CN109441478B - 隧洞ⅳ类、ⅴ类围岩超前杆系拱减震加固法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隧洞Ⅳ类、Ⅴ类围岩超前杆系拱减震加固法，首先在隧洞掌子面架设用于支撑出露围岩体的钢拱架；然后在掌子面顶部开挖圆心角为90‑180°的拱形超前薄壁槽洞，该槽洞沿掘进方向以2°‑5°角向外扩张；在拱形超前薄壁槽洞底壁上安装减震垫片，再在减震垫片上安装杆系梁，且每隔3‑4根杆系梁之间放置一根注浆钢管；之后通过注浆钢管向拱形超前薄壁槽洞内回填注浆，使杆系梁和注浆钢管通过浆体固化形成杆系拱体结构，然后将其与钢拱架连接在一起；最后进行隧洞开挖，完成施工。本发明能够充分保证隧洞大断面开挖施工期和钻爆施工期的安全；同时提供了拱体与围岩深层锚接的可能。
Description
技术领域
本发明涉及隧洞开挖支护技术领域，尤其是涉及一种隧洞Ⅳ类、Ⅴ类围岩超前杆系拱减震加固法。
背景技术
隧洞工程技术发展历史悠久，目前以钻爆法、TBM机械掘进等施工方法为主，未来还会发展水力切割法、激光切割法等。上述钻爆法主要是利用挖掘机械和炸药，完成对隧洞的开挖，其应用范围广，但对岩体扰动较大；TBM（应用隧洞掘进机）则是一种对岩体扰动较小的机械化挖掘技术，其效率高、安全、工程质量保证程度高，但造价高，且对较高硬度的硬岩及松散体无法实施。无论采用哪种施工方法，均需对岩体施做早期支护，防止岩体坍塌，保证隧洞成洞安全。但是目前的早期支护都是在大开挖断面后进行的，围岩的卸荷影响范围较大，尤其当隧洞穿越Ⅳ类、Ⅴ类开挖易坍塌软岩体时，反复爆破对岩体震动扰动很大，极易造成初支后的蠕变破坏，引起塌方，影响施工，甚至危及现场人员生命安全。为了减小震动引起的软岩缓慢变形破坏，目前常采用超前小导管注浆加固法、管棚法和预切割法等。传统的超前小导管注浆加固法不能对围岩全断面加固，作用有限；管棚法虽采用全断面加固，但偏重前后梁式支撑，且限制了通过打竖向锚杆进行围岩内部再加固的方式；同时，这两种方法均不能减弱爆破扰动。此外，预切割法成孔机械成本高，无围岩内部加固和减震措施。
发明内容
本发明提供一种能够实现对围岩全断面裂隙灌浆加固、对围岩外部整体双向支撑加固、对钻爆引起的围岩震动减小扰动的隧洞Ⅳ类、Ⅴ类围岩超前杆系拱减震加固法。
为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：
本发明所述的隧洞Ⅳ类、Ⅴ类围岩超前杆系拱减震加固法，包括以下步骤：
第一步，在隧洞掌子面架设用于支撑出露围岩体的钢拱架；
第二步，在掌子面顶部开挖圆心角为90-180°的拱形超前薄壁槽洞，所述拱形超前薄壁槽洞的槽高为200-260mm，掘进深度为2000-3500mm，且拱形超前薄壁槽洞沿掘进方向以2°-5°角向外扩张；
第三步，按照由下向上的顺序，首先在开挖完毕的拱形超前薄壁槽洞底壁上安装减震垫片，再在减震垫片上安装杆系梁，且每隔3-4根杆系梁放置一根注浆钢管；
第四步，通过注浆钢管向拱形超前薄壁槽洞内回填注浆，使杆系梁和注浆钢管通过浆体固化形成杆系拱体结构，然后将其与钢拱架连接在一起；
第五步，进行隧洞开挖，完成施工。
当隧洞穿越Ⅳ类岩体时，拱形超前薄壁槽洞的槽高为200-230mm，掘进深度3500mm；当隧洞穿越Ⅴ类岩体时，拱形超前薄壁槽洞的槽高为230-260mm，掘进深度2000mm。
所述杆系梁由中心支撑钢筋和浇注在中心支撑钢筋外部的钢纤维混凝土组成。
所述杆系梁与拱形超前薄壁槽洞等长，杆系梁的横截面为苹果形结构，且高度比拱形超前薄壁槽洞的槽高小60mm，宽度为100-200mm。
所述拱形超前薄壁槽洞通过人工机械钻进法或光面钻爆法进行开挖。
所述减震垫片为20mm厚的塑胶硬泡沫板。
所述注浆钢管的注浆孔均匀间隔开设在靠近所述拱形超前薄壁槽洞顶壁一侧的管壁上。
