CN108729938B - 一种增强隧道初期支护结构稳定性的大尺寸约束杆 - Google Patents

Abstract

一种用于增强隧道初期支护结构稳定性的大尺寸约束杆，包括与钢架相连的约束杆杆体，约束杆杆体侧壁上开设有若干注浆孔，约束杆杆体末端设置有螺母与止浆塞，螺母与止浆塞之间设置有钢垫板和橡胶垫，约束杆杆体的一侧设置有排气管，该排气管穿过钢垫板、橡胶垫和止浆塞。本发明采用的约束杆与钢架相连，为初期支护结构增加附加的“铰约束”，增强初期支护结构的稳定性，能有效约束初期支护结构在较小的围岩压力下产生“曲杆”失稳破坏问题。与传统的系统锚杆相比，本发明采用了大直径、大尺度的约束杆，注浆后锚固力大幅度提高，有效地限制钢架的沉降收敛变形。

Description

一种增强隧道初期支护结构稳定性的大尺寸约束杆

技术领域

本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及一种增强隧道初期支护结构稳定性的大尺寸约束杆。

背景技术

我国是一个多山并且地质条件极其复杂的国家，山区面积占2/3以上。随着国民经济的持续快速发展，交通基础工程的大规模建设，在公路、铁路的建设过程中需要修筑大量隧道，所涉及的工程地质条件也更加复杂。当隧道穿越软弱松散地层时，由于围岩的自稳性差或施工技术方案与支护措施不当，隧道初期支护结构在施工期间极易出现大变形甚至发生失稳破坏，具体表现为初期支护开裂、掉块，钢架扭曲、折断，频繁拆换拱，以及二衬开裂、破坏，隧道拱脚下沉，仰拱上隆开裂等工程病害。

造成上述问题的原因，大体上可以归结为以下几个方面。首先，由于工程地质条件的多样性，复杂性和不确定性，以及我国目前普遍存在的地质勘察的薄弱性和粗糙性，导致隧道围岩分级划分出错，支护设计不符合实际情况。其次，对不同类型软弱围岩的变形模式、破坏形式的形成机理认识不清，特别是对高地应力或围岩压力的分布、大小变化等缺少成熟的理论指导，多数认识仍停留在经验判识阶段，在具体实践层面对高地应力软弱围岩的大变形，普遍采用先让后抗设计支护原则，即先用不同的方法进行应力释放，如采用可伸缩的柔性支护，超前应力释放导洞，预留沉降量等，然后进行强支护，如两层或三层钢架强支护。另外，对于初期支护的开裂和侵限，国内外学者普遍认为是由于高地应力和设计、施工技术方案与支护措施不当引起的，多采用不断增加初期支护结构强度和刚度的方案，无人关注隧道支护结构的稳定性，而从现场情况分析，初期支护结构的开裂、钢架扭曲、折断和侵限破坏是标准的受力结构失稳模态。

在隧道初期支护结构稳定性方面，隧道内常用的系统锚杆并无明显的增强效应。在作用效果方面，隧道内的系统锚杆，如常用的砂浆锚杆和中空注浆锚杆虽然在提高围岩力学性能，改善围岩受力状态，加固围岩和维护围岩稳定方面有着积极作用，但是诸多研究表明，系统锚杆的作用仅在硬岩(坚硬岩、较硬岩)中表现明显，而在软弱地层中的增强效应并不显著，且系统锚杆的施工会造成隧道支护时机的延误。在工艺技术方面，系统锚杆与钢架并不相连，并不能对钢架的受力变形及稳定性起到约束作用。同时，系统锚杆杆体直径较小，与浆体接触面积小，隧道现场多采用风枪进行钻孔，孔径较小，孔内注浆量小，形成的锚固体往往抗拔力低，锚固力不足。并且，隧道内系统锚杆注浆多采用普通硅酸盐水泥浆液，该种水泥浆液强度增长速度缓慢，往往在下一进尺的爆破过程中，未达到终凝状态，不能及时有效地发挥作用。因此，在软弱地层中取消系统锚杆的做法，目前基本已成为共识。

