CN111305879A - 一种拱形直墙式隧道的开挖支护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种拱形直墙式隧道的开挖支护方法，所述拱形直墙式隧道包括直墙段和拱形段，包括以下步骤：S1、开挖隧道：并对已开挖的隧道部分施作初期支护；S2、设置一次支护：在初期支护的外侧设置若干组一次支护的钢围檩和钢支撑；S3、施作二次衬砌：对初期支护施作二次衬砌至一次支护的钢围檩和钢支撑的安装高度；S4、设置二次支护的钢围檩和钢支撑：在二次衬砌外安装二次支护的钢围檩和钢支撑，且使二次支护的钢围檩和钢支撑插设在一次支护的钢支撑和钢围檩的间隔中。S5、拆除一次支护的钢围檩和钢支撑；S6、待二次衬砌结构稳定后，拆除二次支护的钢支撑和钢围檩。本发明在直墙段设置钢围檩和钢支撑作为临时支护，有效提高了隧道的结构稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，特别是涉及一种拱形直墙式隧道的开挖支护方法。
背景技术
拱形直墙式隧道是一种常见的隧道类型，其是断面顶部为圆拱、两侧为直立墙的隧洞，可以充分发挥拱效应常用于隧道施工中。拱形直墙隧道结构是由周边围岩和支护结构共同组成并相互作用的结构体系，由于拱形直墙式隧道的直墙段长度大，地层压力、结构自重以梯形形式分布，导致拱形直墙式隧道结构的弯矩和剪力主要集中在直墙的墙脚区域，存在应力集中现象；且结构位移也主要集中在墙脚区域，墙脚位移主要受水平围岩压力影响。因此，拱形直墙式隧道的整体结构稳定性较差，尤其是直墙段底部由于所受围岩侧压力容易引起支护系统破坏，进而影响隧道整体结构的安全。
目前，针对拱形直墙式隧道的特殊结构，还没有一个较为完整、成熟和安全的支护方法。
发明内容
基于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种拱形直墙式隧道的开挖支护方法，其能有效减小隧道直墙段墙脚受到的水平围岩压力，进而维持隧道整体结构的稳定性。
本发明是基于以下发明构思实现的：一种拱形直墙式隧道的开挖支护方法，所述拱形直墙式隧道包括直墙段和拱形段，包括以下步骤：
S1、开挖隧道：并对已开挖的隧道部分施作初期支护；
S2、设置一次支护的钢围檩和钢支撑：在初期支护的外侧设置若干组一次支护的钢围檩和钢支撑；
S3、施作二次衬砌：对初期支护施作二次衬砌至一次支护的钢围檩和钢支撑的安装高度；
S4、设置二次支护的钢围檩和钢支撑：在二次衬砌外安装二次支护的钢围檩和钢支撑，且使二次支护的钢围檩和钢支撑插设在一次支护的钢支撑和钢围檩的间隔中；
S5、拆除一次支护的钢围檩和钢支撑；
S6、待二次衬砌结构稳定后，拆除二次支护的钢支撑和钢围檩。
相对于现有技术，本发明提供了一种拱形直墙式隧道的开挖支护方法，通过在直墙段设置钢围檩和钢支撑作为临时支护，减少直墙段的墙脚区域受到的水平围岩侧压力，进而减小隧道直墙段的墙脚位移变形，再通过设置一次支护和二次支护的钢围檩和钢支撑，有效提高拱形直墙式隧道的结构稳定性；另外，由于钢支撑和钢围檩具有自重轻、拆装容易的优点，在支护结构保持稳定的同时保证施工效率。
