CN111691895A - 软碎移动大偏压湿润炭质页岩隧道柔硬双层初支开挖方法 - Google Patents
软碎移动大偏压湿润炭质页岩隧道柔硬双层初支开挖方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种软碎移动大偏压湿润炭质页岩隧道柔硬双层初支开挖方法，在开挖后初喷混凝土，减少掉块，保证了后续施工安全；另外，本发明在打设锁脚锚管时，在锁脚锚管上增设加固钢板，以增加锁脚锚管的抗拔力，与锚杆相配合，增加拱架的抗变形能力；铺设铁丝网，铁丝网安装简便快捷，快速封闭，且能够产生柔性变形，有效防止初支开裂；需要强调的是，本发明采用双层初支结构，支护强度高，可有效抵抗破碎岩顺层偏压蠕变应力，减少围岩变形，大大降低塌方风险，避免侵限返工，节约施工成本。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程施工技术领域，特别是涉及一种软碎移动大偏压湿润炭质页岩隧道柔硬双层初支开挖方法。
背景技术
设计时速350公里/小时郑万高铁某双线隧道全长7827.3m，分进口、横洞、出口3个工区4个作业面施工，开挖断面约150m2，洞身通过地层为新滩组(S1x)砂质页岩，横洞大里程开挖揭示围岩呈灰黑色、灰色砂质、炭质页岩，受区域地质构造影响，岩体挤压破碎，节理裂隙发育，层间夹杂方解石脉，石脉呈环绕状发育：即随着正洞往大里程推进，方解石脉从隧道左侧逐渐向前斜移到顶部，再继续斜移到右侧，再向前斜移到底部，再到左侧，象蛇一样缠绕着隧道。方解石脉呈白色，开挖后露出遇空气风化崩解，遇水崩解破碎更快。夹方解石脉的炭质页岩变形量大，下沉和位移变化快，容易侵限，围岩自稳性极差，见图1，图1为现有施工方法中岩层夹杂方解石脉示意图，1为岩层夹杂方解石脉走向示意。
现有技术采用三台阶+临时仰拱法非爆开挖，按照新奥法初支承担主要围岩压力原理，按Vc初期支护参数施工，见图2、图3，图2为Vc初期支护参数示意图，图3为Vc初期支护示意图。具体包括：①超前支护：采用φ42mm超前小导管，外插角10～15°，长4.0m，纵向间距2.4m，每环根数50根，环向间距0.4m，注水泥浆。②初支结构：初喷4cm喷射混凝土+钢筋网片+I122a型钢钢架+复喷25cm喷射混凝土。初喷混凝土：C25混凝土，厚4cm。钢筋网片：采用φ8钢筋网格，网格间距20×20cm，搭接不少于1.5个网格。全环拱架：采用I122a型钢钢架，间距0.6m。拱架锁脚：采用φ42mm锁脚锚管，长4.5m，上、中、下拱脚各1组，1组2根。复喷混凝土：C25混凝土，复喷25cm。上述施工过程中，开挖后拱部、边墙掉块严重，初喷混凝土封闭效果差；挂网、立拱架和喷射混凝土初支结构完成后，岩体沿方解石脉软弱夹层，缓慢蠕变；造成初支开裂、变形、侵限，初支侵限后，换拱施工，费时费力、成本超耗严重。
因此，如何改变现有技术中，大断面隧道软碎湿润炭质页岩顺层移动大偏压，单层拱架初支结构易变形严重开裂、发生位移大范围侵限的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种软碎移动大偏压湿润炭质页岩隧道柔硬双层初支开挖方法，以解决上述现有技术存在的问题，使初期支护结构能够抵抗移动顺层偏压沿软弱夹层蠕变，提高施工质量和施工效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种软碎移动大偏压湿润炭质页岩隧道柔硬双层初支开挖方法，包括如下步骤：
步骤一、超前支护
采用中管棚和超前小导管综合支护，注浆；
步骤二、一次初支结构
开挖台阶后，初喷混凝土封闭开挖面和掌子面，铺设钢筋网，支立全环拱架，在台阶拱脚连接板上下各打设锁脚锚管，锁脚锚管具有能够增加抗拔力的加固钢板，复喷混凝土；
