CN110671125A - 一种锚支组合支护体系及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锚支组合支护体系和其施工方法，所述锚支组合支护体系由支护面板、组装锚杆和填充层等构成。支护面板预留有贯通的填充预留孔和锚杆组装孔，多块支护面板拼装成环后，通过预留孔洞安设组装锚杆和空隙填充，使支护面板、填充层、锚杆与周边围岩形成受力整体，稳固周边围岩。本发明所提供的锚支组合支护体系的建造过程能够实现隧道和地下空间的支护快速封闭成环，重建围岩三维应力状态，提供稳定空间，并能有效控制围岩变形，杜绝喷浆作业，节约资源，减少污染，降低劳动强度、提升效率和质量安全水平等优点，最终实现隧道和地下空间初期支护的安全、快速、绿色建造。

Description

一种锚支组合支护体系及施工方法

技术领域

本发明属于隧道及地下工程领域，具体涉及一种锚支组合支护结构体系，以及上述锚支组合支护结构体系的具体施工方法。

背景技术

现阶段，隧道或地下空间开挖后，通常采用敷设钢架及钢筋网片并喷射混凝土的方式形成临时支护，辅以打设系统锚杆，抑制围岩变形坍塌。其施工存在安全风险高、机械化程度低、劳动强度大、工作环境恶劣、材料浪费严重、质量难保证等问题，是一种高风险、重污染、低效率的施工作业。

亦有工程采用预制高强度管片进行支护，如此则存在结构刚度大，周边围岩不能有效释放内部应力，无法充分发挥围岩自身承载能力，导致临时支护结构的材料浪费或临时结构破损失效。

基于以上问题，本专利提出一种既能快速维持开挖空间的稳定，又能按需释放一定围岩内部能量的支护体系及其高效、环保的施工方法。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种锚支组合支护体系，藉此，在隧道或地下空间开挖后，可以及时重构岩土松弛区的三维应力分布，有效抑制岩土松弛区的发展，实现围岩(开挖扰动区)较低应力水平下的稳定状态。

本发明的另一个目的是提供一种实施上述锚支组合支护体系的施工方法，可以实现地下空间初期支护的快速绿色建造，提升地下工程施工的标准化、机械化和工业化水平。

本发明可以有效解决现有支护体系所存在的安全、造价、工效和环保问题，具有很大的实用价值。

本发明提供一种锚支组合支护体系，包括面板、锚杆和填充层；所述面板由面板单元组合而成，面板单元为曲面或平面，多块面板单元组合形成地下工程空间支护界面；所述锚杆贯穿面板单元上的锚杆预留孔植入到周边围岩中；所述填充层位于所述面板与周边围岩之间，由填充材料构成。

其中，面板对开挖后的周边围岩进行及时封闭支护，根据具体工程情况，面板可全断面敷设也可局部敷设。

其中，面板单元的几何尺寸和数量根据具体工程情况进行具体设计。

其中，所述面板单元为工厂或现场预制，面板单元可为混凝土板、钢筋混凝土板、钢拱架混凝土复合板、纤维混凝土板或其他材质板。

其中，所述面板单元根据需要设置或不设置便于安装的抓举构造、单元拼接构造、填充预留孔、锚杆组装孔等构造。所述填充预留孔、锚杆组装孔的数量和位置可根据具体情况进行具体设计。

其中，所述面板单元之间设有连接，形成的结构体具备一定刚度，并允许适当变形。所述面板单元间连接形式包括但不限于无连接、榫槽连接、螺栓连接、球铰连接、承插式连接等。

其中，所述面板预留连接处如需考虑变形需求和施工工艺影响，可预留一定空隙。

其中，锚杆的一端与面板单元牢固连接，另一端锚固于周边围岩中。

其中，面板单元装配完成后，可打开预设的锚杆组装孔安设锚杆。

其中，上述组装锚杆可全组装孔安装，也可部分组装孔安装。

其中，组装锚杆与围岩的锚固方式可为充填式、药包式、注浆式、膨胀式、滑槽式和其他形式中的任意一种，使面板单元与深部围岩形成连接，重建周边围岩的三维应力状态，发挥周边围岩自承载能力。

