CN112267898A - 一种巨跨隧道洞口内外交互式支护结构及支护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种巨跨隧道洞口内外交互式支护结构及支护方法，适用于II‑IV级硬岩地层，隧道跨度可达30m‑100m，仰坡高度可达50m‑200m，所述支护结构包括施工隧道以及位于隧道洞口上方的岩体边仰坡，岩体边仰坡上设置有多级仰坡，分别为：上层仰坡与下层仰坡，相邻的仰坡之间连接设置仰坡平台，其中：上层仰坡中的各级仰坡面上设置锚喷支护；下层仰坡中的各级仰坡面上设置水平锚索支护；所述下层仰坡中的各级仰坡平台上设有对拉锚索地梁以及贯穿隧道拱顶的对拉锚索支护，所述隧道拱顶结构上设有系统锚索支护和系统锚杆支护。本发明所述的交互式支护结构大幅增强隧道洞口岩体破碎地带的整体性，支护合理可靠，围岩安全稳定，保障了巨跨隧道洞口的安全施工。

Description

一种巨跨隧道洞口内外交互式支护结构及支护方法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种在巨型边仰坡条件下，支护设计合理、施工安全的巨跨隧道洞内外交互式支护结构及支护方法。

背景技术

近年来国内外正在大规模修建公路铁路隧道、地下洞库、水电站主厂房等，岩体力学逐渐成为隧道及地下工程研究的重点。国内外建成和在建的典型超大跨度洞室主要有：挪威格乔维克城滑冰场、八达岭长城站等。京张高铁八达岭长城站是亚洲规模最大的山岭地下火车站，八达岭长城站两端渡线段单洞开挖跨度达32.7m，是目前国内已知单拱跨度最大的暗挖铁路隧道，车站大厅的跨度达到45m。

部分大跨隧道为保证线路标高及隧道埋深，洞口处需开挖边仰坡，对于某些特定工程，甚至可能存在巨型仰坡。开挖边仰坡本身就具有稳定性风险，然而很多工程还要由仰坡坡面处开辟工作面作为隧道进出口，导致隧道洞口处围岩应力状态复杂，支护效果难以保证，施工安全风险大等问题。当巨跨隧道遇到巨型边仰坡时，如何改进设计理念，如何进行合理有效支护，如何安全高效施工，成为亟需解决的技术问题。

发明内容

为了提高开挖巨跨隧道时，隧道洞口上方边仰坡的岩层稳定性，本发明所要解决的技术问题是：提供一种合理打设隧道洞口处边仰坡上的支护结构，有效保证隧道洞口安全施工的巨跨隧道洞内外交互式支护结构及支护方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种巨跨隧道洞口内外交互式支护结构，包括施工隧道以及位于隧道洞口上方的岩体边仰坡，所述岩体边仰坡上设置有多级仰坡，分别为：上层仰坡与下层仰坡，相邻的仰坡之间连接设置仰坡平台，其中：上层仰坡中的各级仰坡面上设置锚喷支护；下层仰坡中的各级仰坡面上设置向岩体内部打设的水平锚索支护；所述下层仰坡中的各级仰坡平台上设有对拉锚索地梁以及贯穿隧道拱顶的对拉锚索支护，所述施工隧道拱顶结构上设有系统锚索支护和系统锚杆支护。

上述方案中，所述施工隧道跨度为30-100m，适用于II-IV级硬岩地层；所述的岩体边仰坡总体高度范围为50-200m；所述下层仰坡中的仰坡数量大于等于2，所述多级仰坡中各级仰坡坡率由上至下逐渐减小，各级仰坡的仰坡高度为5-20m，各级仰坡平台的宽度为2-5m。

