CN110905525A - 一种软土隧道高温烧结支护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种软土隧道高温加固支护方法，本发明根据软土经高温焙烧后的膨胀和强化机理，在软土隧道开挖之前，采用硅碳棒产生高温作用，对围岩土体进行焙烧，使其液化、融合、膨胀，待其冷却固结之后形成完整性好的烧结体，由此可以改善围岩的地质条件，减少渗透系数，并使围岩强度更高、更加致密，实现更好的软土隧道超前支护效果，提高围岩的整体稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，尤其涉及一种软土隧道高温烧结支护方法。
背景技术
随着工程技术的不断发展，对于自然的改造能力的不断提高，人们对于地下施工的能力也在不断提高，进一步地，随着城市化进程的不断发展，城市内地下施工的需求也越来越大，施工项目也越来越多。在实际施工过程中，会遇到各种各样的地质条件，在地质条件比较稳定的情况下，围岩稳定性高，隧道施工难度小，危险性低，而在地质条件较差的情况下，例如在一些在断层、破碎带、浅埋段；等自稳性较差或富水地层中，进行隧道开挖工作容易造成围岩松弛从而引发发生涌水、涌砂、坍塌等安全事故的发生。
为防止在施工过程中发生安全事故，保障施工人员的人身安全，当围岩的自稳能力在12h以内，甚至没有自稳能力时，为稳定隧道的开挖面、确保安全施工，施工人员往往需要在施工之前在隧道内做对应的防护措施，例如喷浆、衬砌、搭钢架等方法，以对地层进行注浆加固操作，同时也能起到堵水的作用。为应对不同地质条件下的隧道挖掘工作，产生了多种不同的隧道防护方法，例如冻结法、垂直锚杆法、水平高压旋喷法、管棚法以及注浆法，然而对于中砂及砂卵(砾)石，且卵(砾)石直径不大于60mm的地层等围岩稳定性较差或存在地下水的地质条件中，现有的防护方法都存在一定缺陷，无法满足现有施工要求。
授权公告号为CN 108590704 A的中国发明公开了一种小断面超前小导管注浆的预支护方法，所述预支护方法包括：封闭掌子面；布置预钻孔孔位，并基于所述预钻孔孔位进行打孔操作，以获得预注浆孔；将小导管打入所述预注浆孔，并对所述小导管进行固定操作；对所述小导管进行注浆操作，以获得注浆孔；检验所述注浆孔的支护效果，以完成隧道开挖前的预支护。通过对隧道开挖面的前方进行超前布置小导管，并通过该小导管喷灌混凝土以将隧道开挖前方的围岩稳固在一起，从而起到隧道开挖面的围岩的稳定性的效果，同时能够有效防水，进一步地将该小导管固定连接到一起，还进一步提升了超前小导管的稳固作用，提升了围岩的稳定性保障了隧道施工的安全性。
所述小断面超前小导管注浆的预支护方法，虽然喷灌混凝土以将隧道开挖前方的围岩稳固在一起，但其结构不够致密，整体性不够好，容易发生漏水的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种能够将隧道开挖前方的围岩稳固在一起且结构致密、整体性好的隧道加固支护方法。
为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：一种软土隧道高温烧结支护方法，该方法包括：步骤一：取若干目标软弱岩土体作为样本，通过电阻热棒对所述软弱岩土岩样进行高温加热，对所述软弱岩土受热烧结过程中的工程力学强度和加热强化参数进行测定,确定所述软弱岩土岩样的烧结体的强度与温度之间的关系，从而确定设计烧结温度及预定工程力学强度；步骤二：对工作面采取初期支护，在确定所述工作面无安全隐患后在工作面上进行钻孔；步骤三：钻孔完成后将钢管顶入，再将硅碳棒插入所述钢管中，再通过导线将所述硅碳棒连接到电源并进行同步加热施工；步骤四：启动所述电源，对掘进施工后的软弱岩土进行加热并对钢管外、钢管间距范围内的土体温度进行测量，当测量到的温度达到设计烧结温度时停止升温；步骤五：在设计烧结温度下对软弱岩土烧结体工程力学强度进行测定，加热体直至加热区域软弱岩土达到步骤一中的预定工程力学强度；步骤六：待所述区域软弱岩土温度恢复至正常温度后，拔出所述硅碳棒，立即进行常规支护并在所述烧结体的保护下开挖。在步骤二中对工作面采取钢管架进行初期支护，所述支护架在将钢管置入所钻的孔并进行加热的过程中还可以起到一个支撑的作用，在预支护完成之后，可以对所述初期支护的部分进行加强，形成后期支护，而不是采取先做一个临时支护后面在拆掉所述临时支护的方式。
