CN105840209B - 锚桩在隧道洞身段控制变形施工工法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种锚桩在隧道洞身段控制变形施工工法，包括如下步骤：将待开挖隧道的截面划分为上台阶、中台阶和下台阶三个部分，先开挖上台阶部分至洞身段纵深M米，并间隔设置用于初期支护的支撑钢架和锁脚锚管；在上台阶的基础上开挖中台阶部分至洞身段纵深N米，并间隔设置用于初期支护的支撑钢架和锁脚锚管；往中台阶部分洞身段的隧道岩体中向下斜插入加固锚管；在中台阶的基础上开挖下台阶部分并间隔设置用于初期支护的支撑钢架和锁脚锚管。相较于现有技术，本发明锚桩在隧道洞身段控制变形施工工法中，增强了初期支护的纵向刚度和承载能力，控制了洞室初期支护体系的整体下沉和变形破坏，保证了隧道施工安全和掘进效率。

Description

锚桩在隧道洞身段控制变形施工工法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种锚桩在隧道洞身段控制变形施工工法。

背景技术

隧道的建设施工在国内方兴未艾，尤其是在我国中西部地区，公路和铁路的建设规模仍然远不足以满足实际需求。然而，中西部地区多丘陵、山地和泥石流山体，地质特征具有“四极三高”的显著特点：地形切割极为强烈、构造条件极为复杂活跃、岩性条件极为软弱破碎、地震效应极为显著；高地应力、高地震烈度、高地质灾害风险。同时中西部地区多为自然风景区，为多条河流的上游，生态脆弱，环保要求极高。

在上述地区进行隧道洞穿施工作业时，基本采用三台阶法开挖，但在隧道初期支护施作后容易出现如下工程质量问题：

1、中台阶初期支护施作后由于不均匀沉降前后拱脚连接板出现错位，初期支护表面局部出现不同程度的裂缝；

2、中台阶连接板下部局部岩体出现“凹曲”现象；

3、隧道洞身段的洞室支护体系容易呈现整体下沉。仰拱初期支护未封闭成环前，支护体系变形主要表现在整体下沉，待仰拱初期支护封闭成环后，于拱墙上部中线左右一定角度范围内出现初期支护喷射混凝土开裂、剥落掉块现象。