综合分析上述软岩隧道大变形机理及隧道支护措施，还存在以下不足之处：

(1)对于软岩大变形隧道的发生机理认识并不透彻、不统一。多从初期支护强度、刚度不足方面进行着手，并未关注初期支护结构的稳定性。

(2)系统锚杆对于软岩隧道初期支护的稳定性并无明显贡献，且注浆后不能及时有效地发挥作用。隧道现有支护手段并不能显著增强初期支护结构的稳定性，亟需一种新型的支护措施，以实现增加隧道初期支护结构稳定性的目的。

发明内容

为解决现有技术中的不足之处，本发明的目的是提供一种用于增强隧道初期支护结构稳定性的大尺寸约束杆，该约束杆通过高强快硬锚固砂浆实现快速提供锚固强度的目的；通过与钢架连接，为钢架增加附加的“铰约束”，约束初期支护结构在较小的围岩压力下产生“曲杆”失稳破坏的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于增强隧道初期支护结构稳定性的大尺寸约束杆，包括与钢架相连的约束杆杆体，约束杆杆体侧壁上开设有若干注浆孔，约束杆杆体末端设置有螺母与止浆塞，螺母与止浆塞之间设置有钢垫板和橡胶垫，约束杆杆体的一侧设置有排气管，该排气管穿过钢垫板、橡胶垫和止浆塞。

本发明进一步的改进在于，约束杆杆体为直径大于76mm，长度大于5m的注浆锚管。

本发明进一步的改进在于，当约束杆用于向下进行注浆时，约束杆杆体自前端40cm长度内每10cm布置一组φ10mm的梅花桩式注浆孔。

本发明进一步的改进在于，排气管的长度为30cm，并且排气管的一端与约束杆杆体末端平齐。

本发明进一步的改进在于，当约束杆用于向上进行注浆时，自止浆塞开始，向约束杆杆体前端方向的40cm长度内，每10cm布置一组φ10mm的梅花桩式注浆孔。

本发明进一步的改进在于，约束杆杆体一侧布置一根与约束杆等长的排气管，并且排气管的一端与约束杆杆体末端平齐。

本发明进一步的改进在于，排气管前端采用过滤网布进行包裹。

本发明进一步的改进在于，约束杆杆体侧壁上设置有用于将约束杆杆体在钻孔内居中定位的外撑钢筋。

与现有的技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明采用的约束杆与钢架相连，为初期支护结构增加附加的“铰约束”，增强初期支护结构的稳定性，能有效约束初期支护结构在较小的围岩压力下产生“曲杆”失稳破坏问题。

(2)与传统的系统锚杆相比，本发明采用了大直径、大尺度的约束杆，注浆后锚固力大幅度提高，有效地限制钢架的沉降收敛变形。通过快速及时的锚固强度和与钢架的有效连接，限制初期支护结构在自重、爆破振动、拱脚围岩压密、钢架间的约束反力作用下的沉降变形，防止产生背后空洞，围岩持续牵引变形，松动圈扩大，继而诱发的大变形等问题。本发明的约束杆是增强隧道初期支护结构稳定性最简单、最有效的技术措施。

进一步的，与传统的锚杆注浆浆液相比，本发明采用高强快硬锚固砂浆实现快速提供锚固强度的目的，在下一进尺爆破施工时已能发挥作用。

进一步的，约束杆杆体周围梅花桩式布置的外撑钢筋起定位居中的作用，保证约束杆位于围岩内预先打好孔的中心，不与孔壁密贴，保证了孔内各方向注浆的厚实度和均匀性。

进一步的，与普通锚杆设置一个排气出口相比，止浆塞内两侧的排气管不仅可以作为空气排出通道使用，而且可以作为孔内积水排出的通道使用，再者，通过观察排气管出浆情况作为判断孔内是否注满的依据。约束杆的锚孔向下倾斜时，约束杆锚孔底出浆，锚孔口排气；约束杆锚孔向上倾斜时，约束杆锚孔口出浆，锚孔底排气，能充分保证注浆效果。

