CN110725708A - 利用缆索加固隧道围岩整体性与稳定性的结构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了利用缆索加固隧道围岩整体性与稳定性的结构及方法，它包括开挖在围岩体内部的隧道，所述隧道的顶部锚固有锚杆，所述锚杆之间通过缆索固定相连，所述缆索的两端分别通过索塔式隧道洞口或者承压式隧道洞口分别于隧道式锚碇固定相连，并对其两端进行锚固。其广泛适用于隧道开挖过程中溶洞、断层破碎带、地层岩性与地质构造复杂等多种地质不良地段，将有助于隧道围岩避免大规模塌方，减小隧道施工突发灾害的可能性。
Description
技术领域
本发明涉及隧道围岩施工技术领域，特别是利用缆索加固隧道围岩整体性与稳定性的结构及方法。
背景技术
传统的隧道开挖方法有钻爆法和掘进机法等。钻爆法开挖隧道，在开挖大断面时对周围扰动太大，控制超挖边界困难，如果前期地质勘测岩性不完全的时候，爆破时产生的扰动较大容易引起塌方，费时费工。掘进机法在进行大断面隧道开挖时速度较慢，特别是遇到石方等坚硬的地段时开挖速度慢，支护不及时，支护不能迅速成型。
发明内容
本发明目的是提供利用缆索加固隧道围岩整体性与稳定性的结构及方法，在开挖主隧道前对隧道边界进行临时隧道的开挖，然后按开挖顺序进行锚固支护，加强隧道围岩的整体性与稳定性，然后再用缆索对锚杆进行连接形成纵向受力整体，很好的利用小断面开挖避免对周围围岩的大范围扰动，对地质不好的地段提前处理与防范。对周围围岩进行锚固有利于处理隧道开挖过程中塌方的问题。其广泛适用于隧道开挖过程中溶洞、断层破碎带、地层岩性与地质构造复杂等多种地质不良地段，将有助于隧道围岩避免大规模塌方，减小隧道施工突发灾害的可能性。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：利用缆索加固隧道围岩整体性与稳定性的结构，它包括开挖在围岩体内部的隧道，所述隧道的顶部锚固有锚杆，所述锚杆之间通过缆索固定相连，所述缆索的两端分别通过索塔式隧道洞口或者承压式隧道洞口分别于隧道式锚碇固定相连，并对其两端进行锚固。
所有的锚杆分别通过索夹与缆索固定相连，并连接成为整体受力结构。
所述缆索的外部包裹套装有高温防火套管。
所述隧道式锚碇与隧道洞口结合使用，分别设置在主隧道洞口的两侧位置，所述缆索绕过设置在洞口位置的索塔式隧道洞口，所述缆索包括多根散索，所述散索的一端分别于隧道式锚碇相连，并绕过索塔式隧道洞口顶部的索鞍，另一端汇聚在一起之后穿过钢管与锚杆固定相连；所述隧道式锚碇采用倾斜布置。
所述隧道式锚碇分别设置在主隧道洞口两侧上方，所述缆索绕过设置在洞口位置的承压式隧道洞口，所述缆索包括多根散索，所述散索的一端分别于隧道式锚碇相连，并绕过承压式隧道洞口的索鞍，另一端汇聚在一起之后穿过钢管与锚杆固定相连；所述隧道式锚碇采用倾斜布置。
所述锚杆包括杆体，所述杆体的端头固定有垫板，所述垫板通过螺母固定在杆体的端头位置。
所述锚杆包括杆体，所述杆体的端头固定有垫板，在垫板的外端面固定有螺母，所述螺母的外端面固定有受力垫板，所述受力垫板的外端面固定有螺母。
任意一项所述缆索加固隧道围岩整体性与稳定性的结构进行隧道围岩加固的方法，其特征在于它包括以下步骤：
Step1，计算：通过前期地质勘测与设计选取主隧道洞口位置，选取隧道式锚碇的位置确定间距；
Step2，隧道式锚碇施工布置：首先对隧道式锚碇的隧道进行开挖，依据实际情况确定隧道的宽度a、高度2a、深度H和倾斜角α，然后对其布设锚杆骨架，浇筑混凝土；
Step3，索塔式隧道洞口施工布置：根据设计确定洞口位置立好洞门拱架，并且构建索塔和隧道洞口的基础骨架，洞身长度10-30米视情况而定，然后布置倾斜口径为D的钢管，然后浇筑混凝土做好基础，依据实际情况确定索塔高度H，保证索塔的抗压能力；
