CN105781574B - 一种隧道装配式支护体系及其施工方法 - Google Patents

一种隧道装配式支护体系及其施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种隧道装配式支护体系及其施工方法，包括超前支护，柔性支护和刚性支护等主要结构，各结构层按施工工序依次紧跟施作。超前支护通过超前小导管注浆预加固围岩，柔性支护通过预制泡沫混凝土块采用螺栓连接拼装而成，所有预制泡沫混凝土块之间的接缝采用弹性橡胶密封垫密封防水，刚性支护包括沿隧道环向布置一周、纵向间隔布置的钢管混凝土拱架和填充于钢管混凝土拱架之间的预制钢筋混凝土管片，相邻两榀钢管混凝土拱架之间通过纵向钢筋连接，钢管环向之间通过套管连接，预制钢筋混凝土管片之间通过螺栓连接。本发明在有效保证隧道结构安全的同时，工序简单，施工进度快、质量高，防水效果好。

Description

一种隧道装配式支护体系及其施工方法
【技术领域】
本发明涉及隧道施工支护技术领域，具体涉及一种隧道装配式支护体系及其施工方法。
【背景技术】
近年来，随着我国西部黄土地区交通建设事业的快速发展，河南、陕西、甘肃、青海等地修建了一大批黄土隧道。黄土隧道的设计、施工仍然沿用以往在岩石隧道中应用广泛的新奥法，采用喷射混凝土作为初期支护，变形基本稳定后施作二次衬砌，二次衬砌主要作为安全储备。但是，由于黄土与岩石的力学性质差异极大，具有显著的遇水湿陷性，而喷射混凝土时必然夹带有水，黄土围岩吸收混凝土中的水分容易变得不稳定，降低了围岩自承能力。根据现场测试结果，黄土隧道修建过程中普遍存在围岩压力大、变形量大、变形持续时间长，需要在变形未稳定的情况下及时施作衬砌，导致二次衬砌承担了较大的荷载，有时甚至超过初期支护承担的荷载。
目前，黄土隧道在前期施工以及后期运营期间均出现了一系列问题，如施工期间围岩大变形、失稳乃至坍塌、初期支护开裂，运营期间二次衬砌开裂、隧道渗漏水等。因此，仅仅采取常规的新奥法措施很难保证黄土隧道结构安全，需要结合黄土特殊的工程特性以及隧道受力变形特征研究必要的新型支护方式及其施工方法来保证隧道施工、运营安全。
【发明内容】
本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷和不足，提供一种隧道装配式支护体系及其施工方法，能够有效解决当前黄土隧道普遍存在的大变形、渗漏水以及衬砌开裂等问题，从而保证隧道结构的安全与稳定。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种隧道装配式支护体系，包括超前支护、柔性支护和刚性支护，沿着隧道的径向，超前支护、柔性支护和刚性支护由外向内依次设置，所述超前支护包括通过超前小导管1向围岩中注浆形成的注浆围岩；所述柔性支护包括预制泡沫混凝土块2，预制泡沫混凝土块2之间通过螺栓连接且密封，设置在围岩壁的内侧形成柔性支护，预制泡沫混凝土块2上开设有锁脚锚杆孔，在该锁脚锚杆孔内设置有锁脚锚杆3，锁脚锚杆3用于将预制泡沫混凝土块2锚固于围岩上；所述刚性支护设置在柔性支护的内侧，包括钢管混凝土拱架9，钢管混凝土拱架9沿着隧道环向布置一周，沿着隧道纵向间隔布置，相邻的钢管混凝土拱架9之间，填充有预制钢筋混凝土管片8。
