CN108518229A - 大变形软弱破碎围岩特大断面隧洞开挖支护结构及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大变形软弱破碎围岩特大断面隧洞开挖支护结构及施工方法，隧洞分为上中下三层，上层（2）有上层钢支撑架，中层中部（3）两侧边墙有中层钢筋混凝土预衬砌（13），下层中部（6）两侧边墙有下层钢筋混凝土预衬砌（17），底部是底板钢筋混凝土衬砌（19），中层与上层边墙角结合部位均布中层超前固结灌浆孔（10），下层与中层边墙角结合部位均布下层超前固结灌浆孔（11），每组固结灌浆孔中灌浆并插入锚杆。本发明取消了传统双侧壁导坑法、CD法、CRD法施工中所面临的临时支撑拆除，既保证了安全，又提高了效率，节约了成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种大变形软弱破碎围岩﹙Ⅴ、Ⅵ级围岩﹚特大断面（开挖断面面积可达345m2以上）隧洞开挖支护施工方法。
背景技术
在现阶段公路、铁路隧洞、水工隧洞及其它地下工程中，特大断面软弱围岩隧洞施工传统的开挖方法是双侧壁导坑法、CD法、CRD法或分台阶左右幅开挖法等。针对特大断面及大变形软弱破碎围岩等围岩差的隧洞，采用双侧壁导坑法、CRD法、分台阶左右幅开挖法等具有较好的适应性，但因临时支撑较多，且拆撑困难，拆除临时支撑时施工风险大；此外，各部施工空间较狭小，大型机械使用受限，施工速度慢，施工成本高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种大变形软弱破碎围岩特大断面隧洞开挖支护结构及其施工方法，有效解决临时支撑多，拆撑困难，拆除临时支撑时施工风险大，作业空间狭小，施工进度缓慢，施工成本高等问题。
本发明的技术方案是：
一种大变形软弱破碎围岩特大断面隧洞开挖支护结构，隧洞分为上中下三层，上层有上层钢支撑架，中层两侧边墙有中层钢筋混凝土预衬砌，下层两侧边墙有下层钢筋混凝土预衬砌，底部是底板钢筋混凝土衬砌，中层与上层边墙角结合部位均布中层超前固结灌浆孔，下层与中层边墙角结合部位均布一组下层超前固结灌浆孔，每组超前固结灌浆孔中灌浆并插入锚杆。
中层钢筋混凝土预衬砌和下层钢筋混凝土预衬砌中有预留接长钢筋。
中层钢筋混凝土预衬砌和下层钢筋混凝土预衬砌中分别横向插入中层自进式中空预应力锚杆和下层自进式中空预应力锚杆。
所述的中层超前固结灌浆孔或下层超前固结灌浆孔，每组固结灌浆孔在隧洞截面内呈扇形均匀分布，相邻两组固结灌浆孔纵向间距0.8-1.2m，每组固结灌浆孔有5-8个，孔口间距0.2-0.3m，每个固结灌浆孔与竖向的夹角为10-70°。
一种大变形软弱破碎围岩特大断面隧洞开挖施工方法，将隧洞分为上中下三层分别进行开挖，上层中央是上层中导洞，中层中部两侧有中层左侧保护层和中层右侧保护层，下层中部两侧是下层左侧保护层和下层右侧保护层，底部是底板保护层，首先贯通上层中导洞，然后扩挖上层，沿着上层的边墙角对中层的围岩进行超前预固结灌浆后再开挖中层中部，中层中部、中层左侧保护层和中层右侧保护层依次开挖完毕后施作中层钢筋混凝土预衬砌并打锚杆，之后对下层的围岩进行超前预固结灌浆，再依次开挖下层中部、下层左侧保护层和下层右侧保护层，施作下层钢筋混凝土预衬砌并打锚杆，最后开挖底板保护层，施作底板钢筋混凝土衬砌。
施工包括以下步骤：
a、开挖上层中导洞，贯通后初步进行危石清理，初喷5cm厚钢纤维混凝土封闭岩面，然后进行上层扩挖施工，安装上层钢支撑架；
b、在上层两侧边墙角部位向中层的围岩每隔0.8-1.2m打一组中层固结灌浆孔，每组中层固结灌浆孔呈扇形均布在同一个截面内，固结灌浆完成后，将锚杆插入两侧固结灌浆孔进行加固处理；
