CN109404019B - 洞室围岩预支护系统以及洞室结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种洞室围岩预支护系统、洞室结构以及洞室结构的施工方法，属于地下洞室施工技术领域，用以解决现有洞室围岩采用的后支护结构和超前支护结构无法满足高地应力、大跨度以及多结构面的洞室围岩的施工支护需求的问题。本发明在开挖洞室腔体之前首先形成相应的预支护系统，通过设置相应的辅助洞和相应的预支护结构形成承载拱圈，这样可有效地增强相应岩体的结构强度和承载能力，进而确保在进行洞室腔体开挖施工过程中的安全性；能有效地满足高地应力、大跨度以及多结构面的洞室围岩的施工支护需求。

Description

洞室围岩预支护系统以及洞室结构

技术领域

本发明涉及地下洞室施工技术领域，尤其涉及这一种洞室围岩预支护系统、洞室结构以及洞室结构的施工方法。

背景技术

随着西部水利工程、水电工程、交通工程等的发展，将修建越来越多的地下工程，地下工程的洞室规模也越来越大，跨度常常达到30m～40m，甚至更大跨度的情况。同时，在西部特殊的复杂地质和地形条件下，高地应力问题常常困扰着地下工程的设计和开挖支护施工，同时因地质构造复杂，导致岩体结构面较多，开挖成型困难。大跨度、高地应力以及多结构面岩体等种种不利地质因素及其组合的情况下，给地下洞室工程的设计施工带来了巨大的困难。

从支护结构的施工时间来分类，地下工程的支护可以分为预支护和后支护。在洞室开挖前就施工完成或部分施工完成的支护为预支护；在洞室开挖后再施工的支护，为后支护。当前地下洞室的设计施工技术，绝大部分为在开挖后再进行喷混凝土、挂网、锚杆、锚索、混凝土衬砌等后支护措施；部分情况下也有通过掌子面向洞室的未开挖区域施工锚杆、管棚、灌浆等措施进行超前支护的方式。

然而对于30m～40m，甚至更大跨度的大跨度地下洞室、高地应力以及多结构面岩体的围岩而言，仅仅采用后支护技术，常常导致工程事故，包括人员伤亡、工期延误、投资增加等问题，这些事故带来巨大的经济和社会影响。

对于小跨度洞室，在掌子面内向前进行超前支护取得了一定的技术经验，但对于30m～40m及以上跨度的地下洞室，需要预支护的范围较大，在掌子面进行超前支护作业困难。并且在洞室内的超前支护一般需要斜向施工锚杆、管棚等支护结构，一定程度上占用了后支护结构的空间，可能导致后支护结构无法施工。

综合来看，目前的后支护和超前支护分别存在如下缺点：

对于后支护结构而言，主要有以下缺点：

1)开挖过程中，对于围岩结构面较多，同时地应力又较高的情况，开挖地应力释放后可能导致围岩塌方垮塌，影响施工安全。

2)洞室开挖后，围岩应力已经大部分释放，围岩已经开裂变形，围岩承载力已经很大程度降低了，后期需要增加很多支护措施才能确保岩体稳定，不能充分发挥围岩的自承能力，导致支护费用增加很多。

3)开挖后再支护围岩，采用的锚杆、预应力锚索，可能因围岩应力释放而产生较大的变形，这种变形可能导致支护结构随之变形，当变形过大时，锚杆、锚索、衬砌等支护结构将失效。

4)开挖后再支护围岩，这种支护施工方案占直线工期，如果后支护的工程量较大，则增加较长的直线工期，增加工程施工总工期。

对于通过掌子面超前支护而言，主要有如下缺点：

1)对掌子面前缘未开挖区域地质条件不清楚，难以采取针对性的支护措施。

2)对大跨度、高地应力以及多结构面等情况的岩体，超前支护结构的支护距离短、支护范围小以及支护刚度小，因此难以形成足够的支护效果，不能有效地保证开挖后围岩的稳定。

3)洞室开挖时，爆破振动可能造成预先施工的支护结构受损，特别是固结灌浆，爆破振动会导致灌浆岩体松动，降低岩体承载力。

4)在隧洞掌子面预支护，会占用直线工期，影响工程总进度。

发明内容

本发明解决的技术问题是：现有洞室围岩采用的后支护结构和超前支护结构无法满足高地应力、大跨度以及多结构面的洞室围岩的施工支护需求；提供一种可实现对高地应力、大跨度以及多结构面的洞室围岩进行预支护的洞室围岩预支护系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：洞室围岩预支护系统，包括多个彼此平行设置的辅助洞，多个辅助洞沿倒“U形”的间隔分布；由多个辅助洞围成的倒“U形”区域内为洞室开挖区域，并且各辅助洞的轴向与洞室腔体设计的轴向一致；在每个辅助洞的围岩内分别设置有预支护结构，通过多个所述的辅助洞和相应的预支护结构共同形成位于洞室开挖区域外部的承载拱圈。

