CN111779510A - 一种高液限红黏土围岩隧道初支侵限换拱方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高液限红黏土围岩隧道初支侵限换拱方法，包括围岩加固方法与技术、原有初支钢拱架的拆除顺序和新初支钢拱架施做顺序。其中，围岩支护和注浆后拆换钢拱架以注浆、衬砌、换拱、落地和封闭成环五方面作为核心工法；换拱顺序以三榀钢拱架形成一个单元，以此单元为整体，依次顺序更换每一三榀钢拱架单元中间钢拱架；每一三榀钢拱架单元之间受力关联，换拱时由两侧钢拱架受力，更换中间钢拱架；换拱顺序由洞口向掌子面依次单元换拱。本发明针对高液限红黏土围岩隧道大变形易侵入建筑限界设计，以三榀拱架为单元合理地安排了围岩钢拱架换拱顺序，在保证拆换钢拱架施工过程中围岩稳定性的基础上，提高了换拱施工效率。

Description

一种高液限红黏土围岩隧道初支侵限换拱方法
技术领域
本发明涉及土木工程技术领域，特别涉及一种高液限红黏土围岩隧道初支侵限换拱方法。
背景技术
在隧道建设施工中，特别在红黏土隧道中，红黏土围岩主要存在高天然含水率、高孔隙比和高液限等不良工程问题。当高液限红黏土隧道施工中遇到连续雨季时，隧道拱顶发生沉降，浅埋段围岩自稳能力差。因此高液限红黏土围岩常常出现围岩侵限工程问题，故对施工技术和施工难度提出了更高要求。对于大跨度红黏土隧道而言，由于其围岩变形大易侵限，对新建隧道中初期支护造成影响，甚至支护结构失效等灾害频发，延误施工进度并危及施工人员的生命安全。在现有红黏土围岩隧道文献阅读中发现，在建红黏土围岩隧道存在局部塌方现象，并不同程度地出现拱顶下沉侵限及衬砌开裂等不良现象。
在高液限红黏土围岩隧道施工中，遭遇雨季连续降雨，导致围岩拱顶沉降增大。在现场施工实例中，通过对围岩进行隧道监控量测，数据中显示：围岩变形最大的断面，沉降累积值已达到近1米；该断面两侧相邻5米的两个断面，拱顶沉降累积值分别达到50至60厘米，均为工程中鲜有的拱顶沉降大变形，引起施工人员与管理人员的高度重视。该区间段拱顶钢拱架下沉，侵入二次衬砌限界，钢拱架两侧围岩出现贯通裂隙，渗出水由拱顶自由滴落，衬砌多处阴湿。
在现有的隧道施工中，多采用新奥法开挖，在充分利用围岩自稳性的基础上，采用初期支护限制开挖初期围岩变形并支护，待围岩变形稳定后施做二次衬砌，使支护结构闭合成环形成稳定支护结构。但在高液限红黏土围岩隧道中，围岩拱顶沉降较大，将已施做的初期支护钢拱架挤压变形破坏。围岩大变形已侵入隧道建筑限界，已不具备二次衬砌设计施做厚度，影响正常施工和隧道安全。故需拆除更换初期支护钢拱架，简称“换拱”。但现有换拱工法中，施工工艺复杂、换拱效率低和等时时间长等因素降低了施工效率。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种步骤简单、施工效率高、稳定可靠的高液限红黏土围岩隧道初支侵限换拱方法。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种高液限红黏土围岩隧道初支侵限换拱方法，包括以下步骤：
步骤一，临时钢支撑加固：对未施作仰拱段、已施工三台阶开挖中上台阶部分、已开挖三台阶上下台阶部分现场进行临时支撑架设；且对台阶底部基础不实的部位采用注浆加固的形式对基础进行处理；
