护的变形量过大，从而保证施工安全。
Description
技术领域
本发明涉及一种隧道衬砌结构及施工方法，尤其涉及一种围岩岩性差的衬砌结构及施工方法。
背景技术
在隧道进行开挖后岩体会发生次生应力并产生一些围岩压力包括，松动压力、变形压力、冲击压力和膨胀压力等，当围岩压力超过了围岩的强度极限时，围岩就会出现过大变形，进而发生破坏，影响隧道施工的安全性；特别是对于结构松散，含水比较丰富，围岩站立时间短的那些地质条件不好的软弱岩体，更容易出现安全隐患，因此，对隧道围岩进行合理的支护来保障隧道安全是必要的。
目前通常对隧道围岩采取的支护措施是由喷射混凝土、锚杆、钢架组成的联合支护体系，其中钢架是重要的受力构件，它的刚度大，架设后能够立即承载受力。但是，大多数钢架为单层拱结构，侧向抗压能力不足，在围岩岩性较差时容易发生初支钢支撑严重变形，初支砼纵、横向开裂，锁脚锚杆脱焊等现象，最大拱顶变形下沉量过大，严重危机到施工人员的生命安全。这说明，单层拱架的刚度满足不了该围岩开挖后的荷载，因此必须增强初支的强度及钢支撑的刚度，以及加强拱脚处软弱围岩的处理措施。在围岩较差的洞身地段也有工程采用双层钢拱架进行加强支护并在最外侧用高强度材料增设了补强层，如中国专利ZL201110119763.4公开了一种处理隧道施工初期支护变形过大的加固方法，这种做法即在全断面增设钢拱架及高强度补强结构层虽然提高了初支的承载能力减小了初支的变形量，但是该结构侵占了二次衬砌的空间使得二衬的厚度变薄，而且该结构施工较为复杂不易操作，延长了工期，增加了材料及施工费用。
发明内容
为了克服现有的隧道衬砌拱顶及部分围岩和初期支护的变形量过大，存在安全隐患的不足，本发明旨在提供一种隧道衬砌结构及施工方法，该衬砌结构易于实施、节省材料、对后期施工影响小、效果良好、适应范围更为广泛，该施工方法简单、操作方便、人工成本小。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种隧道衬砌结构，其结构特点是，包括由一个单拱段和分别通过连接板固定在单拱段两端的左右两个多层拱段组成的拱；所述单拱段位于多层拱段之上，所述左右两个多层拱段的底端分别固定连接有一个底板，两个底板分别与一仰拱的两个顶端对应固定相连。
由此，在隧道需要衬砌的位置安放所述隧道衬砌结构，可以有效地防止拱顶及部分围岩和初期支护的变形量过大，从而保证施工安全。
以下为本发明的进一步改进的技术方案：
作为一种具体的结构形式，所述多层拱段为单节拱，该单节拱由内拱和位于内拱外侧的外拱、以及位于内拱与外拱之间的N个中间拱构成，其中N为0或正整数。
作为另一种具体的结构形式，所述多层拱段为多节拱，相邻两节拱通过连接板相连；每节拱由内拱和位于内拱外侧的外拱、以及位于内拱与外拱之间的N个中间拱构成，其中N为0或正整数。
上述单拱段与两个多层拱段均通过紧固件与所述连接板相连；两个多层拱段通过紧固件与所述底板相连。
进一步地，本发明还提供了一种如上所述隧道衬砌结构的施工方法，其包括如下步骤：
1）在两侧洞壁围岩的预定位置开挖可以放置多层拱段的空间；
2）在围岩开挖好的空间内壁上固定金属网；
3）将多层拱段安装在开挖好的空间内，多层拱段的上下两端分别固定在所述连接板与所述底板上，再通过锚杆将多层拱固定在围岩上，
4）将单拱段固定在多层拱段上的连接板上；
5）向单拱段和多层拱段喷射水泥混凝土浆；
6）将仰拱的两端固定在相应的底板上，并对仰拱进行灌浆。
进一步地，喷射水泥混凝土浆时，喷浆头与受喷面基本垂直，距离不超过1m。
