CN104975861A - 用于隧道拱顶塌腔处理的非扰动型支护结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于隧道拱顶塌腔处理的非扰动型支护结构，包括铺设在塌腔壁面上的混凝土钢筋网层和沿塌腔断面架设的护拱，所述护拱位于混凝土钢筋网层下方，所述护拱与混凝土钢筋网层之间设置有若干支撑件，护拱的拱背与混凝土钢筋网层的内壁之间填充有拱背回填层。本发明支护理念先进(与新奥法理念相近)，遵循“围岩与衬砌结构共同承担载荷”的思路，最大限度的让衬砌结构主动参与承担载荷，实施过程中基本不对既有塌腔壁面产生扰动，从而降低在塌腔处理过程中的施工风险和潜在运营风险。

Description

用于隧道拱顶塌腔处理的非扰动型支护结构

技术领域

本发明涉及隧道工程施工领域，特别涉及一种用于隧道拱顶塌腔处理的非扰动型支护结构。

背景技术

塌方是隧道施工过程中发生率较高，但又十分典型的一种事故。除了个别冒顶型塌方(多发生在洞口或洞身浅埋段)，现场最为普遍的塌方是空腔型塌方，即由于在拱顶部位发生塌方，从而在隧道开挖轮廓线外形成一个空腔(俗称“塌腔”)。按塌腔高度，可粗略分为：小型塌腔，高度约1～3米；中型塌腔，高度约3～5米；大型塌腔，高度5米以上。

针对隧道塌方处理主要包含隧道支护结构和塌腔处理两部分。其中支护结构一般采用结构加强的处理方式；塌腔视其大小、稳定状态等情况而采取不同的处理方式，但基本相近。目前常规的塌腔处理普遍采取锚喷防护方案，按塌腔高度划分主要有以下几种：

第一种是小型塌腔(塌腔高度约1～3米)，其施工步序及处理方式为：

1)找顶。一般经工人找顶(找顶，即清理塌腔壁面的危石)后，无扰动情况下(无爆破、钻孔震动等)塌腔壁暂时比较稳定。

2)初喷3～5cm混凝土，在塌腔壁打设多个长约3.5m、Φ22的药卷锚杆(或Φ25中空注浆锚杆)，各锚杆呈1m×1m梅花形布置；然后挂上Φ6.5钢筋网片(间距20×20cm)，再复喷5～10cm混凝土。

3)施作主洞初期支护(结构加强型)。

4)向塌腔泵送1m厚轻质混凝土，吹1m厚砂；若塌腔不足1m，则由泵送轻质混凝土改为C25喷射混凝土。

第二种是中型塌腔(塌腔高度约3～5米)，其施工步序及处理方式为：

1)与小型塌腔施工步序的第1)～2)步相同。

2)由于塌腔较高，初支增设护拱。

3)施作主洞初期支护(结构加强型)。

4)向塌腔泵送1m厚轻质混凝土，吹1m厚砂。

第三种是大型塌腔(塌腔高度5米以上)，其施工步序及处理方式为：

1、若塌方体未完全封堵洞身，则该塌腔的处理方式与中型塌腔的施工步序及处理方式相同。

2、若塌方体已完全封堵洞身，则存在以下两种情况：

1)在清渣过程中，塌方仍在扩大，围岩破碎，腔壁不稳定，塌腔越清越大。此时只能拉渣回填封闭塌腔口，采用管棚法或注浆固结法稳固围岩体和碴体，待其基本稳定后，按暗洞开挖工法穿过塌方体。

2)腔壁比较稳定，清渣完成后基本无危石，揭露的塌腔体一般比较高、深，基本与中型塌腔处理方式一致。

然而，以上常规采用的各种不同塌腔类型处理方式却存在如下缺陷：

1.施工时间长，围岩稳定性降低。塌腔处理中钻孔时间占据总体处理时间较大比例；钻孔通常需要3～5个小时，随着塌腔壁围岩在空气中暴露的时间增加，围岩的强度和稳定性也会随之变差，特别是对于遇到空气后容易迅速风化的围岩(风化后的围岩强度降低)。