步骤三、二次初支结构
最下部台阶初支成环后，打设锚杆，整环铺设铁丝网，铁丝网通过锚杆加大锚垫板固定，铁丝网铺设完毕、锚杆和锚垫板安装完毕后，第三次喷射混凝土。
优选地，步骤一中，超前支护采用φ76mm中管棚，全环φ42mm超前小导管，其中，拱部150°范围每25榀拱架打设一环中管棚，长20.0m，外插角1°～5°，每环50根，环向间距0.4m，纵向搭接5m；每4榀拱架打设全环小导管，长4.0m，外插角10°～15°，环向间隔0.4m，纵向搭接1.6m。
优选地，步骤二中，开挖台阶时，每循环开挖进尺2榀拱架1.2m，预留变形量0.3m，挖机依次按预设轮廓线开挖出上、中、下台阶；初喷混凝土时，喷射4cm厚C25混凝土，封闭开挖面和掌子面；铺设钢筋网时，铺设φ8钢筋网片，网格间距20×20cm，搭接不少于1.5个网格；支立全环拱架时，采用I122a型钢钢架，拱架间距0.6m，上、中、下台阶同时支立拱架；在上、中、下台阶拱脚连接板上下各打设1组锁脚锚管，每组锁脚锚管的数量为4根，采用φ42mm锁脚锚管，长4.5m，下倾角45°，锁脚锚管的加固钢板为倒三角形；复喷20cm厚C25混凝土，拱架外缘外露。
优选地，锁脚锚管上的加固钢板的数量为4组，4组加固钢板沿锁脚锚管的轴线方向交错设置。
优选地，加固钢板为直角三角形板状结构，加固钢板的长直角边与锁脚锚管的管壁焊接相连，加固钢板的长直角边与斜边形成的尖角正对锁脚锚管的尖端。
优选地，步骤三中，下台阶初支成环后，每2榀拱架，打设锚杆，锚杆采用形成环向间隔3.0m，每组2根的锁脚锚杆结构；拱部140°范围内采用φ25mm涨壳式预应力中空注浆锚杆，边墙采用φ22mm砂浆锚杆；整环铺设铁丝网时，采用镀锌铁丝网，网格5cm铁丝网，宽1.4m，铁丝网通过1组2根锁脚锚杆加大锚垫刚板固定；铁丝网铺设完毕、锁脚锚杆锚垫板安装完毕，第三次喷射10cm厚C25混凝土。
优选地，步骤三中，打设锚杆时，如果存在方解石脉变形严重的情况，则锚杆加长至9.0m；如果无方解石脉、变形较轻微，锚杆长度4.5m，纵环向间距0.6×3.0m。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的软碎移动大偏压湿润炭质页岩隧道柔硬双层初支开挖方法，在开挖后初喷混凝土，减少掉块，保证了后续施工安全；另外，本发明在打设锁脚锚管时，在锁脚锚管上增设加固钢板，以增加锁脚锚管的抗拔力，与锚杆相配合，增加拱架的抗变形能力；铺设铁丝网，铁丝网安装简便快捷，快速封闭，且能够产生柔性变形，有效防止初支开裂；需要强调的是，本发明采用双层初支结构，支护强度高，可有效抵抗破碎岩顺层偏压蠕变应力，减少围岩变形，大大降低塌方风险，避免侵限返工，节约施工成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有施工方法中岩层夹杂方解石脉示意图；
图2为现有施工方法中Vc初期支护示意图；
图3为现有施工方法中Vc初期支护的其他示意图；
图4为本发明的软碎移动大偏压湿润炭质页岩隧道柔硬双层初支开挖方法的初支结构示意图；
图5为本发明的软碎移动大偏压湿润炭质页岩隧道柔硬双层初支开挖方法的超前支护的示意图；
图6为本发明的软碎移动大偏压湿润炭质页岩隧道柔硬双层初支开挖方法的双层初支锁脚锚管、锚杆示意图；
图7为本发明的软碎移动大偏压湿润炭质页岩隧道柔硬双层初支开挖方法的锁脚锚管的结构示意图；
图8为本发明的软碎移动大偏压湿润炭质页岩隧道柔硬双层初支开挖方法的锁脚锚杆扩大锚垫刚板的示意图；
其中，1为岩层夹杂方解石脉走向示意，2为超前小导管，3为中管棚，4为上台阶，5为中台阶，6为下台阶，7为拱架，8为钢筋网，9为锁脚锚管，10为加固钢板，11为锚垫刚板，12为锚垫板，13为锁脚锚杆，14为二次初支结构。