进一步地，在步骤二中:钻孔过程中用高压风将钢管内的砂石吹出；所述孔孔径控制在3～5cm，钻孔直径比钢管直径大3～5mm；所述孔沿着隧道拱顶进行布置且布置间距控制在30～50cm。在钻孔过程中使用高压风将钢管内沙石吹出，使钢管更容易插入，所述孔径的要求和与钢管之间留出必要的缝隙便于钢管的插入，所述孔沿沿着隧道拱顶进行布置。
进一步地，在步骤三中:所述钢管采用310S不锈钢能耐1500℃以上的长时高温，所述硅碳棒最高能产生1300℃的高温；所述钢管以15～25°顶入钻好的孔内，顶入长度不小于钢管长度的90%，并用直顺的钢钎插入钢管内检测钢管直顺度和入孔深度，确保钢管直顺度和入孔深度符合要求后，再将硅碳棒无变形、不破坏地插入钢管内；所述钢管安装完成后，可以在所述钢管附近工作面喷射混凝土；所述硅碳棒长度控制在3m左右，硅碳棒直径比不锈钢管直径小3～5mm。在钢管安装完成之后，需在所述工作面喷射混凝土，使所述工作区域固定，防止在后面的加工过程中因为高热而导致工作面坍塌的情况，所述钢管无缝钢管，一侧设有便于插入的导向锥，另一侧设有开口，用于将碳硅棒放入其内部设置的空腔中。
进一步地，在步骤六中:拔出硅碳棒管过程中如果硅碳棒发生了脆性断裂，则可以留在钢管中；开挖时先进行隧道上半断面拱顶附近土体的开挖，待拱顶附近开挖完成后，进行初期支护型钢拱架的安装，同时将暴露在岩体外部钢管尾部采用“井”字支撑钢筋焊接在型钢拱架上，并在钢管内部注入水泥浆进行填充和防腐处理，当上半断面初期支护封闭成环后再进行上半断面剩余土体的开挖；开挖时采用弱爆破或人工开挖，爆破时严格控制炮眼深度及装药量，防止因为所述烧结体过强的爆破和受力而导致其结构不稳定。待拱顶附近开挖完成后，进行初期支护型钢拱架的安装，将钢管暴露在岩体外部钢管尾部采用“井”字支撑钢筋焊接在型钢拱架上，并在钢管内部注入水泥浆进行填充和防腐处理，最后使钢管成为支护架的一部分，起到加强所述烧结体的结构 ，防止烧结体水解后带来的一系列问题。
进一步地，在预支护的保护下，进行隧道的断面的开挖的过程中，并按设计要求及时施工初期支护，同时做好隧道拱顶下沉、周边收敛的监控量测工作。由于隧道施工安全的需要，在对隧道进行施工的的同时，需要隧道安全的监测，对与可能威胁隧道施工安全的危险因素予以排除，所述监控测量工作要做好。
进一步地，当监测数据达到规范要求时，及时进行二次衬砌的施工。在隧道已经进行初期支护并且监测无问题的条件下，用混凝土等材料修建的内层衬砌，以达到加固支护、优化路线防排水系统、美化外观、方便设置通讯、照明、监测等设施的作用，以适应隧道建设的要求。
本发明采用上述技术方案，根据土体经高温焙烧后的膨胀和强化机理，在软土隧道开挖之前，采用硅碳棒产生高温作用，对围岩土体进行焙烧，使其液化、融合、膨胀，待其冷却固结之后形成完整性好的烧结体，由此可以改善围岩的地质条件，减少渗透系数，并使围岩强度更高、更加致密，实现更好的软土隧道超前支护效果，提高围岩的整体稳定性。和现有的超前注浆小导管相比，这样可以保证拱顶范围内，土体形成由烧结体组成的稳定壳体，并且整体性更好，不会发生漏水。
附图说明
图1为本发明所载的实施例中的钻孔布置图。
图2为本发明所载的实施例中的钢钉结构图。
图3为本发明所载的实施例中钢钉安装到型钢拱架的图。
图4为烧结体单轴抗压强度与烧结时间烧结温度的关系表。
图5为600℃时不同烧结时间的烧结体的抗压强度随水解时间的变化表。
图6为700℃时不同烧结时间的烧结体的抗压强度随水解时间的变化表。