其中，面板装配后，打开面板上的填充预留孔，向孔内置入填充材料，形成填充层，充填面板与周边围岩的空隙，改善面板的受力状态。

其中，填充材料可为浆液、颗粒材料或流塑性材料等其他材料中的一种或多种组合。

其中，填充作业可在锚杆组装后实施，也可在锚杆组装前实施。

本发明的锚支组合支护体系的施工组合做以下说明，可采用面板+锚杆+填充层的组合形式，也可采用面板+锚杆或面板+填充层的组合形式，亦可单独采用面板支护形式。

最后，本发明还公开了上述锚支组合支护体系的施工方法，其包括以下步骤：

S1)围岩开挖。按照地下结构的设计轮廓进行开挖，形成施工锚支结构体系的工作面；

S2)拼装面板。在开挖形成的待支护裸露围岩上，及时按照设计顺序安装面板，形成临时稳定空间。面板间根据地层情况采用适当刚度的连接方式。

S3)打设锚杆。根据需求，逐个打开锚杆预留孔，钻孔安装组装式锚杆，并将锚杆与围岩进行锚固；和/或

S4)填充空隙。逐个打开填充预留孔，对面板外侧面与周边围岩的接触空隙进行填充作业；

其中，根据现场需求，步骤S3)和S4)可单独采用。全部采用时，实施顺序可根据具体情况进行调整。

本发明具有优点如下：(1)采用锚支组合支护施工，可优化开挖空间界面围岩的受力模式，减小围岩松弛发展，发挥周边围岩的自承载能力，提高开挖空间的安全性；(2)组装锚杆和填充层的组合设置，能根据现场实际情况动态调整支护体系强度，提高了对异常情况的应对能力；(3)采用支护面板替代传统喷射混凝土施工，消除了支护施工的喷射混凝土作业，可大大改善施工作业环境；(4)支护面板工厂化生产，质量稳定，减小洞内工作量，提高施工效率；(5)锚支组合支护体系能够实现地下空间的快挖快支，及时封闭成环，能有效提高施工环境的安全性；(6)预制构件的高强度可有效减少原有钢架和混凝土的耗用，拼装式作业能有效降低现场施工材料机具浪费，具有良好的经济性。

附图说明

图1为锚支组合支护体系剖面示意图；

图2为隧道锚支组合支护体系横剖面示意图；

图3为隧道锚支组合支护体系纵剖面示意图；

图4为面板单元(以榫槽式连接为例)纵剖面示意图；

图5为面板单元(以榫槽式连接为例)纵剖面示意图；

图6为隧道分部开挖法锚支组合支护体系横剖面示意图；

图7为异型地下空间锚支组合支护体系横剖面示意图；

其中：1、面板单元，2、隧道开挖面，3、开挖轮廓线，4、面板与开挖轮廓线间空隙，5、周边围岩，6、组装锚杆，7、隧道仰拱，8、隧道衬砌，10、中隔板(柱)、11、板间连接(榫槽连接为例)，12、环间连接(榫槽连接为例)，13、锚杆组装孔，14、填充预留孔，15、吊装环，101、底板，102、顶板，103侧墙板(柱)，21、上部岩土体，22、下部岩土体，41、填充层，71、填充路面，81、装饰层。

具体实施方式

以下结合说明书附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

参见图1-图3，本发明公布了一种锚支组合支护体系的实例，包括支护面板1、组装锚杆6和填充层41等。

具体实施方式如下：

步骤a、在周边围岩5中按照设计开挖轮廓线3开挖岩土体，形成隧道开挖面2和环向的开挖轮廓线3。

步骤b、待开挖出足够的岩土体，形成一定的空间，满足施做锚支结构体系的空间需求。按一定顺序，将预制的面板单元1逐一进行拼装。本实施例中，拼装顺序采用自底部开始，左右对称向顶部拼装，形成全断面闭合环。其他具体实施例中，也可按照其他顺序进行装配。

步骤c、拼装成环的面板单元1构成隧道锚支组合支护体系的一部分。面板1的环与环间由环间连接12连接成整体，面板1单环的板与板间由板间连接11连接成环。

步骤d、隧道面板单元1成环后，依次打开各个面板单元1上预留的锚杆组装孔13，采用钻孔机具对隧道面板单元1外侧的围岩5进行钻孔，安设组装锚杆6。组装锚杆6作用是使隧道支护面板单元1与周边围岩5形成连接，重建周边围岩5的三维应力状态，发挥围岩5自承载能力，减小面板单元1受力。具体实施例中，组装锚杆6可选择全锚固型锚杆、摩擦型锚杆或并用型锚杆，可将预留的锚杆组装孔13全部安设组装锚杆6，也可部分组装锚杆孔13安设组装锚杆6。

