CN107725071B - 绿泥石石英片岩地层大跨度隧道的大变形控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及隧道工程领域，具体涉及一种绿泥石石英片岩地层大跨度隧道的大变形控制方法。所述方法以三台阶环形开挖预留核心土法为基础，在超前支护下进行隧道的扩挖及支护，其中隧道拱部、边墙处采用双层钢架，并进行分次支护，分次支护过程中，第一层钢架施做时相应的预留变形量为30~50cm，第二层钢架施做时相应的预留变形量为15~25cm，仰拱处采用单层钢架。本发明所述方法在满足绿泥石石英片岩地层大跨度隧道大变形要求的同时，又能保证支护结构安全，达到不侵限、不换拱的目的，能够解决目前绿泥石石英片岩地层中修建大跨度隧道的大变形控制难题。

Description

绿泥石石英片岩地层大跨度隧道的大变形控制方法

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，具体涉及一种绿泥石石英片岩地层大跨度隧道的大变形控制方法。

背景技术

绿泥石片岩夹杂少量的石英脉（石英含量小于20%），通常称之为绿泥石石英片岩。这类岩体强度较低，岩体完整性较差，在无地下水的情况下呈薄层状或碎裂状结构。在高地应力绿泥石石英片岩地层中修建大跨度隧道时，由于围岩软弱、自稳能力差，地应力水平又高，若技术措施不当，很容易发生挤压大变形，导致隧道喷射混凝土开裂、剥落、钢架扭曲折断、初期支护侵限拆换、二次衬砌开裂掉块甚至垮塌等病害，给隧道施工质量、安全、进度和造价造成严重影响。因此，选择合理的大变形控制方法，对于高地应力绿泥石石英片岩隧道的成功修建至关重要。

现有的高地应力软岩隧道的大变形控制方法，主要是针对薄层板岩(含碳质板岩)、千枚岩(碳质千枚岩含)、千枚岩夹板岩等软岩隧道的大变形控制而提出的，而关于绿泥石石英片岩地层隧道相应的大变形控制方法，目前尚无相关报道。由于每座隧道具体的地质、荷载情况等不一致，现有的大变形控制方法(包括控制措施和参数)也各不相同，而且是否适用于绿泥石片岩地层隧道的大变形控制还不得而知，因而有必要结合绿泥石片岩地层的特性，研发相应的隧道大变形控制方法，在满足大变形要求的同时又能保证支护结构安全，达到不侵限、不换拱的目的。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种绿泥石石英片岩地层大跨度隧道的大变形控制方法，做到不侵限、不换拱，能够针对绿泥石片岩地层的特性，解决绿泥石石英片岩地层大跨度隧道的大变形控制难题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种绿泥石石英片岩地层大跨度隧道的大变形控制方法，所述方法用于围岩条件为石英含量小于20%的绿泥石石英片岩地层的大跨度隧道的大变形控制；所述方法以三台阶环形开挖预留核心土法为基础，在超前支护下进行隧道的扩挖及支护，在所述支护施做过程中，隧道拱部、边墙处采用双层HW175型钢钢架，并进行分次支护，所述分次支护为先施做第一层钢架，然后施做第二层钢架；在所述分次支护过程中，所述第一层钢架施做时相应的预留变形量为30~50cm，所述第二层钢架施做时相应的预留变形量为15~25cm，仰拱处采用单层HW175型钢钢架。

通过采用大预留变形量（30~50cm）+拱部、边墙处双层HW175型钢钢架强支护+分次支护的方法，一方面给与支护结构更多的变形空间，避免其变形侵限；另一方面，先施做第一层钢架，使其作为应力释放层，在其变形过程中围岩应力得到释放，同时钢架背后围岩也得到压密，围岩承载力得到提高；再者，施做第二层钢架，可对支护结构予以补强，而且在支护与围岩相互作用过程中，围岩得到进一步压密，围岩承载力得到进一步提高，有益于减小支护结构的荷载分担比例。由此形成支护结构与压密区围岩共同承载，使隧道大变形得到控制。