Step4，临时隧道施工：利用悬臂式掘进机对临时隧道进行开挖，依据设计第一个临时隧道从主隧道洞顶开始，依次向两边开挖，可利用台阶法施工，将整个断面的临时隧道同时开挖，注意开挖距离，临时隧道开挖距离达到10m时，停止开挖进行围岩锚固程序，依次反复施工；
Step5，锚杆布置：在临时隧道里面对锚杆位置进行放样，用锚固钻机进行钻孔横向等间距钻取多行行孔径为D，深度为H的灌注孔，每行等距钻取相应的多个灌注孔，在灌注孔内放置杆体，进行砂浆的灌注，然后组装完成锚杆，用长垫板把横向多个锚杆组装连接成锚杆组，再用长垫板把纵向多个锚杆连接组装，形成田字形受力整体；
Step6，缆索组装：在索塔上安装散索鞍，缆索通过散索鞍进入临时隧道，缆索布置在锚杆组中间，通过索夹缆索与锚杆连接，然后对缆索施加预应力，使其缆索的预应力达到设计要求，再用高温防火套管对缆索进行环形包扎缠绕包裹；
Step7，缆索型号选取：在隧道内部依据前期勘测设计及现场施工情况，对危险不稳定系数大的部位缆索要进行单独加固加粗设计，对这一部位进行加强处理；
Step8，主隧道开挖：对主隧道采用爆破法开挖，在爆破过程中要注意爆破装置安放位置，爆破时的冲击力对已安装好的缆索和锚杆组的影响要做到最小，然后架设钢拱架，进行下一步施工。
本发明有如下有益效果：
1、本发明针对隧道开挖过程中大断面开挖时易对周围围岩扰动太大引起的塌方，引起塌方再处理费时费力，所以本发明开挖方法先开挖小断面对周围围岩的扰动大大减小，有利于提前处理地质不好的断面，避免引起大规模塌方。
2、本发明创新的将缆索运用到隧道围岩的支护上，充分利用缆索良好的拉力，利用缆索的拉应力给隧道围岩一个向上的力，相当于把整个隧道围岩撑起来，把隧道围岩的垂直方向的力传递给缆索变成水平力传递出去，加强了隧道的初期支护，有效减轻了隧道支护的受力。
3、本发明使用锚杆组，将锚杆连成整体更好的与隧道围岩锚固，形成一个锚固整体，锚杆之间相互连接成组，对隧道围岩进行局部的锚固强化，大大减小局部变形，然后形成的锚杆组将纵断面间形成一个受力整体，隧道围岩产生变形则锚杆组可以将力更好的传递给缆索。
4.、本发明使用索夹，锚杆和缆索的链接的索夹位置要与缆索和缆索的索夹链接要相互错开，可以更好的承受拉压力，避免脆弱的接口处提早发生破坏更加安全，增加结构的耐久性、稳定性和安全性。
5、本发明创新的将索塔与隧道洞口相结合，一方面在隧道洞口可以节省空间，另一方面加强了隧道洞口抵抗落石及滑坡的能力，也可以强化隧道洞口稳定边坡的能力,索塔式隧道洞口主要承受缆索的压弯力。
6、本发明使用隧道式锚碇，充分利用现场的施工队伍以及技术优势建造方便，隧道式锚碇更节省空间，也可以对隧道洞口处的路基起到保护和加固的作用，可大幅降低工程造价。
7、本发明所述的半圆开挖法，先开挖小隧道进去有利于提前对隧道围岩进行锚固，更有效的控制隧道超欠挖现象，有利于提前处理地质不好的断面，后续方便主隧道的开挖。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明所涉及第一种情况的隧道式锚碇示意图。
图2为本发明所涉及第二种情况的隧道式锚碇示意图。
图3为本发明所涉及第一种情况的隧道式锚碇局部示意图。
图4为本发明所涉及临时隧道开挖顺序示意图。
图5为本发明所涉及缆索受力传递示意图。
图6为本发明所涉及锚杆示意图。
图7为本发明所涉及锚杆组示意图。
图8为本发明所涉及锚杆组与缆索平面组装示意图。
图中：缆索1、锚杆2、索塔式隧道洞口3、隧道式锚碇4、高温防火套管5、围岩体7、隧道8、钢管9、承压式隧道洞口10、垫板11、螺母12、受力垫板13。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
实施例1：