步骤二，隧道侵限段径向注浆加固：对围岩侵限需要拆换钢拱架的一段区域进行围岩注浆加固工作，侵入建筑限界段围岩变形稳定后进行径向注浆加固，洞内设置径向注浆管，对初期支护背后围岩进行加固处理；注浆作业后检查注浆效果；
步骤三，换拱前技术准备工作：加工好侵限换拱台架和制作换拱所需的钢支撑；根据隧道监控量测数据，在侵限换拱段从已施工二次衬砌处向掌子面方向，依次用红油漆标识出三榀钢拱架形成一个单元，侵限段内换拱处及起止里程用红油漆标示清晰；每个三榀钢拱架单元两侧钢拱架作为支护结构，中间钢拱架进行拆换，从已施工二衬段向掌子面逐单元拆换中间钢拱架，拆换顺序采用从下向上、先墙后拱的顺序进行拆换，拆换一段，支护一段；
步骤四：架设换拱钢支撑：对超挖部分用C30混凝土进行填充，架设换拱钢支撑在换拱作业面前人工组装，各节钢架用螺栓连接，连接板接缝三面满焊，若需要部分换拱，先量出需要钢拱架长度，再加工焊接；对已更换的钢拱架采用锁脚钢管锁紧钢拱架；将已更换的钢拱架与所在单元两侧钢拱架用钢筋相连接，使三榀钢拱架形成一个受力整体；
步骤五，换拱后处理：在拆换钢拱架后钢拱架按原设计，设置12cm预留变形量，保证初期支护净空；在换拱作业后钢拱架与围岩存在围岩应力重分布，并为围岩二次衬砌预留施做厚度；对已完成拆换的钢拱架施做初期支护，同时加强监控量测，保证每天不少于2次，加强洞内支护；
步骤六，逐三榀钢拱架单元跳榀换拱：完成步骤一至五中选定三榀钢拱架单元中间钢拱架施工后，在其与围岩应力重分布的同时，向掌子面方向选定下一个三榀钢拱架单元进行中间钢拱架的拆换施工；以此类推，重复上述逐步完成所有侵限段的钢拱架拆换工作。
上述高液限红黏土围岩隧道初支侵限换拱方法，所述步骤一中，所述临时钢支撑加固还包括对已施工仰拱段拱架加设扇形支撑；对已施工三台阶开挖上台阶部分利用核心土上架设支撑；对已开挖三台阶中、下台阶部分，采用扇形支撑。
上述高液限红黏土围岩隧道初支侵限换拱方法，所述步骤一中，对台阶底部基础不实的部位采用注浆加固的形式对基础进行处理的过程中，浆液采用水泥浆，水灰比1:1，注浆孔间距1.7m，注浆压力参考注浆处静水压力加上0.5～1.5MPa进行，注浆加固后土体抗压强度不小于2MPa。
上述高液限红黏土围岩隧道初支侵限换拱方法，所述步骤一中，所述临时支撑架设采用I20a工字钢，连接处与初支工字钢密贴满焊，焊渣清除干净，工字钢之间用5号角钢进行焊接连接固定。
上述高液限红黏土围岩隧道初支侵限换拱方法，所述步骤二中，所述注浆管采用Φ42mm、壁厚5mm的热轧无缝钢管，钢管长4.5m；注浆孔按浆液扩散半径1m布设，注浆孔按梅花型布置，孔口环向间距约100cm，纵向间距100cm；注浆孔采用风机钻开孔，孔径为62mm，注浆材料采用1:1普通水泥浆。
上述高液限红黏土围岩隧道初支侵限换拱方法，所述步骤二中，注浆压力终压值为注浆处静水压力加上0.5-1.5MPa；注浆结束标准为达到设计终压并稳定10min，且进浆速度为开始速度的1/4或注浆量达到设计注浆量的80％。
上述高液限红黏土围岩隧道初支侵限换拱方法，所述步骤二中，注浆效果检查在注浆完成后，打设5m深检查孔，当检查孔只存在滴水时，则判断注浆达到效果，否则进行补充注浆；每个工作区段至少在拱部及两边墙各设一个检查孔，检查孔在注浆效果检查完成后采用M10水泥砂浆进行全孔封堵。