附图说明

图1为本发明的约束杆注浆示意图；

图2为本发明的约束杆用于向下进行注浆时约束杆结构图；

图3为本发明的约束杆用于向上进行注浆时约束杆结构图；

图4为本发明约束杆支护方案示意图

其中，1－搅拌机，2－储浆桶，3－滤网，4－输浆管，5－注浆机，6－压力表，7－约束杆，8－止浆阀门，9－螺母，10－钢垫板，11－排气管，12－橡胶垫，13－止浆塞，14－注浆孔，15－外撑钢筋，16－隧道，17－上台阶，18－中台阶，19－下台阶，20－约束杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明的一种用于增强隧道初期支护结构稳定性的大尺寸约束杆，包括与钢架相连的约束杆杆体、外撑钢筋15、注浆孔14、止浆阀门8、止浆塞13、钢垫板10、橡胶垫12以及螺母9。其中，约束杆杆体侧壁上开设有若干注浆孔14，约束杆杆体前端设置圆锥形头部，约束杆杆体末端设置有螺母9与止浆塞13，螺母9与止浆塞13之间设置有钢垫板10和橡胶垫12。

约束杆杆体为直径大于76mm、长度大于5m的注浆锚管。

当约束杆用于向下进行注浆时，约束杆杆体自前端40cm长度内每10cm布置一组φ10mm的梅花桩式注浆孔14。约束杆杆体外侧设置有一根或两根排气管11，排气管11为两根时，对称设置在约束杆杆体两侧。当排气管11为一根时，同样可以实现排气的目的，两根更好。并且排气管11的长度为30cm，排气管11穿过钢垫板10、橡胶垫12和止浆塞13，并且排气管11的一端与约束杆杆体末端平齐。当约束杆用于向下进行注浆时，即当锚孔向下倾斜时，锚孔底出浆，锚孔口排气。

当约束杆用于向下进行注浆时，自止浆塞13开始，向约束杆杆体前端方向的40cm长度内，每10cm布置一组φ10mm的梅花桩式注浆孔14。约束杆杆体一侧布置一根与约束杆等长的排气管11，该排气管11端头用过滤网布进行包裹，优选的，在约束杆杆体另一侧对称布置一根长度为30cm的排气管，此时，两根排气管均穿过钢垫板10、橡胶垫12和止浆塞13，并且两根排气管一端与约束杆杆体末端平齐。当锚孔向上倾斜时，锚孔口出浆，锚孔底排气。将约束杆打入孔内，注浆前，可用30cm长的排气管排出淤积在孔内的地下水；开始注浆后，应将30cm长的排气孔的端部封堵，以防止浆液通过该30cm长的排气管排出。

约束杆杆体侧壁上设置有若干用于将约束杆在钻孔内居中定位的外撑钢筋15。

本发明中的约束杆具体结构如下：

(1)大尺寸约束杆为大直径(>φ76mm)大尺度(>5m)的注浆锚管，牌号为Q420的结构用无缝钢管。

锚孔向下倾斜时，锚孔底出浆，锚孔口排气，即约束杆杆体前端40cm长度内每10cm梅花桩式布置一组φ10的注浆孔14，止浆塞13两侧各布置一根长30cm的排气管11，并且排气管11穿过止浆塞13，排气管11为φ16PVC管，用以排气和排水；

锚孔向上倾斜时，锚孔口出浆，锚孔底排气，即从锚孔口向内20cm位置处开始的40cm长度内每10cm布置一组φ10的梅花桩式注浆孔14，止浆塞13一侧布置一根与约束杆等长的φ16PVC管用以排气，并与约束杆固定，端头用过滤网布进行包裹，另一侧布置一根长30cm的φ16PVC管用以排水。