进一步地，所述大跨度隧道为单洞三车道公路隧道，或具有相同跨度的其他隧道。

进一步地，所述第一层钢架和所述第二层钢架均设置双层钢筋网片。

进一步地，所述大变形控制方法依次包括超前支护，上台阶第一层钢架的施工，中台阶第一层钢架的施工，上、中台阶第二层钢架施工，下台阶第一层和第二层钢架的施工，径向注浆施工，仰拱施工，二次衬砌施工，仰拱回填步骤。

进一步地，所述方法具体为：

(1) 超前支护：采用双排超前注浆小导管，环向间距为30~40cm，每2~3榀钢架施做1环；

(2)上台阶扩挖施工：在隧道断面的设计轮廓线基础上进行扩挖，预留变形量采用30~50cm，架设上台阶第一层钢架，然后立即打设上台阶拱脚处第一层钢架的锁脚锚管，最后进行上台阶第一层喷射混凝土的施做；

(3) 中台阶扩挖施工：沿上台阶开挖轮廓线进行中台阶第一层钢架的施工，中台阶左右错开3~4榀钢架，中台阶第一层钢架接长后，立即打设中台阶拱脚处第一层钢架的锁脚锚管，最后进行中台阶第一层喷射混凝土的施做；

(4) 上、中台阶第二层钢架施工：当预留变形量剩余15~25cm时，紧跟第一层中台阶，一次性施做上、中台阶第二层钢架，并立即打设第二层钢架中台阶拱脚处第二层钢架的锁脚锚管，最后进行上、中台阶第二层喷射混凝土的施做；

(5) 下台阶第一层和第二层钢架的施工：下台阶开挖后，分次进行下台阶两层钢架的施做，首先接长下台阶第一层钢架，并立即打设下台阶墙脚处第一层钢架的锁脚锚管，在完成下台阶第一层喷射混凝土的施做后，接长下台阶第二层钢架，并立即打设下台阶墙脚处第二层钢架的锁脚锚管；最后进行下台阶第二层喷射混凝土的施做；

(6) 径向注浆施工：对于初期支护出现突变及扭曲的部位采用径向注浆的方法加固围岩；

(7) 仰拱施工：每次施工3~4m，仰拱及回填最深处为3~4m，仰拱开挖后使拱部及边墙处的第一层钢架封闭成环，采用单层钢架作为仰拱处钢架，并施做仰拱处喷射混凝土；另外，仰拱处钢架对拱部及边墙处的第二层钢架也起到封闭作用，相当于拱部及边墙处的双层初期支护均坐落于仰拱处的单层初期支护上；

(8) 二次衬砌施工：在隧道喷射混凝土内表面敷设防水板后，进行二次衬砌的施工；每板二次衬砌施工10~12m，采用80~90 cm厚C35钢筋混凝土，拱部、边墙及仰拱处采用相同厚度，所述二次衬砌钢筋均采用Φ25~28mm钢筋作为主筋，间距20cm；

(9) 仰拱回填；

(10) 在超前注浆小导管支护下，重复步骤(2)~(9)，完成绿泥石石英片岩地层大跨度隧道的施工。

进一步地，步骤（2）具体为：在隧道断面的设计轮廓线基础上进行扩挖，预留变形量采用30~50cm，上台阶高度4.5~5.5m，宽17~18m，上台阶长3~5m，架设上台阶第一层钢架，每次架设1榀HW175型钢钢架，钢架间距70~80cm，然后立即打设上台阶拱脚处第一层钢架的锁脚锚管，为双排小管径锁脚锚管，最后进行上台阶第一层喷射混凝土的施做。

进一步地，步骤（3）具体为：沿上台阶开挖轮廓线对中台阶进行开挖，中台阶高度3.0~3.5m，中台阶长度15~20m，中台阶第一层钢架施工时，中台阶左右错开3~4榀钢架，每侧每次接长2~3榀HW175型钢钢架，钢架接长后立即打设中台阶拱脚处第一层钢架的锁脚锚管，为双排小管径锁脚锚管，最后进行中台阶第一层喷射混凝土的施做。