进一步地，在S1步骤中，根据所述直墙段的高度，确定钢围檩和钢支撑的安装高度和安装组数，采用台阶法开挖隧道至钢围檩和钢支撑的安装高度，并对已开挖的隧道部分安装钢拱架作为初期支护。本发明根据直墙段的高度确立钢围檩和钢支撑的安装高度和安装组数，以安装最少的钢围檩和钢支撑结构获得最有效和稳定的支护结构，减少安装的成本和材料的成本。
进一步地，S2步骤具体包括以下步骤：S21：每一组钢围檩和钢支撑的安装步骤为：在隧道两侧的直墙段的初期支护外侧对称安装至少两个钢牛腿，再将至少两个钢围檩分别安装在两个钢牛腿上，最后将钢支撑的端部安装在至少一个钢围檩上，进而使钢支撑的两端架设在至少两个钢围檩之间；S22：重复S21步骤，以一定的纵向间距和横向间距安装若干组钢围檩和钢支撑。
进一步地，在步骤S21中，安装钢围檩后，还包括在钢围檩两侧设置钢垫板，所述钢垫板与所述钢围檩通过焊接的形式安装；所述钢支撑的两端分别安装在所述钢垫板上。现有技术的基坑工程中，通常是在钢围檩与围护结构(如钢垫板)中预留空隙，再用混凝土进行回填；而本发明在钢围檩与钢垫板之间均采用焊接的方式，在拆除阶段方便对其直接切割拆除。
进一步地，步骤S2中的一次支护的钢围檩和钢支撑的纵向间距为3m，横向间距为4-6m；步骤S4的二次支护的钢围檩和钢支撑与一次支护的钢围檩和钢支撑的纵向间距为1.5m，横向间距为2-3m。步骤S2和步骤S4的钢围檩和钢支撑是相互间隔的，保证隧道直墙段各个部分受到钢围檩和钢支撑的力是均匀的，同时，也方便在拆除阶段对步骤S2的钢围檩和钢支撑进行吊装拆除。
进一步地，在S2步骤和S4步骤中，还包括对安装后的钢支撑施加预应力，分两次施加预应力，每次施加设计预加轴力值的50％，最大预加力不大于100KN。
进一步地，在步骤S4中，待步骤S3的二次衬砌强度达到设计值的80％时，在二次衬砌外安装二次钢围檩和钢支撑。
进一步地，在步骤S2和S4中，安装钢围檩后，还包括安装悬吊保护装置；所述悬吊保护装置一端勾设在钢围檩的外侧，另一端勾设在钢拱架上。本发明的悬吊保护装置用于保护钢围檩，防止其脱落。
进一步地，还包括步骤S7，对拆除一次支护和二次支护的钢围檩和钢支撑后的二次衬砌的破损处进行混凝土回填。
附图说明
图1为本发明实施例的拱形直墙式隧道的开挖支护方法的流程图；
图2为本发明实施例的钢牛腿和钢围檩安装示意图；
图3为本发明实施例的悬吊保护装置安装示意图；
图4为本发明实施例的钢支撑和钢围檩安装示意图；
图5为本发明实施例的钢支撑结构图。
具体实施方式
申请人在研究拱形直墙式隧道时发现，由于拱形直墙式隧道的直墙段长度大，地层压力、结构自重以梯形形式分布，导致拱形直墙式隧道结构的弯矩和剪力主要集中在直墙的墙脚区域，存在应力集中现象；且结构位移也主要集中在墙脚区域，墙脚位移主要受水平围岩压力影响。因此，拱形直墙式隧道的整体结构稳定性较差，尤其是直墙段底部由于所受围岩侧压力容易引起支护系统破坏，进而影响隧道整体结构的安全。
申请人进一步对如何减少直墙段底部受到的侧压力这一课题进行研究和设计，申请人发现将基坑工程中的钢围檩和钢支撑结构作为临时支护结构用在拱形直墙式隧道时，能够减少直墙段的墙脚区域受到的水平围岩侧压力，进而减小隧道直墙段的墙脚位移变形，有效提高拱形直墙式隧道的结构稳定性。
基于此，申请人通过研究和设计，进一步提出了一种拱形直墙式隧道的开挖支护方法。以下，通过实施例进行进一步的详细说明。