所述超前支护的注浆浆液为水泥-水玻璃双液浆；超前小导管1设置在隧道掌子面处拱顶120°范围内，沿隧道周向设置，超前小导管1沿隧道周向的间距为30cm～50cm，外插角为3°～5°，长度为6m～8m。
所述预制泡沫混凝土块2之间的缝隙内充满粘接剂，且在接缝内设置有弹性橡胶密封垫7，弹性橡胶密封垫7通过粘接剂与预制泡沫混凝土块2粘接固定。
所述预制泡沫混凝土块2之间的接缝均错开设置。
所述的钢管混凝土拱架9包括空心钢管4，空心钢管4内充满混凝土5，沿着隧道环向，相邻设置的空心钢管4的接缝处套设有套管6，相邻设置的空心钢管4通过套管6连接。
沿着隧道的纵向，相邻设置的两榀钢管混凝土拱架9之间设置有纵向钢筋，纵向钢筋的两端分别与钢管混凝土拱架9连接。
一种隧道装配式支护施工方法，将开挖断面从上至下依次分成上台阶(I，II)、下台阶(III，IV)和仰拱部分V，上台阶(I，II)、下台阶(III，IV)和仰拱部分V采用台阶法错台开挖，上台阶开挖预留中部核心土(II)，下台阶左、右两侧(III，IV)交错开挖，包括如下步骤：
步骤一：进行超前支护，沿隧道拱部一定角度范围内，沿隧道周向开挖轮廓线，在挖掘好的位置向围岩内施作超前小导管1，并通过超前小导管1向围岩内注入浆液来加固围岩；
步骤二：在超前支护施作完成后，在超前支护的下方开挖上台阶I并在上台阶I的中部预留中部核心土II；
步骤三：在上台阶I挖掘完成后，在上台阶I上方对应的围岩壁内侧安装预制泡沫混凝土块2，沿着围岩的周向，通过螺栓连接上台阶部分预制泡沫混凝土块2，并通过预制泡沫混凝土块2上预留的锁脚锚杆孔安设锁脚锚杆3，预制泡沫混凝土块2通过锁脚锚杆3与围岩锚固；
步骤四：开挖中部核心土II；
步骤五：中部核心土II挖掘完成后，开挖下台阶左侧III，沿着隧道的纵向，下台阶左侧III向内挖掘一定距离，然后沿着隧道的周向，在隧道左侧围岩壁的内侧，在步骤三安装好的预制泡沫混凝土块2的端部继续连接预制泡沫混凝土块2，并通过预制泡沫混凝土块2上预留的锁脚锚杆孔安设锁脚锚杆3；
步骤六：再开挖下台阶右侧IV，沿着隧道的纵向，下台阶右侧IV向内挖掘一定距离，然后沿着隧道的周向，在隧道右侧围岩壁的内侧，在步骤三安装好的预制泡沫混凝土块2的端部继续连接预制泡沫混凝土块2，并通过预制泡沫混凝土块2上预留的锁脚锚杆孔安设锁脚锚杆3；
步骤七：开挖仰拱部分V，沿着隧道的纵向，仰拱部分V向内挖掘一定的距离，仰拱部分V挖掘完成后，然后沿着隧道的周向，在步骤五及步骤六安装好的预制泡沫混凝土块2的端部继续连接预制泡沫混凝土块2，使预制泡沫混凝土块2沿着隧道的周向分布一周，形成一段柔性支护；
步骤八：待步骤七完成后，在预制泡沫混凝土块2的内侧架设钢管混凝土拱架9，然后通过纵向钢筋将该钢管混凝土拱架9与前一榀的钢管混凝土拱架9连接起来；
步骤九：在相邻两榀钢管混凝土拱架9之间拼装预制钢筋混凝土管片8，沿着隧道的周向，预制钢筋混凝土管片8通过螺栓连接；
重复步骤一至步骤九，对隧道进行持续施工。
