CN108331585A - 地层断裂区域矿山法隧道外凸型扩大头结构及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种地层断裂区域矿山法隧道外凸型扩大头结构及其施工方法，包括由扩大头外凸断面与标准断面两部分组成的隧道外凸型扩大头衬砌结构；扩大头外凸断面与标准断面间隔设置，扩大头外凸断面的内壁与标准断面的内壁依次顺接，扩大头外凸断面向外设置有加强段环凸；扩大头外凸断面处设置有环向的特殊变形缝。本发明将地层断裂处设置的扩大头外凸处理，同时隧道初支与开挖轮廓在相应位置处外凸，可实现减小开挖轮廓与隧道断面，同时二次衬砌可一次浇筑成型，可显著降低工程实施风险、减小工程投资、并提高工程质量，填补了国内外不扩大衬砌断面情况下地层断裂区域隧道衬砌结构处理的空白。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程技术领域，具体涉及一种地层断裂区域矿山法隧道外凸型扩大头结构及其施工方法。
背景技术
对于目前国内各大城市的轨道交通工程，由于地质构造与人类活动原因，地层中存在不同程度的断裂带或破碎区，而且在长期过程中呈现一定的不稳定与持续变形特性，这对限界条件极其有限的城市轨道交通工程而言，是一大控制性因素。
常规的扩大头内置处理方式，虽然可满足地层断裂区域隧道百年设计使用年限要求，但需要扩大隧道断面，不利于工程风险与成本控制，且限制了衬砌结构连续浇筑施工，不利于整体质量控制。随着西安地裂缝区域矿山法隧道的使用，常规扩大头内置设计方案带来的弊端越来越明显。
发明内容
本发明的目的是提供一种地层断裂区域矿山法隧道外凸型扩大头结构及其施工方法，实现地层断裂区域开挖断面轮廓最小化，最大程度降低施工风险、提高衬砌浇筑质量。
本发明所采用的技术方案为：
地层断裂区域矿山法隧道外凸型扩大头结构，其特征在于：
包括由扩大头外凸断面与标准断面两部分组成的隧道外凸型扩大头衬砌结构；
扩大头外凸断面与标准断面间隔设置，扩大头外凸断面的内壁与标准断面的内壁依次顺接，扩大头外凸断面向外设置有加强段环凸。
扩大头外凸断面处设置有环向的特殊变形缝。
标准断面包括内层的标准断面衬砌结构和外层的标准断面初期支护；
扩大头外凸断面包括内层的扩大头处衬砌结构和外层的扩大头处初期支护，扩大头处初期支护对应于扩大头处衬砌结构的加强段环凸也向外做外凸处理。
扩大头处初期支护和标准断面初期支护均由格栅钢架、钢架接头与喷混组成；
格栅钢架拱脚设置锁脚锚管。
扩大头处衬砌结构和标准断面衬砌结构均由受力钢筋与防水砼整体连续浇筑而成。
地层断裂区域矿山法隧道外凸型扩大头结构的施工方法，其特征在于：
包括以下步骤：
步骤一：在隧道开挖前，进行超前支护施工，包括大管棚或深孔注浆，并视情况提前进行降水施工，将地下水位降至结构底板以下1m；
步骤二：采用CRD法施工，按左上部、左下部、右上部与右下部的顺序开挖，每部开挖时预留核心土，开挖后及时施做标准断面初期支护；
步骤三：标准断面初期支护施工时在拱部沿径向埋设注浆钢管，梅花型布置，当标准断面初期支护闭合成环后，即对衬砌背后压注水泥浆；
步骤四：在开挖至扩大头外凸断面前，需要提前考虑扩大头外凸断面所需空间，将超前支护范围相应扩大处理；
步骤五：基于CRD法施工方法，在扩大头外凸断面处进行扩挖，随后按外凸轮廓要求施做扩大头外凸断面处初期支护；
步骤六：隧道贯通后，及时按要求拆除洞内临时支撑、立模、分段连续浇筑扩大头处衬砌结构和标准断面衬砌结构，在扩大头外凸断面处，需要设置特殊变形缝，同时需要预埋扩大头处预埋注浆管；二衬衬砌与浇筑时，在拱部埋设径向注浆钢管，梅花型布置，当扩大头处衬砌结构和标准断面衬砌结构闭合成环并达到一定强度后，即向背后压注微膨胀水泥浆；
