CN110005434A - 一种软岩隧道围岩大变形灾害的恒阻大变形锚索控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种软岩隧道围岩大变形灾害的恒阻大变形锚索控制方法，隧道掘进后及时对断面进行喷浆封闭，减少围岩与空气接触时间，快速铺设钢筋网并安装恒阻大变形锚索，通过锚索的高预应力对围岩进行加固。围岩内部巨大的塑性能量将会以大变形的形式释放，首先作用于恒阻大变形锚索，待围岩塑性能量释放后，作用于支护体的能量将会逐渐减小，此时，恒阻大变形锚索支护体将处于恒阻耦合支护状态，结合钢拱架支护，形成“刚柔并济”的支护效果，保证了隧道围岩的稳定性，避免了软岩隧道围岩大变形灾害。

Description

一种软岩隧道围岩大变形灾害的恒阻大变形锚索控制方法

技术领域

本发明属于软岩隧道围岩变形的支护技术领域，具体涉及一种软岩隧道围岩大变形灾害的恒阻大变形锚索控制方法。

背景技术

自20世纪初首例严重的交通隧道软弱围岩大变形发生以来，国内外隧道工程发生的围岩大变形灾害事例屡见不鲜，它一直是困扰地下工程界的一项重大难题。国外如奥地利陶恩隧道(Tauern)、瑞士到意大利的辛普伦隧道(Simplon)、日本惠那山隧道、奥地利阿尔贝格隧道(Arlberg)等都发生过严重的大变形。国内如南昆铁路家竹箐隧道、台湾木栅隧道、兰武线乌鞘岭隧道、青藏线关角隧道、国道317线鹧鸪山隧道、兰渝铁路木寨岭隧道和目前在建的渭武高速公路木寨岭公路隧道等工程都出现了不同程度和不同形式的软弱围岩大变形，给工程建设带来了极大的困难和安全风险，且因为返修率增高极大地增加了施工成本和延长了施工周期。

为了有效控制隧道软弱围岩大变形，国内外学者不断对隧道围岩大变形实例进行研究，隧道围岩大变形控制技术也得到日益发展，但控制效果和成本投入还未达到预期目标。目前，极高地应力地质条件下的软岩隧道支护变形量级突破了国内外隧道和地下工程界以往所遵循的理论和实践的认知水平，勘察设计又没有可供借鉴的成熟经验，难以预测围岩的动态变化和掌控其发展规律，不能一次性确定支护的合理参数。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本发明提供了一种软岩隧道围岩大变形灾害的恒阻大变形锚索控制方法，隧道掘进后及时对断面进行喷浆封闭，减少围岩与空气接触时间，快速铺设钢筋网并安装恒阻大变形锚索，通过锚索的高预应力对围岩进行加固。围岩内部巨大塑性能将会以大变形的形式释放，首先作用于恒阻大变形锚索，此时恒阻大变形锚索的受力将会不断增大，当其达到锚索设计恒阻力时，恒阻大变形锚索内部恒阻体依靠自身的恒阻吸能装置在保证高恒阻的情况下产生位移，随着恒阻体与套筒之间相对位移的不断增加，围岩中的塑性能量将以自身变形和恒阻大变形锚索变形的形式释放，待围岩塑性能量释放后，作用于支护体的能量将会逐渐减小，此时，恒阻大变形锚索支护体将处于恒阻耦合支护状态，结合钢拱架支护，形成“刚柔并济”的支护效果，保证了隧道围岩的稳定性，避免了软岩隧道围岩大变形灾害。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种软岩隧道围岩大变形灾害的恒阻大变形锚索控制方法，所述控制方法包括如下步骤：