2.过度找顶存在扩展塌方风险。找顶本意是清除洞顶危石，但其轻重程度难以把握；若处理不当，容易引起二次塌方，甚至多次塌方，发生“越清越塌”的恶性循环，这样会给人员造成危险、机械造成损坏，工期造成延误。

3.钻孔对塌腔壁围岩有扰动，施工过程中存在安全风险。从开孔钻探到未上锚杆垫板之前的这段时间(约3～5小时)，钻孔实际上增加了原有围岩块体的裂隙机率，削弱了块体间的连结强度；同时，在打设锚杆钻孔的振动诱导下，使原本稳定的塌腔岩壁容易诱发新的坍塌。

4.施工质量难以控制。如果某处发生了塌方，至少从侧面反映了该处相对其他区段的围岩岩石强度较低、或完整性较差。工人在塌腔内打设锚杆与正常爆破出渣后的毛洞内打设锚杆的情况相比，由于塌腔壁多数极不规则、拱顶塌腔高、洞内作业环境差，施工过程中心理存在一定压力，特别是若在处理过程中再次发生塌方，内心负担较重，甚至会产生害怕进洞工作的心理，从而导致塌腔处理草草了事，施工质量难以保证。

5.支护理念与新奥法相左，运营期间存在安全风险。按照新奥法的理念，要求围岩与衬砌结构相互密贴，共同承受山体荷载、分担变形。目前塌腔壁挂网喷浆后，拱背回填层1～2m，再向上即为空腔，塌腔壁与隧道支护结构间无任何接触。塌腔壁的稳定性及耐久性完全取决于围岩自身稳定性和塌腔壁的处理施工质量，隧道支护结构基本不能分担荷载；随着时间推移，一旦腔壁围岩松动塌落至拱背，隧道结构只能被动地承受数倍于自重的冲击荷载，严重时将影响到结构及洞内行车安全。

因此，急需开发一种支护理念先进(与新奥法理念相近)，遵循“围岩与衬砌结构共同承担载荷”的思路，最大限度的让衬砌结构主动参与承担载荷，实施过程中基本不对既有塌腔壁面产生扰动，从而降低在塌腔处理过程中的施工风险和潜在运营风险的用于隧道拱顶塌腔处理的非扰动型支护结构。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于隧道拱顶塌腔处理的非扰动型支护结构，支护理念先进(与新奥法理念相近)，遵循“围岩与衬砌结构共同承担载荷”的思路，最大限度的让衬砌结构主动参与承担载荷，实施过程中基本不对既有塌腔壁面产生扰动，从而降低在塌腔处理过程中的施工风险和潜在运营风险。

本发明的用于隧道拱顶塌腔处理的非扰动型支护结构，包括铺设在塌腔壁面上的混凝土钢筋网层和沿塌腔断面架设的护拱，所述护拱位于混凝土钢筋网层下方，所述护拱与混凝土钢筋网层之间设置有若干支撑件，护拱的拱背与混凝土钢筋网层的内壁之间填充有拱背回填层。

进一步，若干支撑件沿纵向呈梅花形设置在护拱与混凝土钢筋网层之间。

进一步，所述支撑件的一端通过垫片与混凝土钢筋网层的钢筋网固定连接，另一端与护拱固定连接。

进一步，所述垫片的两面分别与支撑件和混凝土钢筋网层的钢筋网焊接固定。

进一步，所述垫片与混凝土钢筋网层的钢筋网的连接处喷射覆盖有混凝土。

进一步，所述护拱包括钢架和沿纵向固定于钢架间的连接筋，所述支撑件焊接固定在钢架上。

进一步，所述钢架和连接筋外通过喷射覆盖混凝土，形成钢架混凝土护拱。

进一步，所述拱背回填层包括轻质混凝土层和厚砂层。

进一步，所述护拱两侧拱脚的外壁上分别设有锚杆。

进一步，所述护拱的内壁设有初支和二衬。

本发明的用于隧道拱顶塌腔处理的非扰动型支护结构的有益效果是：

1、理念先进，与现有技术以“被动承载”为主的方式相比，本发明的设计理念与新奥法理念相近，遵循“围岩与衬砌结构共同承担荷载”的思路，最大限度地让衬砌结构主动参与承担荷载。