发明内容

鉴于以上所述，为了非常适合市场的需求，本发明有必要提供一种可以有效有效控制初期支护的整体沉降、减少初期支护变形的锚桩在隧道洞身段控制变形施工工法。

一种锚桩在隧道洞身段控制变形施工工法，包括如下步骤：

将待开挖隧道的截面划分为上台阶、中台阶和下台阶三个部分，先开挖上台阶部分至洞身段纵深M米，并间隔设置用于初期支护的支撑钢架和锁脚锚管；

在上台阶的基础上开挖中台阶部分至洞身段纵深N米，并间隔设置用于初期支护的支撑钢架和锁脚锚管；

往中台阶部分洞身段的隧道岩体中向下斜插入加固锚管；

在中台阶的基础上开挖下台阶部分并间隔设置用于初期支护的支撑钢架和锁脚锚管。

进一步地，往中台阶部分洞身段的隧道岩体中向下斜插入加固锚管的步骤之前还包括：

在中台阶部分相邻支撑钢架间设有腹板，在腹板上沿洞身长度方向焊接纵向横担梁。

进一步地，加固锚管下插于纵向横担梁下方、两榀支撑钢架之间。

进一步地，加固锚管下插入隧道岩体中时与水平面成锐角。

进一步地，加固锚管包括无缝钢管和置于无缝钢管中的箍钢筋笼，往中台阶部分洞身段的隧道岩体中向下斜插入加固锚管的步骤包括：

在洞身段隧道岩体上钻设比加固锚管长度深的锚孔；

在锚孔中插入加固锚管；

往加固锚管内灌注水泥浆或水泥-水玻璃双夜浆。

进一步地，在洞身段隧道岩体上钻设比加固锚管长度深的锚孔的步骤包括：

对钻孔机进行定位，确认钻孔方位、倾角和开口位置；

通过给进力15-20kN和钻速35-40rpm保持中低压力、匀速中速钻进；

若钻进过程中遇到岩石不能继续钻进时，则按如下步骤处理：

回拔钻杆直至钻头退出孔外；

卸下跟管及偏心三翼钻头，换上破岩冲击钻头；

重新推进到岩石面；

接上高压风管，并送高压风；

操作钻机使钻杆推进、破碎岩石直至钻头穿过岩石为止；

退出钻杆及钻头，装回偏心三翼钻头继续跟管钻进。

进一步地，箍钢筋笼包括平行设置的多根主钢筋和用于固定钢筋的多个固定环，主钢筋均同时固定连接于固定环的外周面。

进一步地，纵向横担梁采用工字钢梁、C形钢梁、H形钢梁和槽钢中的一种或多种。

进一步地，锚管的管身沿长度方向设有多个注浆孔，管身前端缩小成锥头，管身后端预留不钻孔的止浆段。

进一步地，往加固锚管内灌注水泥浆或水泥-水玻璃双夜浆的步骤包括：

在锚孔内预埋排气管后封堵锚孔；

控制注浆压力在0.5～1.0MPa；

分次往加固锚管内灌注浆液直至加固锚管注浆饱满、浆液充分扩散至管周。

有益效果：

相较于现有技术，本发明锚桩在隧道洞身段控制变形施工工法中，增强了初期支护的纵向刚度和承载能力，控制了洞室初期支护体系的整体下沉和变形破坏，保证了隧道施工安全和掘进效率，可广泛应用于铁路、公路、水工和城市地下隧道穿越的浅埋偏压、松散地质体和泥石流及滑坡堆积体等不良地质体中。

本发明的优选实施方案及其有益效果，将结合具体实施方式进一步详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但不应构成对本发明的限制。在附图中，

图1：本发明实施例的锚桩在隧道洞身段控制变形施工工法的基本施工流程示意图；

图2：本发明实施例的锚桩在隧道洞身段控制变形施工工法的初期支护体系结构示意图；

图3：本发明实施例的锚桩在隧道洞身段控制变形施工工法的支撑钢架与纵向横担梁固定结构示意图；

图4：本发明实施例的锚桩在隧道洞身段控制变形施工工法的工字钢梁与支撑钢架的腹板连接结构示意图；

图5：本发明实施例的锚桩在隧道洞身段控制变形施工工法的注浆后加固锚管横截面结构示意图；

图6：本发明实施例的锚桩在隧道洞身段控制变形施工工法的加固锚管的管身结构示意图；

图7：本发明实施例的锚桩在隧道洞身段控制变形施工工法的加固锚管的内部结构示意图；

图8：本发明实施例的锚桩在隧道洞身段控制变形施工工法融合纵向横担梁的施工流程示意图；

图9：本发明实施例的锚桩在隧道洞身段控制变形施工工法中加固锚管的施工流程示意图。

附图标记：

10、加固锚管；101、固定环；102、主钢筋；103、水泥浆或水泥-水玻璃双夜浆；104、铁箍；105、止浆段；106、注浆孔；107、无缝钢管；108、锥头；109、箍钢筋笼；20、纵向横担梁；201、工字钢梁；30、支撑钢架；40、锁脚锚管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

请参阅图1、图2和图3，本发明实施例提供一种锚桩在隧道洞身段控制变形施工工法，包括如下步骤：

步骤S100，将待开挖隧道的截面划分为上台阶、中台阶和下台阶三个部分，先开挖上台阶部分至洞身段纵深M米，并间隔设置用于初期支护的支撑钢架30和锁脚锚管40；

步骤S200，在上台阶的基础上开挖中台阶部分至洞身段纵深N米，并间隔设置用于初期支护的支撑钢架30和锁脚锚管40；

步骤S300，往中台阶部分洞身段的隧道岩体中向下斜插入加固锚管10；

步骤S400，在中台阶的基础上开挖下台阶部分并间隔设置用于初期支护的支撑钢架30和锁脚锚管40。

相较于现有技术，本发明锚桩在隧道洞身段控制变形施工工法中，增强了初期支护的纵向刚度和承载能力，控制了洞室初期支护体系的整体下沉和变形破坏，保证了隧道施工安全和掘进效率，可广泛应用于铁路、公路、水工和城市地下隧道穿越的浅埋偏压、松散地质体和泥石流及滑坡堆积体等不良地质体中。