(2)约束杆杆体周围梅花桩型布置用于将约束杆在钻孔内居中定位的外撑钢筋15，外撑钢筋15采用φ8mm的HPB235钢，每根钢筋长20cm，两端焊缝分别长为2cm，中间翘起10mm，外撑钢筋15沿约束杆杆体每1m布置1组。

(4)约束杆杆体远离注浆孔14的一端设置有止浆阀门8、螺母9、钢垫板10、橡胶垫12和止浆塞13，钢垫板10和橡胶垫12位于螺母9与止浆塞13之间。

止浆阀门8采用与约束杆杆体直径相配套的泥浆阀，螺母9采用一端球形的六角螺母，钢垫板10采用牌号为Q235、规格为250mm×250mm×12mm的热轧钢板，橡胶垫12采用厚度为3mm的EPDM橡胶，止浆塞13采用与约束杆杆体直径相匹配，且满足不小于1MPa注浆压力的大口径止浆塞。

(5)约束杆搭设于两榀钢架之间，通过I12.6或I14工字钢连接构件与钢架相连。

(6)约束杆注浆浆液为高强快硬水泥，4h抗压强度大于10MPa，抗拔力大于200kN。

上述用于增强隧道初期支护结构稳定性的大尺寸约束杆，具体施作流程如下：

(1)施工准备：检查约束杆规格、质量及其性能是否符合要求；检查注浆孔14、排气管11是否畅通；根据约束杆规格和围岩情况，准备合适的钻头、钻具，准备注浆材料及设备等。

(2)钻孔：采用风动潜孔钻机钻孔。孔位允许偏差为±150mm，钻孔应与围岩壁面或其所在部位岩层的主要结构面垂直。锚孔深度应大于约束杆长度10cm，锚孔深度误差不得大于±50mm，锚孔直径应大于约束杆杆体直径40mm。

(3)清孔：采用高压风情况，确保孔内干净，无渣屑残留。

(4)安装锚杆：把组装好的约束杆插入钻孔至设计深度，安装止浆塞13。

(5)注浆：连接输浆管4，注浆泵将拌合均匀的浆液压入约束杆，注浆压力为0.5～1.0MPa(可根据现场情况适当调整)。

(6)安装钢垫板螺栓：待注浆体强度达到10MPa后安装钢垫板10，并紧固螺目9。

(7)与钢架连接：用I12.6或I14的工字钢连接构件将约束杆与钢架连接，确保连接质量满足要求。

如图1所示，通过搅拌机1进行制浆，拌合均匀的浆液经过滤网3过滤后，排放于储浆桶2。注浆机5通过输浆管4从储浆桶2吸浆后，再通过输浆管4将浆液压入约束杆7，注浆机5出口处设置有输浆管4，压力表6可以实施监测孔内注浆压力。

如图2所示，当约束杆向下进行注浆时，即下倾约束杆为大直径(>φ76mm)大尺度(>5m)的注浆锚管。位于约束杆7端头的止浆阀门8是浆液输送的控制开关，具有截止、调节、防止逆流、稳压等功能。螺母9将钢垫板10和橡胶垫12固定紧贴于隧道壁面。排气管11设置于止浆塞13内的两侧，均为长30cm的φ16mm PVC管，用来排气和排水。尾端40cm长度内每10cm梅花桩式布置一组φ10mm注浆孔14。约束杆杆体周围梅花桩型布置用于锚孔内居中定位的外撑钢筋15，其使用φ8mm的HPB235钢，每节段钢筋长20cm，两端焊缝分别长2cm，中间翘起10mm，沿杆体每1m布置1组。注浆开始后，待浆液从排气管11内流出后，封堵排气管。继续压浆至注浆压力达到1.0～2.0MPa之间停止压浆，并及时关闭止浆阀门8，确保约束杆注浆达到饱压密实效果。