S1：对围岩进行光面爆破；

S2：隧道掘进成型并使用三台阶法开挖洞身，且对隧道的顶部和两个拱肩部进行临时支护；

S3：隧道上台阶紧接掌子面进行恒阻大变形锚索配合W型钢带支护；

S4：台阶断面喷射混凝土；

S5：安装钢拱架；

S5：隧道中台阶和隧道下台阶进行恒阻大变形锚索配合W型钢带支护；

S6：重复步骤S4～S5的过程。

如上所述的软岩隧道围岩大变形灾害的恒阻大变形锚索控制方法，优选地，所述步骤S2包括如下步骤：

S21：管棚施工，隧道斜井洞口采用大管棚进行加固；

S22：隧道掘进成型，采用三台阶法开挖洞身，且按照隧道上台阶、隧道中台阶、隧道下台阶的顺序依次开挖；

S23：临时支护，隧道的顶部和两个拱肩部通过架设木垛进行临时支护。

如上所述的软岩隧道围岩大变形灾害的恒阻大变形锚索控制方法，优选地，所述步骤S3包括如下步骤：

S31：隧道掘进后对断面喷浆封闭；

S32：铺设钢筋网，先连接顶网，然后连接帮网和底网；

S33：钻孔，采用钻头钻顶部的锚索孔；

S34：安装锚索配合W型钢带支护，且顶锚索支护垂直隧道掘进方向布置。

如上所述的软岩隧道围岩大变形灾害的恒阻大变形锚索控制方法，优选地，所述步骤S34还包括以下步骤：

S341：安装直径为21.8mm、长度为10000mm的第一恒阻大变形锚索，且各个第一恒阻大变形锚索角度根据围岩岩层不同节理产状调整、间排距为2000mm×1200mm；

S342：相邻的第一恒阻大变形锚索之间安装两个直径为21.8mm、长度为4000mm的第二恒阻大变形锚索，且各个第二恒阻大变形锚索角度根据围岩岩层不同节理产状调整、间排距为500mm×600mm；

S343：围岩继续发生形变时，在变形位置处的相邻的第一恒阻大变形锚索之间安装一个直径为21.8mm、长度为10000mm的第三恒阻大变形锚索，且各个第三恒阻大变形锚索角度根据围岩岩层不同节理产状调整、间排距为2000mm×1200mm。

如上所述的软岩隧道围岩大变形灾害的恒阻大变形锚索控制方法，优选地，所述步骤S1中：

所述光面爆破中采用的装药结构为：各断面爆破的周边眼采用空气柱间隔装药，其余各炮眼均采用孔底大药卷连续装药，并将雷管置于孔底倒数第二节药卷上，进行反向起爆。

如上所述的软岩隧道围岩大变形灾害的恒阻大变形锚索控制方法，优选地，所述步骤S4中：

喷射的混凝土的厚度不小于100mm，且喷射的混凝土的厚度能够全面覆盖超前小导管并形成一个平整的平面封闭围岩。

如上所述的软岩隧道围岩大变形灾害的恒阻大变形锚索控制方法，优选地，所述步骤S5中：

所述钢拱架与恒阻大变形锚索支护面预留一定间隙，且所述钢拱架采用工字钢钢架和矩形格栅钢架。

如上所述的软岩隧道围岩大变形灾害的恒阻大变形锚索控制方法，优选地，所述隧道上台阶的进尺不大于13m、高度为3m，所述隧道中台阶的高度为3m，所述隧道下台阶的高度为4.6m。

如上所述的软岩隧道围岩大变形灾害的恒阻大变形锚索控制方法，优选地，所述钢筋网的网片采用Φ8mm钢筋焊接而成，且相邻的网片之间通过钩扣连接。

如上所述的软岩隧道围岩大变形灾害的恒阻大变形锚索控制方法，优选地，所述步骤S33中：

钻孔采用Φ32mm钻头钻孔，孔深为10000mm和4000mm，扩孔采用Φ90mm钻头进行扩孔，扩孔深度为500mm。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：

本发明提供了一种软岩隧道围岩大变形灾害的恒阻大变形锚索控制方法，隧道掘进后及时对断面进行喷浆封闭，减少围岩与空气接触时间，快速铺设钢筋网并安装恒阻大变形锚索，通过锚索的高预应力对围岩进行加固。围岩内部的巨大的塑性能量将会以大变形的形式释放，首先作用于恒阻大变形锚索，此时恒阻大变形锚索的受力将会不断增大，当其达到锚索设计恒阻力时，恒阻大变形锚索内部恒阻体依靠自身的恒阻吸能装置在保证高恒阻的情况下产生位移，随着恒阻体与套筒之间相对位移的不断增加，围岩中的塑性能量将以自身变形和恒阻大变形锚索变形的形式释放，待围岩塑性能量释放后，作用于支护体的能量将会逐渐减小，此时，恒阻大变形锚索支护体将处于恒阻耦合支护状态，结合钢拱架支护，形成“刚柔并济”的支护效果，保证了隧道围岩的稳定性，避免了软岩隧道围岩大变形灾害。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

图1为本发明实施例中三台阶法施工横断面示意图；

图2为本发明实施例中三台阶法施工纵断面示意图；

图3为本发明实施例中步骤S341和步骤S342中锚索支护对称式全断面支护示意图；

图4为本发明实施例中步骤S343中锚索支护非对称式全断面支护示意图；

图5为本发明实施例中周边眼装药结构示意图；

图6为本发明实施例中恒阻大变形锚索配合W型钢带支护的结构示意图。

图中：1-隧道上台阶，2-隧道中台阶，3-隧道下台阶，4-第一恒阻大变形锚索，5-第二恒阻大变形锚索，6-第三阻大变形锚索，7-竹片，8-导爆索，9-1/2小药卷，10-炮泥，11-导爆管，12-钢拱架，13-W型钢带。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