更优地，于中台阶施工时，加固锚管10采用Φ89/t＝6mm的规格，加固锚管10长度设置为3至12m。

更优地，加固锚管10的长度选择4.5m、6m、9m三种效果较好，其中，长度为9m的加固锚管10对洞室支护体系的变形速率和整体下沉控制效果最佳。

更优地，本发明施工工法采用三台阶法开挖，为方便锚桩结构锚管施作机具的操作，上台阶控制在3-5米(4-5榀钢架)；中台阶控制在8～12米(10榀至15榀钢架)；下台阶控制在8米(10榀钢架)；下台阶两侧初期支护施作完成后立即开挖仰拱，施作仰拱初支支护使其封闭成环，每次开挖长度控制在3-4m(4榀钢架)。

更优地，左右中台阶错开4米，以方便Φ89锚管的施作。

可选地，在沿隧道洞身段设置一组监控量测点，用断面扫描仪扫描初期支护断面分析洞室支护体系的变形特征。该断面扫描时间为：上台阶锚桩在隧道洞身段穿越泥石流堆积体中控制变形施工工法初支喷射混凝土完成、中台阶初支喷射混凝土完成、下台阶初支喷射混凝土完成、二衬浇筑前。通过此种方式，能实时监测控制隧道岩体初期支护形变和下沉情况，一旦隧道断面发生变形，则能迅速通过加固锚管10对其进行加固支撑。

进一步地，参照图8，步骤S300，往中台阶部分洞身段的隧道岩体中向下斜插入加固锚管10的步骤之前还包括：

步骤500，在中台阶部分相邻支撑钢架30间设有腹板，在腹板上沿洞身长度方向焊接纵向横担梁20。

具体地，在初期支护中台阶支撑钢架30立架时，现场于相邻钢架间腹板上焊接纵向横担梁20，横担梁与中台阶初期支护钢架腹板焊接成整体，使初期支护钢架形成一个整体钢构，增强其纵向刚度，进一步控制初期支护体系不均匀下沉，并作为后续施作的下插Φ89加固锚管10的承载受力支撑构件。

通过加固锚管10和纵向横担梁20组合的施工方式，能有效控制洞室支护体系的整体变形破坏，以此可确保隧道施工安全。同时，该本发明施工工法可与其他工序平行作业，现场操作方便，施工进度快、掘进效率高，可缩短施工工期。并且，本发明施工工法优选实施例与期支护形成整体，作为永久支护结构，能永久性控制洞室支护体系的整体变形破坏，不产生固体建筑垃圾，避免了采用其他施工工法拆除临时支撑后导致的洞室支护体系二次变形破坏。另外，适应性强，可适应于多种断面形式的洞室，且可以与不同的开挖工法配套使用。

综上所述，本发明施工工法优选实施例采用的机具成本低、材料消耗成本低、工费成本低，并因现场操作方便，可与其他工序平行作业，缩短了隧道施工工期，提高了隧道施工掘进效率，管理成本大大降低的同时保证了隧道施工安全且环保，综合效益显著等特点。

更优地，纵向横担梁20下缘距离中台阶钢架拱脚连接板1m，以满足后续施作Φ89锚管钻机对操作空间的要求。

进一步地，加固锚管10下插于纵向横担梁20下方、两榀支撑钢架30之间。

更优地，初期支护中台阶喷射混凝土完成后于纵向横担梁20下方、两榀支撑钢架30间施作加固锚管10。

可选地，支撑钢架30可选用HW175型钢立架。

进一步地，加固锚管10下插入隧道岩体中时与水平面成锐角。

可选地，加固锚管10下插时的角度为30至60度。更优地，下插角度为45度时对洞室支护体系的变形速率和整体下沉控制效果最佳。

进一步地，加固锚管10包括无缝钢管107和置于无缝钢管107中的箍钢筋笼109，参照图9，步骤S300，往中台阶部分洞身段的隧道岩体中向下斜插入加固锚管10的步骤包括：

步骤310，在洞身段隧道岩体上钻设比加固锚管10长度深的锚孔；

步骤320，在锚孔中插入加固锚管10；

步骤330，往加固锚管10内灌注水泥浆或水泥-水玻璃双夜浆103。

更优地，在加固锚管10内放置箍钢筋笼109后灌注浆液，有效增强锚管的整体抗弯刚度，分散和传递初期支护体系应力至未受洞室开挖扰动的岩体中，控制初期支护体系的整体下沉。

