CN111636899B - 一种预防底鼓的隧道仰拱结构及施工工艺 - Google Patents

Abstract

本公开涉及预防底鼓的隧道仰拱结构及施工工艺，隧道仰拱结构的主体包括包括外层仰拱钢架、内层仰拱钢架和顶层钢拱架；施工工艺的步骤主要包括开挖拱墙部位和仰拱部位的地层、对地层软弱区域进行注浆加固，对地下水发育段进行排水；安装仰拱钢架，对每一榀仰拱钢架进行锚杆加固；浇筑仰拱初支层混凝土，铺设防水层；安装拱脚排水管；沿隧道轴向铺设加密钢筋排，安装内层仰拱钢架，浇筑内层混凝土，铺设内防水层；进行仰拱二衬钢筋绑扎，浇筑二衬混凝土等步骤。

Description

一种预防底鼓的隧道仰拱结构及施工工艺

技术领域

本公开属于土木工程施工技术领域，具体涉及一种预预防底鼓的隧道仰拱结构及施工工艺。

背景技术

隧道仰拱是为改善上部支护结构受力条件而设置在隧道底部的反向拱形结构，是隧道结构的主要组成部分之一，它一方面将隧道上部的地层压力通过隧道边墙结构或将路面上的荷载有效地传递到地下，而且还有效地抵抗隧道下部地层传来的反力，是隧道结构的重要组成部分。当隧道穿越软弱地层及地质恶劣的高应力区时，经常发生各种坍塌、涌水、底鼓、大变形现象，仰拱底鼓是其中较为常见的一种，一旦发生其变形持续且不确定，对工程建设及后期运营留下重大隐患，严重破坏了隧道结构。

国内外出现过多起隧道仰拱底鼓病害实例，总结隧道仰拱底鼓的原因，除了人为因素(施工质量欠佳)、自然因素(地震)等，主要是由于隧道穿越区域的自然环境因素导致的，比如地层软弱导致隧道不均匀沉降或者整体沉降、地下水对仰拱的侵蚀、围岩变形破碎导致塑性圈扩大增加仰拱负荷等。

发明人认为：目前隧道仰拱结构容易受上述因素的影响而发生底鼓，施工工艺没有针对仰拱底鼓易发洞段的科学设防，只是依靠蛮力注浆加固，取得的效果十分有限，并且仰拱底鼓现象十分容易反复，极大地拖延了工期，增加了施工成本。

发明内容

本公开的目的是提供预防底鼓的隧道仰拱结构及施工工艺，能够解决隧道穿越软弱地层、地下水发育区域时发生仰拱底鼓、上浮的难题。

为实现上述目的，本公开的第一方面提供一种预防底鼓的隧道仰拱结构，包括外层仰拱钢架、内层仰拱钢架和顶层钢拱架；所述外层仰拱钢架与内层仰拱钢架均呈仰拱形，所述顶层钢拱架水平布置，外层仰拱钢架与内层仰拱钢架的顶端分别与顶层钢拱架固定连接，外层仰拱钢架与内层仰拱钢架固定连接。

内层仰拱钢架与顶层钢拱架之间设置有钢筋笼，所述内层仰拱钢架与外层仰拱钢架之间、内层仰拱钢架与钢筋笼之间、钢筋笼处、顶层钢拱架处分别浇筑有混凝土；所述外层仰拱钢架处固定连接有倾斜锚杆，所述倾斜锚杆朝着远离内层仰拱钢架的方向呈放射状布置；所述顶层钢拱架的两端分别固定连接有水平锚杆，所述水平锚杆插入顶层钢拱架两端的围岩中。

本公开的第二方面提供一种预防隧道仰拱底鼓的施工工艺，包括以下步骤：

开挖拱墙部位和仰拱部位的地层、对地层软弱区域进行注浆加固，对地下水发育段进行排水；

安装外层仰拱钢架，对每一榀仰拱钢架进行锚杆加固；

浇筑仰拱初支层混凝土，铺设外防水层；

安装拱脚排水管；

沿隧道轴向铺设加密的钢筋排，安装内层仰拱钢架，浇筑内层混凝土，铺设内防水层；

进行仰拱二衬钢筋绑扎，浇筑二衬混凝土；

安装顶层仰拱钢架，进行仰拱顶层混凝土填充施工。

以上一个或多个技术方案的有益效果为：

本公开中，采用顶层钢拱架、内层仰拱钢架和外层仰拱钢架固定连接的方式，相对于现有的仰拱结构来说，增加了顶层钢拱架，能够在仰拱结构的顶层形成一个整体，顶层处的水平锚杆沿水平方向张拉顶层钢拱架，能够抵消部分仰拱底鼓的应力，减少底鼓的风险。

本公开施工工艺可以灵活运用于不同围岩等级和地层破碎情况的隧道，可以有效地预防隧道仰拱底鼓现象。并且与现有工艺相比并未增加施作难度，易于普及。相比于仰拱底鼓的治理成本，本公开成本低，效果好。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本公开实施例1中隧道支护结构的示意图。

