CN103615273A - 方钢约束混凝土拱架壁后充填锚注支护体系及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了方钢约束混凝土拱架壁后充填锚注支护体系及施工方法，包括高强锚杆、注浆锚杆、注浆锚索及多个方钢约束混凝土拱架，相邻方钢约束混凝土拱架之间用纵向梁连接，纵向梁上设置有锚杆孔，纵向梁锚杆通过锚杆孔穿过纵向梁再锚入到围岩中，方钢约束混凝土拱架与围岩之间设有壁后充填层，纵向梁锚杆将方钢约束混凝土拱架、壁后充填层与隧道围岩连接在一起；高强锚杆、注浆锚杆、注浆锚索均在架设方钢约束混凝土拱架之前进行施打。本发明适用于软弱破碎围岩隧道等地下工程的支护，具有强度高、稳定性好、受力合理等优点，能够有效提高隧道开挖后初期支护强度，保证隧道围岩稳定性。

Description

方钢约束混凝土拱架壁后充填锚注支护体系及施工方法

技术领域

本发明涉及隧道支护领域，尤其涉及方钢约束混凝土拱架壁后充填锚注支护体系及施工方法。

背景技术

随着我国经济社会的发展，大断面公路、铁路隧道修建越来越多，随之面临的支护问题也越来越突出。尤其是当隧道埋深、断面设计较大，或是处于某些软弱地层之中时，隧道围岩松散破碎，开挖后围岩自稳时间短，而传统的锚杆、喷射混凝土或钢拱架，不能及时提供足够的初期支护抗力，而造成隧道围岩变形严重甚至坍塌破坏，因此，为了维持围岩稳定和保证隧道设计断面，必须寻求一种高强的支护技术，以保证隧道在开挖后短时间内给围岩提供强有力的支护。

隧道初期支护技术通常采用喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢拱架等单一或组合的结构形式。其中，现有隧道钢拱架常由工字钢拼接而成，主要用于围岩条件较差的隧道支护，但是在一些围岩应力非常高或是地质条件极为复杂的隧道中，传统钢拱架出现失稳破坏也是屡见不鲜，其支护强度也面临着新的考验与挑战。而约束混凝土技术作为建筑、桥梁工程中一种较为成熟的加固技术，其成本低廉，支护强度较高，应用较为广泛，但是在隧道支护工程中该技术还未曾得到推广。一般的，常用的约束混凝土结构主要包括圆钢约束混凝土与方钢约束混凝土两种类型，与方钢约束混凝土相比，若将圆钢约束混凝土结构用于隧道支护，则会造成圆钢管与围岩表面形成线接触，支架受力不合理，承载性能不能有效发挥；同时，圆钢约束混凝土结构拼接较困难，增加现场施工难度，影响隧道掘进速度。因此，本发明选用方钢约束混凝土结构，将该技术引入到隧道支护工程领域，代替现有传统的工字钢拱架，旨在提出一种适用于软弱破碎围岩的快速、经济、高强的隧道初期支护形式，保证隧道开挖围岩的稳定。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明针对现有隧道初期支护中钢拱架支护强度不足的缺点，提出了一种高强、稳定、受力合理的适用于软弱破碎围岩隧道初期支护的方钢约束混凝土拱架壁后充填锚注支护体系及施工方法。本发明适用于软弱破碎围岩隧道等地下工程的支护，具有强度高、稳定性好、受力合理等优点，能够有效提高隧道开挖后初期支护强度，保证隧道围岩稳定性。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

方钢约束混凝土拱架壁后充填锚注支护体系，包括高强锚杆、注浆锚杆、注浆锚索及多个方钢约束混凝土拱架，相邻方钢约束混凝土拱架之间用纵向梁连接，纵向梁上设置有锚杆孔，纵向梁锚杆通过锚杆孔穿过纵向梁再锚入到围岩中，方钢约束混凝土拱架与围岩之间设有壁后充填层，纵向梁锚杆将方钢约束混凝土拱架、壁后充填层与隧道围岩连接在一起。