进一步地，步骤（4）具体为：当预留变形量剩余15~25cm时，紧跟第一层中台阶，一次性施做上、中台阶第二层钢架，每次施工4榀HW175型钢钢架，钢架间距70~80cm，且保持第一、二层钢架间隔3~4榀钢架，然后立即打设中台阶拱脚处第二层钢架的锁脚锚管，具体在中台阶左右两侧拱脚上方40~60cm处每2榀钢架施做1根大管径锁脚锚管，斜向下30°~50°打设，通过钢板与相邻两榀钢架牢固焊接，实现大管径锁脚锚管对上、中台阶第二层钢架的支托作用，最后进行上、中台阶第二层喷射混凝土的施做。

由于围岩软弱、围岩压力大，上、中台阶第一层钢架施做后，在上、中台阶拱脚处沉降量大，沉降速率快。在上、中台阶第二层钢架施做并打设大管径锁脚锚管后，隧道拱脚处的沉降速率会立刻减缓。而且，相比现有的超前导洞法施工，若将第一层钢架视为应力释放层，在本发明中应力释放层将作为永久支护，可避免超前导洞法施工中对应力释放层的拆除和对压密区围岩的破坏，由此不仅减小了对围岩的扰动，而且施做第二层钢架后，围岩承载力以及稳定性将得到进一步提高。另外，施工效率和施工安全也能够得到保证。

进一步地，步骤（5）具体为：首先进行下台阶的开挖，下台阶高3~4m，下台阶长6~8m，然后分次进行下台阶两层钢架的施做，下台阶左右两侧错开4~5榀钢架，每侧施工时保持第一层和第二层钢架错开3~4榀钢架，第一层现行，随后同时跟进；在接长下台阶第一层钢架后，立即打设下台阶墙脚处第一层钢架的锁脚锚管，为双排小管径锁脚锚管，并完成下台阶第一层喷射混凝土的施做；然后接长下台阶第二层钢架，并立即打设下台阶墙脚处第二层钢架的锁脚锚管，具体在下台阶两侧墙脚上方40~60cm处每2榀钢架施做1根大管径锁脚锚管，斜向下30°~50°打设，最后进行下台阶第二层喷射混凝土的施做。

进一步地，所述小管径锁脚锚管的直径≤50 mm，长3~5m，所述大管径锁脚锚管的直径≥89 mm，长4~7m。

本发明的有益技术效果：

针对目前尚缺乏绿泥石石英片岩地层大跨度隧道的大变形控制方法，本发明所述方法弥补了这一空白，解决了绿泥石石英片岩地层中修建大跨度隧道的大变形控制难题，提供的大变形控制方法可为今后绿泥石石英片岩地层大跨度隧道的设计与施工提供有力指导。

本发明基于绿泥石石英片岩地层的特点，提出了绿泥石石英片岩地层大跨度隧道的大变形控制方法，特别是采用隧道扩挖30~50cm后进行双层HW175型钢钢架、分次支护的措施和参数，在释放围岩应力并且加强支护以确保支护结构安全的同时，又能够约束围岩变形以避免发生侵限。而且，工程造价也能够得到有效控制。

附图说明

图1为实施例1中的绿泥石石英片岩地层大跨度隧道的大变形控制方法示意图；

图2为实施例1中大管径锁脚锚管的布设示意图；

附图标记：1-超前注浆小导管，2-上台阶第一层钢架，3-上台阶拱脚处第一层钢架的锁脚锚管，4-上台阶第一层喷射混凝土，5-中台阶第一层钢架，6-中台阶拱脚处第一层钢架的锁脚锚管，7-中台阶第一层喷射混凝土，8-上、中台阶第二层钢架，9-中台阶拱脚处第二层钢架的锁脚锚管，10-上、中台阶第二层喷射混凝土，11-下台阶第一层钢架，12-下台阶墙脚处第一层钢架的锁脚锚管，13-下台阶第一层喷射混凝土，14-下台阶第二层钢架，15-下台阶墙脚处第二层钢架的锁脚锚管，16-下台阶第二层喷射混凝土，17-仰拱处钢架，18-仰拱处喷射混凝土，19-防水板，20-拱部及边墙处二次衬砌，21-仰拱处二次衬砌。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