可选地，灌注水泥浆时为1:1纯水泥浆，锚孔比加固锚管10管长深10cm，效果更佳。

进一步地，步骤310，在洞身段隧道岩体上钻设比加固锚管10长度深的锚孔的步骤包括：

对钻孔机进行定位，确认钻孔方位、倾角和开口位置；

通过给进力15-20kN和钻速35-40rpm保持中低压力、匀速中速钻进；

若钻进过程中遇到岩石不能继续钻进时，则按如下步骤处理：

回拔钻杆直至钻头退出孔外；

卸下跟管及偏心三翼钻头，换上破岩冲击钻头；

重新推进到岩石面；

接上高压风管，并送高压风；

操作钻机使钻杆推进、破碎岩石直至钻头穿过岩石为止；

退出钻杆及钻头，装回偏心三翼钻头继续跟管钻进。

更优地，开口位置不宜离纵向横担梁20下缘距离过大，尽量使送管后的加固锚管10与纵向横担梁20紧贴，以期达到最佳的纵向支撑加固、防下沉效果。

更优地，钻进时应观察角度变化情况，角度偏差大于0.3°时，应及时纠偏。当纠偏无效、偏差大于0.6°时，应停止钻进，研究对策后再施工。

进一步地，箍钢筋笼109包括平行设置的多根主钢筋101和用于固定钢筋的多个固定环101，主钢筋101均同时固定连接于固定环101的外周面。

可选地，钢筋笼由主钢筋101和固定环101组成，固定环101采用长5cmФ42壁厚3.6mm钢管，间距1m，效果更佳。主钢筋101均匀间距布置在固定环101四周，钢筋与固定环101接触处固定牢固。

进一步地，参照图4，纵向横担梁20采用工字钢梁201、C形钢梁、H形钢梁和槽钢中的一种或多种。

可选地，工字钢梁201、H形钢梁和槽钢的宽度为20cm。

进一步地，参照图5、图6和图7，锚管的管身沿长度方向设有多个注浆孔106，管身前端缩小成锥头108，管身后端预留不钻孔的止浆段105。

可选地，注浆孔106孔径10～16mm，孔间距15～20cm，注浆孔106呈梅花型布置，管前端做成锥头108，尾部留不钻孔的止浆段10530cm，效果更佳。

可选地，加固锚管10的管身注浆孔106钻孔采用摇臂钻钻机。

进一步地，往加固锚管10内灌注水泥浆或水泥-水玻璃双夜浆103的步骤包括：

在锚孔内预埋排气管后封堵锚孔；

控制注浆压力在0.5～1.0MPa；

分次往加固锚管10内灌注浆液直至加固锚管10注浆饱满、浆液充分扩散至管周。

更优地，注浆过程中应控制注浆压力，防止注浆压力过大浆液从中台阶初支底部溢出，如遇到注浆压力较小时就出现中台阶初支底部溢浆时应立即停止注浆，待注浆体固结后再注浆。

更优地，注浆应分2至3次分次注浆，以确保锚管注浆饱满和浆液充分扩散至管周一定范围内的松散岩体中且管周一定范围内形成“水泥-岩体”结石，使锚管和“水泥-岩体”结石形成一个整体基桩。

最后，在注浆结束后通过铁箍104封堵锚孔。

只要不违背本发明创造的思想，对本发明的各种不同实施例进行任意组合，均应当视为本发明公开的内容；在本发明的技术构思范围内，对技术方案进行多种简单的变型及不同实施例进行的不违背本发明创造的思想的任意组合，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种锚桩在隧道洞身段控制变形施工工法，包括如下步骤：

(一)、将待开挖隧道的截面划分为上台阶、中台阶和下台阶三个部分，先开挖上台阶部分至洞身段纵深3-5米，并间隔设置用于初期支护的支撑钢架和锁脚锚管；

(二)、在上台阶的基础上开挖中台阶部分至洞身段纵深8-12米，并间隔设置用于初期支护的支撑钢架和锁脚锚管；

(三)、在中台阶部分相邻支撑钢架间设有腹板，在所述腹板上沿洞身长度方向焊接纵向横担梁；在初期支护中台阶支撑钢架立架时，现场于相邻钢架间腹板上焊接纵向横担梁，横担梁与中台阶初期支护钢架腹板焊接成整体，使初期支护钢架形成一个整体钢结构，增强其纵向刚度，进一步控制初期支护体系不均匀下沉，并作为后续施作的下插加固锚管的承载受力支撑构件，对上述形成整体钢结构的初期支护中台阶进行喷射混凝土；其中，

