CN107653848B - 一种砂砾石层隧洞附属洞室开挖支撑结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

一种砂砾石层隧洞附属洞室开挖支撑结构，包括架立于附属洞室洞门两边侧墙上的第一立柱和第二立柱，第一立柱和第二立柱上各设置有带卡槽的牛腿，横梁两端焊接固定在牛腿的卡槽里，横梁通过多根支撑墩柱与隧洞顶部的多个顶拱弧形工字钢固定连接，第一立柱和第二立柱分别与第一立柱顶拱弧形工字钢和第二立柱顶拱弧形工字钢一端固定连接，形成附属洞室矩形洞门支护结构。本发明提供的一种砂砾石层隧洞附属洞室开挖支撑结构及其施工方法，保证了洞挖施工初期支护的连续性和安全防护能力，实现了砂砾石层隧洞附属洞室开挖的安全、高效施工。

Description

一种砂砾石层隧洞附属洞室开挖支撑结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及地下洞室开挖施工领域，尤其是一种砂砾石层隧洞附属洞室开挖支撑结构及其施工方法。

背景技术

随着水利水电事业的发展，水利水电工程的开发逐步向西部高原和峡谷流域展开，建坝条件越来越复杂，尤其是在西部大开发机遇下的重点建设工程，山高谷深、覆盖层深厚、地质条件复杂。在很多砂砾石隧洞开挖中，尤其是开挖断面较大的洞段，围岩稳定性差。由于砂砾石层隧洞与其附属洞室交界处的开挖断面及临空面增大，砂砾石层易受外力扰动出现松动、塌落情况，初期支护困难、施工安全风险高，因此，采取科学合理的措施及时进行附属洞室开挖支撑防护尤为重要。

稳定的岩体有自稳能力，不产生荷载，不稳定的岩体则可能产生坍塌，需要支护结构予以支撑。不稳定围岩丧失稳定是有一个过程的，如果在这个过程中提供必要的帮助式限制，则围岩仍然能够进入稳定状态。对于砂砾石层隧洞开挖来说，所开挖围岩需要及时采取支护措施，尤其是附属洞室、交叉路口等大断面开挖部位，砂砾石层围岩容易失去自稳而引起坍塌，施工安全风险高。因此，只有采取快速高效的措施及时进行支护，才能更有利于附属洞室的稳定和安全施工。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种砂砾石层隧洞附属洞室开挖支撑结构及其施工方法，可以解决砂砾石层隧洞与其附属洞室交界处由于开挖断面及临空面增大，在开挖施工中砂砾石层围岩易出现松动、塌落现象，导致初期支护困难、施工安全风险高、施工工效低的问题，保证了洞挖施工初期支护的连续性和安全防护能力，实现了砂砾石层隧洞附属洞室开挖的安全、高效施工。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种砂砾石层隧洞附属洞室开挖支撑结构，包括架立于附属洞室洞门两边侧墙上的第一立柱和第二立柱，第一立柱和第二立柱上各设置有带卡槽的牛腿，横梁两端焊接固定在牛腿的卡槽里，横梁通过多根支撑墩柱与隧洞顶部的多个顶拱弧形工字钢固定连接，第一立柱和第二立柱分别与第一立柱顶拱弧形工字钢和第二立柱顶拱弧形工字钢一端固定连接，形成附属洞室矩形洞门支护结构。

优选地，第一立柱与第一立柱顶拱弧形工字钢之间、第二立柱与第二立柱顶拱弧形工字钢之间、横梁上的各支撑墩柱与各顶拱弧形工字钢均通过连接板采用螺栓进行连接。

优选地，横梁上、下方的洞室围岩内各设置有1排锚杆，锚杆与横梁焊接。

优选地，锚杆为自进式中空注浆锚杆，锚杆注浆后与横梁焊接。

一种使用支撑结构进行砂砾石层隧洞附属洞室开挖的施工方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：进行砂砾石层隧洞开挖，并采用钢拱架进行初期支护；

步骤2：在开挖至距附属洞室洞门起点桩号1米处时，在属洞室洞一侧的侧墙上架立第一立柱，在第一立柱上端焊接带卡槽的牛腿，采用第一立柱顶拱弧形工字钢进行初期支护，第一立柱顶拱弧形工字钢与第一立柱通过连接板采用螺栓连接；