步骤七：在隧道正常使用期间，地层断裂处如发生较大的地质运动，导致地裂缝两边结构出现错动，利用地裂缝处扩大头预埋扩大头处预埋注浆管，对隧道拱顶区域由于结构错动形成的空洞进行注浆填充，确保初支背后密实。
隧道超前支护所用大管棚采用直径146mm，壁厚8mm钢管，长15m，环向间距0.4m，外插角3～5°，拱部150°范围环向布设；
隧道全断面超前深孔注浆采用直径52mm，壁厚3.5mm钢花管，长15m，梅花形布置，间距0.3m，外插角10°，拱部150°范围环向布设。
扩大头外凸隧道断面的特殊变形缝，内设置有闭合成环的止水结构。
本发明具有以下优点：
本发明提供了一种新型的地层断裂区域矿山法隧道结构设计理念，丰富了地层断裂区域矿山法隧道衬砌结构处理方法。在隧道拱部和掌子面设置的超前支护所用大管棚与注浆导管、初期支护格栅钢架、隧道内部设置的临时型钢支撑、外凸扩大头间设置的特殊变形缝与预埋注浆管，以及注浆小导管内压注的水泥浆、衬砌结构用钢材与混凝土等，涉及的钢材、水泥浆、防水混凝土以及注浆小导管打设所用的机械设备等均为常规材料（设备），其相应尺寸为常规类型，便于加工制造；大管棚或深孔注浆管的平面布置、数量与长度可根据施工情况进行调整，格栅钢架与临时型钢支撑的纵向间距可根据施工监测情况灵活调整。基于大管棚或深孔注浆的地层超前预加固，格栅钢架与内部临时型钢支撑纵向间距的灵活调整，以及CRD工法化整为零的施工步续，可实现外凸型扩大头矿山法隧道的施工安全！基于外凸型扩大头内设置的特殊变形缝，以及变形缝内设置的多道止水装置，可实现变形缝两侧结构最大错动量情况下，结构防水需求！同时在扩大头内预埋的注浆管，可实现下沉段扩大头外部充填注浆，确保衬砌结构与围岩有效接触，实现结构与围岩联合承载！达到既能提高周边环境安全，又能达到减小隧道开挖轮廓与节约工程投资的目的，还可实现外凸型扩大头处衬砌结构一次连续浇筑，极大提升了衬砌结构整体浇筑质量，具有较高的经济效益和社会效益，在城市轨道交通、铁路、公路等工程中有广泛的应用前景。
附图说明
图1 为常规扩大头内置时地层断裂区域隧道纵断面结构布置图。
图2 为扩大头外凸条件下地层断裂区域隧道纵断面结构布置图。
图3 为扩大头外凸条件下地层断裂区域隧道错动示意图。
图中，1-扩大头外凸隧道断面，2-标准断面，3-特殊变形缝，4-扩大头处衬砌结构，5-扩大头处初期支护，6-标准断面衬砌结构，7-标准断面初期支护，8-扩大头处预埋注浆管。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
本发明涉及一种地层断裂区域矿山法隧道外凸型扩大头结构，通过大管棚或深孔注浆超前支护、CRD法开挖、格栅钢架与内部临时型钢支撑等措施确保隧道施工安全，在此基础上对标准矿山法隧道断面进行扩挖，满足扩大头外凸需求，实现在地层最大变形或错动情况下，地层断裂区域衬砌结构有效厚度满足结构受力要求。
隧道结构主要包括由扩大头外凸断面1与标准断面2两部分组成的隧道外凸型扩大头衬砌结构；在地层断裂主要影响范围内，扩大头外凸断面1与标准断面2间隔设置，扩大头外凸断面1的内壁与标准断面2的内壁依次顺接，扩大头外凸断面1向外设置有加强段环凸。扩大头外凸断面1处设置有环向的特殊变形缝3。
标准断面2包括内层的标准断面衬砌结构6和外层的标准断面初期支护7；扩大头外凸断面1包括内层的扩大头处衬砌结构4和外层的扩大头处初期支护5，扩大头处初期支护5对应于扩大头处衬砌结构4的加强段环凸也向外做外凸处理，给扩大头处衬砌结构4浇筑预留必要实施空间。