本发明提供了一种拱形直墙式隧道的开挖支护方法，请参阅图1，所述拱形直墙式隧道包括直墙段和拱形段，其特征在于，包括以下步骤：
S1、开挖隧道：并对已开挖的隧道部分施作初期支护；
S11：根据所述直墙段的高度，确定钢围檩和钢支撑的安装高度和安装组数；
S12：采用台阶法，使各台阶的高度在3-5m，分部开挖隧道至钢围檩和钢支撑的安装高度，并对已开挖的隧道部分安装钢拱架作为初期支护。
S2、设置一次支护的钢围檩和钢支撑：在初期支护的外侧安装若干组一次支护的钢围檩和钢支撑；
S21：每一组钢围檩和钢支撑的安装步骤为：
a、在隧道两侧的直墙段的初期支护，请参阅图2，在本实施例中的初期支护为钢拱架1，在两侧直墙段上的所述钢拱架1外侧分别对称安装两个钢牛腿2，安装时用水准仪对钢牛腿2进行标高确定，并标记安设线保证两个钢牛腿2在同一直线上，所述钢牛腿2为组合角钢(L75×75×8)，并通过膨胀螺栓3固定在钢拱架1上，所述膨胀螺栓3为M20膨胀螺栓；
b、再将两个钢围檩4分别安装在两侧的钢牛腿2上，并在钢围檩4两侧分别设置钢垫板5，其中一个钢垫板5设置在所述钢拱架1与所述钢围檩4之间，另一个钢垫板5设置在所述钢围檩的远离钢拱架1的一侧，所述钢垫板5与所述钢围檩4焊接，所述钢围檩4具体为双拼I45c工字钢。进一步，本发明还对所述钢围檩4设置了悬吊保护装置，请参阅图3，具体地，在所述钢围檩4上方的钢拱架1上打设一膨胀螺栓3，其型号为M20，再将一花篮螺栓6的两端分别勾设两个S型弯勾7，使其中一个S型弯勾7勾设在膨胀螺栓3上，另一个S型弯勾7勾设在所述钢垫板5上，由此组合成悬吊保护装置防止钢围檩脱落；
c、架设钢支撑8：将钢支撑8由隧道外运至隧道内进行拼装，请同时参阅图4和图5，每个钢支撑包括活动端81、中间节82和固定端83，在本实施例中，所述活动端81长1.75m，所述中间节82由2根长6m的标准节和2根长1m的标准节组成，所述固定端83长2.52m；所述活动端81、中间节82和固定端83依次拼接，并通过法兰盘焊接和采用高强度螺栓拧紧，拼接形成一个完整的钢支撑8，且所述钢支撑8总长度比隧道两直墙段的间距小20-30cm；具体地，钢支撑8横断面内径a为577mm，外径b为609mm，壁厚18mm；法兰盘外径c为730mm；所述活动端81的端部还设置有至少一个活动端安装座81a，所述固定端83的端部还设置有固定端安装座83a。安装时，采用拱形段预埋的电葫芦吊装钢支撑8，在吊装过程中必须保持钢支撑8平稳、无碰撞、无变形，将每个钢支撑8的活动端安装座81a和固定端安装座83a放置在两个对称设置的钢牛腿2的上方，位于两个对称设置的钢围檩4之间上，将所述钢支撑8调整到设计位置后，再将活动端安装座81a和固定端安装座83a分别与位于两侧对称设置的钢围檩4外侧的钢垫板5焊接，由此，将所述钢支撑8架设在两个对称设置的钢围檩4之间。
d、对钢支撑8施加预应力：在钢支撑8安装后及时施加预应力，利用组合千斤顶，对称同步施加预加力，并分级加载，为确保对称加载，通过同一个液压泵站外接T形阀门，分别接至组合千斤顶。千斤顶的预加轴力分两次施加到位，每次施加设计预加轴力值的50％，最大预加力不大于100KN，具体地，第一次施加至设计预加轴力值的50％，持荷10min，第二次施加至设计预加轴力值，并持荷10min，施工过程中考虑预加轴力损失(偏差不超过5％)进行复加轴力。预加轴力完成后，应将活动端用于伸缩活动的空隙用钢板楔块垫塞紧密，由此锁定钢支撑预加轴力后，再拆除千斤顶。