所述高强锚杆、注浆锚杆、注浆锚索均在架设方钢约束混凝土拱架之前进行施打。

所述方钢约束混凝土拱架为与隧道形状一致的封闭式结构。

所述方钢约束混凝土拱架包括多段约束方钢管，相邻约束方钢管之间通过方钢约束混凝土拱架节点相连。

所述约束方钢管内填充混凝土。

所述方钢约束混凝土拱架节点包括焊接在方钢管内侧的内隔板及连接约束方钢管的套筒，套筒外侧设有双U形加强护板。

所述纵向梁为箱型截面形状的钢梁。

所述相邻方钢约束混凝土拱架的对立侧均设有纵向梁连接基座，纵向梁连接基座开孔与纵向梁连接处开孔一致，纵向梁与纵向梁连接基座之间通过螺栓连接。

所述纵向梁连接基座形状为“L”形，纵向梁连接基座开孔为椭圆形。

所述壁后充填层包括挂设在纵向梁内侧的钢筋网，钢筋网上铺设高强高韧性防渗漏膜，壁后充填层内充填材料。

所述高强高韧性防渗漏膜每两架铺设一道，采用搭接的方式进行连接。

所述方钢约束混凝土拱架表面焊接有挂设钢筋网的多个挂钩。

所述注浆锚索为高强中空注浆锚索，注浆锚杆、注浆锚索与高强锚杆交替断面布置。

方钢约束混凝土拱架壁后充填锚注支护体系的施工方法，包括以下步骤：

步骤一：开挖隧道左上方第一部分围岩，锚喷施工后，安装注浆锚杆、注浆锚索并注浆，架设第一道方钢约束混凝土拱架；

步骤二：开挖隧道左下方第二部分围岩，锚喷施工后，安装注浆锚杆、注浆锚索并注浆，架设第二道方钢约束混凝土拱架；

步骤三：开挖隧道右上方第三部分围岩，锚喷施工后，安装注浆锚杆、注浆锚索并注浆，架设第三道方钢约束混凝土拱架；

步骤四：开挖隧道右上方第四部分围岩，锚喷施工后，安装注浆锚杆、注浆锚索并注浆，架设第四道方钢约束混凝土拱架；

步骤五：施做底拱，完成约束混凝土拱架安装；

步骤六：安装方钢约束混凝土拱架纵向梁，挂设钢筋网并铺设高强高韧性防渗漏膜后，补打纵向梁锚杆；

步骤七：方钢约束混凝土拱架约束钢管类材料内部混凝土填充；

步骤八：方钢约束混凝土拱架壁后充填；

步骤九：完成方钢约束混凝土拱架高强支护体系的安装。

方钢约束混凝土拱架的具体施做过程：

开挖围岩后，首先采取措施封闭隧道掌子面，安装临时支护；其次，挂设钢筋网、施打普通锚杆，并初喷混凝土；第三，施打注浆锚杆与注浆锚索，并进行注浆；第四，架设方钢约束混凝土拱架，并施打锁棚锚杆；最后，应施打下一阶段超前支护。

方钢约束混凝土拱架壁后充填锚注支护体系，主要由高强锚杆、注浆锚杆、注浆锚索、钢筋网、方钢约束混凝土拱架、纵向梁与壁后充填层等组成，其施工工序为：隧道开挖后首先挂网施打高强锚杆，并进行混凝土初喷，然后施打注浆锚杆、注浆锚索并进行注浆加固，最后进行方钢约束混凝土拱架壁后充填支护体系安装。整个工序遵循“先控后固再抗”的支护原理，能够充分改善围岩力学特性，调动围岩的自承能力。

方钢约束混凝土拱架为与隧道形状一致的封闭式结构，其间隔一定距离布置，相邻拱架之间用纵向梁连接，纵向梁上设置有锚杆孔，锚杆穿过纵向梁再锚入到岩层中；拱架与围岩之间采用壁后充填的方式形成一个紧贴围岩表面的整体结构，并通过纵向梁锚杆将方钢约束混凝土拱架、壁后充填层与隧道围岩连接形成一个立体支护体系。

所述方钢约束混凝土拱架由多段方钢管等约束材料通过节点连接并填充混凝土而成，形状与隧道断面设计形状一致。其中，核心混凝土可为普通混凝土或钢纤维混凝土等材料。

所述拱架节点具体连接方式为：首先在节点处方钢管内侧提前焊接好内隔板，并用套筒将拱架进行连接，待套筒安装完毕后，在套筒外侧施加双U形加强护板，以增加拱架节点刚度与强度，防止节点发生破坏。