c、中层中部中部深孔拉槽爆破开挖施工，两侧预留2～2.5m的中层左侧保护层和中层右侧保护层；
d、分左右侧进行水平钻爆开挖中层左侧保护层和中层右侧保护层，左右侧钻爆开挖施工错开25～40m，开挖后立即进行钢支撑架立及系统喷锚支护；
e、中层中部开挖及喷锚支护完成后施作中层钢筋混凝土预衬砌；
f、中层钢筋混凝土预衬砌中打入中层自进式中空预应力锚杆至基岩中；
g、每隔0.8-1.2m在中层两侧边墙角部位向下层的围岩打一组下层固结灌浆孔，每组下层固结灌浆孔呈扇形均布在同一个截面内，固结灌浆完成后，将锚杆插入两侧固结灌浆孔进行加固处理；
h、下层中部中部深孔拉槽爆破开挖施工，两侧预留2～2.5m的下层左侧保护层和下层右侧保护层；
i、分左右侧进行水平钻爆开挖下层左侧保护层和下层右侧保护层，左右侧钻爆开挖施工错开25～40m，开挖后立即进行钢支撑架立及系统喷锚支护；
j、下层中部开挖及喷锚支护完成后施作下层钢筋混凝土预衬砌；
k、中层钢筋混凝土预衬砌中打入下层自进式中空预应力锚杆至基岩中；
l、施工底板保护层，进行底板混凝土衬砌；
m、进行上层、中层及下层边墙和顶拱衬砌。
在打入中层自进式中空预应力锚杆和下层自进式中空预应力锚杆前，选择四根预应力锚杆，安装锚杆测力计，进行非破坏张拉试验，通过试验，确定钻孔、安装杆体、内锚固段注浆、张拉、二次注浆各工艺施工参数。
本发明的有益效果：
与现有软弱围岩大断面隧洞施工常用的双侧壁导坑法、CD法、CRD法、分台阶左右幅开挖法等技术相比，通过合理的分部开挖支护方法，考虑永久工程与临时工程相结合，采用中下层超前固结灌浆、预衬砌及预应力锚杆联合支护，通过超前固结围岩、初期支护和二次衬砌预衬砌，同时利用自进式中空预应力锚杆将预衬砌结构、软弱围岩与完整基岩良好结合形成整体，加强了隧洞稳定性，增大了施工工作面，取得了如下良好效果：
（1）施工空间大，每一步均可引入大型施工机械，多作业面平行作业，工效高，很大程度上加快了施工进度；
（2）减少了特大断面施工过程中临时支护数量，加快了施工进度；
（3）取消了传统双侧壁导坑法、CD法、CRD法施工中所面临的临时支撑拆除，既保证了安全，又提高了效率，节约了成本；
（4）充分考虑了临时工程与永久工程相结合，减少了处理工程数量，节约了工程成本。
附图说明：
图1为三台阶九部开挖法施工示意图。
图2为中下层超前预固结灌浆孔布置示意图。
图3为中下层钢筋混凝土预衬砌+自进式中空预应力锚杆处理示意图。
1-上层中导洞；2-上层；3-中层中部；4-中层左侧预留保护层；5-中层右侧预留保护层；6-下层中部；7-下层左侧预留保护层；8-下层右侧预留保护层；9-底板预留保护层；10-中层超前预固结灌浆孔；11-下层超前预固结灌浆孔；12-钢支撑及系统喷锚支护；13-中层钢筋混凝土预衬砌；14-接长钢筋；15-中层自进式中空预应力锚杆；16-锚垫板及锚具；17-下层钢筋混凝土预衬砌；18-下层自进式中空预应力锚杆；19-底板钢筋混凝土衬砌；20-边墙及顶拱钢筋混凝土衬砌；21-设计隧洞衬砌线。
具体实施方式
实施例：如图1～3，一种大变形软弱破碎围岩特大断面隧洞开挖支护结构及其施工方法，包括三台阶九部法开挖方法；中下层超前固结灌浆、钢筋混凝土预衬砌与预应力锚杆联合支护结构体系。采用三台阶九部法开挖支护，分为上层中导洞-1及上层-2、中层中部-3、中层左侧保护层-4、中层右侧保护层-5、下层中部-6、下层左侧保护层-7、下层右侧保护层-8、底板保护层-9。上、中、下各层开挖高度7m，底板保护层预留约1m保护层。上层采用中导洞-1贯通后扩挖，再依次进行中、下层开挖支护施工。中层、下层两侧预留保护层-4、-5、-7、-8，先中部深孔拉槽爆破后再进行两侧保护层刷边开挖及钢支撑系统喷锚支护。