参见图1-8，利用缆索加固隧道围岩整体性与稳定性的结构，它包括开挖在围岩体7内部的隧道8，所述隧道8的顶部锚固有锚杆2，所述锚杆2之间通过缆索1固定相连，所述缆索1的两端分别通过索塔式隧道洞口3或者承压式隧道洞口10分别于隧道式锚碇4固定相连，并对其两端进行锚固。通过采用上述的结构，在隧道围岩加固过程中，利用缆索1产生的纵向拉力对围岩产生一个向岩土体内的力，提高隧道围岩的整体性和稳定性使整个隧道围岩达到受力平衡，抵消隧道围岩的变形，减小隧道支护受力。
进一步的，所有的锚杆2分别通过索夹与缆索1固定相连，并连接成为整体受力结构。将锚杆2连成整体更好的与隧道围岩锚固，形成一个受力整体，减小局部变形，然后形成的锚杆组也可以更好的与缆索1组装链接形成受力体。
进一步的，所述缆索1的外部包裹套装有高温防火套管5。
进一步的，所述隧道式锚碇4与隧道洞口结合使用，分别设置在主隧道洞口的两侧位置，所述缆索1绕过设置在洞口位置的索塔式隧道洞口3，所述缆索1包括多根散索，所述散索的一端分别于隧道式锚碇4相连，并绕过索塔式隧道洞口3顶部的索鞍，另一端汇聚在一起之后穿过钢管9与锚杆2固定相连；所述隧道式锚碇4采用倾斜布置。将索塔与隧道洞口相结合，一方面在隧道洞口可以节省空间，另一方面加强了隧道洞口抵抗落石及滑坡的能力，也可以强化隧道洞口稳定边坡的能力,索塔式隧道洞口主要承受缆索1的压弯力。充分利用现场的施工队伍以及技术优势建造方便，隧道式锚碇4更节省空间，也可以对隧道洞口处的路基起到保护和加固的作用，可大幅降低工程造价。
进一步的，所述隧道式锚碇4分别设置在主隧道洞口两侧上方，所述缆索1绕过设置在洞口位置的承压式隧道洞口10，所述缆索1包括多根散索，所述散索的一端分别于隧道式锚碇4相连，并绕过承压式隧道洞口10的索鞍，另一端汇聚在一起之后穿过钢管9与锚杆2固定相连；所述隧道式锚碇4采用倾斜布置。采用倾斜布置，有利于增加锚固力，使结构更加安全稳定，节省成本得到锚固力最大化。
进一步的，所述锚杆2包括杆体，所述杆体的端头固定有垫板11，所述垫板11通过螺母12固定在杆体的端头位置。
进一步的，所述锚杆2包括杆体，所述杆体的端头固定有垫板11，在垫板11的外端面固定有螺母12，所述螺母12的外端面固定有受力垫板13，所述受力垫板13的外端面固定有螺母12。
进一步的，高温防火套管5有利于保护缆索1及锚杆2组不受锈蚀、也可在后面主隧道后续开挖的过程中保护缆索1避免受到冲击破坏。
实施例2：
任意一项所述缆索加固隧道围岩整体性与稳定性的结构进行隧道围岩加固的方法，其特征在于它包括以下步骤：
Step1，计算：通过前期地质勘测与设计选取主隧道洞口位置，选取隧道式锚碇4的位置确定间距；
Step2，隧道式锚碇4施工布置：首先对隧道式锚碇4的隧道进行开挖，依据实际情况确定隧道的宽度a、高度2a、深度H和倾斜角α，然后对其布设锚杆骨架，浇筑混凝土；
Step3，索塔式隧道洞口3施工布置：根据设计确定洞口位置立好洞门拱架，并且构建索塔和隧道洞口的基础骨架，洞身长度10-30米视情况而定，然后布置倾斜口径为D的钢管9，然后浇筑混凝土做好基础，依据实际情况确定索塔高度H，保证索塔的抗压能力；
Step4，临时隧道施工：利用悬臂式掘进机对临时隧道进行开挖，依据设计第一个临时隧道从主隧道洞顶开始，依次向两边开挖，可利用台阶法施工，将整个断面的临时隧道同时开挖，注意开挖距离，临时隧道开挖距离达到10m时，停止开挖进行围岩锚固程序，依次反复施工；
Step5，锚杆2布置：在临时隧道里面对锚杆2位置进行放样，用锚固钻机进行钻孔横向等间距钻取多行行孔径为D，深度为H的灌注孔，每行等距钻取相应的多个灌注孔，在灌注孔内放置杆体，进行砂浆的灌注，然后组装完成锚杆2，用长垫板把横向多个锚杆2组装连接成锚杆2组，再用长垫板把纵向多个锚杆2连接组装，形成田字形受力整体；
