CN108316312B - 浅埋倾斜基岩偏压隧道加固结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浅埋倾斜基岩偏压隧道加固结构及其施工方法，涉及一种通过微型桩来加固浅埋在倾斜基岩内的偏压隧道的加固结构，该加固结构具体是在隧道两侧分别设有多根以隧道为中心呈梅花形布置的微型桩，每侧的多根微型桩顶端均设有相连接的冠梁，并通过合理确定浅埋倾斜基岩中微型桩的嵌岩深度，使其具有足够的抵抗浅埋倾斜偏压岩层的滑动和转动能力，故具有构造简单、安全可靠、经济合理、低碳环保等结构优点，该加固结构再结合相应的施工方法，能有效确保加固结构的质量和安全，经济效益和社会效益显著。

Description

浅埋倾斜基岩偏压隧道加固结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及一种浅埋倾斜基岩偏压隧道施工领域，具体是指浅埋倾斜基岩偏压隧道加固结构及其施工方法。

背景技术

受地形及线路走向的限制,隧道结构埋置深度较浅，同时左右两侧覆土高度不同及围岩级别等产生地形偏压，常采用回填反压法、地表注浆法、设置抗滑桩、预应力锚杆和混凝土挡墙等方法处治。如公开的中国专利号为201610280927.4的“一种倾斜布置的微型桩结构”，它是对于水平分层围岩，提出一组穿过滑坡体与基岩固定连接的微型桩组合结构，向着滑坡体推力方向的倾斜桩始终具有预紧力，使得整个微型桩结构具有更好的固坡效果。而工程中分层围岩以倾斜居多，且埋置在基岩中微型桩的嵌岩深度对于浅埋倾斜基岩偏压隧道加固效果起到关键作用，基岩中微型桩的嵌岩深度过浅，起不到加固作用，过深则造成浪费。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷而提供一种构造简单、安全可靠、经济合理、低碳环保的浅埋倾斜基岩偏压隧道加固结构及其施工方法。

本发明的技术问题通过以下技术方案实现：

一种浅埋倾斜基岩偏压隧道加固结构，包括浅埋在倾斜基岩内的偏压隧道，该浅埋有隧道的基岩地表面形成倾斜的地面线，所述的隧道两侧分别设有多根以隧道为中心呈梅花形布置的微型桩，每侧的多根微型桩顶端均设有相连接的冠梁。

所述的微型桩是通过钻孔桩施工机械在地层中钻出200mm～300mm的桩孔，桩孔中放置薄壁钢管和钢筋焊接而成的桩身并注入水泥浆成型，该微型桩由地面线开始穿过滑动面而嵌入基岩内，呈梅花形布置的多根微型桩在隧道纵向的间距为，横向的间距为/>。

所述的微型桩嵌入滑动面下基岩中的深度为，微型桩周边与滑动面的基岩界面粘结侧剪切应力为/>，滑动面倾角为/>，滑动面以上岩层滑动和转动块体a-b-c-d-e-f-g-j的下滑力为/>、对滑动面的正压力/>和转动力矩/>；假设微型桩受力时与滑动面以下基岩粘结为理想弹塑性模型，微型桩与基岩的粘结侧剪切应力达到最大粘结侧剪切应力/>时，该微型桩与滑动面以下基岩粘结面将进入塑性流动状态；当微型桩与滑动面以下基岩粘结在弹性工作状态时，即/>时，

式中，

——微型桩与滑动面以下基岩粘结界面的剪切刚度系数，/>，标志着粘结强度为/>发挥的强弱；

——微型桩与滑动面以下深度/>处基岩的粘结侧剪切应力，/>；

——微型桩的剪切位移函数，/>。

所述的微型桩直径为，假定微型桩在弹性工作状态时，与滑动面以下基岩粘结符合虎克定律，则在微型桩深度/>处取一微型桩的微段，其长度为/>，则在/>处微型桩轴向拉力为/>，粘结侧剪切应力为/>，剪切位移为/>，微型桩的受力由以下公式计算：