进一步的是：所述预支护结构包括固结灌浆孔，在固结灌浆孔内注浆后形成固结灌浆体；在同一个辅助洞内设置的固结灌浆体沿该辅助洞的轴向间隔地分层设置，每一层内设置有多个固结灌浆体，并且位于同一层内的固结灌浆体沿辅助洞周向围岩呈放射状分布。

进一步的是：所述预支护结构包括锚杆；在同一个辅助洞内设置的锚杆沿该辅助洞的轴向间隔地分层设置，每一层内设置有多根锚杆，并且位于同一层内的锚杆沿辅助洞周向围岩呈放射状分布。

进一步的是：所述预支护结构包括锚索；在同一个辅助洞内设置的锚索沿该辅助洞的轴向间隔地分层设置，每一层内设置有至少一根锚索，所述锚索的锚固端背向洞室开挖区域反向设置。

进一步的是：相邻两个辅助洞之间设置有相互连通的固结灌浆体。

进一步的是：位于同一辅助洞内同一层内的固结灌浆体包括前倾固结灌浆体和后倾固结灌浆体，所述前倾固结灌浆体沿辅助洞轴向向前倾斜设置，所述后倾固结灌浆体沿辅助洞轴向向后倾斜设置。

进一步的是：位于同一个辅助洞内的相邻两层固结灌浆体相接或者交叉；位于相邻两个辅助洞内对应层的固结灌浆体相接或者交叉。

另外，本发明还提供过一种洞室结构，所述洞室结构为在采用上述本发明所述的洞室围岩预支护系统的情况下进行洞室施工后形成的整体结构，在洞室开挖区域内形成洞室腔体；在洞室腔体两侧及顶部的围岩内分别设置有锚固件，所述锚固件为锚索和/或锚杆。

另外，本发明还提供一种上述本发明所述洞室结构的施工方法，包括如下步骤：

第一步、在开挖洞室腔体前，根据洞室腔体设计确定的参数，在洞室腔体两侧及顶部对应的岩体内先开挖形成多个辅助洞；

第二步、在各个辅助洞内进行预支护结构的施工；

第三步、在所有辅助洞内的预支护结构施工完成并间隔一定时间后，再进行洞室腔体的开挖施工；

第四步，在开挖洞室腔体过程中，进行对洞室腔体围岩的锚固施工。

进一步的是：在第三步中，在所有辅助洞内的预支护结构施工完成后至少间隔48小时后再进行洞室腔体的开挖施工。

本发明的有益效果是：本发明在开挖洞室腔体之前首先形成相应的预支护系统，同时通过辅助洞和相应的预支护结构形成承载拱圈，这样可有效地增强相应岩体的结构强度和承载能力，进而确保在进行洞室腔体开挖施工过程中的安全性；具体本发明相对于传统的后支护和超前支护分别具有较大优势：

相对于传统的后支护结构，本发明具有如下优点：

1)确保开挖期施工安全：洞室腔体开挖前，因在洞室开挖区域外围通过加固岩体已经形成承载拱圈结构，将大大降低洞室开挖后岩壁部位的应力和变形，增加开挖期施工安全。

2)可充分发挥洞室围岩的自承能力，减少支护费用：开挖前对洞室外围岩体进行了预先加固，增加其承载能力，洞室腔体开挖后，岩体变形破坏少，可减少洞室腔体岩壁的支护强度，减少支护费用。

3)节约直线工期：开挖前对围岩外围进行了加固，洞室腔体开挖时，需要的支护强度减小，节约洞室腔体施工工期。

相对于掌子面超前支护结构而言，本发明所述的洞室围岩预支护系统具有如下优点：

1)通过辅助洞室施工，可提前知道洞室腔体地质条件，便于制定针对地质缺陷的预案。

2)对洞室外围围岩加固，形成外围承载拱圈，增大了承载拱的范围，确保了大跨度洞室的围岩稳定安全。

3)预先在洞室外围对围岩加固，不受洞室开挖爆破影响。

4)通过对洞室外围围岩加固，减少隧洞开挖过程中的支护时间，减少直线工期。

另外，本发明中的辅助洞，可通过合理布置勘探平硐、防渗帷幕廊道、排水廊道以及排水孔洞等作为辅助洞；这样可进一步较少工程投资，合理利用已有工程结构。

附图说明

图1为本发明所述的洞室围岩预支护系统的横截面示意图；

图2为本发明所述的洞室结构的横截面示意图；

图3为本发明所述的洞室结构的俯向剖视图；

图中标记为：辅助洞1、洞室开挖区域2、固结灌浆体3、前倾固结灌浆体31、后倾固结灌浆体32、锚杆4、锚索5、承载拱圈6、洞室腔体7、锚固件8。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