实施例1

本发明提供的一种绿泥石石英片岩地层大跨度隧道的大变形控制方法，以三台阶环形开挖预留核心土法为基础，如图1所示，在超前支护下进行隧道的扩挖及支护施做，其中隧道拱部、边墙处采用双层HW175型钢钢架，并进行分次支护，其中第一层钢架施做时相应的预留变形量为30~50cm，第二层钢架施做时相应的预留变形量为15~25cm，仰拱处采用单层HW175型钢钢架，所述每层钢架均对应双层Φ8钢筋网片，网格间距20×20cm，具体包括以下步骤：

(1) 超前支护：采用双排3.5m长的Φ50超前注浆小导管1，环向间距为40cm，每2榀钢架施做1环。

(2) 上台阶第一层钢架的施工：在隧道断面的设计轮廓线基础上进行扩挖，预留变形量采用30~50cm，上台阶高度5.3m，宽17.7m，上台阶长5m，架设上台阶第一层钢架2，每次架设1榀HW175型钢，钢架间距80cm，然后立即打设上台阶拱脚处第一层钢架的锁脚锚管3，为双排4m长Φ50小管径锁脚锚管，共计8根，最后进行上台阶第一层喷射混凝土4(28cm厚C25)的施做。

(3) 中台阶第一层钢架的施工：沿上台阶开挖轮廓线对中台阶进行开挖，中台阶高度3.5m，中台阶长度20m，中台阶第一层钢架5施工时，中台阶左右错开4榀，每侧每次接长2榀HW175型钢钢架，钢架接长后立即打设中台阶拱脚处第一层钢架的锁脚锚管6，为双排4m长Φ50小管径锁脚锚管，共计8根，最后进行中台阶第一层喷射混凝土7(28cm厚C25)的施做。

(4) 上、中台阶第二层钢架施工：当预留变形量剩余15~25cm时，紧跟第一层中台阶，一次性施做上、中台阶第二层钢架8，每次施工4榀，钢架间距80cm，且保持第一、二层钢架间隔2~3榀钢架，然后立即打设中台阶拱脚处第二层钢架的锁脚锚管9，具体在中台阶两侧拱脚上方50cm左右处每2榀钢架施做1根6m长Φ89大管径锁脚锚管，斜向下45°打设，其具体布设示意图如图2所示，通过20mm厚钢板与相邻两榀钢架牢固焊接，实现大管径锁脚锚管对上、中台阶第二层钢架的支托作用，最后进行上、中台阶第二层喷射混凝土10(28cm厚C25)的施做。

(5) 下台阶第一层和第二层钢架的施工：首先进行下台阶的开挖，下台阶高3.6m，下台阶长8m，然后分次进行下台阶两层钢架的施做，下台阶左右两侧错开4榀钢架，每侧施工时第一层和第二层钢架错开3榀钢架，第一层现行，随后同时跟进；在接长下台阶第一层钢架11后，立即打设下台阶墙脚处第一层钢架的锁脚锚管12，为双排4m长Φ50小管径锁脚锚管，共计8根，并完成下台阶第一层喷射混凝土13(28cm厚C25)的施做。然后接长下台阶第二层钢架14，并立即打设下台阶墙脚处第二层钢架的锁脚锚管15，具体在下台阶两侧墙脚上方50cm左右处每2榀钢架施做1根6m长Φ89大管径锁脚锚管，斜向下45°打设，其具体布设示意图如图2所示。最后进行下台阶第二层喷射混凝土16(28cm厚C25)的施做。

(6) 径向注浆施工：对于初期支护出现突变及扭曲的部位采用径向注浆的方法加固围岩，注浆采用4m长Φ50注浆小导管，间距1.5×1.5m。

(7) 仰拱施工：每次施工4m，仰拱及回填最深处为3.6m，仰拱开挖后使拱部及边墙处的第一层钢架封闭成环，采用单层钢架作为仰拱处钢架17，并施做仰拱处喷射混凝土18(28cm厚C25)。另外，仰拱处钢架17对拱部及边墙处的第二层钢架也起到封闭作用，相当于拱部及边墙处的双层初期支护均坐落于仰拱处的单层初期支护上。