公式一、

其中，、/>为待定系数，由边界条件确定：在微型桩的顶端/>,在微型桩的底端/>，可求得

当微型桩的顶端轴向拉力达到时，/>达到塑性流动状态时，微型桩达到极限轴向拉力和极限轴向压力分别为

公式二、

在公式一、公式二中

——微型桩嵌入滑动面下基岩中的深度，/>；

——相邻两根微型桩的横向间距，/>；

——相邻两根微型桩的纵向间距，/>；

——隧道左侧或右侧相邻两排/>宽度内微型桩中心一边的微型桩根数，隧道左侧或右侧相邻两排微型桩总根数为/>根；

——微型桩在深度/>处的轴向拉力，kN；

——微型桩的顶端的轴向拉力，/>，kN；

——微型桩的底端的轴向拉力，/>；

——微型桩与滑动面以下深度/>处基岩的粘结侧剪切应力，/>；

——微型桩周边与滑动面的基岩界面最大粘结侧剪切应力，/>；

——微型桩的允许剪切强度，/>；

——滑动面的倾角，/>；

——横向两排宽度/>内滑动面以上岩层块体a-b-c-d-e-f-g-j的重量，kN；

——横向两排宽度/>内滑动面以上岩层块体a-b-c-d-e-f-g-j的下滑力，kN；

——横向两排宽度/>内滑动面以上岩层块体a-b-c-d-e-f-g-j对滑动面的正压力, kN；

——横向两排宽度/>内滑动面以上岩层块体a-b-c-d-e-f-g-j的转动力矩，KN·m；

——隧道左侧或右侧相邻两排距受拉一边微型桩中心最远端桩、即第/>根桩的极限轴向拉力，位于隧道左侧或右侧相邻两排微型桩中心桩、即第0根桩的轴向拉力为0，其余第/>、/>、…、2、1根桩的轴向拉力为线性分布，kN；

——隧道左侧或右侧相邻两排距受拉一边微型桩中心最远端桩、即第/>根桩的极限轴向压力，/>与/>在数值上时相等的，但方向相反，位于隧道左侧或右侧相邻两排微型桩中心桩、即第0根桩的轴向压力为0，其余第/>、/>、…、2、1根桩的轴向压力为线性分布，kN；

——微型桩的剪切位移函数，/>；

——横向两排宽度滑动面以上岩层块体a-b-c-d-e-f-g-j与滑动面之间的滑动摩阻系数；

——微型桩与滑动面以下基岩粘结界面的剪切刚度系数，/>；

——系数，/>，无量纲；

——微型桩的弹性模量，/>。

所述的微型桩包括插入桩孔内的薄壁钢管和三根圆周分布设置在薄壁钢管外围的主钢筋，每相邻两根主钢筋之间均设有呈圆周辐射状分布在薄壁钢管外围的钢筋对中支架，薄壁钢管内注入水泥浆。