下面将参考附图1-6并结合实施例来详细说明本发明的方案。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本具体实施方式提供了一种软岩隧道围岩大变形灾害的恒阻大变形锚索控制方法，包括有如下步骤：

S1：对围岩进行光面爆破；

根据地质条件、开挖断面、开挖进尺、爆破器材及通过爆破试验确定的爆破参数等编制爆破设计，各类围岩实施爆破时，其光爆设计参数如下表1所示：

表1-光面爆破的技术参数表

进一步地，光面爆破中采用的装药结构为：各断面爆破的周边眼采用空气柱间隔装药，如图5所示，其余各炮眼均采用孔底大药卷连续装药，并将雷管置于孔底倒数第二节药卷上，进行反向起爆，如此，有益于提高装药质量，改善光面爆破效果。

进一步地，光面爆破过程为：

(1)选择火工器材，乳化炸药、1-15段非电毫秒雷管、导爆索8、导火线、竹片7；

(2)钻爆设计，a)掏槽与堵孔；b)根据现场围岩强度参照表1选择光爆参数；c)装药结构：除周边眼采用空气柱间隔装药外，其余各炮眼均采用孔底大药卷连续装药；d)起爆网络：各段非电毫秒微差雷管脚线集束于掌子面中央悬挂，用电雷管引爆；

(3)检查钻爆质量；

(4)起爆。

如此，有益于提高装药质量，改善光面爆破效果，有效地控制了超挖、欠挖，从而保证开挖成型、保证初期支护质量，降低工程成本。

S2：隧道掘进成型并通过三台阶法开挖洞身，且隧道的顶部和两个拱肩部通过架设木垛进行临时支护；

步骤S2包括如下步骤：

S21：管棚施工，隧道斜井洞口采用大管棚进行加固；

具体地，本实施例中的大管棚外径为φ108、壁厚为6.0mm热轧无缝钢管，长度为32m，分段安装，每段长3m、6m。钢管接头采用丝扣连接，丝扣长15cm。相邻管棚接头处错开布置，环向间距为40cm，仰角为1～2°，共41根。管棚采用潜孔钻成孔，用风钻顶入，双液注浆泵注浆。浆液采用水泥浆，水灰比：1:1，注浆压力为：初压0.5～1.0Mpa，终压2.5Mpa。

S22：隧道掘进成型，采用三台阶法开挖洞身，且按照隧道上台阶1、隧道中台阶2、隧道下台阶3的顺序依次开挖，具体开挖过程如下：

第1步：上部弧形导坑开挖，在拱部超前支护后进行，环向开挖上部弧形导坑，预留核心土，核心土长度宜为3～5米，宽度宜为隧道开挖宽度的1/3～1/2，开挖循环进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5米，开挖后立即初喷3～5cm砼。上台阶开挖失跨比应大于0.3，开挖后应及时进行喷、锚、网系统支护，架设钢架，在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°搭设锁脚锚杆，拱脚锚杆和钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度；

第2、3步：左、右侧中台阶开挖：开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5m，开挖高度一般为3～3.5m，左右侧台阶错开2～3m，开挖后立即初喷3～5cm砼，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°搭设锁脚锚杆，拱脚锚杆和钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度；

第4、5步：左、右侧下台阶开挖：开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5m，开挖高度一般为3～3.5m，左、右侧台阶错开2～3m，开挖后立即初喷3～5cm砼，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°搭设锁脚锚杆，拱脚锚杆和钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度；

第6步，上、中、下台阶预留核心土：各台阶开挖分别开挖后及时施作仰拱初期支护，完成两个隧道开挖、支护循环后，及时施作仰拱，仰拱分段长度宜为4～6m；

第7步，隧底开挖：每循环开挖进尺长度宜为2～3m开挖后及时施作仰拱初期支护，完成两个隧底开挖、支护循环后，及时施作仰拱，仰拱分段长度宜为4～6m。

如图1和图2所示，根据《隧道质量安全管理办法》等有关规定，结合现场围岩质量与隧道设计直径，其中隧道上台阶1进尺不大于13m，隧道上台阶1高度为3m，隧道中台阶2的高度为3m，隧道下台阶3高度为4.6m。隧道下台阶3在隧道上台阶1施工完毕后开始进行。