纵向梁与拱架之间具体连接方式为：相邻方钢拱架对立侧面靠近洞内边缘处焊接有“L”形纵向梁连接基座，基座开孔为椭圆形，并与纵向梁连接处开孔保持一致，纵向梁与基座之间通过螺栓连接。

所述拱架与围岩之间壁后充填层，是在纵向梁内侧挂设钢筋网，铺设高强高韧性防渗漏膜后，并充填具有膨胀特性可让压的化学材料或混凝土材料，具体材料选择根据现场实际情况而定；壁后充填过程应遵循“由下而上”原则进行充填。其中，铺设高强高韧性防渗漏膜是为了以防止壁后充填过程中充填材料外漏，具体铺设时，可每两架铺设一道，并采用搭接的方式进行连接；同时，为便于挂设钢筋网，可在方钢约束混凝土拱架表面焊接一定数量的挂钩。

所述注浆锚索为高强中空注浆锚索；注浆锚杆、注浆锚索与高强锚杆交替断面布置；注浆时应遵循“同一断面由下向上”、“不同断面隔排注浆”原则进行；注浆锚杆、注浆锚索所用注浆材料为早强、高韧性水泥或其他化学注浆材料，可及时填充围岩裂隙，改善软弱破碎围岩的力学性能，充分调动并提高围岩的自承能力。

本发明中该种方钢约束混凝土拱架壁后充填锚注支护体系可适用于各种隧道的初期支护，尤其适用于松散软弱破碎围岩隧道开挖后的初期支护。

本发明的有益效果：

1.隧道开挖后，选用早强、高韧性水泥或其他化学注浆材料，通过注浆锚杆与注浆锚索对围岩进行注浆加固，能够及时填充围岩裂隙，改善软弱破碎围岩的力学性能，充分调动并提高围岩的自承能力。

2.方钢约束混凝土拱架造价低廉，但具有高强的承载能力，且护表面积大，塑性和韧性性能较好，抗变形能力强，对大变形、高围压的隧道围岩具有显著支护效果。

3.通过纵向梁锚杆的连接，使方钢约束混凝土拱架、壁后充填层与围岩共同作用，形成空间的立体支护体系，充分发挥方钢约束混凝土拱架的高强支撑能力，为围岩提供足够支护力，将围岩变形控制在允许范围内，避免因过度变形而导致围岩本身的承载力丧失，从而保证隧道围岩的稳定性。

4.方钢约束混凝土拱架与围岩之间采用壁后充填的方式，而不是采用传统意义上的喷射混凝土方式，能够有效避免因喷射混凝土而产生大量粉尘，大大改善工人作业环境；该种充填方式，在充填材料的选择上具有广义性，可选择具有膨胀性可让压的化学材料，也可选择混凝土材料；壁后充填层外侧受到纵向梁锚杆与钢筋网共同约束，能够有效避免开裂脱落，且成型较好。

5.支护体系支护强度高，整体支护性能调节空间大，方钢约束混凝土拱架与纵向梁、注浆锚杆（索）配合使用，可结合现场地质情况调整拱架间距、纵向梁排距、方钢约束混凝土拱架尺寸及注浆锚杆型号和间排距等参数以进行力学性能的耦合，对围岩进行有效的支护。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的注浆锚杆、注浆锚索断面结构示意图；

图3为本发明实施例的方钢约束混凝土拱架结构三维示意图；

图4a为本发明实施例的方钢约束混凝土拱架纵向梁连接示意图一；

图4b为本发明实施例的方钢约束混凝土拱架纵向梁连接示意图二；

图4c为本发明实施例的方钢约束混凝土拱架纵向梁连接示意图三；

图5为图1中A-A截面图；

图6为图1中节点放大示意图；

图7CRD法施工工序示意图；

图8为本发明实施例的方钢约束混凝土拱架壁后充填锚注支护体系工艺流程图；

其中：1—方钢约束混凝土拱架；2—方钢约束混凝土拱架节点；3—壁后充填层；4—高强锚杆；5—注浆锚杆；6—注浆锚索；7—纵向梁；8—钢筋网；9—高强高韧性防渗漏膜；10—纵向梁锚杆；11—约束方钢管；12—约束混凝土；13—围岩；14—套筒；15—内隔板；16—双U形加强护板。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