所述的薄壁钢管直径为40mm～50mm，壁厚为3mm～5mm；所述的主钢筋直径为20mm～30mm；所述的钢筋对中支架直径为8mm～10mm。

所述的基岩为滑动面以下地质特性较好的地层，并作为微型桩的嵌岩地层；所述的冠梁为钢筋混凝土结构。

一种浅埋倾斜基岩偏压隧道加固结构的施工方法，包括如下步骤：

步骤一、焊接制作薄壁钢管的微型桩桩身

①根据设计要求下料钢管、钢筋；

②焊接制作薄壁钢管的微型桩桩身成型；

步骤二、放样钻孔

①现场测量放样，微型桩桩位呈梅花形布置；

②清理表面土；

③埋设沉降和水平位移观测点；

④开挖排水沟，要求表面水的排水畅通；

⑤钻孔桩施工机械就位钻孔至设计深度；

⑥检查基岩地质是否符合设计要求，如不符合要求加深钻孔直至达到要求；

⑦跳孔、即相隔一个孔位钻孔第二根微型桩，直至一排纵向孔位钻孔完成；

⑧继续第二排乃至所有微型桩钻孔完成；

步骤三、下放微型桩并压浆

①下放微型桩至钻孔深度；

②按设计配合比配制水泥浆并压浆，经试验符合设计要求；

③压浆压力符合设计要求，直至孔口溢出水泥浆液，压浆结束；

④地面覆盖，待水泥压浆液终凝后洒水养护；

步骤四、施工冠梁：

①清理微型桩桩头溢出的浆液，整理钢筋，桩头伸进冠梁高度符合要求；

②按冠梁模板尺寸清理桩头附近土体，并安放冠梁模板；

③绑扎冠梁钢筋；

④浇筑冠梁混凝土；

⑤拆除冠梁模板并养护；

按以上程序完成隧道一侧的微型桩施工，再继续另一侧的微型桩施工，在全部施工过程中，及时检测水平位移和沉降，并及时反馈检测结果，如有异常及时调整施工方案，确保施工安全和工程质量。

与现有技术相比，本发明主要设计了一种通过微型桩来加固浅埋倾斜基岩偏压隧道的加固结构，具体是在隧道两侧分别设有多根以隧道为中心呈梅花形布置的微型桩，每侧的多根微型桩顶端均设有相连接的冠梁，并通过合理确定浅埋倾斜基岩中微型桩的嵌岩深度，使其具有足够的抵抗浅埋倾斜偏压岩层的滑动和转动能力，故具有构造简单、安全可靠、经济合理、低碳环保等结构优点，该加固结构再结合相应的施工方法，能有效确保加固结构的质量和安全，经济效益和社会效益显著。

附图说明

图1为本发明的结构立面示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为微型桩的结构示意图。

图4为微型桩的受力计算图式。

具体实施方式

下面将按上述附图对本发明实施例再作详细说明。

如图1~图4所示，1.地面线、2.隧道、3.滑动面、4.微型桩、41.桩孔、42.薄壁钢管、43.注浆孔、44.主钢筋、45.钢筋对中支架、5.冠梁。

浅埋倾斜基岩偏压隧道加固结构及其施工方法，如图1、图2所示，涉及一种通过微型桩4来加固浅埋在倾斜基岩内的偏压隧道的加固结构，在浅埋有隧道2的基岩地表面形成倾斜的地面线1，多根呈梅花形布置的微型桩4以隧道为中心分别设置在隧道2两侧，即图1所示的隧道左侧和隧道右侧，每侧的多根微型桩4顶端均设有相连接的冠梁5，该冠梁为钢筋混凝土结构，则通过设计这种加固结构来确保浅埋倾斜基岩偏压隧道的施工和运营安全。

其中，基岩是指滑动面3以下地质特性较好的地层，主要作为微型桩4的嵌岩地层，地面线1与倾斜基岩之间的岩层地质特性较差，易失稳滑动和转动，导致隧道结构破坏，故需作加固处理；而浅埋在倾斜基岩内的隧道2，一般情况下以隧道顶部覆盖层能否形成“自然拱”为原则，按照有关规范确定的界限而定义浅埋隧道，隧道2结构两侧荷载不对称形成的偏压，倾斜基岩增大了隧道施工和运营的安全难度。

所述的微型桩4是通过钻孔桩施工机械在地层中钻出200mm～300mm的桩孔41, 桩孔中放置薄壁钢管42和钢筋焊接而成的桩身并注入水泥浆成型，该微型桩4由地面线1开始穿过滑动面3而嵌入基岩内一定深度，而呈梅花形布置的多根微型桩4在隧道2纵向的间距为，横向的间距为/>。