图2为图1中部分结构的局部放大图；

图3为本公开实施例2中施工工艺的流程图；

1.隧道开挖轮廓；2.顶层混凝土；3.顶层钢拱架；4.钢筋笼；5.二衬混凝土；6.拱脚排水管；7.内防水层；8.内层混凝土；9.内层仰拱钢架；10.钢筋排；11.外防水层；12.初支层混凝土；13.外层仰拱钢架；14.倾斜锚杆；14A.水平锚杆；15.注浆加固层。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本公开中如果出现“上、下、左、右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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公开的限制。

本公开通过对隧道仰拱底鼓、上浮机理进行分析，总结出三条主要原因：隧道开挖造成围岩应力重分布，对于软弱地层而言容易发生塑性圈扩大，增加隧道负荷，从而造成仰拱受力过大；地下水发育，对仰拱结构进行侵蚀，仰拱强度降低；地层软弱发生不均匀沉降，造成仰拱应力集中。针对这三条原因，本公开通过对钢拱架增设锚杆固定、增加钢筋排和内仰拱钢架、增设防水层、增加顶部抗拉钢架等手段，设计了一种基于弓形支撑结构的仰拱，可以灵活应对不同软弱情况的地层，保证隧道结构的完整性和安全性。

从图1可以看出，隧道开挖轮廓1为拱形结构，在进行仰拱施工时，一般会在周边地层中注浆以形成注浆加固层15。

实施例1

如图1-2所示，本实施例提供一种预防底鼓的隧道仰拱结构，包括外层仰拱钢架13、内层仰拱钢架9和顶层钢拱架3；所述外层仰拱钢架13与内层仰拱钢架9均呈仰拱形，所述顶层钢拱架3水平布置，外层仰拱钢架13与内层仰拱钢架9的顶端分别与顶层钢拱架3固定连接，外层仰拱钢架13与内层仰拱钢架9固定连接；

内层仰拱钢架9与顶层钢拱架3之间设置有钢筋笼4，所述内层仰拱钢架9与外层仰拱钢架13之间、内层仰拱钢架9与钢筋笼4之间、钢筋笼4处、顶层钢拱架3处分别浇筑有混凝土；所述外层仰拱钢架13处固定连接有倾斜锚杆14，所述倾斜锚杆14朝着远离内层仰拱钢架9的方向呈放射状布置；所述顶层钢拱架3的两端分别固定连接有水平锚杆14A，所述水平锚杆插入顶层钢拱架3两端的围岩中。

需要指出的是，顶层钢拱架3为平直、抗拉钢架，在焊接缝中安装好顶层钢拱架3后，需要与初支层的仰拱钢架和内层仰拱钢架9进行焊接，形成弓形支撑结构，然后通过钢筋混凝土将焊接缝填充。

具体的，所述内层仰拱钢架9与外层仰拱钢架13之间设置有外防水层11，所述防水层与外层仰拱钢架13之间设置有初支层混凝土12，所述防水层与内层仰拱钢架9之间设置有钢筋排10。

所述内层仰拱钢架9背离外层仰拱钢架13的一侧设置有内防水层7所述内防水层7与内层仰拱钢架9支架设置有内层混凝土8层，所述钢筋笼通过内防水层7支撑。

所述顶层钢拱架3下方的内层混凝土8中设置有拱脚排水管6，所述拱脚排水管6沿隧道的延伸方向布置，所述拱脚排水管6设置在内防水层7与外防水层11之间，所述顶层钢拱架3处浇筑有顶层混凝土2，所述顶层混凝土2上表面设置排水沟，所述排水沟与拱脚排水管6通过预留孔道连通。

所述拱脚排水管6的数量为两个，两个拱脚排水管6分别设置在隧道的两个拱脚处。

实施例2

如图3所示，本实施例提供一种预防隧道仰拱底鼓的施工工艺，包括以下步骤：

步骤1，开挖拱墙部位和仰拱部位的地层、对地层软弱区域进行注浆加固，对地下水发育段进行排水。

步骤2，进行混凝土垫层找平，安装外层仰拱钢架13，对每一榀仰拱钢架进行锚杆加固。

步骤3，浇筑仰拱初支层混凝土12，铺设外防水层11。

步骤4，安装拱脚排水管6；

步骤5，沿隧道轴向铺设加密的钢筋排10，安装内层仰拱钢架9，浇筑内层混凝土8，铺设内防水层7；施作内层混凝土8和内防水层7时需要在拱墙上保留钢拱架接头区域的焊接缝。

步骤6，进行仰拱二衬钢筋绑扎，浇筑二衬混凝土5。需要指出的是，此处的仰拱二衬钢筋即为上述的钢筋笼。

步骤7，安装顶层仰拱钢架，进行仰拱顶层混凝土2填充施工。

作为进一步限定，所述步骤,1中地层开挖不得存在超挖、欠挖情况，如有超挖须进行钢筋混凝土浇筑，不得用渣土回填；如有欠挖须将多余岩土体挖掘干净。

所述步骤1中进行地层注浆加固时须通过超前物探或者超前钻等方式对地层破碎区域范围和破碎程度进行探明，根据地层软弱程度进行不小于安全值范围的注浆加固，其中安全值范围为1～4倍洞径。