本发明所述的洞室围岩预支护系统以及洞室结构，为针对高地应力、大跨度以及多结构面等复杂地址条件下的洞室围岩所设计的支护结构以及由此形成的洞室结构；其中对于高地应力、大跨度、多结构面等术语属于实际工程用语，本领域人员可以结合本领域实际工程项目的情况而确定；例如通常情况下，大跨度洞室指的是其跨度不低于30米的情况，但并不限于该尺寸，本领域人员可以结合实际工程情况，选择是否采用本发明所述的洞室围岩预支护系统和洞室结构。

如图1中所示，本发明所述的洞室围岩预支护系统，包括多个彼此平行设置的辅助洞1，多个辅助洞1沿倒“U形”的间隔分布；由多个辅助洞1围成的倒“U形”区域内为洞室开挖区域2，并且各辅助洞1的轴向与洞室腔体7设计的轴向一致；在每个辅助洞1的围岩内分别设置有预支护结构，通过多个所述的辅助洞1和相应的预支护结构共同形成位于洞室开挖区域2外部的承载拱圈6。

其中，倒“U形”的结构具体可参照附图1中所示的形状；而洞室腔体7指的是在洞室开挖区域2内开挖后形成的主体洞室。本发明中，通过多个辅助洞1以及在每个辅助洞1内设置的预支护结构共同在洞室开挖区域2的两侧侧方以及顶部的岩体内形成加强支护作用，以此形成具有较强承载能力的承载拱圈6；如附图1中所示的承载拱圈6对应的虚线所围成的区域。

更具体的，本发明中所述的预支护结构可采用固结灌浆体3、锚杆4和锚索5三者中的任意一中或者任意两种或者三种进行与支护锚固。预支护结构的作用主要是用于穿入到相应的岩体内，进而提高岩体的结构强度；一方面可分散高地应力对岩体的作用，另一方面可有效提高多结构面之间岩体的连接效果；最终通过形成承载拱圈6，提高承载拱圈6整体对外部岩体的承载能力，确保岩体的结构稳定，以便于在承载拱圈6内部进行洞室腔体7的开挖施工。如附图中所示即为同时设置有固结灌浆体3、锚杆4和锚索5的情况。

其中，当预支护结构包括固结灌浆体3时，需要钻设相应的固结灌浆孔，并在孔内注浆后形成固结灌浆体3；在同一个辅助洞1内设置的固结灌浆体3沿该辅助洞1的轴向间隔地分层设置，每一层内设置有多个固结灌浆体3，并且位于同一层内的固结灌浆体3沿辅助洞1 周向围岩呈放射状分布。由于固结灌浆体3几乎不受辅助洞1的洞径大小限制，因此参照附图中所示，本发明中的固结灌浆体3可以设置为大于辅助洞1洞径的情况。例如附图1中所示，在每个辅助洞1内，其每层固结灌浆体3包括有6-8个，并且各固结灌浆体3沿周向呈大致均匀的放射状分布；另外，参照附图3中所示，相邻层固结灌浆体3之间的间距可根据实际情况进行合理分布设置，例如可设置相邻层之间的间距为1-2m。