每根微型桩4的结构均包括插入桩孔41内的薄壁钢管42和三根圆周分布设置在薄壁钢管外围的主钢筋44，该薄壁钢管42直径为40mm～50mm，壁厚为3mm～5mm，该主钢筋44直径为20mm～30mm；再在每相邻两根主钢筋44之间均设有呈圆周辐射状分布在薄壁钢管42外围的钢筋对中支架45、即图3所示的三个钢筋对中支架，该钢筋对中支架45直径为8mm～10mm，并起到定位作用，则通过薄壁钢管42、主钢筋44和钢筋对中支架45就构成了微型桩4的桩身，再在薄壁钢管42的注浆孔43内注入M30水泥浆凝结而形成了微型桩4。

所述的微型桩4嵌入滑动面3下基岩中的深度为，微型桩4周边与滑动面3的基岩界面粘结侧剪切应力为/>，滑动面3倾角为/>，滑动面3以上岩层滑动和转动块体a-b-c-d-e-f-g-j的下滑力为/>、对滑动面3的正压力/>和转动力矩/>；假设微型桩4受力时与滑动面3以下基岩粘结为理想弹塑性模型，微型桩4与基岩的粘结侧剪切应力达到最大粘结侧剪切应力/>时，该微型桩4与滑动面3以下基岩粘结面将进入塑性流动状态；当微型桩4与滑动面3以下基岩粘结在弹性工作状态时，即/>时，

式中，

——微型桩4与滑动面3以下基岩粘结界面的剪切刚度系数，/>，标志着粘结强度为/>发挥的强弱；

——微型桩4与滑动面3以下深度/>处基岩的粘结侧剪切应力，/>；

——微型桩4的剪切位移函数，/>。

所述的微型桩4直径为，假定微型桩4在弹性工作状态时，与滑动面3以下基岩粘结符合虎克定律，则在微型桩4深度/>处取一微型桩的微段，其长度为/>，则在/>处微型桩轴向拉力为/>，粘结侧剪切应力为/>，剪切位移为/>，微型桩4的受力由以下公式计算：

公式一、

其中，、/>为待定系数，由边界条件确定：在微型桩4的顶端/>,在微型桩4的底端/>，可求得

当微型桩4的顶端轴向拉力达到时，/>达到塑性流动状态时，微型桩4达到极限轴向拉力和极限轴向压力分别为

公式二、

在公式一、公式二中

——微型桩4嵌入滑动面3下基岩中的深度，/>；

——相邻两根微型桩4的横向间距，/>；

——相邻两根微型桩4的纵向间距，/>；

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——微型桩4周边与滑动面3的基岩界面最大粘结侧剪切应力，/>；

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——横向两排宽度/>内滑动面以上岩层块体a-b-c-d-e-f-g-j的重量，kN；

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——横向两排宽度/>内滑动面以上岩层块体a-b-c-d-e-f-g-j对滑动面的正压力, kN；

——横向两排宽度/>内滑动面以上岩层块体a-b-c-d-e-f-g-j的转动力矩，KN·m；

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——微型桩4与滑动面3以下基岩粘结界面的剪切刚度系数，/>；