所述步骤1中进行钢拱架锚固时，需要进行最少底板四对、拱脚一对、仰拱接头区一对锚杆的施作，每对锚杆分布于钢拱架左右两侧，具体施作时需根据探明的地层软弱程度进行增设。

所述步骤1中施作初支层混凝土和防水层时需要在拱墙上保留钢拱架接头区域的焊接缝。

所述步骤1中的钢筋排和内层钢拱架需要根据地层软弱程度进行合理的密布程度。

所述步骤1施作内层混凝土和内防水层时需要在拱墙上保留钢拱架接头区域的焊接缝。

所述步骤1进行二衬施作时需保留焊接缝开口，保证后续焊接操作顺利进行。

所述步骤1顶层钢架为平直、抗拉钢架，在焊接缝中安装好顶层钢架后，需要与初支层的仰拱钢架和内层钢拱架进行焊接，形成弓形支撑结构，然后通过钢筋混凝土将焊接缝填充。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种预防底鼓的隧道仰拱结构，其特征在于，包括外层仰拱钢架、内层仰拱钢架和顶层钢拱架；

所述外层仰拱钢架与内层仰拱钢架均呈仰拱形，所述顶层钢拱架水平布置，外层仰拱钢架与内层仰拱钢架的顶端分别与顶层钢拱架固定连接，外层仰拱钢架与内层仰拱钢架固定连接；

内层仰拱钢架与顶层钢拱架之间设置有钢筋笼，所述内层仰拱钢架与外层仰拱钢架之间、内层仰拱钢架与钢筋笼之间、钢筋笼处、顶层钢拱架处分别浇筑有混凝土；

所述外层仰拱钢架处固定连接有倾斜锚杆，所述倾斜锚杆朝着远离内层仰拱钢架的方向呈放射状布置；

所述顶层钢拱架的两端分别固定连接有水平锚杆，所述水平锚杆插入顶层钢拱架两端的围岩中；

所述内层仰拱钢架与外层仰拱钢架之间设置有外防水层，所述内层仰拱钢架背离外层仰拱钢架的一侧设置有内防水层。

2.根据权利要求1所述的预防底鼓的隧道仰拱结构，其特征在于，所述外防水层与外层仰拱钢架之间设置有初支层混凝土，所述外防水层与内层仰拱钢架之间设置有钢筋排。

3.根据权利要求2所述的预防底鼓的隧道仰拱结构，其特征在于，所述内防水层与内层仰拱钢架支架设置有内层混凝土，所述钢筋笼通过内防水层支撑。

4.根据权利要求3所述的预防底鼓的隧道仰拱结构，其特征在于，所述顶层钢拱架下方的内层混凝土中设置有拱脚排水管，所述拱脚排水管沿隧道的延伸方向布置，所述拱脚排水管设置在内防水层与外防水层之间，所述顶层钢拱架处浇筑有顶层混凝土，所述顶层混凝土上表面设置排水沟，所述排水沟与拱脚排水管通过预留孔道连通。

5.根据权利要求4所述的预防底鼓的隧道仰拱结构，其特征在于，所述拱脚排水管的数量为两个，两个拱脚排水管分别设置在隧道的两个拱脚处。

6.一种预防隧道仰拱底鼓的施工工艺，其特征在于，采用如权利要求1-5任一项所述的一种预防底鼓的隧道仰拱结构，包括以下步骤：

开挖拱墙部位和仰拱部位的地层、对地层软弱区域进行注浆加固，对地下水发育段进行排水；

安装外层仰拱钢架，对每一榀仰拱钢架进行锚杆加固；

浇筑仰拱初支层混凝土，铺设外防水层；

安装拱脚排水管；

沿隧道轴向铺设加密的钢筋排，安装内层仰拱钢架，浇筑内层混凝土，铺设内防水层；

进行仰拱二衬钢筋绑扎，浇筑二衬混凝土；

安装顶层仰拱钢架，进行仰拱顶层混凝土填充施工。

7.根据权利要求6所述的预防隧道仰拱底鼓的施工工艺，其特征在于，进行地层注浆加固时需要对地层破碎区域范围和破碎程度进行探明，根据地层软弱程度进行不小于安全值范围的注浆加固，其中安全值范围为1～4倍洞径。

8.根据权利要求6所述的预防隧道仰拱底鼓的施工工艺，其特征在于，施作初支层混凝土和外防水层时需要在拱墙上保留钢拱架接头区域的焊接缝。

9.根据权利要求6所述的预防隧道仰拱底鼓的施工工艺，其特征在于，施作内层混凝土和内防水层时需要在拱墙上保留钢拱架接头区域的焊接缝。

10.根据权利要求6所述的预防隧道仰拱底鼓的施工工艺，其特征在于，顶层钢拱架为平直、抗拉钢架，在焊接缝中安装好顶层钢拱架后，需要与初支层的仰拱钢架和内层仰拱钢架进行焊接，形成弓形支撑结构，然后通过钢筋混凝土将焊接缝填充。

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