Step6，缆索1组装：在索塔上安装散索鞍，缆索1通过散索鞍进入临时隧道，缆索1布置在锚杆2组中间，通过索夹6缆索1与锚杆2连接，然后对缆索1施加预应力，使其缆索1的预应力达到设计要求，再用高温防火套管5对缆索1进行环形包扎缠绕包裹；
Step7，缆索1型号选取：在隧道内部依据前期勘测设计及现场施工情况，对危险不稳定系数大的部位缆索要进行单独加固加粗设计，对这一部位进行加强处理；
Step8，主隧道开挖：对主隧道采用爆破法开挖，在爆破过程中要注意爆破装置安放位置，爆破时的冲击力对已安装好的缆索和锚杆组的影响要做到最小，然后架设钢拱架，进行下一步施工。
本发明的原理为：缆索1通过索夹与锚杆2连接成受力整体，锚杆2的垂直方向的力通过索夹传递给缆索1转化变成纵向水平方向的水平力，利用缆索1产生的纵向拉力对围岩产生一个向岩土体内的径向的力，提高隧道围岩的整体性和稳定性使整个隧道围岩达到受力平衡，在横向方向锚杆组互相锚固紧密排列。
实施例3：
隧道式锚碇4以实际情况分为两种情况，第一种采用隧道式锚碇4与隧道洞口结合使用，包括以下步骤：①隧道式锚碇4分别在主隧道洞口两侧开挖其隧道宽度a、高度2a、深度H、倾斜角α，②隧道洞口上面建造索塔高度H，并且在隧道洞口预埋径口D的钢管，③在索塔上安装散索鞍，将缆索1连接在锚碇上，通过散索鞍分散，穿过钢管进入隧道中。在上述方法中锚碇隧道的宽度a、高度2a、深度H、倾斜角α、索塔高度H、径口D的钢管都由实际情况决定。
第二种采用隧道洞口上方开挖隧道式锚碇4，包括以下步骤：①隧道式锚碇4分别在主隧道洞口两侧上方开挖其隧道宽度a、高度2a、深度H、倾斜角α，②根据实际勘测与设计在锚碇附近建造索塔其高度为H。②增加隧道洞口的钢筋量，并且在隧道洞口预埋径口D的钢管，③在索塔上安装散索鞍，将缆索1连接在锚碇上，通过散索鞍分散，穿过钢管进入隧道中。在上述方法中锚碇隧道的宽度a、高度2a、深度H、倾斜角α、索塔高度H、径口D的钢管都由实际情况决定。
利用现有开挖隧道技术，钻爆法、掘进机法，对临时隧道进行开挖，①经过前期勘探和设计确定临时隧道德开挖位置及开挖顺序，第一个临时隧道要从主隧道洞顶开始，后面再根据需要再向两侧围岩开挖，如图3。②在开挖临时隧道的同时对已挖好的隧道围岩进行锚固工序。
锚杆2装置由杆体、垫板和螺母组成，①在临时隧道里面对锚杆2位置进行放样，②用锚固钻机进行钻孔横向等间距钻取X行孔径为D，深度为H的灌注孔，③每行等距钻取N个灌注孔，在灌注孔内放置杆体，进行砂浆的灌注，然后组装完成锚杆2，再用受力垫板把横向N个锚杆2组装连接成锚杆组，形成受力整体。在上述方法中灌注孔的行数X、个数N、孔径D、深度H都由实际情况决定，如图8。
①将缆索1通过索夹与锚杆2组进行组装，②缆索1要一节一节进入分别与锚杆2连接，锚杆2与缆索1连接和缆索1与缆索1连接的两个接口要错开至少20cm，③索夹将受锚杆2组的竖向荷载转换传递给缆索1，如图5，即缆索1承受水平拉力，缆索1将力传递出，通过塔顶鞍座将自身受力传递给锚碇；
缆索加固与保护处理，①可对缆索1进行加套管增加承受力，可分为1、2、3级对不同的部位承受压力不一样可以根据需要择优选取，②用高温防火套管5对缆索1进行包裹，对锚杆2组也进行包裹，避免后期主隧道开挖时对缆索1及锚杆2产生破坏影响，也可以防止锚杆2和缆索1锈蚀，增加耐久性与稳定性。
Claims (8)
1.利用缆索加固隧道围岩整体性与稳定性的结构，其特征在于：它包括开挖在围岩体（7）内部的隧道（8），所述隧道（8）的顶部锚固有锚杆（2），所述锚杆（2）之间通过缆索（1）固定相连，所述缆索（1）的两端分别通过索塔式隧道洞口（3）或者承压式隧道洞口（10）分别于隧道式锚碇（4）固定相连，并对其两端进行锚固。
2.根据权利要求1所述利用缆索加固隧道围岩整体性与稳定性的结构，其特征在于：所有的锚杆（2）分别通过索夹与缆索（1）固定相连，并连接成为整体受力结构。