S23：临时支护，隧道的顶部和两个拱肩部通过架设木垛进行临时支护。

S3：隧道上台阶1紧接掌子面进行恒阻大变形锚索配合W型钢带支护；

步骤S3中包括如下步骤：

S31：隧道掘进后对断面喷浆封闭；

隧道掘进后及时对断面进行喷浆封闭，减少围岩与空气接触时间，如此，能够防止风化，保护围岩天然承载力。

S32：铺设钢筋网，先连接顶网，然后连接帮网和底网；

网片采用Φ8mm钢筋焊接形成钢筋网，网片逐点焊接，整体性好，钢筋网与钢筋网之间通过专用连网器工具，具体地，采用钩扣连接，先连接顶网，然后连接帮网和底网。钩扣连接的性能稳定、整体性好、连接强度高，提高了支护体系质量。

S33：钻孔，采用钻头钻顶部的锚索孔；

采用Φ32mm钻头钻孔，孔深为10000mm和4000mm，然后采用Φ90mm钻头扩孔，扩孔深度为500mm，扩孔时应注意孔口中心与首次打孔的孔口中心对齐，不可偏斜。如此，能够保证锚索顺利地装入锚索孔。

S34：安装锚索配合W型钢带支护，且顶锚索支护垂直隧道掘进方向布置。

利用锚索钻机进行锚索快速安装，预紧力为35t，一次张拉到位，需要定期检查锚索的预紧力，如果预紧力达不到要求，应及时补打，本实施例中的锚索外露长度要求在200～300mm，若安装压力表则外露长度应控制在400mm。顶锚索支护时配合W形钢带垂直隧道掘进方向布置。如果现场预紧力无法达到35t，可改变钢绞线结构实现注浆全长锚固工艺。

S4：台阶断面喷射混凝土；

隧道上台阶1断面喷混凝土，喷射的混凝土的厚度不小于100mm，厚度能够完全覆盖超前小导管并能形成一个相对平整的平面封闭围岩。

其中超前小导管置于拱部，进行超前支护。

S5：安装钢拱架；

为了给围岩变形预留空间，钢拱架12与恒阻锚索支护面预留一定间隙，其中，钢架采用工字钢钢架和矩形格栅钢架，与10m长恒阻锚索交错使用，间隔1.2m；施工时应确保钢架接头处螺栓紧固；钢架接头处应与锁脚锚杆焊接牢固；钢架支座板应位于稳定地基上，严禁出现钢架支座悬空的情况；钢架腹部、背部严禁回填片石等杂物，同时钢拱架可以进行背板加固，在施工钢拱架时利用千斤顶升顶，然后固定，产生一定的主动支撑能力。

S6：隧道中台阶2和隧道下台阶3进行恒阻大变形锚索配合W型钢带13支护；

隧道上台阶初期支护完成，对隧道中台阶2和隧道下台阶3实施恒阻大变形锚索支护，具体的支护过程同步骤S3。

S7：重复步骤S4～S5的过程。

对隧道中台阶2和隧道下台阶3实施恒阻大变形锚索支护后，对隧道中台阶2和隧道下台阶3实施步骤S4～S5。

如图3和如图4所示，本实施例的优选方案中，步骤S34还包括以下步骤：

S341：安装直径为21.8mm、长度为10000mm的第一恒阻大变形锚索4，且各个第一恒阻大变形锚索4的角度根据围岩岩层不同节理产状调整、间排距为2000mm×1200mm；

S342：相邻的第一恒阻大变形锚索之间安装两个直径为21.8mm、长度为4000mm的第二恒阻大变形锚索5，且各个第二恒阻大变形锚索5的角度根据围岩岩层不同节理产状调整、间排距为500mm×600mm；

S343：围岩继续发生形变时，在变形位置处的相邻的第一恒阻大变形锚索之间安装一个直径为21.8mm、长度为10000mm的第三恒阻大变形锚索6，进行局部加密，且各个第三恒阻大变形锚索6的角度根据围岩岩层不同节理产状调整、间排距为2000mm×1200mm。

具体地，恒阻大变形锚索耦合支护参数表如下表2所示：

表2-恒阻大变形锚索耦合支护参数表

综上，采用恒阻大变形锚索支护的完整的施工工序为：光面爆破施工→导管管棚施工→开挖隧道上台阶1→拱顶部位、两拱肩部架设木垛，进行临时支护→铺设钢筋网、安装拱顶恒阻大变形锚索→喷不小于100mm厚混凝土→安装钢拱架→开挖隧道中台阶2→铺设钢筋网、安装拱腰恒阻大变形锚索→喷不小于100mm厚混凝土→安装钢拱架→开挖隧道下台阶3→铺设钢筋网、安装拱腰恒阻大变形锚索→喷不小于100mm厚混凝土→安装钢拱架12→铺设防水布→二次衬砌。