所述的步骤二中，上台阶I挖掘的进尺为预制泡沫混凝土块2宽度的一倍；所述的步骤五及步骤六中，下台阶左侧III以及下台阶右侧IV挖掘的进尺为预制泡沫混凝土块2宽度的1～2倍；所述的步骤七中，仰拱部分V每次挖掘的进尺为预制泡沫混凝土块2宽度的1～2倍。
所述的步骤八中，在架设钢管混凝土拱架9时，先架设空心钢管4，沿着隧道的周向，相邻的空心钢管4通过套管6固定连接，在空心钢管4沿着预制泡沫混凝土块2的内侧设置一周完成后，再通过空心钢管4上预留的注浆孔向空心钢管4的内腔灌注满混凝土5，即完成钢管混凝土拱架9的架设。
所述的上台阶(I，II)与下台阶(III，IV)以及下台阶(III，IV)和仰拱部分V前后错开的距离分别控制在4m～6m；所述的步骤一中，沿隧道拱部120度范围内开挖轮廓线，超前小导管1沿隧道周向的间距为30cm～50cm，外插角为3°～5°，长度为6m～8m，所述的浆液为水泥-水玻璃双液浆；所述的步骤二中，中部核心土II与上台阶掌子面距离始终保持在2m～3m；所述的步骤三及步骤五至步骤七中，在安装预制泡沫混凝土块2时，在相邻的预制泡沫混凝土块2之间的接缝内设置弹性橡胶密封垫7，用粘接剂将弹性橡胶密封垫7与预制泡沫混凝土块2粘接，再用粘接剂将预制泡沫混凝土块2之间的接缝填满。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明通过设置超前支护改善围岩和加固围岩，提高了围岩的自承载能力，能够提高施工的安全性，通过在围岩壁的内侧设置柔性支护，能够使变形有所发展，应力有所释放，预制泡沫混凝土块之间密封连接，因此柔性支护具有防水效果，可不用专门设置防水层，节约成本；通过在柔性支护的内侧设置刚性支护，通过刚性支护的钢管混凝土拱架较高的强度和刚度能够有效地控制变形，保证结构的安全性。
进一步的，预制泡沫混凝土块接缝之间采用弹性橡胶密封垫，通过弹性橡胶密封垫来吸收因隧道变形时的变形能，有利于保证隧道结构的安全。
本发明适合于黄土隧道的受力、变形特征，通过柔性支护使变形有所发展，应力有所释放，利用钢管混凝土拱架较高的强度和刚度控制变形，抵抗荷载，保证隧道结构安全；适合于具有垂直节理和显著湿陷性的黄土围岩工程特性，整个过程实现“无水、无尘”施工，避免施工用水导致黄土湿陷，改善隧道施工环境；通过泡沫混凝土和弹性橡胶密封垫密封防水效果好，取消专门的防水层；装配式支护体系所有构件可工厂化预制，施工进度快，防水效果好，造价低，工程质量可靠。
【附图说明】
图1是本发明的隧道支护体系横断面结构示意图；
图2是本发明的隧道支护体系纵断面结构示意图；
图3是本发明的隧道施工方法横断面示意图；
图4是本发明的隧道施工方法纵断面示意图；
其中：1—超前小导管，2—预制泡沫混凝土块，3—锁脚锚杆，4—空心钢管，5—灌注混凝土，6—套管，7—弹性橡胶密封垫，8—预制钢筋混凝土管片，9-钢筋混凝土拱架。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参见图1和图2，本发明包括超前支护、柔性支护和刚性支护，超前支护、柔性支护和刚性支护按施工工序依次紧跟施作，超前支护为沿隧道拱部轮廓线设置超前小导管1，并通过超前小导管1向围岩内注入水泥-水玻璃双液浆形成的预加固围岩，柔性支护为通过预制泡沫混凝土块2拼装而成，预制泡沫混凝土块2之间通过螺栓连接，在所有预制泡沫混凝土块2之间的接缝位置采用弹性橡胶密封垫7密封防水，弹性橡胶密封垫7通过粘接剂粘接在预制泡沫混凝土块2上，并使粘接剂涂满密封垫沟槽，预制泡沫混凝土块2上预留的锁脚锚杆孔安设锁脚锚杆3；刚性支护包括沿隧道周向设置一周、纵向间隔设置的钢管混凝土拱架9和填充于钢管混凝土拱架9之间的预制钢筋混凝土管片8，预制钢筋混凝土管片8通过螺栓连接拼装而成。