上述高液限红黏土围岩隧道初支侵限换拱方法，所述步骤三中，预安装于首单元的中心钢拱架加工完毕后，在水泥地上试拼，周边拼装允许偏差±3cm，平面翘曲小于2cm，拱架加工预留10-15cm变形量；
三榀钢拱架单元中间钢拱架拆换采用液压破碎炮机辅助风镐进行，中间钢拱架拆换时满足以下条件：
（1）风镐凿除之前，先将混凝土的凿除部分与不凿除部分在分界处切开分离，以防不凿除部分混凝土有损伤；
（2）拆换钢拱架时，每个三榀钢拱架单元中两侧钢拱架作为支护结构不参与拆换，仅将中间钢拱架拆换并与两侧钢拱架连接，且围岩稳定后进行两侧钢拱架拆换施工，以防塌方及冒顶；
（3）凿除喷射混凝土时如果锚杆垫板被破坏则需更换，拆除后补喷混凝土。
上述高液限红黏土围岩隧道初支侵限换拱方法，所述步骤四中，架设换拱钢支撑在安装中允许偏差值横向和高程均为±5cm，垂直度允许偏差为±2°。
上述高液限红黏土围岩隧道初支侵限换拱方法，所述步骤六中，在施做第一次换拱后，返回到距离掌子面最远的三榀钢拱架单元，将距离掌子面最远的三榀钢拱架单元中已拆换的中间钢拱架作为一侧钢拱架，进而形成另一三榀钢拱架单元，更换此时新的三榀钢拱架单元的中间钢拱架；以此类推，逐步更换完毕全部钢拱拱架。
本发明的有益效果在于：本发明包括围岩加固方法与技术、原有初支钢拱架的拆除顺序和新初支钢拱架施做顺序。其中，围岩支护和注浆后拆换钢拱架以注浆、衬砌、换拱、落地和封闭成环五方面作为核心工法；换拱顺序以三榀钢拱架形成一个单元，以此单元为整体，依次顺序更换每一三榀钢拱架单元中间钢拱架；每一三榀钢拱架单元之间受力关联，换拱时由两侧钢拱架受力，更换中间钢拱架；换拱顺序由洞口向掌子面依次单元换拱。本发明针对高液限红黏土围岩隧道大变形易侵入建筑限界设计，以三榀拱架为单元合理地安排了围岩钢拱架换拱顺序，减少了对局部红黏土隧道围岩的扰动，有效地控制了围岩拱顶沉降变形量，换拱施工后有效清除了围岩侵限部分，满足了围岩大变形隧道的建筑限界设计要求，在保证拆换钢拱架施工过程中围岩稳定性的基础上，提高了换拱施工效率，充分增加了新换单榀钢拱架与围岩相协调稳定时间。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明隧道施工标准断面图。
图3为本发明注浆管布置图。
图4为本发明隧道第一步换拱顺序示意图。
图5为本发明隧道第二步换拱顺序示意图。
图6为本发明隧道施工开挖作业A-A剖面图。
图中：1为隧道中心设计轴线；2为钢拱架；3为初期支护；4为二次衬砌；5为仰拱；6为注浆管；7为选定的三榀钢架组标号；8为本次步骤中更换的中间钢拱架；9为本次步骤中作为支护的两侧钢拱架。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，本发明包括围岩加固方法与技术、原有初支钢拱架的拆除顺序和新初支钢拱架施做顺序。其中围岩支护和注浆后拆换钢拱架主要以注浆、衬砌、换拱、落地和封闭成环五方面；换拱顺序工艺主要以三榀钢拱架形成一个受力单元为核心，每三榀钢拱架组更换中间榀钢拱架，且逐单元顺序换拱。
具体过程为：一种高液限红黏土围岩隧道初支侵限换拱方法，包括以下步骤：
步骤一，临时钢支撑加固。
对未施作仰拱段、已施工三台阶开挖中上台阶部分、已开挖三台阶上下台阶部分现场进行临时支撑架设；对已施工仰拱段拱架加设扇形支撑；对已施工三台阶开挖上台阶部分利用核心土上架设支撑；对已开挖三台阶中、下台阶部分，采用扇形支撑。
