CN111396080B - 一种隧道初期支护侵限段换拱施工方法 - Google Patents

一种隧道初期支护侵限段换拱施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种隧道初期支护侵限段换拱施工方法，首先利用铣挖机拆除初期支护侵限段已被破坏的拱架并重新开挖初期支护侵限段围岩，然后在初期支护侵限段的换拱部位打入超长纤维锚杆，并利用注浆设备对换拱部位处的破裂围岩进行注浆加固，再调节可伸缩拱架至换拱拱架所需的长度，将原有拱架与可伸缩拱架的两端连接固定，闭合成环，最后喷射混凝土即完成换拱操作。本发明不仅可实现机械拆除初期支护及开挖围岩，减少围岩扰动，还能够一边拆拱一边换拱，新旧拱架快速闭合成环，极大提高换拱效率。

Description

一种隧道初期支护侵限段换拱施工方法
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，具体是一种隧道初期支护侵限段换拱施工方法。
背景技术
随着我国隧道工程的快速发展，在复杂地区修建的隧道越来越多，特别是在软弱破裂围岩隧道的修建过程中，由于断层、局部地下水以及地应力等因素影响，导致隧道断面局部初期支护变形过大，侵入隧道限界，不仅严重威胁隧道施工安全，还会导致后续二衬无法施做，无法保证隧道内净空，故需要对初期支护侵限段进行拆除以及更换。
为解决初期支护变形过大侵入隧道限界问题(侵限)，需要对侵限范围内的初期支护进行拆除并开挖围岩至设计轮廓，然后进行更换(换拱)。传统换拱方法为保证换拱期间围岩稳定，多通过爆破方法纵向拆除0.5-1m初期支护且重新更换初期支护后再次进行下一段的拆除，该方法施工效率低下，且爆破拆除初支过程中容易导致围岩失稳坍塌，威胁施工安全。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种隧道初期支护侵限段换拱施工方法，不仅可实现机械拆除初期支护及开挖围岩，减少围岩扰动，还能够一边拆拱一边换拱，新旧拱架快速闭合成环，极大提高换拱效率。
本发明的技术方案为：
一种隧道初期支护侵限段换拱施工方法，具体包括有以下步骤：
(1)、利用铣挖机拆除初期支护侵限段已被破坏的拱架并重新开挖初期支护侵限段围岩从而形成新的隧道轮廓；
(2)、在初期支护侵限段的换拱部位打入超长纤维锚杆，超长纤维锚杆的外端部伸入围岩破裂区域；
(3)、利用注浆设备对换拱部位处的破裂围岩进行注浆加固，进一步改善围岩环境，提高围岩自承能力；其中，注浆加固根据隧道类型分为浅埋隧道注浆加固和深埋隧洞注浆加固；
所述的浅埋隧道注浆加固的范围由公式(1)-(5)计算得到：
注浆区域宽度B：
Figure GDA0003030624770000021
注浆区域高度ho：
Figure GDA0003030624770000022
其中，公式(1)中的
Figure GDA0003030624770000023
Figure GDA0003030624770000024
注浆厚度L：
Figure GDA0003030624770000025
其中，k为塌落系数，根据多个侵限隧道统计取值，土质取值为1.5-3，岩质取值0.5-1.5；
Figure GDA0003030624770000026
指代内摩擦角；K指土体侧压力系数；H指代拱顶离地面的埋置深度；D指代隧道直径，非圆形隧道按照最大跨度转变为圆形进行取值；
所述的深埋隧洞注浆加固的范围由公式(6)-(9)计算得到：
隧道径向应力σr：
Figure GDA0003030624770000027
环向应力σθ：
Figure GDA0003030624770000028
其中，
Figure GDA0003030624770000029
注浆理论厚度t：