中（下）层开挖之前，先从上一层边墙角对中（下）层两侧壁采用超前预固结灌浆-10（-11）超前固结围岩。然后，中层中部-3、下层中部-6（两侧预留保护层）先使用潜孔钻垂直深孔拉槽爆破，完成中部拉槽大方量开挖，两侧保护层再使用风钻水平造孔，采用光面爆破开挖方法刷边施工同步跟进，左右侧保护层施工工作面错开25～40m；然后结合永久钢筋混凝土衬砌考虑，进行中（下）层钢筋混凝土预衬砌-13（-17）+自进式中空预应力锚杆-15、-16（-18、-16）联合支护体系措施，钢筋混凝土预衬砌时，两侧预留接长钢筋-14；最后使用风钻水平造孔施工底板预留保护层-9，同步开展后续底板混凝土衬砌-19、边墙及顶拱混凝土衬砌-20施工，从而快速完成特大断面隧洞施工。具体施工步骤及内容如下：
1、上层先施工中导洞-1，中导洞开挖断面为4m×4.5m (宽×高)，采用“短进尺、弱爆破、勤支护”的施工方法，每循环进尺控制在2m左右。开挖之后，初步进行危石清理，立即初喷5cm厚钢纤维混凝土封闭岩面，必要时设临时钢支撑喷混凝土支护。中导洞贯通后进行上层-2扩挖施工，再进行上层钢支撑架立及系统喷锚支护。
2、在中层开挖前从上层向中层两侧围岩作中层超前预固结灌浆孔-10进行中层超前预加固处理。在处理段两侧边墙角部位均布置固结灌浆孔，每组固结灌浆孔纵向间距1m，每组固结灌浆孔中各个孔的横向孔口间距0.25m，与竖向夹角分别为10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°，呈扇形分布。采用“孔口封闭、自上而下、分段灌注”纯压式灌浆，先Ⅰ序排后Ⅱ序排，同排先Ⅰ序孔后Ⅱ序孔。灌浆压力Ⅰ序孔0.3～0.6Mpa，Ⅱ序孔0.5～0.8Mpa。固结灌浆完成后，采用锚杆φ28（L=8m）插入两侧固结灌浆孔进行加固处理。
3、中层中部-3深孔拉槽爆破开挖施工，两侧预留2～2.5m中层左侧预留保护层-4和中层右侧预留保护层-5，避免一次性爆破震动过大引起上层围岩失稳垮塌，同时避免两侧边墙深孔爆破引起大量超挖。
4、中层开挖完成后，分左右侧进行水平钻爆开挖中层左侧预留保护层-4和中层右侧预留保护层-5，左右侧保护层钻爆开挖工作面错开25～40m，开挖后立即进行钢支撑架立及系统喷锚支护-12。
5、中层开挖及喷锚支护完成后，为避免下层开挖扰动影响上、中层围岩稳定，结合隧洞永久衬砌工程考虑，立即进行中层钢筋混凝土预衬砌—13，加强支护，同时预留下层的超前固结注浆管。预衬砌厚度为1/2设计衬砌厚度，预衬砌时，预留接长钢筋—14，预衬砌钢筋混凝土板的钢筋布置形式与设计衬砌结构的钢筋形式一致，受力钢筋和分布筋均伸出板外（板上下及两侧部位），外露长度按0.5m、1.5m间隔预留，以便于后期和衬砌钢筋焊接；预衬砌外露面进行凿毛处理，以保证预衬砌与后期衬砌的良好结合。
6、采用50t级自进式中空预应力锚杆打入基岩（间排距2m，孔深25m），中层自进式中空预应力锚杆-15采用锚垫板及锚具-16锚固到预衬砌混凝土面，将隧洞周边的软弱围岩通过钢筋混凝土预衬砌板与地层深处的稳定基岩锚固起来形成整体，有效达到快速加强隧洞周边围岩稳定的目的。
在施工前，选择四根预应力锚杆，安装100t级锚杆测力计，进行非破坏张拉试验，通过试验，确定钻孔、安装杆体、内锚固段注浆、张拉、二次注浆各工艺施工参数，指导预应力锚杆施工。
施工完成后，通过安装的锚杆应力计监测，掌握围岩应力变化情况，确保隧洞围岩稳定、安全。
7、重复中层施工的处理步骤：