更具体的，可优选设置相邻两个辅助洞1之间设置有相互连通的固结灌浆体3。这样可进一步提高相邻两个辅助洞1之间的连接效果，提高相邻两个辅助洞1之间的岩体的加固效果。

更具体的，可优选设置位于同一辅助洞1内同一层内的固结灌浆体3包括前倾固结灌浆体31和后倾固结灌浆体32，所述前倾固结灌浆体31沿辅助洞1轴向向前倾斜设置，所述后倾固结灌浆体32沿辅助洞1轴向向后倾斜设置。其中前倾固结灌浆体31与后倾固结灌浆体 32一般可相对于相应岩壁面的法线呈对称分布；同时将位于同一个辅助洞1内的相邻两层内对应的固结灌浆体3相接或者交叉设置。例如参照附图3中所示的结构，其相邻两层内对应的固结灌浆体3相互接触，即上一层固结灌浆体3内的后倾固结灌浆体32与相邻的下一层固结灌浆体3内的前倾固结灌浆体31深入岩体内的端部大致呈相互接触连接的位置关系。同理，本发明中也可进一步将位于相邻两个辅助洞1内对应层的固结灌浆体3相接或者交叉设置。当然，对于实际施工过程中，本发明中所要求的两根固结灌浆体3的相接，只要满足二者的端部相互接近即可；例如认为二者端部的间距小于0.5以下即理解为本发明所述的相接，其并不要求完全接触连接；而对于两各固结灌浆体3的交叉，则并非要求二者完全连通交叉，而是在洞室腔体7设计的轴向方向的投影呈大致的交叉分布即可。通过上述设置的固结灌浆体3，可形成空间网状结构，进而提高对相应岩体的锚固效果，进而有效地提高最终形成的承载拱圈6的承载能力。

另外，当所述预支护结构包括锚杆4时；可在同一个辅助洞1内设置的锚杆4沿该辅助洞1的轴向间隔地分层设置，每一层内设置有多根锚杆4，并且位于同一层内的锚杆4沿辅助洞1周向围岩呈放射状分布。由于锚杆4的施工会受到辅助洞1的洞径的限制，因此锚杆 4的长度不宜过长；具体参照附图中所示，附图中相对于固结灌浆体3的长度更短的即为锚杆4。由于锚杆4相对较段，且相对于固结灌浆体3和锚索5的施工而言更利于施工，因此锚杆4可相对设置更为密集，一方面可加强整个洞室围岩预支护系统的结构强度，另一方面也可对辅助洞1的表层围岩起到较密集的支护效果，防止表层围岩脱落。

另外，为进一步增强与更深层的岩体的锚固作用，本发明中可进一步设置有锚索5；在同一个辅助洞1内设置的锚索5沿该辅助洞1的轴向间隔地分层设置，每一层内设置有至少一根锚索5，所述锚索5的锚固端背向洞室开挖区域2反向设置。如附图1中所示，锚索5可设置为相对于固结灌浆体3更长的结构，以向更深的岩体进行锚固。不失一般性，锚索5通常设置的数量相对较少，因此锚索5通常为与锚杆4或者固结灌浆体3组合设置；当然理论上锚索5也可以单独设置。如附图中所示，当设置同时设置锚索5、锚杆4和固结灌浆体3 时；锚索5可穿过由固结灌浆体3的外围大致对应的承载拱圈6后锚固到更深层次的岩体内，这样可整体上进一步提高由固结灌浆体3的外围大致对应的承载拱圈6的稳定性。

另外，如附图2中所示，本发明在上述洞室围岩预支护系统施工完成后，再在洞室开挖区域2内进行洞室腔体7的开挖施工并形成洞室腔体7；进而最终形成由洞室腔体7和本发明所述的洞室围岩预支护系统共同组成洞室结构。

更具体的，在洞室腔体7两侧及顶部的围岩内可再分别设置有锚固件8，所述锚固件为锚索和/或锚杆，其中优选采用锚杆。通过锚固件8进一步加强对洞室腔体7相应岩壁表层的锚固作用，提高洞室腔体7表层岩体稳定性。这样，通过预支护系统形成外围的承载拱圈6，由外围的承载拱圈6承担外围的地应力、地下水等荷载；而洞室腔体7开挖后，通过锚固件 8形成洞室腔体7的岩壁的浅表层承载圈，该浅表层承载圈主要承受岩壁浅表岩体自重荷载，因此可提高洞室腔体7的稳定性。

本发明所述的洞室结构的施工方法具体包括如下步骤：

第一步、在开挖洞室腔体7前，根据洞室腔体7设计确定的参数，在洞室腔体7两侧及顶部对应的岩体内先开挖形成多个辅助洞1；

第二步、在各个辅助洞1内进行预支护结构的施工；

第三步、在所有辅助洞1内的预支护结构施工完成并间隔一定时间后，再进行洞室腔体 7的开挖施工；

第四步，在开挖洞室腔体7过程中，进行对洞室腔体7围岩的锚固施工。

其中，第一步中对于洞室腔体7设计确定参数为实际施工工程中根据相应的设计要求确定的，其中包括洞室腔体7的轴向方向、跨度和高度等参数；在上述参数确定后，即可在洞室腔体7外周根据需要合理布置相应数量的辅助洞1，或者充分利用施工过程中所需的勘探平硐、防渗帷幕廊道、排水廊道以及排水孔洞等作为辅助洞1。