超前支护通过超前小导管1在隧道掌子面处拱顶120°范围内沿隧道周向施作，超前小导管环向间距为30cm～50cm，外插角为3°～5°，长度为6m～8m。
钢管混凝土拱架9为通过向空心钢管4内腔灌注混凝土5形成；
钢管混凝土拱架9之间通过纵向钢筋焊接形成整体承载结构，空心钢管4环向之间通过套管6连接。
参见图3、4，在实施本发明施工方法时，首先将开挖断面从上至下依次分成上台阶(I，II)、下台阶(III，IV)和仰拱部分V，上台阶(I，II)、下台阶(III，IV)和仰拱部分V采用台阶法错台开挖，上台阶(I，II)、下台阶(III，IV)和仰拱部分V前后错开的距离控制在4m～6m，上台阶开挖预留中部核心土II，下台阶左、右两侧(III，IV)交错开挖；
具体包括如下步骤：
沿隧道拱部120°范围开挖轮廓线，施作超前小导管1(施作范围)并注水泥-水玻璃双液浆预加固围岩，超前小导管1环向间距为30cm～50cm，外插角为3°～5°，长度为6m～8m；
在超前小导管支护的保护下进行上台阶Ⅰ的开挖并预留中部核心土II，上台阶Ⅰ每次开挖进尺为1倍预制泡沫混凝土块2的宽度；所有预制泡沫混凝土块2之间的接缝位置使用粘结剂粘结弹性橡胶密封垫7，并使粘结剂涂满密封垫沟槽；
在上台阶I上方对应的围岩壁内侧，通过螺栓连接拼装预制泡沫混凝土块2，并通过预制泡沫混凝土块2上预留的锁脚锚杆孔安设锁脚锚杆3；
开挖中部核心土Ⅱ，每次开挖进尺1～2倍预制泡沫混凝土块2的宽度，中部核心土II与上台阶掌子面始终保持2m～3m距离；
开挖下台阶左侧Ⅲ，每次开挖进尺控制在1～2倍预制泡沫混凝土块宽度，然后通过螺栓接长下台阶左侧部分预制泡沫混凝土块2，与上台阶部分预制泡沫混凝土块2连接成整体，并通过预制泡沫混凝土块2上预留的锁脚锚杆孔安设锁脚锚杆3；
开挖下台阶右侧Ⅳ，施工步骤同下台阶左侧III；
开挖仰拱部分Ⅴ的土体，每次开挖的进尺为1-2倍预制泡沫混凝土块2的宽度，然后通过螺栓拼装仰拱部分的预制泡沫混凝土块2，并立即与上、下台阶部分对应的柔性支护连接成整体，使柔性支护闭合成环；
紧跟施作刚性支护层，架设空心钢管4，空心钢管环向之间通过套管6连接，并通过纵向钢筋与前一榀钢管混凝土拱架9连接成整体承载结构；
在两榀钢管混凝土拱架9之间拼装预制钢筋混凝土管片8，沿着隧道的周向，预制钢筋混凝土管片8通过螺栓连接在一起；
通过空心钢管4上的预留注浆孔向空心钢管内腔灌注混凝土5，形成钢管混凝土拱架9；
重复以上施工步骤，进行隧道持续开挖。
通过上述发明的装配式支护体系及其施工方法，设置了超前支护、柔性支护和刚性支护，超前支护改善围岩和加固围岩，提高围岩自承能力；柔性支护使变形有所发展，应力有所释放，柔性支护接缝位置采用弹性橡胶密封垫密封防水效果好，可取消专门的防水层；刚性支护利用钢管混凝土拱架较高的强度和刚度控制变形，保证结构安全；整个过程实现“无水、无尘”施工，避免施工用水导致黄土湿陷，改善隧道施工环境；采用装配式支护体系，所有构件可工厂化预制，施工进度快，工程质量可靠。

