CN110939468A - 敞开式tbm的装配式支护钢管片及其与喷锚联合支护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种敞开式TBM的装配式支护钢管片结构及其与喷锚联合的支护方法,该装配式环形钢管片分为多环,每环钢管片由带肋钢壳结构组成,环形钢管片之间采用螺栓连接。钢管片面板及肋板上设置预留孔,可布设灌浆孔、螺栓孔、锚杆孔、排水孔等,通过预留孔进行锚杆或预应力锚杆支护及灌浆,必要时进行超前钢花管注浆,从而形成敞开式TBM隧洞用的装配式封闭支护工法。该结构解决了敞开式TBM工法时无法及时封闭盾尾出露围岩的难题,为盾尾出露的破碎围岩快速提供大刚度、全封闭支撑条件,增加撑靴处承载能力,提高TBM掘进效率,支护结构安全性高、与锚喷支护结合后处理措施多样,对突涌水、断层破碎带、岩爆等不良地质的适应性好,可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种敞开式TBM掘进工法的隧洞初期支护结构,尤其是一种敞开式TBM的装配式支护钢管片及其与喷锚联合支护方法,适用于突涌水、岩爆及断层破碎带等不良地质条件的隧洞初期支护结构。
背景技术
敞开式TBM的工法优势是护盾长度短、盾尾后方围岩临空,从而便于结合新奥法进行锚喷支护。但同时,因盾尾后方岩体直接裸露,围岩失稳风险也较大,尤其是敞开式TBM穿越断层破碎带、突涌水、岩爆等不良地质洞段时,地下水冲刷裹挟作用强、围岩破碎不稳定,甚至出现大范围溜渣、掉块及坍塌,撑靴部位承载力也往往难以满足要求,给现场人、机与设备造成巨大安全威胁,且TBM交叉、干扰工序增多,掘进效率明显降低,附加人工、费用也增大,难以发挥敞开式TBM的高效、安全、快速的优势。因此,敞开式TBM穿越不良地质洞段的工效提升方案成为制约隧洞工程安全、进度、投资的重要因素,而敞开式TBM的盾尾快速封闭支护方案是有效解决这一问题的重要途径。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是,提供一种敞开式TBM的装配式支护钢管片及其与喷锚联合支护方法,适用于敞开式TBM穿越突涌水、岩爆及断层破碎带等不良地质洞段的隧洞初期支护结构,能快速封闭敞开式TBM护盾尾部不稳定岩面,并有效结合现有锚喷支护技术。
为了解决上述问题,本发明所采用的技术方案是:一种敞开式TBM的装配式支护钢管片,装配式支护钢管片为弧形带肋钢壳结构,包括弧形钢壳、设置在弧形钢壳弧面内侧的多个环向肋板和多个纵向肋板,边部的两个纵向肋板与边部的两个环向肋板围在弧形钢壳四周,焊接成一个整体,内部的纵向肋板垂直焊接在相邻的两个环向肋板壁上,底面焊接在弧形钢壳的内壁上,在弧形钢壳上开有多个用于插入注浆锚杆和超前钢花管的预留孔,边部的两个纵向肋板与边部的两个环向肋板上开有多个螺栓孔,多片装配式支护钢管片通过螺栓拧入相邻两块支护钢管片上的螺栓孔而组装成环状支护结构。
所述弧形钢壳厚度在0.2~2cm之间,环向肋板、纵向肋板高度在5cm~15cm之间、厚度0.2cm~0.5cm,环向肋板和纵向肋板高度相同。
所述预留孔为椭圆形。
上述敞开式TBM的装配式支护钢管片与喷锚联合支护方法,包括以下步骤:
A.根据设计参数,选取装配式支护钢管片,使支护钢管片的弧形钢壳的外侧紧贴岩壁布置,环向肋板、纵向肋板靠近洞内一侧,弧形钢壳与环向肋板、纵向肋板间焊接牢固,形成整体受力结构;
B.在敞开式TBM盾尾,在护盾内部通过安装器安装360°全断面支护钢管片,封闭盾尾出露岩面,弧形钢壳与岩面紧贴,支护钢管片间采用螺栓连接;
C.在支护钢管片内侧采用喷射混凝土填充环向肋板、纵向肋板之间的预留空间,使支护钢管片与喷射混凝土形成整体受力结构;
D.通过弧形钢壳上的预留孔,沿半径方向钻设中空注浆锚杆,通过锚杆注浆加固周边围岩。
还包括通过预留孔沿洞轴线方向向前打设超前钢花管,同时复喷混凝土,超前钢花管与洞轴线方向夹角在5°~15°范围,保障超前加固范围。
在高外水洞段,在顶部的预留孔钻设径向毛细透排水孔,降低衬砌外水压力。
所述超前钢花管采用多根交叉式打入,保障环向注浆加固效果。
所述注浆锚杆和超前钢花管的尾端设置垫片,垫片与弧形钢壳焊接连接,保证整体性能。