（1）在下层开挖前从从中层向下层两侧围岩打下层超前预固结灌浆孔-11进行下层超前预加固处理。在处理段两侧边墙角部位均布置固结灌浆孔，固结灌浆孔纵向间距1m，横向孔口间距0.25m，与竖向夹角分别为10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°。采用“孔口封闭、自上而下、分段灌注”纯压式灌浆，先Ⅰ序排后Ⅱ序排，同排先Ⅰ序孔后Ⅱ序孔。灌浆压力Ⅰ序孔0.3～0.6Mpa，Ⅱ序孔0.5～0.8Mpa。固结灌浆完成后，采用锚杆φ28（L=8m）插入两侧固结灌浆孔进行加固处理。
（2）下层中部-6深孔拉槽爆破开挖施工，两侧预留2～2.5m下层左侧预留保护层-7和下层右侧预留保护层-8，避免一次性爆破震动过大引起上、中层围岩失稳垮塌，同时避免两侧边墙深孔爆破引起大量超挖。
（3）下层开挖完成后，分左右侧进行水平钻爆开挖下层左侧预留保护层-7和下层右侧预留保护层-8，左右侧钻爆开挖施工错开25～40m，开挖后立即进行钢支撑架立及系统喷锚支护—12。
（4）下层开挖及喷锚支护完成后，为避免底板保护层开挖扰动及隧洞上中下层开挖后未衬砌之前特大断面洞室的稳定，结合隧洞永久衬砌工程考虑，立即进行下层钢筋混凝土预衬砌-17，加强支护。预衬砌厚度为1/2设计衬砌厚度，预衬砌时，预留接长钢筋—14，预衬砌钢筋混凝土板的钢筋布置形式与设计衬砌结构的钢筋形式一致，受力钢筋和分布筋均伸出板外（板上下及两侧部位），外露长度按0.5m、1.5m间隔预留，以便于后期和衬砌钢筋焊接；预衬砌外露面进行凿毛处理，以保证预衬砌与后期衬砌的良好结合。
（5）采用50t级自进式中空预应力锚杆打入基岩（间排距2m，孔深25m），下层自进式中空预应力锚杆-18采用锚垫板及锚具-16锚固到预衬砌混凝土面，将隧洞周边的软弱围岩通过钢筋混凝土预衬砌板与地层深处的稳定基岩锚固起来形成整体，有效达到快速加强隧洞周边围岩稳定的目的。
在施工前，选择四根预应力锚杆，安装100t级锚杆测力计，进行非破坏张拉试验，通过试验，确定钻孔、安装杆体、内锚固段注浆、张拉、二次注浆各工艺施工参数，指导预应力锚杆施工。
施工完成后，通过安装的锚杆应力计监测，掌握围岩应力变化情况，确保隧洞围岩稳定、安全。
8、施工底板保护层-9，进行底板混凝土衬砌-19；
9、采用液压自行式钢模台车进行上层、中层及下层边墙和顶拱衬砌-20。
如此循环，顺利完成大变形软弱破碎围岩地段特大断面隧洞施工。
优选的，上述采用三台阶九部法分部开挖方法（见图1）：上层采用中导洞贯通后扩挖，再开挖中层，最后开挖下层及底板。每层开挖设计高度为7m，底板开挖高度为1m左右。中、下层开挖（两侧预留2～2.5m保护层）先使用潜孔钻垂直深孔拉槽爆破，完成中部拉槽大方量开挖，两侧保护层再使用YT28气腿式风钻水平造孔，采用光面爆破开挖方法刷边施工同步跟进；最后使用YT28气腿式风钻水平造孔施工底板预留约1m的保护层，同步开展后续衬砌施工，从而快速完成特大断面水工隧洞施工。通过预留保护层能够取得良好的光面爆破效果，有效保证隧洞开挖面的平整度，减少超挖及混凝土超填损耗。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种大变形软弱破碎围岩特大断面隧洞开挖支护结构，隧洞分为上中下三层，其特征在于：上层（2）有上层钢支撑架，中层中部（3）两侧边墙有中层钢筋混凝土预衬砌（13），下层中部（6）两侧边墙有下层钢筋混凝土预衬砌（17），底部是底板钢筋混凝土衬砌（19），中层与上层边墙角结合部位均布中层超期固结灌浆孔（10），下层与中层边墙角结合部位均布一组下层超期固结灌浆孔（11），每组超前固结灌浆孔中灌浆完成并插入锚杆。
2.根据权利要求1所述的大变形软弱破碎围岩特大断面隧洞开挖支护结构，其特征在于：中层钢筋混凝土预衬砌（13）和下层钢筋混凝土预衬砌（17）中预留接长钢筋（14）。