步骤3：随着砂砾石层隧洞开挖的进行依次架立后续多根临时立柱，在各临时立柱上安装顶拱弧形工字钢，各临时立柱与各顶拱弧形工字钢之间通过连接板采用螺栓连接，并钻设锚杆、焊接连接筋及挂设钢筋网片，在附属洞室一侧的侧墙不焊接连接筋及钢筋网片；

步骤4：将牛腿及附属洞室范围内的各临时立柱与顶拱弧形工字钢之间的连接板包裹好后，进行喷射混凝土施工；

步骤5：在砂砾石层隧洞开挖至附属洞室洞门终点桩号后1米处时，在附属洞室一侧的侧墙上架立第二立柱，在第二立柱上端焊接带卡槽的牛腿，采用第二立柱顶拱弧形工字钢进行初期支护，第二立柱顶拱弧形工字钢与第二立柱通过连接板采用螺栓连接；

步骤6：在附属洞室洞门范围内的锚喷支护完成后，逐根拆除第一立柱和第二立柱之间所有侧墙拱架的临时立柱；

步骤7：将横梁两端分别安放到附属洞室洞门两侧第一立柱和第二立柱上的牛腿的卡槽里，待横梁上设置的各支撑墩柱与对应的顶拱弧形工字钢连接牢固后，再将横梁两端焊接牢固于牛腿的卡槽里；

步骤8：在横梁上、下方的洞室围岩内各设置1排锚杆，锚杆钻进注浆后与横梁进行焊接，并进行横梁封闭喷护，以锚固横梁，形成附属洞室矩形洞门支护结构；

步骤9：砂砾石层隧洞继续开挖支护施工1~2个循环后，对附属洞室开挖范围进行测量放线，并采用挖机沿开挖线进行洞口开挖；

步骤10：附属洞室顶部斜面按1﹕3的坡比进行开挖控制，向洞内开挖3.5m后及时进行锚喷支护；

即完成砂砾石层隧洞附属洞室开挖。

本发明提供的一种砂砾石层隧洞附属洞室开挖支撑结构及其施工方法，有益效果如下：

1、结构简洁、制作加工方便、安装灵活快捷、防护性能稳定，达到了提高施工效率和安全系数的有益效果。

2、在砂砾石层隧洞开挖初期支护的基础上，通过采用在洞门上部架设横梁替代附属洞室洞门范围内临时立柱的方式，形成了附属洞室洞门开挖的门字形支撑结构，确保了施工过程中砂砾石围岩处于稳定状态，保证了附属洞室的顺利开挖，为后续洞挖段施工提供了有利条件（附属洞室可作为临时错车道，便于隧洞内错车及出渣）。

3、立柱、横梁、临时立柱、支撑墩柱、顶拱弧形工字钢、连接板等各个组件均可按标准件进行加工制作，安装、拆卸便捷，拆除的临时立柱可以用于后续洞挖段的初期支护中，达到了有效降低施工成本的有益效果。

4、较传统施工方式，将附属洞室洞门由城门洞型改为矩形、附属洞室顶部由弧形顶拱改为斜面，在确保施工安全、满足附属洞室使用功能的前提下，既减少了附属洞室开挖工程量，又降低了开挖支护难度，达到了安全、经济、高效施工的有益效果。

可以解决砂砾石层隧洞与其附属洞室交界处由于开挖断面及临空面增大，在开挖施工中砂砾石层围岩易出现松动、塌落现象，导致初期支护困难、施工安全风险高、施工工效低的问题，保证了洞挖施工初期支护的连续性和安全防护能力，实现了砂砾石层隧洞附属洞室开挖的安全、高效施工。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明支撑结构的主视图；

图2为本发明支撑结构中第一立柱及其第一立柱顶拱弧形工字钢的侧视图；

图3为本发明方法步骤5完成后形成的初步支撑结构的示意图；

图4为本发明方法步骤7横梁安装完成的实物示意图；

图5为本发明方法附属洞室开挖完成后的实物示意图。

具体实施方式

实施例一

如图1和图2所示，一种砂砾石层隧洞附属洞室开挖支撑结构，包括架立于附属洞室洞门两边侧墙上的第一立柱1和第二立柱12，第一立柱1和第二立柱12上各设置有带卡槽的牛腿2，横梁3两端焊接固定在牛腿2的卡槽里，横梁3通过多根支撑墩柱4与附属洞室顶部的多个顶拱弧形工字钢5固定连接，第一立柱1和第二立柱12分别与第一立柱顶拱弧形工字钢10和第二立柱顶拱弧形工字钢11一端固定连接，形成附属洞室矩形洞门支护结构。