本发明的有益效果:解决了敞开式TBM无法及时封闭盾尾出露围岩的问题,为盾尾出露的破碎围岩快速提供大刚度全封闭支撑条件,尤其适用于高地应力岩爆、突涌水及断层破碎带等洞段,且钢结构相对于喷锚支护结构、混凝土衬砌结构的延性更好,能够适应较大的围岩变形情况,可充分释放围岩变形、发挥围岩自身的承载能力,减小支护荷载,保证了围岩承载结构的完整性,解决了深埋TBM隧洞因围岩局部塌方掉块造成大范围塌方、大量出渣、甚至TBM卡机等问题。
附图说明
图1为本发明敞开式TBM的装配式支护钢管片结构示意图。
图2为采用本发明的敞开式TBM的装配式支护钢管片及其与喷锚联合支护方法的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明:
如图1所示,本发明的敞开式TBM的装配式支护钢管片,装配式支护钢管片为弧形带肋钢壳结构,包括弧形钢壳1、设置在弧形钢壳弧面内侧的多个环向肋板2和多个纵向肋板3,边部的两个纵向肋板3与边部的两个环向肋板2围在弧形钢壳1四周,焊接成一个整体,内部的纵向肋板3垂直焊接在相邻的两个环向肋板2壁上,底面焊接在弧形钢壳1的内壁上,在弧形钢壳1上开有多个用于插入注浆锚杆和超前钢花管的预留孔4,边部的两个纵向肋板3与边部的两个环向肋板2上开有多个螺栓孔5,多片装配式支护钢管片通过螺栓拧入相邻两块支护钢管片上的螺栓孔5而组装成环状支护结构。
所述弧形钢壳1厚度在0.2~2cm之间,环向肋板2、纵向肋板3高度在5cm~15cm之间、厚度0.2cm~0.5cm,环向肋板2和纵向肋板3高度相同。所述预留孔4为椭圆形。
如图2所示,本发明的敞开式TBM的装配式支护钢管片与喷锚联合支护方法,包括以下步骤:
A.根据设计参数,选取装配式支护钢管片,使支护钢管片的弧形钢壳1的外侧紧贴岩壁布置,环向肋板2、纵向肋板3靠近洞内一侧,弧形钢壳1与环向肋板2、纵向肋板3间焊接牢固,形成整体受力结构;
B.在敞开式TBM盾尾,在护盾内部通过安装器安装360°全断面支护钢管片,封闭盾尾出露岩面,弧形钢壳1与岩面紧贴,支护钢管片间采用螺栓连接;
C.在支护钢管片内侧采用喷射混凝土6填充环向肋板2、纵向肋板3之间的预留空间,使支护钢管片与喷射混凝土6形成整体受力结构;
D.通过弧形钢壳1上的预留孔4,沿半径方向钻设中空注浆锚杆7,通过锚杆注浆加固周边围岩。
还包括通过预留孔4沿洞轴线方向向前打设超前钢花管8,同时复喷混凝土,超前钢花管与洞轴线方向夹角在5°~15°范围,保障超前加固范围。
在高外水洞段,在顶部的预留孔4钻设径向毛细透排水孔,降低衬砌外水压力。
所述超前钢花管8采用多根交叉式打入,保障环向注浆加固效果。
所述注浆锚杆7和超前钢花管8的尾端设置垫片,垫片与弧形钢壳1焊接连接,保证整体性能。
具体地说,装配式支护钢管片在洞外预制加工完成,在洞内敞开式TBM护盾盾尾内通过安装器进行拼装作业,弧形钢壳1紧贴岩壁布置,环向肋板2、纵向肋板3在靠近洞内一侧,环向钢管片通过肋板上的预留孔5进行螺栓连接,确保钢管片形成整体受力结构。
所述支护钢管片装配完成后,应视现场围岩稳定及安全监测情况进行5cm~10cm初喷混凝土6施工,并通过预留孔钻设锚杆7并进行管片壁后豆砾石回填及围岩灌浆加固,从而强钢管片结构的整体稳定性。
所述装配式支护钢管片进行初喷、锚杆固定及径向注浆加固后,在穿越突涌水洞段时,可视情况在洞顶180°范围进行超前小导管或超前钢花管8的钻设及超前注浆加固材料的选取根据现场试验确定,确保TBM不因注浆产生更大脱困阻力,同时复喷混凝土6,进一步加固初期支护结构。在高外水洞段,结合衬砌堵排水措施的分析与设计,在顶部预留孔4钻设径向毛细透排水孔,降低衬砌外水压力。
本发明管片间采用螺栓连接,可实现洞内快速拼装及固定,避免不稳定岩体暴露,从而减少溜渣、掉块及坍塌,并减弱地下水的冲刷裹挟作用,减少因不良地质、岩爆洞段塌方掉块造成人机安全风险、清渣作业等,同时简化敞开式TBM在L1区的支护作业工序,减少TBM换步时间,增加TBM掘进效率。喷射混凝土结构可粘结钢壳、肋板、锚杆及钢花管形成整体,经超前注浆及径向注浆加固后的洞周岩体可为支护结构提供更好的支撑条件,同时解决撑靴部位承载力不足问题,为敞开式TBM在不良地质洞段的高效安全掘进创造条件。可充分利用喷射混凝土较高的抗压强度承受内侧较大压应力、而外覆钢壳可充分发挥其高抗拉性能、较好的延性及冲击韧性,能够适应较大的围岩变形并充分释放围岩变形、发挥围岩自身承载能力,减小支护荷载,同时保证围岩承载结构的完整性。