另外，在第二步中，根据预支护结构的不同，而进行相应的施工即可。例如当包括有固结灌浆体3时，其施工为首先在相应的辅助洞1内进行钻孔，然后再进行固结灌浆以形成固结灌浆体3；当包括两种及以上的预支护结构时，可根据情先后进行施工。

本发明在施工过程中，由于在进行洞室腔体7的开挖施工前进行了洞室围岩预支护系统的施工，并且间隔一定时间以确保预支护结构的稳定；进而通过预支护结构有效地形成了承载拱圈6，之后再在承载拱圈6所包围的区域内进行开挖施工，以此可确保开挖过程中围岩的稳定性。本发明所述的洞室结构通过预支护系统形成的承载拱圈6以及通过洞室腔体7内的锚固件8形成的浅表层承载圈，可形成双层承载结构，将大大降低洞室腔体7的岩体变形情况，确保洞室开挖施工期以及施工后的围岩稳定。

本发明所述的洞室围岩预支护系统、洞室结构以及洞室结构的施工方法、尤其适用于高地应力、大跨度以及多结构面的洞室围岩的支护需求，确保了在此类复杂地址条件下的洞室安全施工及结构稳定性。

Claims (4)

1.洞室围岩预支护系统，其特征在于：包括多个彼此平行设置的辅助洞（1），多个辅助洞（1）沿倒“U形”的间隔分布；由多个辅助洞（1）围成的倒“U形”区域内为洞室开挖区域（2），并且各辅助洞（1）的轴向与洞室腔体（7）设计的轴向一致；在每个辅助洞（1）的围岩内分别设置有预支护结构，通过多个所述辅助洞（1）和相应的预支护结构共同形成位于洞室开挖区域（2）外部的承载拱圈（6）；

所述预支护结构包括固结灌浆孔，在固结灌浆孔内注浆后形成固结灌浆体（3）；在同一个辅助洞（1）内设置的固结灌浆体（3）沿该辅助洞（1）的轴向间隔地分层设置，每一层内设置有多个固结灌浆体（3），并且位于同一层内的固结灌浆体（3）沿辅助洞（1）周向围岩呈放射状分布；

所述预支护结构包括锚杆（4）；在同一个辅助洞（1）内设置的锚杆（4）沿该辅助洞（1）的轴向间隔地分层设置，每一层内设置有多根锚杆（4），并且位于同一层内的锚杆（4）沿辅助洞（1）周向围岩呈放射状分布；

所述预支护结构包括锚索（5）；在同一个辅助洞（1）内设置的锚索（5）沿该辅助洞（1）的轴向间隔地分层设置，每一层内设置有至少一根锚索（5），所述锚索（5）的锚固端背向洞室开挖区域（2）反向设置；

相邻两个辅助洞（1）之间设置有相互连通的固结灌浆体（3）；

位于同一辅助洞（1）内同一层内的固结灌浆体（3）包括前倾固结灌浆体（31）和后倾固结灌浆体（32），所述前倾固结灌浆体（31）沿辅助洞（1）轴向向前倾斜设置，所述后倾固结灌浆体（32）沿辅助洞（1）轴向向后倾斜设置；

位于同一个辅助洞（1）内的相邻两层固结灌浆体（3）相接或者交叉；位于相邻两个辅助洞（1）内对应层的固结灌浆体（3）相接或者交叉。

2.洞室结构，包括上述权利要求1所述的洞室围岩预支护系统；其特征在于：在洞室开挖区域（2）内形成洞室腔体（7）；在洞室腔体（7）两侧及顶部的围岩内分别设置有锚固件（8），所述锚固件为锚索和/或锚杆。

3.如权利要求2所述洞室结构的施工方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步、在开挖洞室腔体（7）前，根据洞室腔体（7）设计确定的参数，在洞室腔体（7）两侧及顶部对应的岩体内先开挖形成多个辅助洞（1）；

第二步、在各个辅助洞（1）内进行预支护结构的施工；

第三步、在所有辅助洞（1）内的预支护结构施工完成并间隔一定时间后，再进行洞室腔体（7）的开挖施工；

第四步，在开挖洞室腔体（7）过程中，进行对洞室腔体（7）围岩的锚固施工。

4.如权利要求3所述的洞室结构的施工方法，其特征在于：在第三步中，在所有辅助洞（1）内的预支护结构施工完成后至少间隔48小时后再进行洞室腔体（7）的开挖施工。