第一立柱1与第一立柱顶拱弧形工字钢10之间、第二立柱12与第二立柱顶拱弧形工字钢11之间、横梁3上的各支撑墩柱4与各顶拱弧形工字钢5均通过连接板6采用螺栓7进行连接。

横梁3上、下方的洞室围岩内各设置有两排锚杆9，锚杆9与横梁3焊接。

锚杆9为3m长的SD25N自进式中空注浆锚杆，排距0.6m、孔距1.5m，各锚杆9位于两个支撑墩柱4之间，锚杆角度水平向上15度，锚杆9注浆后与横梁3焊接。

第一立柱1和第二立柱12、牛腿2、支撑墩柱4、顶拱弧形工字钢5、第一立柱顶拱弧形工字钢10和第二立柱顶拱弧形工字钢11均采用I18工字钢加工制作，横梁3采用I20工字钢加工制作。

连接板6采用10mm厚的钢板加工制作，采用M12×40螺栓7，在距立柱1顶端40cm的位置焊接设置牛腿2，即牛腿2距隧洞侧墙起拱线13垂直距离40cm。

实施例二

如图3、图4和图5所示，一种使用上述支撑结构进行砂砾石层隧洞附属洞室开挖的施工方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：采用大功率挖机进行砂砾石层隧洞沿起拱线13开挖，并采用钢拱架进行初期支护；

步骤2：在开挖至距附属洞室洞门起点桩号1米处时，在附属洞室一侧的侧墙上架立第一立柱1，在第一立柱1上端焊接带卡槽的牛腿2，采用第一立柱顶拱弧形工字钢10进行初期支护，第一立柱顶拱弧形工字钢10与第一立柱1通过连接板6采用螺栓7连接；

步骤3：随着砂砾石层隧洞开挖的进行依次架立后续多根临时立柱8，在各临时立柱8上安装顶拱弧形工字钢5，各临时立柱8与各顶拱弧形工字钢5之间通过连接板6采用螺栓7连接，并钻设锚杆、焊接连接筋及挂设钢筋网片，但在附属洞室一侧的侧墙（即附属洞室洞门范围内）不焊接连接筋及钢筋网片；

步骤4：将牛腿2及附属洞室范围内的各临时立柱8与顶拱弧形工字钢5之间的连接板6包裹好后，进行喷射混凝土施工；

步骤5：在砂砾石层隧洞开挖至附属洞室洞门终点桩号后1米处时，在属洞室洞一侧的侧墙上架立第二立柱12，在第二立柱12上端焊接带卡槽的牛腿2，采用第二立柱顶拱弧形工字钢11进行初期支护，第二立柱顶拱弧形工字钢11与第二立柱12通过连接板6采用螺栓7连接；

步骤6：在附属洞室洞门范围内的锚喷支护完成后，逐根拆除第一立柱1和第二立柱12之间所有侧墙拱架的临时立柱8，并清理牛腿2及顶拱弧形工字钢5连接板上的杂物；

步骤7：将横梁3两端分别安放到附属洞室洞门两侧第一立柱1和第二立柱12上的牛腿2的卡槽里，待横梁3上设置的各支撑墩柱4与对应的顶拱弧形工字钢5连接牢固后，再将横梁3两端焊接牢固于牛腿2的卡槽里；

步骤8：在横梁3上、下方的洞室围岩内各设置1排锚杆9，锚杆9角度水平向上15度，锚杆9钻进注浆后与横梁3进行焊接，并进行横梁3封闭喷护，以锚固横梁3，形成附属洞室矩形洞门支护结构；

步骤9：砂砾石层隧洞继续开挖支护施工1~2个循环（3~6m）后，对附属洞室开挖范围进行测量放线，并采用挖机沿开挖线进行洞口开挖；

步骤10：附属洞室顶部斜面按1﹕3的坡比进行开挖控制，向洞内开挖3.5m后及时进行锚喷支护；

步骤11：在横梁3中心位置安装变形观测点，定期监测沉降变形值，

即完成砂砾石层隧洞附属洞室开挖。

Claims (4)