Figure GDA00030306247700000210
实际注浆厚度T＝at，a为注浆折减系数，侵限范围小于全环的1/3，a取0.5-0.6；侵限范围为全环2/3-1，a取0.6-0.8；侵限范围为全环侵限，a取0.8-1.2；
其中，po是隧道外壁压强，pi是内壁压强；ro是隧道外壁半径，ri是隧道内壁半径，非圆形隧道按照最大跨度转变为圆形进行取值，r0＝ri+T；注浆理论厚度t为理论深埋隧洞的注浆厚度；实际注浆厚度T为经过经验矫正后隧洞的实际注浆厚度；
(4)、调节可伸缩拱架至换拱拱架所需的长度，然后将原有拱架与可伸缩拱架的两端连接固定，闭合成环；
(5)、喷射混凝土即完成换拱操作。
所述的步骤(1)中，铣挖机拆除初期支护侵限段已被破坏的拱架并重新开挖初期支护侵限段围岩，一次性开挖长度为沿隧道方向2-5m，一次性开挖后，立即进行步骤(2)-(4)的操作，完成一次性换拱。
所述的超长纤维锚杆的长度为10-15m。
所述的步骤(3)，注浆加固中，注浆孔采用等距布孔，梅花型布置；根据实际注浆扩散半径d扩确定注浆孔间距，在砂性土层，注浆孔的孔间距取值为(1-1.5)d扩，排间距为孔间距的0.8倍；在粘性土层，注浆孔的孔间距取值为(1.5-3)d扩，排间距为孔间距的1倍。
所述的原有拱架为弧形工字梁结构，所述的可伸缩拱架包括有弧形工字梁和四块弧形平板，弧形工字梁是由两块弧形弯曲板和焊接于两块弧形弯曲板之间的弧形平板组成，所述的两块弧形弯曲板和弧形平板焊接形成两个槽向相反的弧形槽，所述的四块弧形平板中，其中两块弧形平板的内端部嵌入弧形工字梁的其中一个弧形槽内且分别邻近于弧形工字梁的两端，另两块弧形平板的内端部嵌入弧形工字梁的另一个弧形槽内且分别邻近于弧形工字梁的两端，四块弧形平板伸出到可伸缩拱架弧形工字梁外的部分均伸入到原有拱架的弧形槽内，每块弧形平板的两端部分别与对应的可伸缩拱架弧形工字梁和原有拱架通过螺栓固定连接。
所述的可伸缩拱架和原有拱架固定连接后，当可伸缩拱架弧形弯曲板和原有拱架弧形弯曲板对接的端头之间形成间隙时，所述的间隙处设置分别与可伸缩拱架弧形弯曲板和原有拱架弧形弯曲板焊接的连接板从而加固初期支护拱架结构。
本发明的优点：
(1)、本发明采用铣挖机拆除替代爆破对围岩进行精准的开挖，且能够有效减少对围岩的扰动；
(2)、本发明采用超长纤维锚杆替代传统钢锚杆加固围岩，纤维锚杆便于切割，使铣挖机即可有效切割初支、围岩及锚杆；
(3)、本发明利用可伸缩拱架进行拱架的替换，便于与原有拱架进行拼接，能够对不同破坏长度的拱架进行快速拼接成环；
(4)、本发明利用无爆破且加固后围岩能够自稳的特点，可实现一边拆除初期支护，一边施做初期支护，提高换拱效率。
附图说明
图1是隧道初期支护侵限段换拱后的平面结构示意图。
图2是隧道初期支护侵限段换拱后的三维结构示意图。
图3是浅埋隧道注浆加固的结构示意图。
图4是深埋隧洞注浆加固的结构示意图。
图5是可伸缩拱架和原有拱架的连接结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
见图1和图2，一种隧道初期支护侵限段换拱施工方法，具体包括有以下步骤：
(1)、利用铣挖机拆除初期支护侵限段已被破坏的拱架并重新开挖初期支护侵限段围岩，一次性开挖长度为沿隧道方向2-5m，从而形成新的隧道轮廓；
(2)、在初期支护侵限段的换拱部位打入长度为10-15m的超长纤维锚杆2，超长纤维锚杆2的外端部伸入围岩破裂区域1；
(3)、利用注浆设备对换拱部位处的破裂围岩进行注浆加固，形成注浆加固区域3，进一步改善围岩环境，提高围岩自承能力；其中，注浆孔采用等距布孔，梅花型布置，根据实际注浆扩散半径d扩确定注浆孔间距，在砂性土层，注浆孔的孔间距取值为(1-1.5)d扩，排间距为孔间距的0.8倍；在粘性土层，注浆孔的孔间距取值为(1.5-3)d扩，排间距为孔间距的1倍；