步骤e、隧道支护面板单元1成环后，按一定顺序打开填充预留孔14进行填充作业，填充材料可为浆液、颗粒材料或流塑性材料等其他材料中的一种或多种组合，具体实施例可根据设计进行选择。充填作业用以回填支护面板与开挖轮廓线间空隙4，形成填充层41，改善面板1的受力状态。本实施例中，通过填充预留孔14注入固结浆液，使隧道支护面板1与周边围岩5成为整体，增大成环支护面板1的强度和稳定性，注浆压力应不超过0.5bar为宜。

步骤f、根据锚支组合支护体系的施工组合选择，隧道开挖空间待完成面板单元1装配、组装锚杆6安设、填充层41充填等工序后，进行隧道仰拱7和隧道衬砌8的施工。本实施例中，完成面板单元1装配、组装锚杆6安设和填充层41充填工序后，施工隧道仰拱7和隧道衬砌8。隧道仰拱7和隧道衬砌8的具体实施方式本发明不做具体说明。

参见图1和图6，本发明公布了一种锚支组合支护体系的又一实例，包括支护面板1、组装锚杆6和填充层41。

具体实施方式如下：

步骤a、在周边围岩5中按照设计开挖轮廓线3分部开挖岩土体，首先开挖上部岩土体21。

步骤b、待上部岩土体21开挖完成，形成一定的空间后，按一定顺序，将预制的面板单元1逐一进行拼装。本实施例中，拼装顺序采用自顶部开始，左右对称向底部拼装，并进行临时固定。其他具体实施例中，也可按照其他顺序进行装配。

步骤c、拼装完成的面板单元1构成隧道锚支组合支护体系的一部分。面板1由板间连接11连接成拱，面板1延隧道掘进方向由环间连接12连接成整体。

步骤d、隧道面板单元1成拱后，依次打开各个面板单元1上预留的锚杆组装孔13，采用钻孔机具对隧道面板单元1外侧的围岩5进行钻孔，安设组装锚杆6。组装锚杆6作用是使隧道支护面板单元1与周边围岩5形成连接，重建周边围岩5的三维应力状态，发挥围岩5自承载能力，减小面板单元1受力。具体实施例中，组装锚杆6可选择全锚固型锚杆、摩擦型锚杆或并用型锚杆，可将预留的锚杆组装孔13全部安设组装锚杆6，也可部分组装锚杆孔13安设组装锚杆6。

步骤e、隧道支护面板单元1成拱后，按一定顺序打开填充预留孔14进行填充作业，填充材料可为浆液、颗粒材料或流塑性材料等其他材料中的一种或多种组合，具体实施例可根据设计进行选择。充填作业用以回填支护面板与开挖轮廓线间空隙4，形成填充层41，改善面板1的受力状态。本实施例中，通过填充预留孔14吹入硬质细颗粒填充材料，并注入固结浆液，使隧道支护面板1与周边围岩5无空隙，优化成拱支护面板1的受力状态和稳定性。

步骤f、根据锚支组合支护体系的施工组合选择，隧道已开挖空间待完成面板单元1装配、组装锚杆6安设、填充层41充填等工序后，进行隧道下部岩土体22开挖、隧道仰拱7和隧道衬砌8的施工。本实施例中，完成面板单元1装配、组装锚杆6安设和填充层41充填工序后，进行隧道下部岩土体22开挖、隧道仰拱7和隧道衬砌8的施工。隧道下部岩土体22开挖、隧道仰拱7和隧道衬砌8施工的具体实施方式本发明不做具体说明。

参见图1和图7，本发明也公布了一种锚支组合支护体系，包括支护面板1、组装锚杆6和填充层41。支护面板1由底板101、顶板102、侧墙板103组成。其中，底板101和顶板102为弧面，侧墙板103为平面。

具体实施方式如下：

步骤a、在周边围岩5中按照设计开挖轮廓线3开挖岩土体，形成异型空间开挖面2和环向的开挖轮廓线3。本实施例中，异型空间开挖面2为类矩形，其他具体实施例的空间开挖面2可为其他异型断面形状。

步骤b、待开挖出足够的岩土体，形成一定的空间，满足施做锚支结构体系的空间需求。按一定顺序，将预制的支护面板1中的底板101、顶板102、侧墙板103，以及中隔板(柱)23逐一进行拼装，也可不拼装中隔板(柱)23。本实施例中，拼装顺序采用自底板101开始，左右对称拼装侧墙板103，再拼装顶板102，形成全断面闭合环，最后安装中隔板10。其他具体实施例中，也可按照其他顺序进行装配。