作为优选，所述支护结构还包括3-5m的隧道延伸段，所述隧道延伸段上方设置预留仰坡平台。

作为优选，所述下层仰坡中各级仰坡面以排列方式布置2-4排的水平锚索支护，锚索的倾斜角度为0-15°，锚索的长度为15-40m，锚索的横向、竖向间距为3-8m，预加力为500kN-2000KN；所述下层仰坡中，在各级仰坡平台上以排列的方式布置1-2排的对拉锚索支护，所述对拉锚索支护之间环向间距为3-8m，纵向间距为3-8m，预加力为1000kN-2500kN。

作为优选，所述上层仰坡中各级仰坡面上采用梅花形的布置方式设置锚喷支护；其中，所述锚喷支护中的锚杆长度为3-10m，横向、纵向间距为1-3m。

作为优选，所述隧道系统锚索支护中的锚索长度为15-35m，环向、纵向间距为3-8m，预加力为1000kN-2500kN；所述隧道系统锚杆支护中的锚杆长度为3-10m，环向、纵向间距为1-3m。

基于上述支护结构，本发明还包括一种巨跨隧道洞口内外交互式开挖及支护方法，包括以下步骤：

S1，根据现场地形、地质，由上至下开挖上层仰坡及下层仰坡，并爆破各级仰坡面至设计标高，爆破各级仰坡平台至设计标宽；

S2，在上层仰坡开挖过程中，对各级仰坡面进行锚喷支护；

S3，开挖至隧道洞口上方的下层仰坡时，在下层仰坡的各级仰坡面上打设水平锚索支护，并在相应的各级仰坡平台上设置对拉锚索地梁；

S4，在隧道洞口开辟工作面向洞内推进，通过“分部开挖法”，开挖上层导洞，并预留1-3级中岩柱作为洞口临时支撑结构；

S5，在隧道另一侧同步开辟洞内工作面向洞外开挖，结合巨跨隧道施工步序，各部位依次开挖，并及时在隧道拱顶打设系统锚索支护以及系统锚杆支护，当隧道开挖至下层仰坡的正下方时，在设置于下层仰坡各级仰坡平台上的对拉锚索地梁上打设贯穿隧道拱顶的对拉锚索支护；

S6，待洞口围岩稳定后，拆除预留的1-3级中岩柱；

S7，开挖至隧道全部贯通。

进一步地，将隧道在原设定长度的基础上，向洞外延伸3-5m，隧道洞口工作面设置于隧道延伸段的洞口处，所述隧道延伸段上设置预留仰坡平台。

进一步地，步骤S4中，所述隧道洞口工作面的开挖断面包括两个边导洞，设置于两个边导洞之间的底部预留核心岩土，设置于底部预留核心岩土上的三个预留中岩柱，形成于三个预留中岩柱之间的两个中间导洞。

进一步地，步骤S4中，所述分部开挖的顺序依次为：两个中间导洞、两个边导洞、左侧中沿住、右侧中岩柱、中间中岩柱、底部预留核心岩土。

本发明同现有技术相比具有以下优点及效果：

1.本发明所述的巨跨隧道洞内外交互式支护结构，通过对上层边仰坡进行锚喷支护，对下层边仰坡进行水平锚索支护以及径向对拉锚索支护，大幅度提升了，在巨型边仰坡条件下，隧道洞口围岩层的稳定性，有效保障了在隧道洞口开辟工作面的安全施工。

2、本发明所述的巨跨隧道洞内外交互式支护结构，充分利用围岩自承载能力，隧道开挖过程中，围岩作为天然承载拱承担全部荷载，大幅减少支护材料，降低工程造价，具有较好的经济性。

3、本发明所述的巨跨隧道洞内外交互式支护施工方法，通过在边仰坡上预先打设水平向支护结构，增强仰坡岩体的整体性并加固不稳定块体，保证导洞进洞安全；通过巨跨隧道洞内及洞外同时开辟工作面，实现内外交互式支护及开挖；隧道开挖后通过及时打设径向支护结构(包括洞口处对拉锚索、系统锚索及系统锚杆)，使得围岩形成环向承载拱；最终由隧道洞外水平支护结构与洞内径向支护结构交互式组合，使隧道围岩形成了经纬交织的“组合梁”，对洞口仰坡处的不稳定块体进行交互缝合、串联，大幅增强洞口岩体破碎地带的整体性，保障巨跨隧道洞口安全修建。