3.根据权利要求1所述利用缆索加固隧道围岩整体性与稳定性的结构，其特征在于：所述缆索（1）的外部包裹套装有高温防火套管（5）。
4.根据权利要求1所述利用缆索加固隧道围岩整体性与稳定性的结构，其特征在于：所述隧道式锚碇（4）与隧道洞口结合使用，分别设置在主隧道洞口的两侧位置，所述缆索（1）绕过设置在洞口位置的索塔式隧道洞口（3），所述缆索（1）包括多根散索，所述散索的一端分别于隧道式锚碇（4）相连，并绕过索塔式隧道洞口（3）顶部的索鞍，另一端汇聚在一起之后穿过钢管（9）与锚杆（2）固定相连；所述隧道式锚碇（4）采用倾斜布置。
5.根据权利要求1所述利用缆索加固隧道围岩整体性与稳定性的结构，其特征在于：所述隧道式锚碇（4）分别设置在主隧道洞口两侧上方，所述缆索（1）绕过设置在洞口位置的承压式隧道洞口（10），所述缆索（1）包括多根散索，所述散索的一端分别于隧道式锚碇（4）相连，并绕过承压式隧道洞口（10）的索鞍，另一端汇聚在一起之后穿过钢管（9）与锚杆（2）固定相连；所述隧道式锚碇（4）采用倾斜布置。
6.根据权利要求1所述利用缆索加固隧道围岩整体性与稳定性的结构，其特征在于：所述锚杆（2）包括杆体，所述杆体的端头固定有垫板（11），所述垫板（11）通过螺母（12）固定在杆体的端头位置。
7.根据权利要求1所述利用缆索加固隧道围岩整体性与稳定性的结构，其特征在于：所述锚杆（2）包括杆体，所述杆体的端头固定有垫板（11），在垫板（11）的外端面固定有螺母（12），所述螺母（12）的外端面固定有受力垫板（13），所述受力垫板（13）的外端面固定有螺母（12）。
8.采用权利要求1-7任意一项所述缆索加固隧道围岩整体性与稳定性的结构进行隧道围岩加固的方法，其特征在于它包括以下步骤：
Step1，计算：通过前期地质勘测与设计选取主隧道洞口位置，选取隧道式锚碇（4）的位置确定间距；
Step2，隧道式锚碇（4）施工布置：首先对隧道式锚碇（4）的隧道进行开挖，依据实际情况确定隧道的宽度a、高度2a、深度H和倾斜角α，然后对其布设锚杆骨架，浇筑混凝土；
Step3，索塔式隧道洞口（3）施工布置：根据设计确定洞口位置立好洞门拱架，并且构建索塔和隧道洞口的基础骨架，洞身长度10-30米视情况而定，然后布置倾斜口径为D的钢管（9），然后浇筑混凝土做好基础，依据实际情况确定索塔高度H，保证索塔的抗压能力；
Step4，临时隧道施工：利用悬臂式掘进机对临时隧道进行开挖，依据设计第一个临时隧道从主隧道洞顶开始，依次向两边开挖，可利用台阶法施工，将整个断面的临时隧道同时开挖，注意开挖距离，临时隧道开挖距离达到10m时，停止开挖进行围岩锚固程序，依次反复施工；
Step5，锚杆（2）布置：在临时隧道里面对锚杆（2）位置进行放样，用锚固钻机进行钻孔横向等间距钻取多行行孔径为D，深度为H的灌注孔，每行等距钻取相应的多个灌注孔，在灌注孔内放置杆体，进行砂浆的灌注，然后组装完成锚杆（2），用长垫板把横向多个锚杆（2）组装连接成锚杆（2）组，再用长垫板把纵向多个锚杆（2）连接组装，形成田字形受力整体；
Step6，缆索（1）组装：在索塔上安装散索鞍，缆索（1）通过散索鞍进入临时隧道，缆索（1）布置在锚杆（2）组中间，通过索夹（6）缆索（1）与锚杆（2）连接，然后对缆索（1）施加预应力，使其缆索（1）的预应力达到设计要求，再用高温防火套管（5）对缆索（1）进行环形包扎缠绕包裹；
Step7，缆索（1）型号选取：在隧道内部依据前期勘测设计及现场施工情况，对危险不稳定系数大的部位缆索要进行单独加固加粗设计，对这一部位进行加强处理；
Step8，主隧道开挖：对主隧道采用爆破法开挖，在爆破过程中要注意爆破装置安放位置，爆破时的冲击力对已安装好的缆索和锚杆组的影响要做到最小，然后架设钢拱架，进行下一步施工。
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