对于软弱破碎围岩隧道，一般采用台阶法、CD法、CRD法和双侧壁导洞法进行开挖。以CRD法为例，下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

如图1-6所示，方钢约束混凝土拱架壁后充填锚注支护体系，主要包括：方钢约束混凝土拱架1、拱架节点2、壁后充填层3、高强锚杆4、注浆锚杆5、注浆锚索6、纵向梁7、钢筋网8、高强高韧性防渗漏膜9等组成。其特点是：注浆锚杆5、注浆锚索6所用注浆材料为早强型高韧性水泥或者其他化学注浆材料；方钢约束混凝土拱架1为与隧道形状一致的封闭式拱形结构，其间隔一定距离布置，相邻方钢约束混凝土拱架1之间用纵向梁7连接，纵向梁7上设置有锚杆孔，纵向梁锚杆10穿过纵向梁7再锚入到围岩13中；纵向梁锚杆10通过纵向梁7将方钢约束混凝土拱架1、壁后充填层3与围岩13形成一个立体支护体系，且能保证拱架1与围岩13紧密接触并使拱架1承受均匀压力。其中，方钢约束混凝土拱架1为由截面形状为方形的约束方钢管11内部填充钢纤维混凝土或普通混凝土12组成的构件；单榀方钢约束混凝土拱架1由6节约束钢管类材料通过节点2连接而成；拱架节点具体连接方式为：首先在节点处方钢管内侧提前焊接好内隔板15，并用套筒14将拱架1进行连接，待套筒14安装完毕后，在套筒外侧施加双U形加强护板16，以增加拱架节点2刚度与强度，防止节点2发生破坏；纵向梁7为箱型截面形状的钢梁，长度与相邻拱架间距一致，纵向梁7与拱架1之间具体连接方式为：相邻方钢拱架1对立侧面靠近洞内边缘处焊接有纵向梁连接基座，基座开孔为椭圆形，并与纵向梁连接处开孔保持一致，纵向梁与基座之间通过螺栓连接。壁后充填层3是在纵向梁内侧挂设钢筋网8，铺设高强高韧性防渗漏膜9后，并充填具有膨胀特性可让压的化学材料或混凝土材料，具体可根据实际情况选择，壁后充填过程应遵循“由下而上”原则进行充填；高强高韧性防渗漏膜是为了以防止壁后充填层充填施工时外漏。

方钢约束混凝土拱架壁后充填锚注支护体系，其施工流程可参见图7-8，具体步骤为：

（1）开挖围岩①，锚喷施工后，安装注浆锚杆、注浆锚索并注浆，架设第一道方钢约束混凝土拱架。开挖围岩①后，首先采取措施封闭隧道掌子面，安装临时支护；其次，挂设钢筋网、施打普通锚杆，并初喷混凝土；第三，施打注浆锚杆与注浆锚索，并进行注浆；第四，架设第一道方钢约束混凝土拱架，并施打锁棚锚杆；最后，应施打下一阶段超前支护。

（2）开挖围岩②，锚喷施工后，安装注浆锚杆、注浆锚索并注浆，架设第二道方钢约束混凝土拱架，详细工序同（1）。

（3）开挖围岩③，锚喷施工后，安装注浆锚杆、注浆锚索并注浆，架设第三道方钢约束混凝土拱架，详细工序同（1）。

（4）开挖围岩④，锚喷施工后，安装注浆锚杆、注浆锚索并注浆，架设第四道方钢约束混凝土拱架，详细工序同（1）。

（5）施做底拱，完成约束混凝土拱架安装。

（6）安装方钢约束混凝土拱架纵向梁，挂设钢筋网并铺设高强高韧性防渗漏膜后，补打纵向梁锚杆。

（7）进行拱架约束钢管类材料内部混凝土填充。

（8）进行方钢约束混凝土拱架壁后充填。

（9）完成方钢约束混凝土拱架高强支护体系的安装。

本发明该种适用于软弱破碎围岩的隧道方钢约束混凝土拱架壁后充填锚注支护体系，其具体拱架分段数可由隧道的具体开挖方法决定，拱架间距、纵向梁布置密度以及锚杆、注浆锚索间排距等参数可根据实际情况调整。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (9)