Claims (8)

1.一种隧道装配式支护体系，其特征在于，包括超前支护、柔性支护和刚性支护，沿着隧道的径向，超前支护、柔性支护和刚性支护由外向内依次设置，所述超前支护包括通过超前小导管(1)向围岩中注浆形成的注浆围岩；所述柔性支护包括预制泡沫混凝土块(2)，预制泡沫混凝土块(2)与预制泡沫混凝土块(2)之间通过螺栓连接，且预制泡沫混凝土块(2)与预制泡沫混凝土块(2)之间密封，设置在围岩壁的内侧形成柔性支护，预制泡沫混凝土块(2)之间的密封结构为在预制泡沫混凝土块(2)之间的缝隙内充满粘接剂，且在接缝内设置有弹性橡胶密封垫(7)，弹性橡胶密封垫(7)通过粘接剂与预制泡沫混凝土块(2)粘接固定，预制泡沫混凝土块(2)之间的接缝均错开设置，预制泡沫混凝土块(2)上开设有锁脚锚杆孔，在该锁脚锚杆孔内设置有锁脚锚杆(3)，锁脚锚杆(3)用于将预制泡沫混凝土块(2)锚固于围岩上；所述刚性支护包括钢管混凝土拱架(9)，钢管混凝土拱架(9)沿着隧道周向布置一周，沿着隧道纵向间隔布置，相邻的钢管混凝土拱架(9)之间，填充有预制钢筋混凝土管片(8)。
2.根据权利要求1所述的一种隧道装配式支护体系，其特征在于，所述超前支护的注浆浆液为水泥-水玻璃双液浆；超前小导管(1)设置在隧道掌子面处拱顶120°范围内，沿隧道周向设置，超前小导管(1)沿隧道周向的间距为30cm～50cm，外插角为3°～5°，长度为6m～8m。
3.根据权利要求1所述的一种隧道装配式支护体系，其特征在于，所述的钢管混凝土拱架(9)包括空心钢管(4)，空心钢管(4)内充满混凝土(5)，空心钢管(4)沿着隧道周向设置一周，相邻设置的空心钢管(4)的接缝处套设有套管(6)，相邻设置的空心钢管(4)通过套管(6)连接。
4.根据权利要求1所述的一种隧道装配式支护体系，其特征在于，沿着隧道的纵向，相邻设置的两榀钢管混凝土拱架(9)之间设置有纵向钢筋，纵向钢筋的两端分别与钢管混凝土拱架(9)连接。
5.一种隧道装配式支护施工方法，其特征在于，将开挖断面从上至下依次分成上台阶(I，II)、下台阶(III，IV)和仰拱部分(V)，上台阶(I，II)、下台阶(III，IV)和仰拱部分(V)采用台阶法错台开挖，上台阶开挖预留中部核心土(II)，下台阶左、右两侧(III，IV)交错开挖，包括如下步骤：
步骤一：实施超前支护，沿隧道拱部一定角度范围内，沿隧道周向开挖轮廓线，在挖掘好的位置向围岩内施作超前小导管(1)，并通过超前小导管(1)向围岩内注入浆液来加固围岩；
步骤二：在超前支护施作完成后，在超前支护的下方开挖上台阶(I)并在上台阶(I)的中部预留中部核心土(II)；
步骤三：在上台阶(I)挖掘完成后，在上台阶(I)上方对应的围岩壁内侧安装预制泡沫混凝土块(2)，沿着围岩的周向，通过螺栓连接上台阶部分预制泡沫混凝土块(2)，并通过预制泡沫混凝土块(2)上预留的锁脚锚杆孔安设锁脚锚杆(3)，预制泡沫混凝土块(2)通过锁脚锚杆(3)与围岩锚固；