纵向横担梁(20)采用工字钢梁(201)、C形钢梁、H形钢梁和槽钢中的一种或多种，工字钢梁(201)、H形钢梁和槽钢的宽度为20cm；纵向横担梁(20)下缘距离中台阶钢架拱脚连接板1m；

(四)、初期支护中台阶喷射混凝土完成后，往中台阶部分洞身段的隧道岩体中位于纵向横担梁(20)下方、两榀支撑钢架(30)间向下斜插入加固锚管，包括：

(1)、往中台阶部分洞身段的隧道岩体中钻设比加固锚管长度深的锚孔，开口位置不宜离纵向横担梁下缘距离过大，尽量使送管后的加固锚管与纵向横担梁紧贴，以期达到最佳的纵向支撑加固、防下沉效果；

其中，钻孔方法包括：

对钻孔机进行定位，确认钻孔方位、倾角和开口位置；

通过给进力15-20kN和钻速35-40rpm保持中低压力、匀速中速钻进；

若钻进过程中遇到岩石不能继续钻进时，则按如下步骤处理：

回拔钻杆直至钻头退出孔外；

卸下跟管及偏心三翼钻头，换上破岩冲击钻头；

重新推进到岩石面；

接上高压风管，并送高压风；

操作钻机使钻杆推进、破碎岩石直至钻头穿过岩石为止；

退出钻杆及钻头，装回偏心三翼钻头继续跟管钻进；

钻进时应观察角度变化情况，角度偏差大于0.3°时，应及时纠偏，当纠偏无效、偏差大于0.6°时，应停止钻进，研究对策后再施工；

(2)、在锚孔中插入加固锚管，所述加固锚管下插于纵向横担梁下方、两榀支撑钢架之间，加固锚管下插时的角度为30至60度，送管后的加固锚管(10)与纵向横担梁(20)下缘紧贴；

其中，所述加固锚管包括无缝钢管和置于无缝钢管中的箍钢筋笼，所述锚管的管身沿长度方向设有多个注浆孔，注浆孔孔径10-16mm，孔间距15-20cm，注浆孔呈梅花型布置，管身前端缩小成锥头，管身后端预留不钻孔的止浆段；

(3)、往加固锚管内灌注水泥浆或水泥-水玻璃双夜浆；包括

(a)、在锚孔内预埋排气管后封堵锚孔；

(b)、控制注浆压力在0.5～1.0MPa；

(c)、分次往加固锚管内灌注浆液直至加固锚管注浆饱满、浆液充分扩散至管周；

注浆过程中应控制注浆压力，防止注浆压力过大浆液从中台阶初支底部溢出，如遇到注浆压力较小时就出现中台阶初支底部溢浆时应立即停止注浆，待注浆体固结后再注浆；

注浆应分2至3次分次注浆，以确保锚管注浆饱满和浆液充分扩散至管周一定范围内的松散岩体中且管周一定范围内形成“水泥-岩体”结石，使锚管和“水泥-岩体”结石形成一个整体基桩；

(五)、在中台阶的基础上开挖下台阶部分并间隔设置用于初期支护的支撑钢架和锁脚锚管；

(六)、在沿隧道洞身段设置一组监控量测点，用断面扫描仪扫描初期支护断面分析洞室支护体系的变形特征；该断面扫描时间为：上台阶锚桩在隧道洞身段穿越泥石流堆积体中控制变形施工工法初支喷射混凝土完成、中台阶初支喷射混凝土完成、下台阶初支喷射混凝土完成、二衬浇筑前；通过此种方式，能实时监测控制隧道岩体初期支护形变和下沉情况，一旦隧道断面发生变形，则能迅速通过加固锚管对其进行加固支撑。

2.根据权利要求1所述的锚桩在隧道洞身段控制变形施工工法，其特征在于：于中台阶施工时，加固锚管采用Φ89/t＝6mm的规格，加固锚管长度设置为3至12m，且左右中台阶错开4米，以方便Φ89锚管的施作。

3.根据权利要求2所述的锚桩在隧道洞身段控制变形施工工法，其特征在于：所述箍钢筋笼包括平行设置的多根主钢筋和用于固定所述钢筋的多个固定环，所述主钢筋均同时固定连接于所述固定环的外周面。

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