注浆加固根据隧道类型分为浅埋隧道注浆加固和深埋隧洞注浆加固；
见图3，浅埋隧道注浆加固的范围由公式(1)-(5)计算得到：
注浆区域宽度B：
Figure GDA0003030624770000051
注浆区域高度ho：
Figure GDA0003030624770000052
其中，公式(1)中的
Figure GDA0003030624770000053
Figure GDA0003030624770000054
注浆厚度L：
Figure GDA0003030624770000055
其中，k为塌落系数，根据多个侵限隧道统计取值，土质取值为1.5-3，岩质取值0.5-1.5；
Figure GDA0003030624770000056
指代内摩擦角；K指土体侧压力系数；H指代拱顶离地面的埋置深度；D指代隧道直径，非圆形隧道按照最大跨度转变为圆形进行取值；
见图4，深埋隧洞注浆加固的范围由公式(6)-(9)计算得到：
隧道径向应力σr：
Figure GDA0003030624770000057
环向应力σθ：
Figure GDA0003030624770000061
其中，
Figure GDA0003030624770000062
注浆理论厚度t：
Figure GDA0003030624770000063
实际注浆厚度T＝at，a为注浆折减系数，侵限范围小于全环的1/3，a取0.5-0.6；侵限范围为全环2/3-1，a取0.6-0.8；侵限范围为全环侵限，a取0.8-1.2；
其中，po是隧道外壁压强，pi是内壁压强；ro是隧道外壁半径，ri是隧道内壁半径，非圆形隧道按照最大跨度转变为圆形进行取值，r0＝ri+T；注浆理论厚度t为理论深埋隧洞的注浆厚度；实际注浆厚度T为经过经验矫正后隧洞的实际注浆厚度；
(4)、调节可伸缩拱架4至换拱拱架所需的长度，然后将原有拱架5与可伸缩拱架4的两端连接固定，闭合成环；
(5)、喷射混凝土6即完成换拱操作。
见图5，原有拱架5为弧形工字梁结构，可伸缩拱架4包括有弧形工字梁41和四块弧形平板42，弧形工字梁41是由两块弧形弯曲板和焊接于两块弧形弯曲板之间的弧形平板组成，两块弧形弯曲板和弧形平板焊接形成两个槽向相反的弧形槽，四块弧形平板42中，其中两块弧形平板42的内端部嵌入弧形工字梁41的其中一个弧形槽内且分别邻近于弧形工字梁41的两端，另两块弧形平板42的内端部嵌入弧形工字梁41的另一个弧形槽内且分别邻近于弧形工字梁41的两端，四块弧形平板42伸出到可伸缩拱架弧形工字梁41外的部分均伸入到原有拱架5的弧形槽内，每块弧形平板42的两端部分别与对应的可伸缩拱架弧形工字梁41和原有拱架5通过螺栓43固定连接；可伸缩拱架4和原有拱架5固定连接后，当可伸缩拱架4弧形弯曲板和原有拱架5弧形弯曲板对接的端头之间形成间隙时，间隙处设置分别与可伸缩拱架4弧形弯曲板和原有拱架5弧形弯曲板焊接的连接板44从而加固初期支护拱架结构。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种隧道初期支护侵限段换拱施工方法，其特征在于：具体包括有以下步骤：
(1)、利用铣挖机拆除初期支护侵限段已被破坏的拱架并重新开挖初期支护侵限段围岩从而形成新的隧道轮廓；
(2)、在初期支护侵限段的换拱部位打入超长纤维锚杆，超长纤维锚杆的外端部伸入围岩破裂区域；
(3)、利用注浆设备对换拱部位处的破裂围岩进行注浆加固，进一步改善围岩环境，提高围岩自承能力；其中，注浆加固根据隧道类型分为浅埋隧道注浆加固和深埋隧洞注浆加固；
所述的浅埋隧道注浆加固的范围由公式(1)-(5)计算得到：
注浆区域宽度B：
Figure FDA0003030624760000011
注浆区域高度ho：