对台阶底部基础不实的部位采用注浆加固的形式对基础进行处理。浆液采用水泥浆，水灰比1:1，注浆孔间距1.7m，注浆压力：设计注浆压力（终压值）一般参考注浆处静水压力加上0.5～1.5MPa进行，注浆加固后土体抗压强度不小于2MPa。
所述临时支撑架设采用I20a工字钢，连接处与初支工字钢密贴满焊，焊渣清除干净，工字钢之间用5号角钢进行焊接连接固定。由于初期支护已变形侵限，工字钢具体长度视该里程侵限情况而定。
步骤二，隧道侵限段径向注浆加固。
对围岩侵限需要拆换钢拱架的一段区域进行围岩注浆加固工作，侵入建筑限界段围岩变形稳定后进行径向注浆加固，洞内设置径向注浆管6，对初期支护背后围岩进行加固处理。
所述注浆管采用Φ42mm、壁厚5mm的热轧无缝钢管，钢管长4.5m，管口应埋设牢固，并有良好的止浆措施；注浆孔按浆液扩散半径1m布设，注浆孔按梅花型布置，孔口环向间距约100cm，纵向间距100cm；注浆孔采用风机钻开孔，孔径为62mm，注浆材料采用1:1普通水泥浆。
注浆压力终压值为注浆处静水压力加上0.5-1.5MPa；注浆结束标准为达到设计终压并稳定10min，且进浆速度为开始速度的1/4或注浆量达到设计注浆量的80％。
注浆效果检查在注浆完成后，打设5m深检查孔，当检查孔只存在滴水时，则判断注浆达到效果，否则进行补充注浆；每个工作区段至少在拱部及两边墙各设一个检查孔，检查孔在注浆效果检查完成后采用M10水泥砂浆进行全孔封堵。
步骤三，换拱前技术准备工作。
加工好侵限换拱台架和制作换拱所需的钢支撑。预安装于首单元的中心钢拱架加工完毕后，应在水泥地上试拼，周边拼装允许偏差±3cm，平面翘曲小于2cm，拱架加工预留10-15cm变形量。
根据隧道监控量测数据，在侵限换拱段从已施工二次衬砌4处向掌子面方向，依次用红油漆标识出三榀钢拱架形成一个单元，侵限段内换拱处及起止里程用红油漆标示清晰；每个三榀钢拱架单元两侧钢拱架9作为支护结构，中间钢拱架8进行拆换，拆换采用液压破碎炮机辅助风镐进行，从已施工二衬段向掌子面逐单元拆换中间钢拱架8，拆换顺序采用从下向上、先墙后拱的顺序进行拆换，拆换一段，支护一段。
中间钢拱架拆换时满足以下条件：
（1）风镐凿除之前，先将混凝土的凿除部分与不凿除部分在分界处切开分离，以防不凿除部分混凝土有损伤；
（2）拆换钢拱架2时，每个三榀钢拱架单元中两侧钢拱架9作为支护结构不参与拆换，仅将中间钢拱架8拆换并与两侧钢拱架9连接，且围岩稳定后进行两侧钢拱架9拆换施工，以防塌方及冒顶；
（3）凿除喷射混凝土时如果锚杆垫板被破坏则需更换，拆除后补喷混凝土。
步骤四：架设换拱钢2支撑。
架设换拱钢支撑在安装前应清除拱脚虚碴和杂物，超挖部分用C30混凝土进行填充，架设换拱钢支撑在安装中允许偏差值横向和高程均为±5cm，垂直度允许偏差为±2°。
架设换拱钢支撑在换拱作业面前人工组装，各节钢架用螺栓连接，连接板接缝三面满焊，若需要部分换拱，先量出需要钢拱架长度，再加工焊接。
架设换拱钢支撑为减小拱顶下沉，钢支撑落底必须落到实地，锁脚钢管必须在施工中锁紧钢拱架2。锁脚锚杆打设牢固，并注意所有系统锚杆对拱架的锁固作用。
对已更换的钢拱架采用锁脚钢管锁紧钢拱架；将已更换的钢拱架与所在单元两侧钢拱架用钢筋相连接，使三榀钢拱架形成一个受力整体。