需要说明的是，本文所表述的“第一”“第二”“第三”等词语，不是对具体顺序的限制，仅仅只是用于区分各个部件或功能。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种软岩隧道围岩大变形灾害的恒阻大变形锚索控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：

S1：对围岩进行光面爆破；

S2：隧道掘进成型并使用三台阶法开挖洞身，且对隧道的顶部和两个拱肩部进行临时支护；

S3：隧道上台阶紧接掌子面进行恒阻大变形锚索配合W型钢带支护；

S4：台阶断面喷射混凝土；

S5：安装钢拱架；

S5：隧道中台阶和隧道下台阶进行恒阻大变形锚索配合W型钢带支护；

S6：重复步骤S4～S5的过程。

2.如权利要求1所述的软岩隧道围岩大变形灾害的恒阻大变形锚索控制方法，其特征在于，所述步骤S2包括如下步骤：

S21：管棚施工，隧道斜井洞口采用大管棚进行加固；

S22：隧道掘进成型，采用三台阶法开挖洞身，且按照隧道上台阶、隧道中台阶、隧道下台阶的顺序依次开挖；

S23：临时支护，隧道的顶部和两个拱肩部通过架设木垛进行临时支护。

3.如权利要求1所述的软岩隧道围岩大变形灾害的恒阻大变形锚索控制方法，其特征在于，所述步骤S3包括如下步骤：

S31：隧道掘进后对断面喷浆封闭；

S32：铺设钢筋网，先连接顶网，然后连接帮网和底网；

S33：钻孔，采用钻头钻顶部的锚索孔；

S34：安装锚索配合W型钢带支护，且顶锚索支护垂直隧道掘进方向布置。

4.如权利要求3所述的软岩隧道围岩大变形灾害的恒阻大变形锚索控制方法，其特征在于，所述步骤S34还包括以下步骤：

S341：安装直径为21.8mm、长度为10000mm的第一恒阻大变形锚索，且各个第一恒阻大变形锚索角度根据围岩岩层不同节理产状调整、间排距为2000mm×1200mm；

S342：相邻的第一恒阻大变形锚索之间安装两个直径为21.8mm、长度为4000mm的第二恒阻大变形锚索，且各个第二恒阻大变形锚索角度根据围岩岩层不同节理产状调整、间排距为500mm×600mm；

S343：围岩继续发生形变时，在变形位置处的相邻的第一恒阻大变形锚索之间安装一个直径为21.8mm、长度为10000mm的第三恒阻大变形锚索，且各个第三恒阻大变形锚索角度根据围岩岩层不同节理产状调整、间排距为2000mm×1200mm。

5.如权利要求1所述的软岩隧道围岩大变形灾害的恒阻大变形锚索控制方法，其特征在于，所述步骤S1中：

所述光面爆破中采用的装药结构为：各断面爆破的周边眼采用空气柱间隔装药，其余各炮眼均采用孔底大药卷连续装药，并将雷管置于孔底倒数第二节药卷上，进行反向起爆。

6.如权利要求1所述的软岩隧道围岩大变形灾害的恒阻大变形锚索控制方法，其特征在于，所述步骤S4中：

喷射的混凝土的厚度不小于100mm，且喷射的混凝土的厚度能够全面覆盖超前小导管并形成一个平整的平面封闭围岩。

7.如权利要求1所述的软岩隧道围岩大变形灾害的恒阻大变形锚索控制方法，其特征在于，所述步骤S5中：

所述钢拱架与恒阻大变形锚索支护面预留一定间隙，且所述钢拱架采用工字钢钢架和矩形格栅钢架。

8.如权利要求1所述的软岩隧道围岩大变形灾害的恒阻大变形锚索控制方法，其特征在于，所述隧道上台阶的进尺不大于13m、高度为3m，所述隧道中台阶的高度为3m，所述隧道下台阶的高度为4.6m。

9.如权利要求3所述的软岩隧道围岩大变形灾害的恒阻大变形锚索控制方法，其特征在于，所述钢筋网的网片采用Φ8mm钢筋焊接而成，且相邻的网片之间通过钩扣连接。

10.如权利要求3所述的软岩隧道围岩大变形灾害的恒阻大变形锚索控制方法，其特征在于，所述步骤S33中：

钻孔采用Φ32mm钻头钻孔，孔深为10000mm和4000mm，扩孔采用Φ90mm钻头进行扩孔，扩孔深度为500mm。