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。
本发明的目的是提供一种软碎移动大偏压湿润炭质页岩隧道柔硬双层初支开挖方法，以解决上述现有技术存在的问题，使初期支护结构能够抵抗移动顺层偏压沿软弱夹层蠕变，提高施工质量和施工效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图4-8，其中，图4为本发明的软碎移动大偏压湿润炭质页岩隧道柔硬双层初支开挖方法的初支结构示意图，图5为本发明的软碎移动大偏压湿润炭质页岩隧道柔硬双层初支开挖方法的超前支护的示意图，图6为本发明的软碎移动大偏压湿润炭质页岩隧道柔硬双层初支开挖方法的双层初支锁脚锚管、锚杆示意图，图7为本发明的软碎移动大偏压湿润炭质页岩隧道柔硬双层初支开挖方法的锁脚锚管的结构示意图，图8为本发明的软碎移动大偏压湿润炭质页岩隧道柔硬双层初支开挖方法的锁脚锚杆扩大锚垫刚板的示意图。
本发明提供一种软碎移动大偏压湿润炭质页岩隧道柔硬双层初支开挖方法，采用三台阶+临时仰拱法机械开挖，按照新奥法初支承担主要围岩压力原理，在Vc初期支护参数基础上采取加强措施，具体包括如下步骤：
步骤一、超前支护
采用φ76mm中管棚3+全环φ42mm超前小导管2综合支护，见图5。
管棚：拱部150°范围每25榀拱架7打设一环中管棚3，长20.0m，外插角1°～5°，每环50根，环向间距0.4m，纵向搭接5m；
超前小导管2：上台阶4、中台阶5、下台阶6每4榀拱架7打设全环小导管，长4.0m，外插角10°～15°，环向间隔0.4m，纵向搭接1.6m；
注浆：采用快硬硫铝酸盐水泥。
步骤二、一次初支结构
初喷4cm混凝土+钢筋网8+I122a型钢钢架+复喷20cm喷射混凝土。
开挖：每循环开挖进尺2榀拱架71.2m，预留变形量0.3m，挖机依次按预设轮廓线开挖出上台阶4、中台阶5、下台阶6。
初喷混凝土：初喷4cm厚C25喷射混凝土封闭开挖面和掌子面，防止掉块。
钢筋网8：铺设φ8钢筋网8，网格间距20×20cm，搭接不少于1.5个网格。
全环拱架7：采用I122a型钢钢架，间距0.6m，上台阶4、中台阶5、下台阶6同时支立拱架7。
拱架7锁脚：在上台阶4、中台阶5、下台阶6拱脚连接板上下各打设1组4根锁脚锚管9。采用φ42mm锁脚锚管9，长4.5m，下倾角45°，锁脚锚管9具有加固钢板10，类似鱼鳍状，采用在原小导管上焊接4组倒三角形的加固钢板10，增加抗拔力，见图7。
复喷混凝土：复喷20cm厚C25混凝土，拱架7外缘外露。
步骤三、二次初支结构14
下台阶6初支成环后，每2榀拱架7，打设锚杆，锚杆采用优化设置，形成环向间隔3.0m，1组2根的锁脚锚杆13结构，见图6。
锚杆：拱部140°范围内采用φ25mm涨壳式预应力中空注浆锚杆，边墙采用φ22mm砂浆锚杆，如果存在方解石脉变形严重的情况，锚杆加长至9.0m；如果无方解石脉、变形较轻微，锚杆长度4.5m，纵环向间距0.6×3.0m。
镀锌铁丝网：整环铺设镀锌铁丝网，网格5cm铁丝网，宽1.4m，定制整环长度30m，卷成一捆，方便使用。铁丝网通过1组2根锁脚锚杆13加大锚垫刚板11固定，见图8。
三喷混凝土：铁丝网铺设完毕、锁脚锚杆13锚垫板12安装完毕，三喷10cm厚C25喷射混凝土。