(8) 二次衬砌施工：在隧道喷射混凝土内表面敷设防水板19后，进行二次衬砌的施工。每板二次衬砌施工12m，拱部及边墙处二次衬砌20和仰拱处二次衬砌21均采用80cm厚C35钢筋混凝土，所述二次衬砌钢筋均采用Φ28钢筋作为主筋，间距20cm。

(9) 仰拱回填采用C20素混凝土回填。

(10) 在超前注浆小导管1支护下，重复步骤(2)~(9)，完成绿泥石石英片岩地层大跨度隧道的施工。

如上所述，在绿泥石石英片岩地层修建大跨度隧道时，采用上述方法能够使隧道的大变形得到控制，能够在确保支护结构安全的同时，避免隧道的变形侵限，做到不侵限、不换拱，而且工程造价也能够得到有效控制。

Claims (9)

1.一种绿泥石石英片岩地层大跨度隧道的大变形控制方法，其特征在于，所述方法用于围岩条件为石英含量小于20％的绿泥石石英片岩地层的大跨度隧道的大变形控制；所述方法以三台阶环形开挖预留核心土法为基础，在超前支护下进行隧道的扩挖及支护，在所述支护施做过程中，隧道拱部、边墙处采用双层HW175型钢钢架，并进行分次支护，所述分次支护为先施做第一层钢架，然后施做第二层钢架；在所述分次支护过程中，所述第一层钢架施做时相应的预留变形量为30～50cm，所述第二层钢架施做时相应的预留变形量为15～25cm，仰拱处采用单层HW175型钢钢架，

其中，所述方法具体为：

(1)超前支护：采用双排超前注浆小导管，环向间距为30～40cm，每2～3榀钢架施做1环；

(2)上台阶第一层钢架的施工：在隧道断面的设计轮廓线基础上进行扩挖，预留变形量采用30～50cm，架设上台阶第一层钢架，然后立即打设上台阶拱脚处第一层钢架的锁脚锚管，最后进行上台阶第一层喷射混凝土的施做；

(3)中台阶第一层钢架的施工：沿上台阶开挖轮廓线进行中台阶第一层钢架的施工，中台阶左右错开3～4榀钢架，中台阶第一层钢架接长后，立即打设中台阶拱脚处第一层钢架的锁脚锚管，最后进行中台阶第一层喷射混凝土的施做；

(4)上、中台阶第二层钢架施工：当预留变形量剩余15～25cm时，紧跟上、中台阶第一层钢架，一次性施做上、中台阶第二层钢架，并立即打设中台阶拱脚处第二层钢架的锁脚锚管，最后进行上、中台阶第二层喷射混凝土的施做；

(5)下台阶第一层和第二层钢架的施工：下台阶开挖后，分次进行下台阶两层钢架的施做，首先接长下台阶第一层钢架，并立即打设下台阶墙脚处第一层钢架的锁脚锚管，在完成下台阶第一层喷射混凝土的施做后，接长下台阶第二层钢架，并立即打设下台阶墙脚处第二层钢架的锁脚锚管；最后进行下台阶第二层喷射混凝土的施做；

(6)径向注浆施工：对于初期支护出现突变及扭曲的部位采用径向注浆的方法加固围岩；

(7)仰拱施工：每次施工3～4m，仰拱回填顶部距离仰拱最深处为3～4m，仰拱开挖后使拱部及边墙处的第一层钢架封闭成环，采用单层钢架作为仰拱处钢架，并施做仰拱处喷射混凝土；另外，仰拱处钢架对拱部及边墙处的第二层钢架也起到封闭作用，相当于拱部及边墙处的双层初期支护均坐落于仰拱处的单层初期支护上；

(8)二次衬砌施工：在隧道喷射混凝土内表面敷设防水板后，进行二次衬砌的施工；每板二次衬砌施工10～12m，采用80～90cm厚C35钢筋混凝土，拱部、边墙及仰拱处采用相同厚度，所述二次衬砌钢筋均采用Φ25～28mm钢筋作为主筋，间距20cm；