2、操作简便、时间短、质量有保障。

3、施工期间安全性提高。由于施工过程基本上不对塌腔壁产生扰动，且操作时间短，提高了施工期间的安全性。

4、运营期间安全性提高。由于提高了结构体系的安全性，施工过程中质量可控，间接提高了运营期间的安全性。

5、经济性好。现有技术对塌腔处理的锚杆一般根据设计图纸计量，设计图中一般都对塌腔壁面全部布满锚杆，造价不低；但实际上锚杆施工属隐蔽工程，对于塌腔的上部和顶部、以及不易操作的地方，锚杆施工难以按要求完成。而本发明采用的支撑件施工简便，工程量可控，造价明确。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明的结构示意图，如图所示：本实施例的用于隧道拱顶塌腔处理的非扰动型支护结构，包括铺设在塌腔壁面1上的混凝土钢筋网层2和沿塌腔断面架设的护拱3，所述护拱3位于混凝土钢筋网层2下方，所述护拱3与混凝土钢筋网层2之间设置有若干支撑件4，通过支撑件4，使护拱3主动参与承担荷载，实现混凝土钢筋网层2与护拱共同承担荷载，以降低塌腔处理过程中的施工风险和潜在的运营风险；护拱3的拱背与混凝土钢筋网层2的内壁之间填充有拱背回填层，用于提高支护强度，确保施工安全性。

本实施例中，若干支撑件4沿纵向呈梅花形设置在护拱3与混凝土钢筋网层2之间，若塌腔为中、小型塌腔，则支撑件4可采用φ42或φ76钢管，各支撑件之间的环距为1.5m，纵距与护拱3相同，各支撑件基本呈梅花形布置，个别地方根据现场调整；若塌腔为大型塌腔，则支撑件4可采用φ108钢管或I14工字钢，各支撑件之间的纵距与护拱3相同，各支撑件基本呈梅花形布置，个别地方根据现场调整。

本实施例中，所述支撑件4的一端通过垫片5与混凝土钢筋网层2的钢筋网固定连接，另一端与护拱3固定连接，实现支撑件4与混凝土钢筋网层2和护拱3的连接固定，混凝土钢筋网层2包括在塌腔壁面1初喷的厚3～5cm的C25混凝土和固定于初喷混凝土上的钢筋网，钢筋网采用φ6.5钢筋制成，其间距为20×20cm。

本实施例中，所述垫片5的两面分别与支撑件4和混凝土钢筋网层2的钢筋网焊接固定，当塌腔为中、小型塌腔时，垫片5可为φ6.5钢筋制成的网片，该网片的尺寸为60×60cm；当塌腔为大型塌腔时，垫片5可为φ12钢筋制成的网片，该网片的尺寸为60×60cm。

本实施例中，所述垫片5与混凝土钢筋网层2的钢筋网的连接处喷射覆盖有混凝土，当塌腔为中、小型塌腔时，可沿塌腔壁面喷射厚10cm的C25混凝土，以覆盖钢筋网和垫片5；当塌腔为大型塌腔时，可沿塌腔壁面喷射厚15cm的C25混凝土，以覆盖钢筋网和垫片5。

本实施例中，所述护拱3包括钢架和沿纵向固定于钢架间的连接筋，所述支撑件4焊接固定在钢架上，当塌腔为中、小型塌腔时，钢架可采用I18工字钢和φ22连接筋制成，钢架的纵向间距为1m，且一般设置于塌腔断面的上台阶；当塌腔为大型塌腔时，钢架可采用I20a工字钢和φ22连接筋制成，钢架的纵向间距为0.75m，且一般沿塌腔全断面设置。

本实施例中，所述钢架和连接筋外通过喷射覆盖混凝土，形成钢架混凝土护拱，当塌腔为中、小型塌腔时，可沿钢架立模喷射厚24cm的C25混凝土；当塌腔为大型塌腔时，可沿钢架立模喷射厚26cm的C25混凝土。