本发明采取三次三层初支方法综合治理，解决了极软弱炭质页岩开挖后掉块安全问题、侵限换拱返工问题；在锁脚锚管9上增设加固钢板10，注浆后增加抗拔力，提高抵抗拱架7变形能力；锁脚型锚杆布置，起到锚杆、锁脚(锁住铁丝网，加强锁住二次初支的拱架7)双重功效，尤其是在方解石脉出现的一侧采用加长到9.0m的锚杆，更进一步锁住钢丝网和二次初支的拱架7，有利于抵抗夹方解石脉的炭质页岩大变形，扼制联合初支下沉、位移和侵限；镀锌铁丝网二次初支加强结构，增加初支柔性变形能力，减少初支开裂变形和掉块。经监控量测，围岩下沉、收敛，本发明增设二次铁丝网+长锚杆锁脚+喷射混凝土初支结构后，变形在可控范围内。二次初支在预留变形量范围内，浇筑衬砌混凝土时不用拆除，直接浇筑。经验证，抵抗破碎岩顺层偏压效果良好。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种软碎移动大偏压湿润炭质页岩隧道柔硬双层初支开挖方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、超前支护
采用中管棚和超前小导管综合支护，注浆；
步骤二、一次初支结构
开挖台阶后，初喷混凝土封闭开挖面和掌子面，铺设钢筋网，支立全环拱架，在台阶拱脚连接板上下各打设锁脚锚管，锁脚锚管具有能够增加抗拔力的加固钢板，复喷混凝土；
步骤三、二次初支结构
最下部台阶初支成环后，打设锚杆，整环铺设铁丝网，铁丝网通过锚杆加大锚垫板固定，铁丝网铺设完毕、锚杆和锚垫板安装完毕后，第三次喷射混凝土。
2.根据权利要求1所述的软碎移动大偏压湿润炭质页岩隧道柔硬双层初支开挖方法，其特征在于：步骤一中，超前支护采用φ76mm中管棚，全环φ42mm超前小导管，其中，拱部150°范围每25榀拱架打设一环中管棚，长20.0m，外插角1°～5°，每环50根，环向间距0.4m，纵向搭接5m；每4榀拱架打设全环小导管，长4.0m，外插角10°～15°，环向间隔0.4m，纵向搭接1.6m。
3.根据权利要求2所述的软碎移动大偏压湿润炭质页岩隧道柔硬双层初支开挖方法，其特征在于：步骤二中，开挖台阶时，每循环开挖进尺2榀拱架1.2m，预留变形量0.3m，挖机依次按预设轮廓线开挖出上、中、下台阶；初喷混凝土时，喷射4cm厚C25混凝土，封闭开挖面和掌子面；铺设钢筋网时，铺设φ8钢筋网片，网格间距20×20cm，搭接不少于1.5个网格；支立全环拱架时，采用I122a型钢钢架，拱架间距0.6m，上、中、下台阶同时支立拱架；在上、中、下台阶拱脚连接板上下各打设1组锁脚锚管，每组锁脚锚管的数量为4根，采用φ42mm锁脚锚管，长4.5m，下倾角45°，锁脚锚管的加固钢板为倒三角形；复喷20cm厚C25混凝土，拱架外缘外露。
4.根据权利要求3所述的软碎移动大偏压湿润炭质页岩隧道柔硬双层初支开挖方法，其特征在于：锁脚锚管上的加固钢板的数量为4组，4组加固钢板沿锁脚锚管的轴线方向交错设置。
5.根据权利要求4所述的软碎移动大偏压湿润炭质页岩隧道柔硬双层初支开挖方法，其特征在于：加固钢板为直角三角形板状结构，加固钢板的长直角边与锁脚锚管的管壁焊接相连，加固钢板的长直角边与斜边形成的尖角正对锁脚锚管的尖端。
6.根据权利要求1所述的软碎移动大偏压湿润炭质页岩隧道柔硬双层初支开挖方法，其特征在于：步骤三中，下台阶初支成环后，每2榀拱架，打设锚杆，锚杆采用形成环向间隔3.0m，每组2根的锁脚锚杆结构；拱部140°范围内采用φ25mm涨壳式预应力中空注浆锚杆，边墙采用φ22mm砂浆锚杆；整环铺设铁丝网时，采用镀锌铁丝网，网格5cm铁丝网，宽1.4m，铁丝网通过1组2根锁脚锚杆加大锚垫刚板固定；铁丝网铺设完毕、锁脚锚杆锚垫板安装完毕，第三次喷射10cm厚C25混凝土。
7.根据权利要求6所述的软碎移动大偏压湿润炭质页岩隧道柔硬双层初支开挖方法，其特征在于：步骤三中，打设锚杆时，如果存在方解石脉变形严重的情况，则锚杆加长至9.0m；如果无方解石脉、变形较轻微，锚杆长度4.5m，纵环向间距0.6×3.0m。
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