S22：重复S21步骤，以一定的纵向间距和横向间距安装若干组一次支护的钢围檩4和钢支撑8。需要说明的是，本发明中钢围檩4和钢支撑8的纵向间距和横向间距是根据直墙段的高度以及围岩的具体情况设计的。具体地，在本实施例中步骤S2中的钢围檩和钢支撑的纵向间距为3m，横向间距为4-6m。
S3、施作二次衬砌：对初期支护施作二次衬砌至一次支护的钢围檩4和钢支撑8的安装高度；
采用模板支架法在初期支护的钢拱架1上施作二次衬砌(图未示)，即从下至上在钢拱架1上浇注混凝土，直到其高度达到钢围檩4和钢支撑8的安装高度。
S4、安装二次支护的钢围檩4和钢支撑8：在二次衬砌外安装二次支护的钢围檩4和钢支撑8，且二次支护的钢围檩4和钢支撑8插设在一次支护的钢支撑8和钢围檩4的间隔中；
待步骤S3的二次衬砌强度达到设计值的80％时，在二次衬砌外安装二次支护的钢围檩4和钢支撑8，且保证二次支护的钢围檩4和钢支撑8与一次支护的钢围檩4和钢支撑8为间隔设置。具体地，二次支护的钢围檩4和钢支撑8与一次支护的钢围檩4和钢支撑8的纵向间距为1.5m，横向间距为2-3m。具体地，通过水准仪对钢牛腿2及钢围檩4安装位置进行标记，并利用风钻进行钻孔，每个钢牛腿2通过4个膨胀螺栓进行安装固定，4个膨胀螺栓安装在正方形的四个角上并打入孔内，再采用高强度混凝土填充空隙，待混凝土达到设计强度后安装钢牛腿2，并采用电葫芦吊装钢围檩4至钢牛腿2上方，使得钢围檩4与二次衬砌之间预留不少于60mm的空隙，再用混凝土将钢围檩4与二次衬砌之间的空隙(型号为C30细石混凝土)进行填充。待钢围檩4安装完毕即安装钢支撑8，钢支撑8的安装步骤与步骤S21相同。
S5、拆除一次支护的钢围檩4和钢支撑8；
在步骤S4的二次支护的钢围檩4和钢支撑8安装完毕后，利用切割机对一次支护的钢围檩4和钢支撑8进行拆除。具体地，首先对一次支护的钢支撑8进行拆除，拆除方式采用分节分段的形式，先用起重设备吊住钢支撑8两端，在钢支撑8的设置千斤顶，利用千斤顶逐步给钢支撑8卸荷，待卸荷完毕，拆除钢支撑8的活动端81与钢围檩4之间的钢垫板5，给千斤顶减压并移除千斤顶，用电葫芦将钢支撑8整体吊至隧道底板，随即拆卸膨胀螺栓并按节段分离钢支撑8，由装载运输车运至隧道外；随后对一次支护的钢围檩4进行拆除，先对钢围檩4连接钢垫板5进行切割分离，然后采用吊装的方式，用起重设备吊住钢围檩4预留吊孔吊至隧道底板后运至隧道外。
S6、待二次衬砌结构稳定后，拆除二次支护的钢支撑和钢围檩：
采用与步骤S5相同的方法拆除二次支护的钢围檩和钢支撑。
S7，对拆除钢围檩和钢支撑后的二次衬砌的破损处进行混凝土回填。
相对于现有技术，本发明提供了一种拱形直墙式隧道的开挖支护方法，通过在直墙段设置钢围檩和钢支撑作为临时支护，减少直墙段的墙脚区域受到的水平围岩侧压力，进而减小隧道直墙段的墙脚位移变形，再通过设置一次支护和二次支护的钢围檩和钢支撑，有效提高拱形直墙式隧道的结构稳定性；另外，由于钢支撑和钢围檩具有自重轻、拆装容易的优点，在支护结构保持稳定的同时保证施工效率。
本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。