进一步地，喷射水泥混凝土浆时，自顶至底分段多次进行螺旋状施喷，每个喷射段长度不超过6米，单次喷射的喷层厚度不大于8厘米。
所述围岩的岩性为粉质粘土；所述金属网网孔不超过20cm×20cm。
以下以拱脚及以上一定长度范围内为双拱为例对本发明作详细的描述：
一种隧道衬砌结构，钢拱在拱脚及以上一定长度范围内为双拱结构，其余拱身仍为单拱结构；所述单拱部分与双拱部分之间通过钢板由螺栓连接在一起；所述双拱拱脚处也是由螺栓连接在同一块钢板上。
一种上述隧道衬砌结构的施工方法，包括如下步骤：
（1）在两侧洞壁相应围岩处根据具体情况凿出一定大小的空间用于放置多层拱部分；
（2）挂网，将绑扎好的钢筋网固定在围岩上以防止施工时岩石的碎落；
（3）将工字钢用螺栓连接起来组装成单层拱，然后将外层拱和内层拱的两端分别用螺栓连接在同一块钢板上，两个单拱之间可由钢板横向焊接起来以增加整体性和稳定性（三层拱的安装与两层拱类似，用钢板接在两层拱的下面）；
（4）将组装好的双层拱安装在测定的位置并加以固定，两端的拱安装好后再架设上部的单层拱,并用螺栓连接在一起。
（5）喷混凝土浆。向单拱及双拱部分喷射混凝土浆。
（6）放置仰拱并将仰拱两端与拱脚连接处的两侧分别用钢板焊接使得拱脚更加的稳定，然后对仰拱进行灌浆处理。
最好是在工字钢的两端分别焊接适当的钢板用于工字钢之间以及拱与连接钢板之间的螺栓连接。
根据实际情况需要该结构可分为三部分即，上部单拱，中间双层拱，下部的三层拱，具体的连接及施工方式同双拱类似；
根据具体情况的需要可沿隧道方向每隔一定的距离设置多个钢支护。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：多层拱架通过上下钢板连接成一个整体与单层拱架相比有着更大的刚度，承载能力有了很大的提高，特别是对于钢拱的侧向刚度和抗扭刚度有了很大的提高，能够有效的控制围岩的过大的变形，保障施工的安全性。而且多层拱架与单层拱架相比使得拱脚的应力分散再加上底钢板面积的增大可以有效的减缓初支下沉过大、过快的问题。
与全断面双层钢拱架及附加补强层相比本发明对后期施工造成的影响小，在达到同样的效果时的用材量少，施工简单易于操作，成本低，工期影响小，使用范围更为广泛。
总之，本发明的隧道衬砌结构对围岩进行支护，有效的控制初期支护的变形量在允许的范围内，采取双层拱架支护后，初期支护的变形量在15cm-25cm就得到控制，日沉降变形量由现有技术的5cm-8cm减少到0.5cm -1cm，并且缩短了趋于稳定就时间，并避免出现初支开裂、严重变形等情况，从而保证隧道施工的安全性。该结构易于实施、效果良好、适应范围广。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构原理图；
图2是连接板处的横剖面图；
图3是底板处的横剖面图；
图4是本发明另一个实施例的结构原理图。
在图中
1-连接板；2-多层拱段；3-螺栓；4-单拱段；5-仰拱；6-底板；
7-三层拱段；8-双层拱段；21-内拱； 22-外拱；23-中间拱。
具体实施方式
一种隧道衬砌结构及施工工艺，如图1-3所示，该隧道出口段地质、地形条件很差，洞内掌子面围岩岩性为粉质粘土，结构松散，洞内水比较丰富，围岩站立时间短，洞外地表隧道线路走向位于陡坡断面上，该段属于浅埋、偏压、冲沟汇水地段。在出口段附近隧道两侧开挖，并分别在挂网，组装连接双层拱，打上锚杆后喷射混凝土。
具体操作如下：
（1）在预定位置进行洞身的开挖进尺（50cm-60cm）。
（2）将预先绑扎好的钢筋网固定在围岩上，采用φ8钢筋网（间距20cm×20cm拱墙）；