本发明提供的隧洞Ⅳ类、Ⅴ类围岩超前杆系拱减震加固法，通过在超前薄壁槽拱洞中设置融合了全岩面灌浆、拱体支撑和运行中减震等多种功能的杆系拱体结构，并将其与钢拱架连接在一起，达到了稳定围岩、减弱施工全过程对围岩的扰动、防止围岩受震动产生蠕变破坏的目的，充分保证了隧洞大断面开挖施工期和钻爆施工期的安全；同时提供了拱体与围岩深层锚接的可能。
附图说明
图1是按照本发明方法修建的隧道加固结构示意图。
图2是图1中的I-I剖面图。
图3-6是本发明施工步骤第二至五步的结构示意图。
图7是图4中A部放大图。
图8是图4中杆系梁的横断面结构示意图。
图9是图4中注浆钢管的横断面结构示意图。
具体实施方式
如图1-9所示，本发明所述的隧洞Ⅳ类、Ⅴ类围岩超前杆系拱减震加固法，包括以下步骤：
第一步，按照常规方法在隧洞1掌子面架设用于支撑出露围岩体的钢拱架2，确保后续的施工安全。
第二步，在掌子面顶部开挖圆心角为180°的拱形超前薄壁槽洞3，拱形超前薄壁槽洞3的槽高（指槽洞顶壁和底壁之间的距离）为200-260mm，掘进深度为2000-3500mm，且拱形超前薄壁槽洞3沿掘进方向以2-5°角β（见图2）向外扩张。拱形超前薄壁槽洞3在开挖时，应根据已有的岩土资料，通过人工机械钻进法或光面钻爆法进行开挖。通常情况下，当隧洞穿越Ⅳ类岩体时，拱形超前薄壁槽洞3的槽高为200-230mm，掘进深度3500mm；当隧洞穿越Ⅴ类岩体时，拱形超前薄壁槽洞3的槽高为230-260mm，掘进深度2000mm。
第三步，如图4所示，利用构件重力下滑挤密的原理，按照从下向上的顺序（由于槽洞的拱形结构，即由两边向中间的顺序），首先在开挖完毕的拱形超前薄壁槽洞3底壁上安装由20mm厚的塑胶硬泡沫板制成的减震垫片4，再在减震垫片4上安装杆系梁5，且每隔3-4根杆系梁5放置一根注浆钢管6。如图8所示，杆系梁5为预制件，由中心支撑钢筋5.1和浇注在中心支撑钢筋5.1外部的钢纤维混凝土5.2组成。该杆系梁5与拱形超前薄壁槽洞3等长，其横截面为苹果形结构，宽度为100-200mm，高度比拱形超前薄壁槽洞3的槽高小60mm，不仅可以适应拱形超前薄壁槽洞3的安装空间便于后期回填注浆，而且其与减震垫片4之间形成的空隙可以有效减缓传导震动波。同时，便于形成多个混凝土灌注孔洞，有利于后期混凝土浇注，增强结构稳定性。如图9所示，注浆钢管6的的注浆孔6.1均匀间隔开设在靠近拱形超前薄壁槽洞3顶壁一侧的管壁上，便于注浆浆液封填围岩拱形超前薄壁槽洞3内的开裂节理、裂隙和杆系梁5的上部空隙。
第四步，如图5所示，通过注浆钢管6向拱形超前薄壁槽洞3内回填注浆，浆液灌注时能够封填围岩拱形超前薄壁槽洞3内的开裂节理、裂隙和杆系梁5的上部空隙，并通过浆体使杆系梁5和注浆钢管6固化形成连续的杆系拱体结构。该杆系拱体结构能够对爆炸冲击波传播和爆生气体扩展进行反射、吸收或绕射，起到减震作用。之后，再通过钢筋绑扎和外喷混凝土将杆系拱体结构和钢拱架2固接相连。
第五步，如图6所示，对拱形超前薄壁槽洞3下方的岩体进行开挖，完成本轮施工循环的隧洞施工。
本发明充分考虑了围岩塑性、弹性变形的特点，利用了减小岩体卸荷变形、全空间灌浆加固、预制杆系梁构件成拱支护和减小扰动的原理，采用对围岩应力影响较小的拱形超前薄壁槽洞，能够有效减小围岩变形量；其次，连通的孔洞结构能够使岩体节理裂隙暴露充分，灌浆效果好；杆系拱体结构在隧洞岩体大开挖前，能够弹性地承压变形、加固围岩，在大开挖后杆系拱体结构与掌子面岩体形成拱板柱框架结构，与周边围岩一道，组成复合承载结构体，共同应对围岩整体或局部变形；再者，塑胶硬泡沫减震垫片层以及其与钢纤维杆系梁之间的局部空隙对爆破具有减震作用，能够有效减弱震动向上传输对围岩的破坏作用。
本发明和国内外现行的超前支护方法对比，具有以下优点：
一是简易杆系拱结构与多种加固围岩措施相适应，且有长期减震效果，加固层适应变形能力加强，较现行的预切割法施工方便、造价大大减小。