扩大头处初期支护5和标准断面初期支护7均由格栅钢架、钢架接头与喷混组成；格栅钢架拱脚设置锁脚锚管。扩大头处衬砌结构4和标准断面衬砌结构6均由受力钢筋与防水砼整体连续浇筑而成，同时在内部设置有竖向临时型钢支撑和水平向临时型钢支撑；初支结构外部设置有超前加固措施（如大管棚或深孔注浆）。
扩大头结构外凸高度可根据隧道设计使用年限内，预估的最大结构错动量进行确定。需要满足特殊变形缝（3）两侧结构最大错动量情况下，结构有效厚度不小于标准断面2的衬砌结构厚度，满足结构整体受力与纵向稳定性要求。
特殊变形缝3的宽度（一般可按100mm考虑），需要根据内部设置的防水装置确定，需要满足特殊变形缝3两侧结构最大错动量情况下的防水需求。
相邻扩大头外凸断面1之间标准断面2隧道的长度，以及扩大头外凸断面的数量，根据地层断裂程度及其影响范围确定。
上述结构的具体施工方法包括以下步骤：
步骤一：在隧道开挖前，进行超前支护施工，包括大管棚或深孔注浆，并视情况提前进行降水施工，将地下水位降至结构底板以下1m；
步骤二：采用CRD法施工，按左上部、左下部、右上部与右下部的顺序开挖，每部开挖时预留核心土，开挖后及时施做标准断面初期支护7；
步骤三：标准断面初期支护7施工时在拱部沿径向埋设注浆钢管，梅花型布置，当标准断面初期支护7闭合成环后，即对衬砌背后压注水泥浆；
步骤四：在开挖至扩大头外凸断面1前，需要提前考虑扩大头外凸断面所需空间，将超前支护范围相应扩大处理；
步骤五：基于CRD法施工方法，在扩大头外凸断面1处进行扩挖，随后按外凸轮廓要求施做扩大头外凸断面处初期支护5；
步骤六：隧道贯通后，及时按要求拆除洞内临时支撑、立模、分段连续浇筑扩大头处衬砌结构4和标准断面衬砌结构6，在扩大头外凸断面1处，需要设置特殊变形缝3，同时需要预埋扩大头处预埋注浆管8；二衬衬砌4与6浇筑时，在拱部埋设径向注浆钢管，梅花型布置，当扩大头处衬砌结构4和标准断面衬砌结构6闭合成环并达到一定强度后，即向背后压注微膨胀水泥浆；
步骤七：在隧道正常使用期间，地层断裂处如发生较大的地质运动，导致地裂缝两边结构出现错动，利用地裂缝处扩大头预埋扩大头处预埋注浆管8，对隧道拱顶区域由于结构错动形成的空洞进行注浆填充，确保初支背后密实。
隧道超前支护所用大管棚采用直径146mm，壁厚8mm钢管，长15m左右，环向间距0.4m，外插角3～5°，拱部150°范围环向布设；隧道全断面超前深孔注浆采用直径52mm，壁厚3.5mm钢花管，长15m，梅花形布置，间距0.3m，外插角10°，拱部150°范围环向布设。
矿山法隧道超前支护措施所需的大管棚（直径146mm，壁厚8mm钢花管）或深孔注浆（直径52mm，钢花管或PVC管）均为常规工艺，内部压注水泥浆或水泥－水玻璃双液浆；矿山法隧道开挖期间所用格栅钢架、钢架接头、喷混、锁脚锚管、以及洞内临时型钢支撑等均为常规材料。
初期支护施工时，在隧道拱部埋设的注浆钢管采用直径42mm，环、纵向间距3.0m，梅花型布置，内部压注水泥浆，注浆钢管与初支格栅钢架焊接牢固，确保初期支护、围岩之间密贴，满足结构整体受力要求。
外凸扩大头处设有特殊变形缝3，通过特殊变形缝3内设置的三道闭合成环的止水措施后，完全能满足结构防水要求；同时外凸扩大头内预埋的注浆管，可满足断裂发生后，下沉段结构外侧注浆需求，确保二次衬砌与围岩之间密贴，实现地层稳定与周边环境安全。
基于地层断裂区域矿山法隧道外凸型扩大头衬砌结构及其构建方法，在外凸型扩大头内设置的特殊变形缝满足结构错动情况下的防水要求，预埋的注浆管可满足隧道衬砌与围岩之间有效接触与联合承载要求，同时具有隧道衬砌结构整体连续浇筑质量可靠、最大程度减小隧道开挖轮廓尺寸与开挖面积，减小施工风险，节省工程投资，对城市环境与交通影响小等特点。有效避免了常规扩大头内置需要增大隧道结构净空，且需要在扩大头处设置后浇带，降低了衬砌结构整体施工质量等缺点。填补了国内外不扩大衬砌断面情况下地层断裂区域隧道衬砌结构处理的空白。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.地层断裂区域矿山法隧道外凸型扩大头结构，其特征在于：