3.根据权利要求1所述的大变形软弱破碎围岩特大断面隧洞开挖支护结构，其特征在于：中层钢筋混凝土预衬砌（13）和下层钢筋混凝土预衬砌（17）中分别横向插入中层自进式中空预应力锚杆（15）和下层自进式中空预应力锚杆（18）。
4.根据权利要求1所述的大变形软弱破碎围岩特大断面隧洞开挖支护结构，其特征在于：所述的中层超前固结灌浆孔（10）或下层超前固结灌浆孔（11），每组超前固结灌浆孔在隧洞截面内呈扇形均匀分布，相邻两组固结灌浆孔纵向间距0.8-1.2m，每组固结灌浆孔有5-8个，孔口间距0.2-0.3m，每个超前固结灌浆孔与竖向的夹角为10-70°。
5.一种大变形软弱破碎围岩特大断面隧洞开挖施工方法，将隧洞分为上中下三层分别进行开挖，其特征在于：上层（2）中央是上层中导洞（1），中层中部（3）两侧有中层左侧保护层（4）和中层右侧保护层（5），下层中部（6）两侧是下层左侧保护层（7）和下层右侧保护层（8），底部是底板保护层（9），首先贯通上层中导洞（1），然后扩挖上层（2），沿着上层（2）的边墙角对中层的围岩进行超前预固结灌浆后再开挖中层中部（3），中层中部（3）、中层左侧保护层（4）和中层右侧保护层（5）依次开挖完毕后施作中层钢筋混凝土预衬砌（13）并打锚杆（15），之后对下层的围岩进行超前预固结灌浆，再依次开挖下层中部（6）、下层左侧保护层（7）和下层右侧保护层（8），施作下层钢筋混凝土预衬砌（14）并打锚杆（18），最后开挖底板保护层（9），施作底板钢筋混凝土衬砌（19）。
6.根据权利要求5所述的大变形软弱破碎围岩特大断面隧洞开挖施工方法，其特征在于包括以下步骤：
开挖上层中导洞（1），贯通后初步进行危石清理，初喷5cm厚钢纤维混凝土封闭岩面，然后进行上层（2）扩挖施工，安装上层钢支撑架；
在上层（2）两侧边墙角部位向中层的围岩每隔0.8-1.2m打一组中层固结灌浆孔（10），每组中层固结灌浆孔（10）呈扇形均布在同一个截面内，固结灌浆完成后，将锚杆插入两侧固结灌浆孔进行加固处理；
中层中部（3）中部深孔拉槽爆破开挖施工，两侧预留2～2.5m的中层左侧保护层（4）和中层右侧保护层（5）；
分左右侧进行水平钻爆开挖中层左侧保护层（4）和中层右侧保护层（5），左右侧钻爆开挖施工错开25～40m，开挖后立即进行钢支撑架立及系统喷锚支护；
中层开挖及喷锚支护完成后施作中层钢筋混凝土预衬砌（13）；
中层钢筋混凝土预衬砌（13）中打入中层自进式中空预应力锚杆（15）至基岩中；
每隔0.8-1.2m在中层中部（3）两侧边墙角部位向下层的围岩打一组下层固结灌浆孔（11），每组下层固结灌浆孔（11）呈扇形均布在同一个截面内，固结灌浆完成后，将锚杆插入两侧固结灌浆孔进行加固处理；
下层中部（6）中部深孔拉槽爆破开挖施工，两侧预留2～2.5m的下层左侧保护层（7）和下层右侧保护层（8）；
分左右侧进行水平钻爆开挖下层左侧保护层（7）和下层右侧保护层（8），左右侧钻爆开挖施工错开25～40m，开挖后立即进行钢支撑架立及系统喷锚支护；
下层开挖及喷锚支护完成后施作下层钢筋混凝土预衬砌（17）；
中层钢筋混凝土预衬砌（17）中打入下层自进式中空预应力锚杆（18）至基岩中；
施工底板保护层（9），进行底板混凝土衬砌（19）；
进行上层（2）、中层及下层边墙和顶拱衬砌（20）。
7.根据权利要求6所述的大变形软弱破碎围岩特大断面隧洞开挖施工方法，其特征在于：在打入中层自进式中空预应力锚杆（15）和下层自进式中空预应力锚杆（18）前，选择四根预应力锚杆，安装锚杆测力计，进行非破坏张拉试验，通过试验，确定钻孔、安装杆体、内锚固段注浆、张拉、二次注浆各工艺施工参数。
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