4、本发明为巨跨隧道洞口修建提供了一种安全高效施工方法，极大降低施工风险，可以有效控制隧道洞口围岩变形，具有较高的安全性。

5、本发明所述支护施工方法工序明确，通过巨跨隧道洞内及洞外交互式开挖，各部位施工互不干扰，可实现大型机械化作业，施工效率高，具有较好的可实施性。

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，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明实施例所述巨跨隧道洞口内外交互式支护结构的部分纵剖面图。

图2为本发明实施例所述巨跨隧道洞口内外交互式支护结构的A-A剖面图。

图3为本发明实施例所述巨跨隧道洞口内外交互式支护结构的B-B剖面图。

图4为本发明实施例所述巨跨隧道洞口内外交互式支护结构的C-C剖面图。

图5为本发明实施例所述巨跨隧道洞口内外交互式支护结构的支护效果三维模拟图。

标号说明：1、施工隧道；11、边导洞；12、预留中岩柱；13、中间导洞；14、底部预留核心岩土；2、锚喷支护；3、水平锚索支护；4、对拉锚索支护；5、对拉锚索地梁；6、预留仰坡平台；7、系统锚索支护；8、系统锚杆支护。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例1：如图1至4所示，一种巨跨隧道洞口内外交互式支护结构，包括施工隧道1以及位于隧道洞口上方的岩体边仰坡，所述岩体边仰坡上设置有多级仰坡，分别为：上层仰坡与下层仰坡，相邻的仰坡之间连接设置仰坡平台，其中：上层仰坡中的各级仰坡面上设置锚喷支护2；下层仰坡中的各级仰坡面上设置打向岩体内部的水平锚索支护3；所述下层仰坡中的各级仰坡平台上设有对拉锚索地梁5以及贯穿隧道1拱顶的对拉锚索支护4，所述施工隧道1拱顶结构上设有系统锚索支护7和系统锚杆支护8。

本发明实施例1中，所述的施工隧道1为巨跨型隧道，隧道呈椭圆形，跨度为30-100m，适用于II-IV级硬岩地层；所述的岩体边仰坡总体高度范围为50-200m。

在本实施例1中，所述下层仰坡中的仰坡数量应大于等于2；所述多级仰坡中，各级仰坡的坡率由上至下逐渐减小，所取范围为：0.2-1.5；各级仰坡的仰坡高度为5-20m，各级仰坡平台的宽度为2-5m。

进一步地，在本实施例1所述的下层仰坡中，各级仰坡平台以排列的方式布置1-2排的对拉锚索支护4，对拉锚索支护4之间的环向间距为3-8m，纵向间距为3-8m，预加力为1000kN-2500kN；所述下层仰坡中，各级仰坡面以排列方式布置2-4排的水平锚索支护3，锚索的倾斜角度为0-15°，锚索的长度为15-40m，锚索的横向、竖向间距为3-8m，预加力为500kN-2000KN。

在本实施例1所述的上层仰坡中，在各级仰坡面上采用梅花形的布置方式设置锚喷支护2；其中，锚喷支护2中锚杆长度为3-10m，横向、纵向间距为1-3m，对于贯通裂隙处加密打设。

在本实施例1中，根据隧道跨度及地质条件，所述隧道系统锚索支护7中的锚索长度为15-35m，环向、纵向间距为3-8m，预加力为1000kN-2500kN；所述隧道系统锚杆支护8中的锚杆长度为3-10m，环向、纵向间距为1-3m。