步骤五，换拱后处理。
在拆换钢拱架后钢拱架按原设计，设置12cm预留变形量，保证初期支护净空；在换拱作业后钢拱架与围岩存在围岩应力重分布，并为围岩二次衬砌预留施做厚度；对已完成拆换的钢拱架喷射混凝土施做初期支护3，同时加强监控量测，保证每天不少于2次，加强洞内支护。
步骤六，逐三榀钢拱架单元跳榀换拱：完成步骤一至五中选定三榀钢拱架单元中间钢拱架施工后，在其与围岩应力重分布的同时，向掌子面方向选定下一个三榀钢拱架单元进行中间钢拱架的拆换施工；以此类推，重复上述逐步完成所有侵限段的钢拱架拆换工作。
具体为：在施做距离隧道二衬最近处的三榀钢拱架单元，按照上述步骤一到步骤四拆换中间钢拱架。围岩与新拱架经历应力重分布后围岩压力与钢拱架相适应的此段时间里，再换到下一三榀钢拱架单元，更换中间钢拱架并与两侧钢拱架连系起形成一整体，减少对局部红黏土围岩扰动。以此类推，逐步以三榀钢拱架单元拆换钢拱架至距掌子面最近的三榀钢拱架单元，完成第一次换拱；
在施做第一次换拱后，返回到距离掌子面最远的三榀钢拱架单元，将距离掌子面最远的三榀钢拱架单元中已拆换的中间钢拱架作为一侧钢拱架，进而形成另一三榀钢拱架单元，更换此时新的三榀钢拱架单元的中间钢拱架；以此类推，逐步更换完毕全部钢拱拱架。

Claims (10)

1.一种高液限红黏土围岩隧道初支侵限换拱方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，临时钢支撑加固：对未施作仰拱段、已施工三台阶开挖中上台阶部分、已开挖三台阶上下台阶部分现场进行临时支撑架设；且对台阶底部基础不实的部位采用注浆加固的形式对基础进行处理；
步骤二，隧道侵限段径向注浆加固：对围岩侵限需要拆换钢拱架的一段区域进行围岩注浆加固工作，侵入建筑限界段围岩变形稳定后进行径向注浆加固，洞内设置径向注浆管，对初期支护背后围岩进行加固处理；注浆作业后检查注浆效果；
步骤三，换拱前技术准备工作：加工好侵限换拱台架和制作换拱所需的钢支撑；根据隧道监控量测数据，在侵限换拱段从已施工二次衬砌处向掌子面方向，依次用红油漆标识出三榀钢拱架形成一个单元，侵限段内换拱处及起止里程用红油漆标示清晰；每个三榀钢拱架单元两侧钢拱架作为支护结构，中间钢拱架进行拆换，从已施工二衬段向掌子面逐单元拆换中间钢拱架，拆换顺序采用从下向上、先墙后拱的顺序进行拆换，拆换一段，支护一段；
步骤四：架设换拱钢支撑：对超挖部分用C30混凝土进行填充，架设换拱钢支撑在换拱作业面前人工组装，各节钢架用螺栓连接，连接板接缝三面满焊，若需要部分换拱，先量出需要钢拱架长度，再加工焊接；对已更换的钢拱架采用锁脚钢管锁紧钢拱架；将已更换的钢拱架与所在单元两侧钢拱架用钢筋相连接，使三榀钢拱架形成一个受力整体；
步骤五，换拱后处理：在拆换钢拱架后钢拱架按原设计，设置12cm预留变形量，保证初期支护净空；在换拱作业后钢拱架与围岩存在围岩应力重分布，并为围岩二次衬砌预留施做厚度；对已完成拆换的钢拱架施做初期支护，同时加强监控量测，保证每天不少于2次，加强洞内支护；
步骤六，逐三榀钢拱架单元跳榀换拱：完成步骤一至五中选定三榀钢拱架单元中间钢拱架施工后，在其与围岩应力重分布的同时，向掌子面方向选定下一个三榀钢拱架单元进行中间钢拱架的拆换施工；以此类推，重复上述逐步完成所有侵限段的钢拱架拆换工作。