（3）组装与安放钢拱。具体方法为：将所需工字钢组装成内外层钢拱，工字钢之间用用螺栓连接，并用螺栓与上下钢板连接起来，单拱之间每个一定距离用钢板焊接，以增强双拱部分的整体性和稳定性。安装完成后将双拱安放在预先处理的位置，并向围岩打锚杆使钢拱与围岩连接起来， I20a工字钢（纵距50cm，仰拱初支不闭合）、Φ22纵向连接钢筋、系统及锁脚锚杆（Φ42×3.5mm注浆小导管，纵环向间距50cm×120cm梅花形布设）组成；
（4）最后喷射水泥混凝土浆。喷射混凝土施工时，要密切注意水、风开关的配合使用，严格控制水灰比，使喷层表面平整光滑，无干块或流淌现象。喷混凝土时，要使喷头与受喷面基本垂直，距离保持1米以下，喷射作业应分段、分片由下而上，并呈螺旋状施喷。每次喷射段长度控制在6米以内。每次喷层厚度不大于8厘米，超过时应分层喷射。
（5）仰拱与拱脚连接处的两侧分别用钢板焊接使得拱脚更加的稳定。
（6）对仰拱进行灌浆处理。
该支护结构在可根据围岩岩性差的区域大小沿隧道走向设置多个支护结构。
所述隧道衬砌结构具有结构简单、易于施工、且实际使用效果良好、适用范围更为广泛等优点。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
Claims (8)
1. 一种隧道衬砌结构，其特征是，包括由一个单拱段（4）和分别通过连接板（1）固定在单拱段（4）两端的左右两个多层拱段（2）组成的拱；所述单拱段（4）位于多层拱段（2）之上，所述左右两个多层拱段（2）的底端分别固定连接有一个底板（6），两个底板（6）分别与一仰拱（5）的两个顶端对应固定相连。
2. 根据权利要求1所述的隧道衬砌结构，其特征在于，所述多层拱段（2）为单节拱，该单节拱由内拱（21）和位于内拱（21）外侧的外拱（22）、以及位于内拱（21）与外拱（22）之间的N个中间拱（23）构成，其中N为0或正整数。
3. 根据权利要求1所述的隧道衬砌结构，其特征在于，所述多层拱段（2）为多节拱，相邻两节拱通过连接板相连；每节拱由内拱（21）和位于内拱（21）外侧的外拱（22）、以及位于内拱（21）与外拱（22）之间的N个中间拱构成，其中N为0或正整数。
4. 根据权利要求1或2或3所述的隧道衬砌结构，其特征在于，所述单拱段（4）与两个多层拱段（2）均通过紧固件与所述连接板（1）相连；两个多层拱段（2）通过紧固件与所述底板（6）相连。
5. 一种如权利要求1-4之一所述隧道衬砌结构的施工方法，其特征是，包括如下步骤：
1）在两侧洞壁围岩的预定位置开挖可以放置多层拱段（2）的空间；
2）在围岩开挖好的空间内壁上固定金属网；
3）将多层拱段（2）安装在开挖好的空间内，多层拱段（2）的上下两端分别固定在所述连接板（1）与所述底板（6）上，再通过锚杆将多层拱（2）固定在围岩上，
4）将单拱段（4）固定在多层拱段（2）上的连接板（1）上；
5）向单拱段（4）和多层拱段（2）喷射水泥混凝土浆；
6）将仰拱（5）的两端固定在相应的底板（6）上，并对仰拱（5）进行灌浆。
6. 根据权利要求5所述隧道衬砌结构的施工方法，其特征是，喷射水泥混凝土浆时，喷浆头与受喷面基本垂直，距离不超过1m。
7. 根据权利要求5所述隧道衬砌结构的施工方法，其特征是，喷射水泥混凝土浆时，自顶至底分段多次进行螺旋状施喷，每个喷射段长度不超过6米，单次喷射的喷层厚度不大于8厘米。
8. 根据权利要求5所述隧道衬砌结构的施工方法，其特征是，所述围岩的岩性为粉质粘土；所述金属网网孔不超过20cm×20cm。
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