图7为800℃时不同烧结时间的烧结体的抗压强度随水解时间的变化表。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
一种软土隧道高温烧结支护方法，该方法包括：
步骤一：取若干目标软弱岩土体作为样本，通过电阻热棒对所述软弱岩土岩样进行高温加热，对所述软弱岩土受热烧结过程中的工程力学强度和加热强化参数进行测定,确定所述软弱岩土岩样的烧结体的强度与温度之间的关系，从而确定设计烧结温度及预定工程力学强度；
步骤二：对工作面采取初期支护，在确定所述工作面无安全隐患后在工作面上进行钻孔；
步骤三：钻孔完成后将钢管顶入，再将硅碳棒插入所述钢管中，再通过导线将所述硅碳棒连接到电源并进行同步加热施工；
步骤四：启动所述电源，对掘进施工后的软弱岩土进行加热并对钢管外、钢管间距范围内的土体温度进行测量，当测量到的温度达到设计烧结温度时停止升温；
步骤五：在设计烧结温度下对软弱岩土烧结体工程力学强度进行测定，加热体直至加热区域软弱岩土达到步骤一中的预定工程力学强度；
步骤六： 待所述区域软弱岩土温度恢复至正常温度后，拔出所述硅碳棒，立即进行常规支护并在所述烧结体的保护下开挖。
在钻孔时候的要求：按钢管外径进行钻孔，孔径控制在3~5cm，钻孔直径比钢管直径大3～5mm。如图1所示，用于容纳钢管的孔1沿着隧道内轮廓线3相对隧道中线2对称布置，所对应的角度为120～150°，使钢管布置间距控制在30~50cm。
对于钢管的要求：如图2所示，所采用的钢管为一端有尖锥形的导向部4, 另一端设有开口将硅碳棒5置入其内部的空腔的样式。要求采用310S不锈钢制作钢管，钢管能耐1500℃以上的长时高温。
安装的要求：如图1、图3所示，将所述钢管6以15～25°顶入，顶入长度不小于钢管长度的90%，安装时用高压风将钢管内的砂石吹出。
钢管安设后，必要时在钢管附近及工作面喷射混凝土，以防止工作面坍塌。
对于硅碳棒的要求：硅碳棒长度控制在3m左右，最高能产生1300℃的高温，硅碳棒直径比不锈钢管直径小3～5mm。
对于烧结温度确认的要求：对钢管外、钢管间距范围内的土体温度进行测量，当测量到的温度达到设计烧结温度时，就认为钢管加热达到了要求。
土体的开挖时候的要求：如图1、图3所示，在烧结体的保护下，先进行隧道上半断面拱顶附近土体的开挖。拱顶附近开挖完成后，进行初期支护型钢拱架的安装，同时将所述钢管6尾部焊接在型钢拱架7上。当上半断面初期支护封闭成环后再进行上半断面剩余土体的开挖。
开挖方式均采用弱爆破或人工开挖，爆破时严格控制炮眼深度及装药量。施工中，认真进行监控量测，及时反馈结果，分析洞身结构的稳定，为支护参数的调整、模筑二次衬砌的时机提供依据。
在预支护的保护下，进行隧道的断面的开挖的过程中，并按设计要求及时施工初期支护，同时做好隧道拱顶下沉、周边收敛的监控量测工作。
当监测数据达到规范要求时，及时进行二次衬砌的施工。
预定土体烧结体的强度与温度、烧结时间之间的关系应根据室内试验进行确定，相应的实验数据如图4所示。
除考虑土体烧结体的强度与温度间的关系，还应考虑到所述土体烧结体会在附近水的作用下发生水解作用，为了保正施工上的安全性，初期支护完成之前所述烧结体需要能够保持一个比较好的稳定性，下面结合试验数据进行说明。
如图5～7所示，烧结温度为500 ℃ 时，水解作用很短时间内，试件的单轴抗压强度便降为0，因此，烧结温度为500 ℃ 的软土无法应用于支护。烧结温度为600℃ 、水解60d 时，抗压强度已全部降为0。 因此，600 ℃ 的烧结软土无法应用于支护。 600 ℃ 时抗压强度—水解时间变化曲线如图3 所示．图3 600 ℃ 时抗压强度－ 水解时间变化曲线600℃烧结温度为700 ℃ 、烧结时间3 h、水解55 d时，高温烧结软土的抗压强度下降为0． 烧结温度为700 ℃ ，烧结时间分别为3 h、6 h、7 h、8h，最终抗压强度均下降到2 MPa 以下，无法应用于支护。 