步骤c、拼装成环的支护面板1构成异型地下空间锚支组合支护体系的一部分。支护面板1的环与环间由环间连接12连接成整体，板与板间由板间连接11连接成环，中隔板(柱)10与底板101、顶板102间采用螺栓连接。

步骤d、异型地下空间面板单元1成环后，依次打开各个面板单元1上预留的锚杆组装孔13，采用钻孔机具对异型地下空间面板单元1外侧的围岩5进行钻孔，安设组装锚杆6。组装锚杆6作用是使异型地下空间支护面板单元1与周边围岩5形成连接，重建周边围岩5的三维应力状态，发挥围岩5自承载能力，减小面板单元1的受力。具体实施例中，组装锚杆6可选择全锚固型锚杆、摩擦型锚杆或并用型锚杆，可将预留的锚杆组装孔13全部安设组装锚杆6，也可部分组装锚杆孔13安设组装锚杆6。

步骤e、异型地下空间支护面板单元1成环后，按一定顺序打开填充预留孔14进行填充作业，填充材料可为浆液、颗粒材料或流塑性材料等其他材料中的一种或多种组合，具体实施例可根据设计进行选择。充填作业用以回填支护面板与开挖轮廓线间空隙4，形成填充层41，改善面板1的受力状态。本实施例中，通过预留孔14注入流塑状水泥砂浆，使异型地下空间支护面板1与周边围岩5成为整体，增大成环支护面板1的强度和稳定性。

步骤f、根据设计需求，待完成面板单元1装配、组装锚杆6安设、填充层41充填等工序后，进行异型地下空间其他相关工序的施工。本实施例中，完成面板单元1装配、组装锚杆6安设、填充层41充填等工序后，施做异型地下空间的填充路面81和装饰层91，填充路面81和装饰层91的施做不做具体表述。

本发明所述面板单元1的具体实施方式如下：

1、本发明中，多块支护面板单元1可拼装成环(拱)，并能与开挖轮廓线3外侧的周边围岩5紧密接触，仅存在很小的支护面板与开挖轮廓线间空隙4。每个环(拱圈)支护面板单元1的分块数量可根据具体情况进行具体设计。

2、面板单元1根据需要设置或不设置便于安装的抓举构造。本实施例中，面板单元1上设有吊装环15，说明书中图4和图5仅对吊装环15进行示意，其他具体实施例可根据现场具体情况进行具体设计。

3、本发明中，面板单元1上预设有贯通块体的锚杆组装孔13和填充预留孔14。说明书中图4和图5仅对锚杆组装孔13和填充预留孔14进行示意，锚杆组装孔13和填充预留孔14的具体数量和位置可依据具体情况进行具体设计。

4、本发明中，面板单元1间设有连接，连接形式包括但不限于无连接、榫槽连接、螺栓连接、球铰连接、承插式连接等。本实施例为方便说明，面板单元1侧面设有块间连接11和环间连接12，块间连接11和环间连接12均有一定预留间隙，块间连接11和环间连接12均采用榫槽连接，其他实施例也可采用其他方式。

本发明还公开了一种锚支组合支护体系的施工方法，其包括以下步骤：

S1、开挖围岩5。按设计轮廓线对隧道围岩1进行开挖，形成拼装面板单元1的一个作业循环宽的开挖进尺；

S2、拼装面板1。在开挖形成的待支护裸露围岩上，及时按照设计顺序安装面板单元1，形成临时稳定空间。本实施例中，先定位隧道中心线位置，再自底至顶，左右对称拼装面板单元1。拼装时做好与前一环的环间连接12和同一环的拼装块块间连接11；

S3、打设锚杆。根据需求，逐个打开锚杆预留孔13，钻孔安装组装式锚杆6，将锚杆6与围岩5进行锚固；

S4、逐个打开填充预留孔14，对面板单元1外侧与周边围岩的空隙4进行填充作业，形成填充层41；

其中，步骤S1、S2、与步骤S3、S4循环进行，形成流水施工。具体其他实施例中，根据现场需求，S3和S4步骤可单独采用，也可全部采用。全部采用时，实施顺序可相互调整。或：

S1、开挖围岩5。按设计轮廓线对隧道上部岩土体21开挖，形成拼装面板单元1的一个作业循环宽的开挖进尺；

S2、拼装面板1。在开挖形成的待支护裸露围岩上，及时按照设计顺序安装面板单元1，形成临时稳定空间。本实施例中，先定位隧道中心线位置，再自顶部开始，左右对称向底部拼装，并进行固定，面板1由板间连接11连接成拱，面板1沿隧道掘进方向由环间连接12连接成整体；