步骤四：开挖中部核心土(II)；
步骤五：中部核心土(II)挖掘完成后，开挖下台阶左侧(III)，沿着隧道的纵向，下台阶左侧(III)向内挖掘一定距离，然后沿着隧道的周向，在隧道左侧围岩壁的内侧，在步骤三安装好的预制泡沫混凝土块(2)的端部继续连接预制泡沫混凝土块(2)，并通过预制泡沫混凝土块(2)上预留的锁脚锚杆孔安设锁脚锚杆(3)；
步骤六：再开挖下台阶右侧(IV)，沿着隧道的纵向，下台阶右侧(IV)向内挖掘一定距离，然后沿着隧道的周向，在隧道右侧围岩壁的内侧，在步骤三安装好的预制泡沫混凝土块(2)的端部继续连接预制泡沫混凝土块(2)，并通过预制泡沫混凝土块(2)上预留的锁脚锚杆孔安设锁脚锚杆(3)；
步骤七：开挖仰拱部分(V)，沿着隧道的纵向，仰拱部分(V)向内挖掘一定的距离，仰拱部分(V)挖掘完成后，然后沿着隧道的周向，在步骤五及步骤六安装好的预制泡沫混凝土块(2)的端部继续连接预制泡沫混凝土块(2)，使预制泡沫混凝土块(2)沿着隧道的周向分布一周，形成一段柔性支护；
步骤八：待步骤七完成后，在预制泡沫混凝土块(2)的内侧架设钢管混凝土拱架(9)，然后通过纵向钢筋将该钢管混凝土拱架(9)与前一榀的钢管混凝土拱架(9)连接起来；
步骤九：在相邻两榀钢管混凝土拱架(9)之间拼装预制钢筋混凝土管片(8)，沿着隧道的周向，预制钢筋混凝土管片(8)通过螺栓连接；
重复步骤一至步骤九，对隧道进行持续施工。
6.根据权利要求5所述的一种隧道装配式支护施工方法，其特征在于，所述的步骤二中，上台阶(I)挖掘的进尺为预制泡沫混凝土块(2)宽度的一倍；所述的步骤五及步骤六中，下台阶左侧(III)以及下台阶右侧(IV)挖掘的进尺为预制泡沫混凝土块(2)宽度的1～2倍；所述的步骤七中，仰拱部分(V)每次挖掘的进尺为预制泡沫混凝土块(2)宽度的1～2倍。
7.根据权利要求5所述的一种隧道装配式支护施工方法，其特征在于，所述的步骤八中，在架设钢管混凝土拱架(9)时，先架设空心钢管(4)，空心钢管(4)沿着隧道的周向设置一周，相邻的空心钢管(4)通过套管(6)固定连接，在空心钢管(4)沿着预制泡沫混凝土块(2)的内侧设置一周完成后，再通过空心钢管(4)上预留的注浆孔向空心钢管(4)的内腔灌注满混凝土(5)，即完成钢管混凝土拱架(9)的架设。
8.根据权利要求5所述的一种隧道装配式支护施工方法，其特征在于，所述的上台阶(I，II)和下台阶(III，IV)以及下台阶(III，IV)和仰拱部分(V)前后错开的距离分别控制在4m～6m；所述的步骤一中，沿隧道拱部120度范围内开挖轮廓线，超前小导管(1)沿隧道周向的间距为30cm～50cm，外插角为3°～5°，长度为6m～8m，所述的浆液为水泥-水玻璃双液浆；所述的步骤二中，中部核心土(II)与上台阶掌子面的距离始终保持在2m～3m；所述的步骤三及步骤五至步骤七中，在安装预制泡沫混凝土块(2)时，在相邻的预制泡沫混凝土块(2)之间的接缝内设置弹性橡胶密封垫(7)，用粘接剂将弹性橡胶密封垫(7)与预制泡沫混凝土块(2)粘接，再用粘接剂将预制泡沫混凝土块(2)之间的接缝填满。
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