——系数，/>，无量纲；

——微型桩4的弹性模量，/>。

所述的浅埋倾斜基岩偏压隧道加固结构的施工方法，主要包括如下步骤：

步骤一、焊接制作薄壁钢管的微型桩桩身

①根据设计要求下料钢管、钢筋；

②焊接制作薄壁钢管42的微型桩桩身成型；

步骤二、放样钻孔

①现场测量放样，微型桩4桩位呈梅花形布置；

②清理表面土；

③埋设沉降和水平位移观测点；

④开挖排水沟，要求表面水的排水畅通；

⑤钻孔桩施工机械就位钻孔至设计深度；

⑥检查基岩地质是否符合设计要求，如不符合要求加深钻孔直至达到要求；

⑦跳孔、即相隔一个孔位钻孔第二根微型桩，直至一排纵向孔位钻孔完成；

⑧继续第二排乃至所有微型桩钻孔完成；

步骤三、下放微型桩并压浆

①下放微型桩4至钻孔深度；

②按设计配合比配制水泥浆并压浆，经试验符合设计要求；

③压浆压力符合设计要求，直至孔口溢出水泥浆液，压浆结束；

④地面覆盖，待水泥压浆液终凝后洒水养护；

步骤四、施工冠梁：

①清理微型桩4桩头溢出的浆液，整理钢筋，桩头伸进冠梁高度符合要求；

②按冠梁模板尺寸清理桩头附近土体，并安放冠梁模板；

③绑扎冠梁钢筋；

④浇筑冠梁5混凝土；

⑤拆除冠梁模板并养护；

按以上程序完成隧道一侧的微型桩施工，再继续另一侧的微型桩4施工，在全部施工过程中，及时检测水平位移和沉降，并及时反馈检测结果，如有异常及时调整施工方案，确保施工安全和工程质量。

本发明所述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外还应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种浅埋倾斜基岩偏压隧道加固结构，包括浅埋在倾斜基岩内的偏压隧道，该浅埋有隧道（2）的基岩地表面形成倾斜的地面线（1），其特征在于所述的隧道（2）两侧分别设有多根以隧道为中心呈梅花形布置的微型桩（4），每侧的多根微型桩（4）顶端均设有相连接的冠梁（5）；所述的微型桩（4）是通过钻孔桩施工机械在地层中钻出200mm～300mm的桩孔（41），桩孔中放置薄壁钢管（42）和钢筋焊接而成的桩身并注入水泥浆成型，该微型桩（4）由地面线（1）开始穿过滑动面（3）而嵌入基岩内，呈梅花形布置的多根微型桩（4）在隧道（2）纵向的间距为，横向的间距为/>；所述的微型桩（4）嵌入滑动面（3）下基岩中的深度为/>，微型桩（4）周边与滑动面（3）的基岩界面粘结侧剪切应力为/>，滑动面（3）倾角为/>，滑动面（3）以上岩层滑动和转动块体a-b-c-d-e-f-g-j的下滑力为/>、对滑动面（3）的正压力/>和转动力矩/>；假设微型桩（4）受力时与滑动面（3）以下基岩粘结为理想弹塑性模型，微型桩（4）与基岩的粘结侧剪切应力达到最大粘结侧剪切应力/>时，该微型桩（4）与滑动面（3）以下基岩粘结面将进入塑性流动状态；当微型桩（4）与滑动面（3）以下基岩粘结在弹性工作状态时，即/>时，/>式中，

——微型桩（4）与滑动面（3）以下基岩粘结界面的剪切刚度系数，/>，标志着粘结强度为/>发挥的强弱；

——微型桩（4）与滑动面（3）以下深度/>处基岩的粘结侧剪切应力，/>；

——微型桩（4）的剪切位移函数，/>；

所述的微型桩（4）直径为，假定微型桩（4）在弹性工作状态时，与滑动面（3）以下基岩粘结符合虎克定律，则在微型桩（4）深度/>处取一微型桩的微段，其长度为/>，则在/>处微型桩轴向拉力为/>，粘结侧剪切应力为/>，剪切位移为/>，微型桩（4）的受力由以下公式计算：公式一、

其中，、/>为待定系数，由边界条件确定：在微型桩（4）的顶端/>,在微型桩（4）的底端/>，可求得

当微型桩（4）的顶端轴向拉力达到/>时，/>达到塑性流动状态时，微型桩（4）达到极限轴向拉力和极限轴向压力分别为/>公式二、

在公式一、公式二中

——微型桩（4）嵌入滑动面（3）下基岩中的深度，/>；

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——隧道左侧或右侧相邻两排/>宽度内微型桩中心一边的微型桩根数，隧道左侧或右侧相邻两排微型桩总根数为/>根；

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——微型桩（4）与滑动面（3）以下深度/>处基岩的粘结侧剪切应力，/>；