Claims (9)
1.一种拱形直墙式隧道的开挖支护方法，所述拱形直墙式隧道包括直墙段和拱形段，其特征在于，包括以下步骤：
S1、开挖隧道：并对已开挖的隧道部分施作初期支护；
S2、设置一次支护的钢围檩和钢支撑：在初期支护的外侧设置若干组一次支护的钢围檩和钢支撑；
S3、施作二次衬砌：对初期支护施作二次衬砌至一次支护的钢围檩和钢支撑的安装高度；
S4、设置二次支护的钢围檩和钢支撑：在二次衬砌外安装二次支护的钢围檩和钢支撑，且使二次支护的钢围檩和钢支撑插设在一次支护的钢支撑和钢围檩的间隔中；
S5、拆除一次支护的钢围檩和钢支撑；
S6、待二次衬砌结构稳定后，拆除二次支护的钢支撑和钢围檩。
2.根据权利要求1所述的拱形直墙式隧道的开挖支护方法，其特征在于：在S1步骤中，根据所述直墙段的高度，确定钢围檩和钢支撑的安装高度和安装组数，采用台阶法开挖隧道至钢围檩和钢支撑的安装高度，并对已开挖的隧道部分安装钢拱架作为初期支护。
3.根据权利要求2所述的拱形直墙式隧道的开挖支护方法，其特征在于：S2步骤具体包括以下步骤：
S21：每一组钢围檩和钢支撑的安装步骤为：在隧道两侧的直墙段的初期支护外侧对称安装至少两个钢牛腿，再将至少两个钢围檩分别安装在两个钢牛腿上，最后将钢支撑的端部安装在至少一个钢围檩上，进而使钢支撑的两端架设在至少两个钢围檩之间；
S22：重复S21步骤，以一定的纵向间距和横向间距安装若干组钢围檩和钢支撑。
4.根据权利要求3所述的拱形直墙式隧道的开挖支护方法，其特征在于：在步骤S21中，安装钢围檩后，还包括在钢围檩两侧设置钢垫板，所述钢垫板与所述钢围檩通过焊接的形式安装；所述钢支撑的两端分别安装在所述钢垫板上。
5.根据权利要求4所述的拱形直墙式隧道的开挖支护方法，其特征在于：步骤S2中的一次支护的钢围檩和钢支撑的纵向间距为3m，横向间距为4-6m；步骤S4的二次支护的钢围檩和钢支撑与一次支护的钢围檩和钢支撑的纵向间距为1.5m，横向间距为2-3m。
6.根据权利要求1所述的拱形直墙式隧道的开挖支护方法，其特征在于：在S2步骤和S4步骤中，还包括对安装后的钢支撑施加预应力，并分两次施加预应力，每次施加设计预加轴力值的50％，最大预加力不大于100KN。
7.根据权利要求1所述的拱形直墙式隧道的开挖支护方法，其特征在于：在步骤S4中，待步骤S3的二次衬砌强度达到设计值的80％时，在二次衬砌外安装钢围檩和钢支撑。
8.根据权利要求2所述的拱形直墙式隧道的开挖支护方法，其特征在于：在步骤S2和S4中，安装钢围檩后，还包括安装悬吊保护装置；所述悬吊保护装置一端勾设在钢围檩的外侧，另一端勾设在钢拱架上。
9.根据权利要求1所述的拱形直墙式隧道的开挖支护方法，其特征在于：还包括步骤S7，对拆除一次支护和二次支护的钢围檩和钢支撑后的二次衬砌的破损处进行混凝土回填。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 邱永钦: "HX下沉式隧道综合施工技术探讨", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》 * |
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