本实施例中，所述拱背回填层包括轻质混凝土层6和厚砂层7，当塌腔为中、小型塌腔时，轻质混凝土层6和厚砂层7的厚度均为1m；当塌腔为大型塌腔时，轻质混凝土层6的厚度为2m，厚砂层7的厚度为1m。

本实施例中，所述护拱3两侧拱脚的外壁上分别设有锚杆8，所需锚杆8数量少，以保证实施过程中基本不对既有塌腔壁面产生扰动。

本实施例中，所述护拱3的内壁设有初支9和二衬10，以增强护拱3的结构稳定性。

本发明的用于隧道拱顶塌腔处理的非扰动型支护结构的具体实施步序为：

1)找顶。一般经工人找顶(找顶，即清理塌腔壁面的危石)后，无扰动情况下(无爆破、钻孔震动等)塌腔壁暂时比较稳定。

2)在塌腔壁面初喷3～5cm混凝土，并固定钢筋网，形成混凝土钢筋网层。

3)架立护拱钢架，钢架间沿纵向固定连接筋；将支撑件下端与护拱钢架焊接固定，支撑件上端焊接垫片，并向上顶紧塌腔壁面；沿塌腔壁面将垫片与钢筋网焊接。

4)沿塌腔壁面喷射C25混凝土覆盖钢筋网及垫片。

5)沿钢架立模喷射混凝土至设计厚度，使其形成钢架混凝土护拱。

6)施作拱背回填层。向塌腔泵送约1m厚的C15轻质混凝土，再吹约1m厚砂。

7)施作主洞初期支护(结构加强型)和二衬。若拱背回填层重量太大或基础承载力偏低，可与第6)步交换施工顺序。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种用于隧道拱顶塌腔处理的非扰动型支护结构，其特征在于：包括铺设在塌腔壁面上的混凝土钢筋网层和沿塌腔断面架设的护拱，所述护拱位于混凝土钢筋网层下方，所述护拱与混凝土钢筋网层之间设置有若干支撑件，护拱的拱背与混凝土钢筋网层的内壁之间填充有拱背回填层。

2.根据权利要求1所述的用于隧道拱顶塌腔处理的非扰动型支护结构，其特征在于：若干支撑件沿纵向呈梅花形设置在护拱与混凝土钢筋网层之间。

3.根据权利要求2所述的用于隧道拱顶塌腔处理的非扰动型支护结构，其特征在于：所述支撑件的一端通过垫片与混凝土钢筋网层的钢筋网固定连接，另一端与护拱固定连接。

4.根据权利要求3所述的用于隧道拱顶塌腔处理的非扰动型支护结构，其特征在于：所述垫片的两面分别与支撑件和混凝土钢筋网层的钢筋网焊接固定。

5.根据权利要求4所述的用于隧道拱顶塌腔处理的非扰动型支护结构，其特征在于：所述垫片与混凝土钢筋网层的钢筋网的连接处喷射覆盖有混凝土。

6.根据权利要求1所述的用于隧道拱顶塌腔处理的非扰动型支护结构，其特征在于：所述护拱包括钢架和沿纵向固定于钢架间的连接筋，所述支撑件焊接固定在钢架上。

7.根据权利要求6所述的用于隧道拱顶塌腔处理的非扰动型支护结构，其特征在于：所述钢架和连接筋外通过喷射覆盖混凝土，形成钢架混凝土护拱。

8.根据权利要求1所述的用于隧道拱顶塌腔处理的非扰动型支护结构，其特征在于：所述拱背回填层包括轻质混凝土层和厚砂层。

9.根据权利要求1所述的用于隧道拱顶塌腔处理的非扰动型支护结构，其特征在于：所述护拱两侧拱脚的外壁上分别设有锚杆。

10.根据权利要求1所述的用于隧道拱顶塌腔处理的非扰动型支护结构，其特征在于：所述护拱的内壁设有初支和二衬。