本发明装配式支护钢管片可洞外定型成批预制,装配式工艺封闭岩面速度快,机械化程度高,从而提高围岩的整体承载能力,提高撑靴部位支撑强度,保障断层破碎带、突涌水、岩爆等不良地质洞段的围岩稳定性及TBM的连续掘进。当预判出现挤压大变形、中等以上等级岩爆或洞周出现渗低水时,可采用纳米纤维喷射混凝土、预应力锚杆、重型钢管片等加强措施,从而提高支护结构适应变形能力及冲击韧性。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点,其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施,不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围,即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰,仍落在本发明的专利范围内。
Claims (8)
1.一种敞开式TBM的装配式支护钢管片,其特征在于,装配式支护钢管片为弧形带肋钢壳结构,包括弧形钢壳(1)、设置在弧形钢壳弧面内侧的多个环向肋板(2)和多个纵向肋板(3),边部的两个纵向肋板(3)与边部的两个环向肋板(2)围在弧形钢壳(1)四周,焊接成一个整体,内部的纵向肋板(3)垂直焊接在相邻的两个环向肋板(2)壁上,底面焊接在弧形钢壳(1)的内壁上,在弧形钢壳(1)上开有多个用于插入注浆锚杆和超前钢花管的预留孔(4),边部的两个纵向肋板(3)与边部的两个环向肋板(2)上开有多个螺栓孔(5),多片装配式支护钢管片通过螺栓拧入相邻两块支护钢管片上的螺栓孔(5)而组装成环状支护结构。
2.根据权利要求1所述敞开式TBM的装配式支护钢管片,其特征在于,所述弧形钢壳(1)厚度在0.2~2cm之间,环向肋板(2)、纵向肋板(3)高度在5cm~15cm之间、厚度0.2cm~0.5cm,环向肋板(2)和纵向肋板(3)高度相同。
3.根据权利要求1所述敞开式TBM的装配式支护钢管片,其特征在于,所述预留孔(4)为椭圆形。
4.如权利要求1-3任一项所述敞开式TBM的装配式支护钢管片与喷锚联合支护方法,其特征在于,包括以下步骤:
A.根据设计参数,选取装配式支护钢管片,使支护钢管片的弧形钢壳(1)的外侧紧贴岩壁布置,环向肋板(2)、纵向肋板(3)靠近洞内一侧,弧形钢壳(1)与环向肋板(2)、纵向肋板(3)间焊接牢固,形成整体受力结构;
B.在敞开式TBM盾尾,在护盾内部通过安装器安装360°全断面支护钢管片,封闭盾尾出露岩面,弧形钢壳(1)与岩面紧贴,支护钢管片间采用螺栓连接;
C.在支护钢管片内侧采用喷射混凝土(6)填充环向肋板(2)、纵向肋板(3)之间的预留空间,使支护钢管片与喷射混凝土(6)形成整体受力结构;
D.通过弧形钢壳(1)上的预留孔(4),沿半径方向钻设中空注浆锚杆(7),通过锚杆注浆加固周边围岩。
5.根据权利要求4所述敞开式TBM的装配式支护钢管片与喷锚联合支护方法,其特征在于,还包括通过预留孔(4)沿洞轴线方向向前打设超前钢花管(8),同时复喷混凝土,超前钢花管与洞轴线方向夹角在5°~15°范围,保障超前加固范围。
6.根据权利要求4所述敞开式TBM的装配式支护钢管片与喷锚联合支护方法,其特征在于,在高外水洞段,在顶部的预留孔(4)钻设径向毛细透排水孔,降低衬砌外水压力。
7.根据权利要求5所述敞开式TBM的装配式支护钢管片与喷锚联合支护方法,其特征在于,所述超前钢花管(8)采用多根交叉式打入,保障环向注浆加固效果。
8.根据权利要求5所述敞开式TBM的装配式支护钢管片与喷锚联合支护方法,其特征在于,所述注浆锚杆(7)和超前钢花管(8)的尾端设置垫片,垫片与弧形钢壳(1)焊接连接,保证整体性能。
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