如图3所示，当约束杆向上进行注浆时，即上倾约束杆为大直径(>φ76mm)大尺度(>5m)的注浆锚管。位于约束杆7端头的止浆阀门8是浆液输送的控制开关，具有截止、调节、防止逆流、稳压等功能。螺母9将钢垫板10和橡胶垫12固定紧贴于隧道壁面。排气管11设置于止浆塞13内的两侧，其中一根为与约束杆等长的φ16PVC管用以排气，并与约束杆固定，端头用过滤网布进行包裹，另一根为长30cm的φ16mm PVC管用以排水。从锚孔口向内20cm位置处开始的40cm长度内每10cm梅花桩式布置一组φ10mm的注浆孔14。约束杆杆体周围梅花桩型布置用于钻孔内居中定位的外撑钢筋15，其使用φ8mm的HPB235钢，每节段钢筋长20cm，两端焊缝分别长2cm，中间翘起10mm，沿杆体每1m布置1组。注浆开始后，待孔内积水通过较短的排气管排出后，封堵短排气管。待浆液从较长排气管内流出后，封堵长排气管。继续压浆至注浆压力达到1.0～2.0MPa之间停止压浆，并及时关闭止浆阀门8，确保约束杆注浆达到饱压密实效果。

如图4所示，台阶法开挖初喷后，必须尽快利用潜孔钻机按设计要求进行钻孔。其中，上台阶17锚孔位于沿隧道16环向40°左右(或环向钢架连接)位置处，向上打设角度10°(与水平线夹角)，约束杆设计长度7m；中台阶18锚孔位于沿隧道环向120°左右(或环向钢架连接)位置处，向下打设角度10°(与水平线夹角)，约束杆设计长度为6m；下台阶19锚孔位于沿隧道环向180°左右(或环向钢架连接)位置处，向下打设角度10°(与水平线夹角)，约束杆设计长度5m。

本发明不限于上述实施例，根据不同锚杆长度、直径，可组成多个实施例，且均落入本发明要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于增强隧道初期支护结构稳定性的大尺寸约束杆，其特征在于，包括用I12.6或I14的工字钢连接构件与钢架相连的约束杆杆体，约束杆杆体侧壁上开设有若干注浆孔(14)，约束杆杆体末端设置有螺母(9)与止浆塞(13)，螺母(9)与止浆塞(13)之间设置有钢垫板(10)和橡胶垫(12)，约束杆杆体的一侧设置有排气管(11)，该排气管(11)穿过钢垫板(10)、橡胶垫(12)和止浆塞(13)；

约束杆杆体为直径大于76mm，长度大于5m的注浆锚管；

约束杆杆体侧壁上设置有用于将约束杆杆体在钻孔内居中定位的外撑钢筋(15)，每节段钢筋长20cm，两端焊缝分别长2cm，中间翘起10mm，钢筋沿杆体每1m布置1组；

约束杆的注浆浆液为高强快硬锚固砂浆，4h抗压强度大于10MPa，抗拔力大于200kN；

锚孔向下倾斜时，锚孔底出浆，锚孔口排气，即约束杆杆体前端40cm长度内每10cm梅花桩式布置一组φ10的注浆孔(14)；

锚孔向下倾斜时，止浆塞(13)两侧各布置一根长30cm的排气管(11)，并且排气管(11)穿过止浆塞(13)，排气管(11)为φ16PVC管，用以排气和排水；

锚孔向上倾斜时，锚孔口出浆，锚孔底排气，即从锚孔口向内20cm位置处开始的40cm长度内每10cm布置一组φ10的梅花桩式注浆孔(14)；

锚孔向上倾斜时，止浆塞(13)一侧布置一根与约束杆等长的φ16PVC管用以排气，并与约束杆固定，端头用过滤网布进行包裹，另一侧布置一根长30cm的φ16PVC管用以排水。

2.根据权利要求1所述的一种用于增强隧道初期支护结构稳定性的大尺寸约束杆，其特征在于，排气管(11)前端采用过滤网布进行包裹。

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