二是针对爆破反复扰动软岩和软岩蠕变的特点，采取了减震和预留变空间的技术，即利用了特型杆系梁（苹果型）和减震垫片的超前加固法，其构造适应围岩稳定的多种技术需求，岩内全断面注浆加固和外部整体支撑统一，下部开挖与施工期减小扰动统一，实现对围岩的少扰动。
三是灌浆后形成的杆系拱体结构对围岩有纵横双向支撑作用，尤其是横向杆组间小区域拱的支撑作用。
四是杆系拱体结构的梁间钢筋间距大约为200mm，提供了均匀的可钻孔区域，便于施作竖向锚杆与深层围岩结合,或灌浆,或排水。
Claims (7)
1.一种隧洞Ⅳ类、Ⅴ类围岩超前杆系拱减震加固法，其特征在于：
包括以下步骤：
第一步，在隧洞掌子面架设用于支撑出露围岩体的钢拱架；
第二步，在掌子面顶部开挖圆心角为90-180°的拱形超前薄壁槽洞，所述拱形超前薄壁槽洞的槽高为200-260mm，掘进深度为2000-3500mm，且拱形超前薄壁槽洞沿掘进方向以2°-5°角向外扩张；
第三步，按照由下向上的顺序，首先在开挖完毕的拱形超前薄壁槽洞底壁上安装减震垫片，再在减震垫片上安装杆系梁，且每隔3-4根杆系梁放置一根注浆钢管；
第四步，通过注浆钢管向拱形超前薄壁槽洞内回填注浆，使杆系梁和注浆钢管通过浆体固化形成杆系拱体结构，然后将其与钢拱架连接在一起；
第五步，进行隧洞开挖，完成施工。
2.根据权利要求1所述的隧洞Ⅳ类、Ⅴ类围岩超前杆系拱减震加固法，其特征在于：当隧洞穿越Ⅳ类岩体时，拱形超前薄壁槽洞的槽高为200-230mm，掘进深度3500mm；当隧洞穿越Ⅴ类岩体时，拱形超前薄壁槽洞的槽高为230-260mm，掘进深度2000mm。
3.根据权利要求1所述的隧洞Ⅳ类、Ⅴ类围岩超前杆系拱减震加固法，其特征在于：所述杆系梁由中心支撑钢筋和浇注在中心支撑钢筋外部的钢纤维混凝土组成。
4.根据权利要求3所述的隧洞Ⅳ类、Ⅴ类围岩超前杆系拱减震加固法，其特征在于：所述杆系梁与拱形超前薄壁槽洞等长，杆系梁的横截面为苹果形结构，且高度比拱形超前薄壁槽洞的槽高小60mm，宽度为100-200mm。
5.根据权利要求1所述的隧洞Ⅳ类、Ⅴ类围岩超前杆系拱减震加固法，其特征在于：所述拱形超前薄壁槽洞通过人工机械钻进法或光面钻爆法进行开挖。
6.根据权利要求1所述的隧洞Ⅳ类、Ⅴ类围岩超前杆系拱减震加固法，其特征在于：所述减震垫片为20mm厚的塑胶硬泡沫板。
7.根据权利要求1所述的隧洞Ⅳ类、Ⅴ类围岩超前杆系拱减震加固法，其特征在于：所述注浆钢管的注浆孔均匀间隔开设在靠近所述拱形超前薄壁槽洞顶壁一侧的管壁上。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| CB02 | Change of applicant information | ||
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Address after: 450003 No. 109 Jinshui Road, Jinshui District, Henan, Zhengzhou Applicant after: YELLOW RIVER ENGINEERING CONSULTING Co.,Ltd. Address before: 450003 No. 109 Jinshui Road, Jinshui District, Henan, Zhengzhou Applicant before: YELLOW RIVER ENGINEERING CONSULTING Co.,Ltd. |
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| GR01 | Patent grant | ||
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