包括由扩大头外凸断面（1）与标准断面（2）两部分组成的隧道外凸型扩大头衬砌结构；
扩大头外凸断面（1）与标准断面（2）间隔设置，扩大头外凸断面（1）的内壁与标准断面（2）的内壁依次顺接，扩大头外凸断面（1）向外设置有加强段环凸。
2.根据权利要求1所述的地层断裂区域矿山法隧道外凸型扩大头结构，其特征在于：
扩大头外凸断面（1）处设置有环向的特殊变形缝（3）。
3.根据权利要求1所述的地层断裂区域矿山法隧道外凸型扩大头结构，其特征在于：
标准断面（2）包括内层的标准断面衬砌结构（6）和外层的标准断面初期支护（7）；
扩大头外凸断面（1）包括内层的扩大头处衬砌结构（4）和外层的扩大头处初期支护（5），扩大头处初期支护（5）对应于扩大头处衬砌结构（4）的加强段环凸也向外做外凸处理。
4.根据权利要求3所述的地层断裂区域矿山法隧道外凸型扩大头结构，其特征在于：
扩大头处初期支护（5）和标准断面初期支护（7）均由格栅钢架、钢架接头与喷混组成；
格栅钢架拱脚设置锁脚锚管。
5.根据权利要求3所述的地层断裂区域矿山法隧道外凸型扩大头结构，其特征在于：
扩大头处衬砌结构（4）和标准断面衬砌结构（6）均由受力钢筋与防水砼整体连续浇筑而成。
6.地层断裂区域矿山法隧道外凸型扩大头结构的施工方法，其特征在于：
包括以下步骤：
步骤一：在隧道开挖前，进行超前支护施工，包括大管棚或深孔注浆，并视情况提前进行降水施工，将地下水位降至结构底板以下1m；
步骤二：采用CRD法施工，按左上部、左下部、右上部与右下部的顺序开挖，每部开挖时预留核心土，开挖后及时施做标准断面初期支护（7）；
步骤三：标准断面初期支护（7）施工时在拱部沿径向埋设注浆钢管，梅花型布置，当标准断面初期支护（7）闭合成环后，即对衬砌背后压注水泥浆；
步骤四：在开挖至扩大头外凸断面（1）前，需要提前考虑扩大头外凸断面所需空间，将超前支护范围相应扩大处理；
步骤五：基于CRD法施工方法，在扩大头外凸断面（1）处进行扩挖，随后按外凸轮廓要求施做扩大头外凸断面处初期支护（5）；
步骤六：隧道贯通后，及时按要求拆除洞内临时支撑、立模、分段连续浇筑扩大头处衬砌结构（4）和标准断面衬砌结构（6），在扩大头外凸断面（1）处，需要设置特殊变形缝（3），同时需要预埋扩大头处预埋注浆管（8）；二衬衬砌（4）与（6）浇筑时，在拱部埋设径向注浆钢管，梅花型布置，当扩大头处衬砌结构（4）和标准断面衬砌结构（6）闭合成环并达到一定强度后，即向背后压注微膨胀水泥浆；
步骤七：在隧道正常使用期间，地层断裂处如发生较大的地质运动，导致地裂缝两边结构出现错动，利用地裂缝处扩大头预埋扩大头处预埋注浆管（8），对隧道拱顶区域由于结构错动形成的空洞进行注浆填充，确保初支背后密实。
7.根据权利要求6所述的地层断裂区域矿山法隧道外凸型扩大头结构的施工方法，其特征在于：
隧道超前支护所用大管棚采用直径146mm，壁厚8mm钢管，长15m，环向间距0.4m，外插角3～5°，拱部150°范围环向布设；
隧道全断面超前深孔注浆采用直径52mm，壁厚3.5mm钢花管，长15m，梅花形布置，间距0.3m，外插角10°，拱部150°范围环向布设。
8.根据权利要求6所述的地层断裂区域矿山法隧道外凸型扩大头结构的施工方法，其特征在于：
扩大头外凸隧道断面（1）的特殊变形缝（3），内设置有闭合成环的止水结构。
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