S3、打设锚杆6。根据需求，逐个打开锚杆预留孔13，钻孔安装组装式锚杆6，将锚杆6与围岩5进行锚固；

S4、逐个打开填充预留孔14，对面板单元1外侧与周边围岩的空隙4进行填充作业，形成填充层41；

S5、完成面板单元1装配、组装锚杆6安设和填充层41充填工序后，进行隧道下部岩土体22开挖、隧道仰拱7和隧道衬砌8的施工。

其中，步骤S1、S2、步骤S3和S4、步骤S5循环进行，形成流水施工。具体其他实施例中，根据现场需求，S3和S4步骤可全部采用，也可单独采用S3。全部采用时，实施顺序可相互调整。亦或：

S1、开挖围岩5。按设计轮廓线对地下空间围岩1进行开挖，形成拼装面板单元1的一个作业循环宽的开挖进尺；

S2、拼装面板1。在开挖形成的待支护裸露围岩上，及时按照设计顺序安装面板单元1，形成临时稳定空间。本实施例中，拼装顺序采用自底板101开始，左右对称拼装侧墙板103，再拼装顶板102，形成全断面闭合环，最后安装中隔板(柱)10。支护面板1的环与环间由环间连接12连接成整体，板与板间由板间连接11连接成环，中隔板(柱)10与底板101、顶板102间采用螺栓连接。

S3、打设锚杆。根据需求，逐个打开锚杆预留孔13，钻孔安装组装式锚杆6，将锚杆6与围岩5进行锚固；

S4、逐个打开填充预留孔14，对面板单元1外侧与周边围岩的空隙4进行填充作业，形成填充层41；

其中，步骤S1、S2、与步骤S3、S4循环进行，形成流水施工。具体其他实施例中，根据现场需求，S3和S4步骤可全部采用，也可单独采用S3。全部采用时，实施顺序可相互调整。

本发明的应用范围不限于实施例所举的隧道或地下工程施工，也可应用于其他岩土工程施工。

Claims (10)

1.一种锚支组合支护体系，包括面板、锚杆和填充层；所述面板由面板单元组合而成，所述面板单元为曲面或平面，多块面板单元组合形成地下工程空间支护界面；所述锚杆贯穿面板单元上的锚杆预留孔植入到周边围岩中；所述填充层位于所述面板与周边围岩之间，由填充材料构成。

2.根据权利要求1所述的锚支组合支护体系，其中，所述面板单元为混凝土板、钢筋混凝土板、钢拱架混凝土复合板、纤维混凝土板或其他材质板中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的锚支组合支护体系，其中，所述面板单元设置有便于安装的抓举构造、单元拼接构造、填充预留孔或锚杆组装孔。

4.根据权利要求3所述的锚支组合支护体系，其中，所述单元拼接构造为榫槽连接结构、螺栓连接结构、球铰连接结构或承插式连接结构。

5.根据权利要求1所述的锚支组合支护体系，其中，所述面板单元为工厂或现场预制。

6.根据权利要求1所述的锚支组合支护体系，其中，所述锚杆的一端与所述面板单元牢固连接，另一端锚固于周边围岩中。

7.根据权利要求1所述的锚支组合支护体系，其中，所述锚杆与围岩的锚固方式为充填式、药包式、注浆式、膨胀式、滑槽式和其他形式中的任意一种。

8.一种锚支组合支护体系的施工方法，其包括以下步骤：

S1)围岩开挖：按照地下结构的设计轮廓进行开挖，形成施工锚支结构体系的工作面；

S2)拼装面板：在开挖形成的待支护裸露围岩上，及时按照设计顺序安装面板，形成临时稳定空间，面板间根据地层情况采用适当刚度的连接方式；

S3)打设锚杆：根据需求，逐个打开锚杆预留孔，钻孔安装组装式锚杆，并将锚杆与围岩进行锚固；和/或

S4)填充空隙：逐个打开填充预留孔，对面板外侧面与周边围岩的接触空隙进行填充作业；

其中，根据现场需求，步骤S3)和S4)可单独采用；全部采用时，实施顺序可根据具体情况进行调整。

9.根据权利要求8所述的锚支组合支护体系的施工方法，其中，所述面板装配后，打开面板上的填充预留孔，向孔内置入填充材料，形成填充层，充填面板与周边围岩的空隙，改善面板的受力状态。

10.根据权利要求9所述的锚支组合支护体系的施工方法，其中，所述填充材料为浆液、颗粒材料或流塑性材料等其他材料中的一种或多种组合。

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