Figure FDA0003030624760000012
其中，公式(1)中的
Figure FDA0003030624760000013
Figure FDA0003030624760000014
注浆厚度L：
Figure FDA0003030624760000015
其中，k为塌落系数，根据多个侵限隧道统计取值，土质取值为1.5-3，岩质取值0.5-1.5；
Figure FDA0003030624760000016
指代内摩擦角；K指土体侧压力系数；H指代拱顶离地面的埋置深度；D指代隧道直径，非圆形隧道按照最大跨度转变为圆形进行取值；
所述的深埋隧洞注浆加固的范围由公式(6)-(9)计算得到：
隧道径向应力σr：
Figure FDA0003030624760000017
环向应力σθ：
Figure FDA0003030624760000018
其中，
Figure FDA0003030624760000021
注浆理论厚度t：
Figure FDA0003030624760000022
实际注浆厚度T＝at，a为注浆折减系数，侵限范围小于全环的1/3，a取0.5-0.6；侵限范围为全环2/3-1，a取0.6-0.8；侵限范围为全环侵限，a取0.8-1.2；
其中，po是隧道外壁压强，pi是内壁压强；ro是隧道外壁半径，ri是隧道内壁半径，非圆形隧道按照最大跨度转变为圆形进行取值，r0＝ri+T；注浆理论厚度t为理论深埋隧洞的注浆厚度；实际注浆厚度T为经过经验矫正后隧洞的实际注浆厚度；
(4)、调节可伸缩拱架至换拱拱架所需的长度，然后将原有拱架与可伸缩拱架的两端连接固定，闭合成环；
(5)、喷射混凝土即完成换拱操作。
2.根据权利要求1所述的一种隧道初期支护侵限段换拱施工方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，铣挖机拆除初期支护侵限段已被破坏的拱架并重新开挖初期支护侵限段围岩，一次性开挖长度为沿隧道方向2-5m，一次性开挖后，立即进行步骤(2)-(4)的操作，完成一次性换拱。
3.根据权利要求1所述的一种隧道初期支护侵限段换拱施工方法，其特征在于：所述的超长纤维锚杆的长度为10-15m。
4.根据权利要求1所述的一种隧道初期支护侵限段换拱施工方法，其特征在于：所述的步骤(3)，注浆加固中，注浆孔采用等距布孔，梅花型布置；根据实际注浆扩散半径d扩确定注浆孔间距，在砂性土层，注浆孔的孔间距取值为(1-1.5)d扩，排间距为孔间距的0.8倍；在粘性土层，注浆孔的孔间距取值为(1.5-3)d扩，排间距为孔间距的1倍。
5.根据权利要求1所述的一种隧道初期支护侵限段换拱施工方法，其特征在于：所述的原有拱架为弧形工字梁结构，所述的可伸缩拱架包括有弧形工字梁和四块弧形平板，弧形工字梁是由两块弧形弯曲板和焊接于两块弧形弯曲板之间的弧形平板组成，所述的两块弧形弯曲板和弧形平板焊接形成两个槽向相反的弧形槽，所述的四块弧形平板中，其中两块弧形平板的内端部嵌入弧形工字梁的其中一个弧形槽内且分别邻近于弧形工字梁的两端，另两块弧形平板的内端部嵌入弧形工字梁的另一个弧形槽内且分别邻近于弧形工字梁的两端，四块弧形平板伸出到可伸缩拱架弧形工字梁外的部分均伸入到原有拱架的弧形槽内，每块弧形平板的两端部分别与对应的可伸缩拱架弧形工字梁和原有拱架通过螺栓固定连接。
6.根据权利要求5所述的一种隧道初期支护侵限段换拱施工方法，其特征在于：所述的可伸缩拱架和原有拱架固定连接后，当可伸缩拱架弧形弯曲板和原有拱架弧形弯曲板对接的端头之间形成间隙时，所述的间隙处设置分别与可伸缩拱架弧形弯曲板和原有拱架弧形弯曲板焊接的连接板从而加固初期支护拱架结构。
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