——微型桩（4）周边与滑动面（3）的基岩界面最大粘结侧剪切应力，/>；

——微型桩（4）的允许剪切强度，/>；

——滑动面（3）的倾角，/>；

——横向两排宽度/>内滑动面以上岩层块体a-b-c-d-e-f-g-j的重量，/>；

——横向两排宽度/>内滑动面以上岩层块体a-b-c-d-e-f-g-j的下滑力，/>；

——横向两排宽度/>内滑动面以上岩层块体a-b-c-d-e-f-g-j对滑动面的正压力, />；

——横向两排宽度/>内滑动面以上岩层块体a-b-c-d-e-f-g-j的转动力矩，；

——隧道左侧或右侧相邻两排距受拉一边微型桩中心最远端桩、即第/>根桩的极限轴向拉力，位于隧道左侧或右侧相邻两排微型桩中心桩、即第0根桩的轴向拉力为0，其余第/>、/>、…、2、1根桩的轴向拉力为线性分布，/>；

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——微型桩（4）的剪切位移函数，/>；

——横向两排宽度滑动面（3）以上岩层块体a-b-c-d-e-f-g-j与滑动面（3）之间的滑动摩阻系数；

——微型桩（4）与滑动面（3）以下基岩粘结界面的剪切刚度系数，/>；

——系数，/>，无量纲；

——微型桩（4）的弹性模量，/>。

2.根据权利要求1所述的浅埋倾斜基岩偏压隧道加固结构，其特征在于所述的微型桩（4）包括插入桩孔（41）内的薄壁钢管（42）和三根圆周分布设置在薄壁钢管外围的主钢筋（44），每相邻两根主钢筋之间均设有呈圆周辐射状分布在薄壁钢管（42）外围的钢筋对中支架（45），薄壁钢管（42）内注入水泥浆。

3.根据权利要求2所述的浅埋倾斜基岩偏压隧道加固结构，其特征在于所述的薄壁钢管（42）直径为40mm～50mm，壁厚为3mm～5mm；所述的主钢筋（44）直径为20mm～30mm；所述的钢筋对中支架（45）直径为8mm～10mm。

4.根据权利要求1所述的浅埋倾斜基岩偏压隧道加固结构，其特征在于所述的基岩为滑动面（3）以下特性较好的地层，并作为微型桩（4）的嵌岩地层；所述的冠梁（5）为钢筋混凝土结构。

5.一种浅埋倾斜基岩偏压隧道加固结构的施工方法，其特征在于该施工方法包括如下步骤：

步骤一、焊接制作薄壁钢管（42）的微型桩（4）桩身

①根据设计要求下料钢管、钢筋；

②焊接制作薄壁钢管（42）的微型桩（4）桩身成型；

步骤二、放样钻孔

①现场测量放样，微型桩（4）桩位呈梅花形布置；

②清理表面土；

③埋设沉降和水平位移观测点；

④开挖排水沟，要求表面水的排水畅通；

⑤钻孔桩施工机械就位钻孔至设计深度；

⑥检查基岩地质是否符合设计要求，如不符合要求加深钻孔直至达到要求；

⑦跳孔、即相隔一个孔位钻孔第二根微型桩，直至一排纵向孔位钻孔完成；

⑧继续第二排乃至所有微型桩钻孔完成；

步骤三、下放微型桩并压浆

①下放微型桩（4）至钻孔深度；

②按设计配合比配制水泥浆并压浆，经试验符合设计要求；

③压浆压力符合设计要求，直至孔口溢出水泥浆液，压浆结束；

④地面覆盖，待水泥压浆液终凝后洒水养护；

步骤四、施工冠梁：

①清理微型桩（4）桩头溢出的浆液，整理钢筋，桩头伸进冠梁（5）高度符合要求；

②按冠梁模板尺寸清理桩头附近土体，并安放冠梁模板；

③绑扎冠梁钢筋；

④浇筑冠梁混凝土；

⑤拆除冠梁模板并养护；

按以上程序完成隧道一侧的微型桩施工，再继续另一侧的微型桩施工，在全部施工过程中，及时检测水平位移和沉降，并及时反馈检测结果，如有异常及时调整施工方案，确保施工安全和工程质量。