1.方钢约束混凝土拱架壁后充填锚注支护体系，其特征是，包括高强锚杆、注浆锚杆、注浆锚索及多个方钢约束混凝土拱架，相邻方钢约束混凝土拱架之间用纵向梁连接，纵向梁上设置有锚杆孔，纵向梁锚杆通过锚杆孔穿过纵向梁再锚入到围岩中，方钢约束混凝土拱架与围岩之间设有壁后充填层，纵向梁锚杆将方钢约束混凝土拱架、壁后充填层与隧道围岩连接在一起；

所述高强锚杆、注浆锚杆、注浆锚索均在架设方钢约束混凝土拱架之前进行施打；

所述方钢约束混凝土拱架为与隧道形状一致的封闭式结构；

所述方钢约束混凝土拱架包括多段约束方钢管，相邻约束方钢管之间通过方钢约束混凝土拱架节点相连。

2.如权利要求1所述的方钢约束混凝土拱架壁后充填锚注支护体系，其特征是，所述约束方钢管填充混凝土；

所述方钢约束混凝土拱架节点包括焊接在方钢管内侧的内隔板及连接约束方钢管的套筒，套筒外侧设有双U形加强护板。

3.如权利要求1所述的方钢约束混凝土拱架壁后充填锚注支护体系，其特征是，所述纵向梁为箱型截面形状的钢梁。

4.如权利要求1所述的方钢约束混凝土拱架壁后充填锚注支护体系，其特征是，所述相邻方钢约束混凝土拱架的对立侧均设有纵向梁连接基座，纵向梁连接基座开孔与纵向梁连接处开孔一致，纵向梁与纵向梁连接基座之间通过螺栓连接。

5.如权利要求4所述的方钢约束混凝土拱架壁后充填锚注支护体系，其特征是，所述纵向梁连接基座形状为“L”形，纵向梁连接基座开孔为椭圆形。

6.如权利要求1所述的方钢约束混凝土拱架壁后充填锚注支护体系，其特征是，所述壁后充填层包括挂设在纵向梁内侧的钢筋网，钢筋网上铺设高强高韧性防渗漏膜，壁后充填层内充填材料；

所述充填材料为混凝土材料。

7.如权利要求6所述的方钢约束混凝土拱架壁后充填锚注支护体系，其特征是，所述高强高韧性防渗漏膜每两架铺设一道，采用搭接的方式进行连接；

所述方钢约束混凝土拱架表面焊接有挂设钢筋网的多个挂钩；

所述注浆锚索为高强中空注浆锚索，注浆锚杆、注浆锚索与高强锚杆交替断面布置。

8.如权利要求1所述的方钢约束混凝土拱架壁后充填锚注支护体系的施工方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一：开挖隧道左上方第一部分围岩，锚喷施工后，安装注浆锚杆、注浆锚索并注浆，架设第一道方钢约束混凝土拱架；

步骤二：开挖隧道左下方第二部分围岩，锚喷施工后，安装注浆锚杆、注浆锚索并注浆，架设第二道方钢约束混凝土拱架；

步骤三：开挖隧道右上方第三部分围岩，锚喷施工后，安装注浆锚杆、注浆锚索并注浆，架设第三道方钢约束混凝土拱架；

步骤四：开挖隧道右上方第四部分围岩，锚喷施工后，安装注浆锚杆、注浆锚索并注浆，架设第四道方钢约束混凝土拱架；

步骤五：施做底拱，完成约束混凝土拱架安装；

步骤六：安装方钢约束混凝土拱架纵向梁，挂设钢筋网并铺设高强高韧性防渗漏膜后，补打纵向梁锚杆；

步骤七：方钢约束混凝土拱架约束钢管类材料内部混凝土填充；

步骤八：方钢约束混凝土拱架壁后充填；

步骤九：完成方钢约束混凝土拱架高强支护体系的安装。

9.如权利要求8所述的方法，其特征是，所述方钢约束混凝土拱架的具体施做过程：开挖围岩后，首先采取措施封闭隧道掌子面，安装临时支护；其次，挂设钢筋网、施打普通锚杆，并初喷混凝土；第三，施打注浆锚杆与注浆锚索，并进行注浆；第四，架设方钢约束混凝土拱架，并施打锁棚锚杆；最后，施打下一阶段超前支护。

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