本实施例1中，隧道洞身系统锚索锚杆支护、隧道洞口上方上层仰坡锚喷支护2、下层仰坡水平锚索支护3及对拉锚索支护4，合理设计空间位置关系，避免仰坡水平支护结构与隧道径向支护结构在三维空间中碰撞冲突。

实施例2：如图1至4所示，一种巨跨隧道洞口内外交互式支护结构，与实施例1的区别在于，在基于原设定隧道长度的基础上，将隧道向洞外延伸3-5m,并在隧道延伸段上设置预留仰坡平台6。其中，本实施例2所述洞口延伸段预留仰坡平台6，为提高洞口施工安全性的保障措施，若在施工最后开挖过程中塌落，对既已成洞的隧道主体结构无影响。

本实施例1至2所述的巨跨隧道洞内外交互式支护结构，保证了在高度为50-200m的巨型边仰坡条件下，巨跨隧道洞口的安全成洞。

进一步地，本实施例1至2所述的支护结构，可适应各种类型边仰坡与多种隧道工法的组合条件下的安全施工，具有较好的社会效益和极佳的可推广性。

实施例3：如图1至5所示，一种基于实施例1、实施例2所述的支护结构，进行隧道开挖及支护的方法，具体包括以下步骤：

S1，根据现场地形、地质，由上至下开挖上层仰坡及下层仰坡，并爆破各级仰坡面至设计标高，爆破各级仰坡平台至设计标宽；

S2，在上层仰坡开挖过程中，对各级仰坡面进行锚喷支护2；

S3，开挖至隧道洞口上方的下层仰坡时，在下层仰坡的各级仰坡面上打设水平锚索支护3，并在相应的各级仰坡平台上设置对拉锚索地梁5；

S4，将隧道在原设定长度的基础上，向洞外延伸3-5m，并在隧道延伸段上设置预留仰坡平台6；

S5，在隧道延伸段洞口开辟工作面向洞内推进，通过“分部开挖法”，开挖上层导洞，并预留1-3级中岩柱作为洞口临时支撑结构；

S6，在隧道另一侧同步开辟洞内工作面向洞外开挖，结合巨跨隧道施工步序，各部位依次开挖，并及时在隧道拱顶打设系统锚索支护7以及系统锚杆支护8，当隧道开挖至下层仰坡的正下方时，在设置于下层仰坡各级仰坡平台上的对拉锚索地梁5上打设贯穿隧道拱顶的对拉锚索支护4；

S7，待洞口围岩稳定后，拆除预留的1-3级中岩柱；

S8，开挖至隧道全部贯通。

本实施例3中，欲施工隧道跨度为58m，最大高度为14.5m，矢跨比0.25，纵向长度为125m，隧道洞室范围内存在6条贯通裂隙，与洞室轴线基本正交，裂隙倾角60°-90°，均为陡倾角裂隙，所述岩体边仰坡所处I II级花岗岩地层，场址区具有一定的水平构造应力，侧压力系数为2.0，场址无承压水。

具体地，在步骤S1中，设定多级仰坡为N级仰坡，最顶层仰坡为1级仰坡，各级仰坡由上至下依次为1级、2级、3级至N级。本实施例3设定多级仰坡为8级仰坡。其中，上层仰坡的数量5，由上至下依次为1级、2级、3级、4级、5级仰坡；下层仰坡的数量为3，由上至下依次为6级、7级、8级仰坡。1级仰坡坡率0.75，2-7级仰坡坡率0.3，8级仰坡坡率0.2；1-7级仰坡高度均为10m，8级仰坡高度15m；各级仰坡平台宽度均为3m。

具体地，在步骤S2中，对上层仰坡中的1-5级仰坡坡面进行锚喷支护2，锚杆长度6m，梅花形布置，横向、竖向间距1.5m，对于贯通裂隙处加密打设。

在步骤S3中，开挖至下层仰坡中的6级仰坡时，由6级仰坡坡面向岩体内部打设两排水平锚索支护3，锚索倾斜角度为0°，长度30m，横向、竖向间距为5m，预加力1000kN；