2.根据权利要求1中所述的高液限红黏土围岩隧道初支侵限换拱方法，其特征在于，所述步骤一中，所述临时钢支撑加固还包括对已施工仰拱段拱架加设扇形支撑；对已施工三台阶开挖上台阶部分利用核心土上架设支撑；对已开挖三台阶中、下台阶部分，采用扇形支撑。
3.根据权利要求1中所述的高液限红黏土围岩隧道初支侵限换拱方法，其特征在于，所述步骤一中，对台阶底部基础不实的部位采用注浆加固的形式对基础进行处理的过程中，浆液采用水泥浆，水灰比1:1，注浆孔间距1.7m，注浆压力参考注浆处静水压力加上0.5～1.5MPa进行，注浆加固后土体抗压强度不小于2MPa。
4.根据权利要求1中所述的高液限红黏土围岩隧道初支侵限换拱方法，其特征在于，所述步骤一中，所述临时支撑架设采用I20a工字钢，连接处与初支工字钢密贴满焊，焊渣清除干净，工字钢之间用5号角钢进行焊接连接固定。
5.根据权利要求1中所述的高液限红黏土围岩隧道初支侵限换拱方法，其特征在于，所述步骤二中，所述注浆管采用Φ42mm、壁厚5mm的热轧无缝钢管，钢管长4.5m；注浆孔按浆液扩散半径1m布设，注浆孔按梅花型布置，孔口环向间距约100cm，纵向间距100cm；注浆孔采用风机钻开孔，孔径为62mm，注浆材料采用1:1普通水泥浆。
6.根据权利要求1中所述的高液限红黏土围岩隧道初支侵限换拱方法，其特征在于，所述步骤二中，注浆压力终压值为注浆处静水压力加上0.5-1.5MPa；注浆结束标准为达到设计终压并稳定10min，且进浆速度为开始速度的1/4或注浆量达到设计注浆量的80％。
7.根据权利要求1中所述的高液限红黏土围岩隧道初支侵限换拱方法，其特征在于，所述步骤二中，注浆效果检查在注浆完成后，打设5m深检查孔，当检查孔只存在滴水时，则判断注浆达到效果，否则进行补充注浆；每个工作区段至少在拱部及两边墙各设一个检查孔，检查孔在注浆效果检查完成后采用M10水泥砂浆进行全孔封堵。
8.根据权利要求1中所述的高液限红黏土围岩隧道初支侵限换拱方法，其特征在于，所述步骤三中，预安装于首单元的中心钢拱架加工完毕后，在水泥地上试拼，周边拼装允许偏差±3cm，平面翘曲小于2cm，拱架加工预留10-15cm变形量；
三榀钢拱架单元中间钢拱架拆换采用液压破碎炮机辅助风镐进行，中间钢拱架拆换时满足以下条件：
（1）风镐凿除之前，先将混凝土的凿除部分与不凿除部分在分界处切开分离，以防不凿除部分混凝土有损伤；
（2）拆换钢拱架时，每个三榀钢拱架单元中两侧钢拱架作为支护结构不参与拆换，仅将中间钢拱架拆换并与两侧钢拱架连接，且围岩稳定后进行两侧钢拱架拆换施工，以防塌方及冒顶；
（3）凿除喷射混凝土时如果锚杆垫板被破坏则需更换，拆除后补喷混凝土。
9.根据权利要求1中所述的高液限红黏土围岩隧道初支侵限换拱方法，其特征在于，所述步骤四中，架设换拱钢支撑在安装中允许偏差值横向和高程均为±5cm，垂直度允许偏差为±2°。
10.根据权利要求1中所述的高液限红黏土围岩隧道初支侵限换拱方法，其特征在于，所述步骤六中，在施做第一次换拱后，返回到距离掌子面最远的三榀钢拱架单元，将距离掌子面最远的三榀钢拱架单元中已拆换的中间钢拱架作为一侧钢拱架，进而形成另一三榀钢拱架单元，更换此时新的三榀钢拱架单元的中间钢拱架；以此类推，逐步更换完毕全部钢拱拱架。
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