(9)仰拱回填；

(10)在超前注浆小导管支护下，重复步骤(2)～(9)，完成绿泥石石英片岩地层大跨度隧道的施工。

2.根据权利要求1所述一种绿泥石石英片岩地层大跨度隧道的大变形控制方法，其特征在于，所述大跨度隧道为单洞三车道公路隧道，或具有相同跨度的其他隧道。

3.根据权利要求1所述一种绿泥石石英片岩地层大跨度隧道的大变形控制方法，其特征在于，所述第一层钢架和所述第二层钢架均设置双层钢筋网片。

4.根据权利要求1所述一种绿泥石石英片岩地层大跨度隧道的大变形控制方法，其特征在于，所述大变形控制方法依次包括超前支护，上台阶第一层钢架的施工，中台阶第一层钢架的施工，上、中台阶第二层钢架施工，下台阶第一层和第二层钢架的施工，径向注浆施工，仰拱施工，二次衬砌施工，仰拱回填步骤。

5.根据权利要求1所述一种绿泥石石英片岩地层大跨度隧道的大变形控制方法，其特征在于，步骤(2)具体为：在隧道断面的设计轮廓线基础上进行扩挖，预留变形量采用30～50cm，上台阶高度4.5～5.5m，宽17～18m，上台阶长3～5m，架设上台阶第一层钢架，每次架设1榀HW175型钢钢架，钢架间距70～80cm，然后立即打设上台阶拱脚处第一层钢架的锁脚锚管，为双排小管径锁脚锚管，最后进行上台阶第一层喷射混凝土的施做。

6.根据权利要求1所述一种绿泥石石英片岩地层大跨度隧道的大变形控制方法，其特征在于，步骤(3)具体为：沿上台阶开挖轮廓线对中台阶进行开挖，中台阶高度3.0～3.5m，中台阶长度15～20m，中台阶第一层钢架施工时，中台阶左右错开3～4榀钢架，每侧每次接长2～3榀HW175型钢钢架，钢架接长后立即打设中台阶拱脚处第一层钢架的锁脚锚管，为双排小管径锁脚锚管，最后进行中台阶第一层喷射混凝土的施做。

7.根据权利要求1所述一种绿泥石石英片岩地层大跨度隧道的大变形控制方法，其特征在于，步骤(4)具体为：当预留变形量剩余15～25cm时，紧跟上、中台阶第一层钢架，一次性施做上、中台阶第二层钢架，每次施工4榀HW175型钢钢架，钢架间距70～80cm，且保持第一、二层钢架间隔3～4榀钢架，然后立即打设中台阶拱脚处第二层钢架的锁脚锚管，具体在中台阶左右两侧拱脚上方40～60cm处每2榀钢架施做1根大管径锁脚锚管，斜向下30°～50°打设，通过钢板与相邻两榀钢架牢固焊接，实现大管径锁脚锚管对上、中台阶第二层钢架的支托作用，最后进行上、中台阶第二层喷射混凝土的施做。

8.根据权利要求1所述一种绿泥石石英片岩地层大跨度隧道的大变形控制方法，其特征在于，步骤(5)具体为：首先进行下台阶的开挖，下台阶高3～4m，下台阶长6～8m，然后分次进行下台阶两层钢架的施做，下台阶左右两侧错开4～5榀钢架，每侧施工时保持第一层和第二层钢架错开3～4榀钢架，第一层钢架先行，随后第一层和第二层钢架同时跟进；在接长下台阶第一层钢架后，立即打设下台阶墙脚处第一层钢架的锁脚锚管，为双排小管径锁脚锚管，并完成下台阶第一层喷射混凝土的施做；然后接长下台阶第二层钢架，并立即打设下台阶墙脚处第二层钢架的锁脚锚管，具体在下台阶两侧墙脚上方40～60cm处每2榀钢架施做1根大管径锁脚锚管，斜向下30°～50°打设，最后进行下台阶第二层喷射混凝土的施做。

9.根据权利要求8所述一种绿泥石石英片岩地层大跨度隧道的大变形控制方法，其特征在于，所述小管径锁脚锚管的直径≤50mm，长3～5m，所述大管径锁脚锚管的直径≥89mm，长4～7m。