1.一种砂砾石层隧洞附属洞室开挖支撑结构，包括架立于附属洞室洞门两边侧墙上的第一立柱（1）和第二立柱（12），其特征在于：第一立柱（1）和第二立柱（12）上各设置有带卡槽的牛腿（2），横梁（3）两端焊接固定在牛腿（2）的卡槽里，横梁（3）通过多根支撑墩柱（4）与隧洞顶部的多个顶拱弧形工字钢（5）固定连接，第一立柱（1）和第二立柱（12）分别与第一立柱顶拱弧形工字钢（10）和第二立柱顶拱弧形工字钢（11）一端固定连接，形成附属洞室矩形洞门支护结构；

第一立柱（1）与第一立柱顶拱弧形工字钢（10）之间、第二立柱（12）与第二立柱顶拱弧形工字钢（11）之间、横梁（3）上的各支撑墩柱（4）与各顶拱弧形工字钢（5）均通过连接板（6）采用螺栓（7）进行连接。

2.根据权利要求1所述的一种砂砾石层隧洞附属洞室开挖支撑结构，其特征在于：横梁（3）上、下方的洞室围岩内各设置有1排锚杆（9），锚杆（9）与横梁（3）焊接。

3.根据权利要求2所述的一种砂砾石层隧洞附属洞室开挖支撑结构，其特征在于：锚杆（9）为自进式中空注浆锚杆，锚杆（9）注浆后与横梁（3）焊接。

4.一种使用上述权利要求1-3中任一项所述的支撑结构进行砂砾石层隧洞附属洞室开挖的施工方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1：进行砂砾石层隧洞开挖，并采用钢拱架进行初期支护；

步骤2：在开挖至距附属洞室洞门起点桩号1米处时，在附属洞室一侧的侧墙上架立第一立柱（1），在第一立柱（1）上端焊接带卡槽的牛腿（2），采用第一立柱顶拱弧形工字钢（10）进行初期支护，第一立柱顶拱弧形工字钢（10）与第一立柱（1）通过连接板（6）采用螺栓（7）连接；

步骤3：随着砂砾石层隧洞开挖的进行依次架立后续多根临时立柱（8），在各临时立柱（8）上安装顶拱弧形工字钢（5），各临时立柱（8）与各顶拱弧形工字钢（5）之间通过连接板（6）采用螺栓（7）连接；

步骤4：将牛腿（2）及附属洞室范围内的各临时立柱（8）与顶拱弧形工字钢（5）之间的连接板（6）包裹好后，进行喷射混凝土施工；

步骤5：在砂砾石层隧洞开挖至附属洞室洞门终点桩号后1米处时，在附属洞室一侧的侧墙上架立第二立柱（12），在第二立柱（12）上端焊接带卡槽的牛腿（2），采用第二立柱顶拱弧形工字钢（11）进行初期支护；

步骤6：在附属洞室洞门范围内的锚喷支护完成后，逐根拆除第一立柱（1）和第二立柱（12）之间所有侧墙拱架的临时立柱（8）；

步骤7：将横梁（3）两端分别安放到附属洞室洞门两侧第一立柱（1）和第二立柱（12）上的牛腿（2）的卡槽里，待横梁（3）上设置的各支撑墩柱（4）与对应的顶拱弧形工字钢（5）连接牢固后，再将横梁（3）两端焊接牢固于牛腿（2）的卡槽里；

步骤8：在横梁（3）上、下方的洞室围岩内各设置1排锚杆（9），锚杆（9）钻进注浆后与横梁（3）进行焊接，并进行横梁（3）封闭喷护，以锚固横梁（3），形成附属洞室矩形洞门支护结构；

步骤9：砂砾石层隧洞继续开挖支护施工1~2个循环后，对附属洞室开挖范围进行测量放线，并采用挖机沿开挖线进行洞口开挖；

步骤10：附属洞室顶部斜面按1﹕3的坡比进行开挖控制，向洞内开挖3.5m后及时进行锚喷支护；

即完成砂砾石层隧洞附属洞室开挖。