烧结温度为700 ℃ 的高温烧结淤泥土抗压强度随水解时间增加，下降有变慢的趋势，最终抗压强度趋于稳定。700 ℃ 时抗压强度—水解时间变化曲线如图4 所示．烧结温度为800 ℃ ，烧结时间分别为3 h、6h、9 h、12 h，水解60 d 时，高温烧结软土的抗压强度均在3 MPa 以上，均可以有效应用于支护。 800 ℃ 时抗压强度—水解时间变化曲线如图5 所示。由图3—5 可以看出，烧结体刚开始水解时，单轴抗压强度迅速下降，随着水解时间的增加，单轴抗压强度趋于稳定。从经济性和适用性的角度考虑，可以选用烧结温度为800 ℃、烧结时间为3h 的软土应用于支护。
土体烧结的原理：随着烧结温度的升高，土体的微观结构发生变化，在高温作用下土样中的部分物质发生熔融，熔融液体流入颗粒间的缝隙中，起到了充塞空隙的作用，使得土体的气孔率降低; 同时，由于液体的表面吸附力对颗粒的吸附作用拉近了颗粒之间的距离，使得土体变得致密。 待加热土体冷却至室温的过程中，土体颗粒进行重新排列组合，形成新的交织共熔体，使得土体的微观结构变得更加密实，土体结构竖向承载能力增强，故而使处理后的软土烧结体抗压强度得到提高。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种软土隧道高温烧结支护方法，该方法包括：
步骤一：取若干目标软弱岩土体作为样本，通过电阻热棒对所述软弱岩土岩样进行高温加热，对所述软弱岩土受热烧结过程中的工程力学强度和加热强化参数进行测定,确定所述软弱岩土岩样的烧结体的强度与温度之间的关系，从而确定设计烧结温度及预定工程力学强度；
步骤二：对所述工作面采取初期支护，在确定所述工作面无安全隐患后在工作面上进行钻孔；
步骤三：钻孔完成后将耐高温不锈钢管用锤击或钻机顶入，再将硅碳棒插入所述钢管中，再通过导线将所述硅碳棒连接到电源并进行同步加热施工；
步骤四：启动所述电源，对掘进施工后的软弱岩土进行加热并对钢管外、钢管间距范围内的土体温度进行测量，当测量到的温度达到设计烧结温度时停止升温；
步骤五：在设计烧结温度下对软弱岩土烧结体工程力学强度进行测定，加热体直至加热区域软弱岩土达到步骤一中的预定工程力学强度；
步骤六： 待所述区域软弱岩土温度恢复至正常温度后，拔出所述硅碳棒，立即进行常规支护并在所述烧结体的保护下开挖。
2.根据权利要求1的一种软土隧道高温烧结支护方法，其特征在于步骤二中:钻孔过程中用高压风将钢管内的砂石吹出；所述孔孔径控制在3～5cm，钻孔直径比钢管直径大3～5mm；所述孔沿着隧道拱顶120-150°范围进行布置且布置间距控制在30～50cm。
3.根据权利要求1的一种软土隧道高温烧结支护方法，其特征在于步骤三中:所述耐高温不锈钢管能耐1000~1500℃的长时高温，所述硅碳棒最高能产生1500℃的高温；所述耐高温不锈钢管以15～25°用锤击或钻机顶入，顶入长度不小于钢管长度的90%；所述钢管安装完成后，可以在所述钢管附近工作面喷射混凝土；所述硅碳棒长度控制在3m左右，硅碳棒直径比不锈钢管直径小3～5mm。
4.根据权利要求1的一种软土隧道高温烧结支护方法，其特征在于步骤六中:拔出硅碳棒管过程中如果硅碳棒发生了脆性断裂，则可以留在钢管中；开挖时先进行隧道上半断面拱顶附近土体的开挖，待拱顶附近开挖完成后，进行初期支护型钢拱架的安装，同时将钢管尾部焊接在型钢拱架上，当上半断面初期支护封闭成环后再进行上半断面剩余土体的开挖；开挖时采用弱爆破或人工开挖，爆破时严格控制炮眼深度及装药量。
5.根据权利要求1的一种软土隧道高温烧结支护方法，其特征在于在预支护的保护下，进行隧道的断面的开挖，并按设计要求及时施工初期支护，同时做好隧道拱顶下沉、周边收敛的监控量测工作。
6.根据权利要求5的一种软土隧道高温烧结支护方法，其特征在于当监测数据达到规范要求时，及时进行二次衬砌的施工。
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