开挖至下层仰坡中的7级仰坡时，由7级仰坡坡面向岩体内部打设两排水平锚索支护3，锚索倾斜角度为5°，长度30m，横向、竖向间距为5m，预加力1000kN；

开挖至下层仰坡中的8级仰坡时，由8级仰坡坡面向岩体内部打设三排水平锚索支护3，锚索倾斜角度为10°，长度30m，横向、竖向间距为5m，预加力1500kN。

作为优选的步骤，洞口开挖轮廓上方5m岩层范围内，在8级仰坡坡面施做锚喷支护，使洞口形成浅层围岩承载拱，其中：锚杆长度6m，梅花形布置，横向、竖向间距1.5m，对于贯通裂隙处加密打设。

进一步地，在步骤S4中，为保证施工后期对拉锚索支护在洞内的施工空间以及进一步提高洞口施工的安全性，在原设计隧道长度的基础上向洞外延伸5m，洞口上方预留仰坡平台6的宽度为3m，隧道轴线处仰坡高为3m。

具体地，在步骤S5中，所述隧道洞口工作面的开挖断面包括两个边导洞11，设置于两个边导洞11之间的底部预留核心岩土14，设置于底部预留核心岩土14上的三个预留中岩柱12，形成于三个预留中岩柱12之间的两个中间导洞13。进一步地，所述分部开挖的顺序依次为：两个中间导洞13、两个边导洞11、左侧中岩住后方岩土、右侧中岩柱后方岩土、中间中岩柱后方岩土、底部预留核心岩土14。

进一步地，在步骤S6中，系统锚索长度20m，环向、纵向间距6m，预加力1500kN；系统锚杆长度6m，环向、纵向间距2m，对于贯通裂隙处加密打设。当洞内推进至最下层6-8级仰坡正下方时，施工对拉锚索支护4，所述洞口处对拉锚索支护4贯穿巨跨隧道拱顶及仰坡平台，所述对拉锚索支护共打设3排，每级仰坡平台上打设1排；对拉锚索环向、纵向间距6m，预加力1500kN，每根锚索长度各不相同，由巨跨隧道及各级仰坡平台的相对位置确定。

在步骤S7-S8中，在洞内拆除预留的3级中岩柱12时，隧道延伸段支撑岩柱与延伸段预留仰坡平台6，共同构成临时承载结构；待对拉锚索支护4施工完成并发挥承载作用后，拆除洞口延伸段临时中岩柱，隧道即可全部贯通。

本发明所述隧道洞口处对拉锚索支护4、隧道洞身系统锚索锚杆支护、洞口下层仰坡水平锚索支护3，多种支护结构空间位置合理，经三维建模分析，仰坡水平支护结构与隧道径向支护结构在三维空间中不存在碰撞冲突，其模拟效果，可参考图5。

综上，本发明提供了一种巨跨隧道洞内外交互式支护结构及开挖支护方法，通过在巨跨隧道洞内及洞外交互式开挖，边仰坡水平向及隧道径向交互式支护，使围岩形成了经纬交织的“组合梁”，大幅增强洞口岩体破碎地带的整体性，实现工序协调顺畅、支护合理可靠，围岩安全稳定的目标，保障巨跨隧道洞口安全修建。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种巨跨隧道洞口内外交互式支护结构，其特征在于，包括施工隧道以及位于隧道洞口上方的岩体边仰坡，所述岩体边仰坡上设置有多级仰坡，分别为：上层仰坡与下层仰坡，相邻的仰坡之间连接设置仰坡平台，其中：上层仰坡中的各级仰坡面上设置锚喷支护；下层仰坡中的各级仰坡面上设置向岩体内部打设的水平锚索支护；所述下层仰坡中的各级仰坡平台上设有对拉锚索地梁以及贯穿隧道拱顶的对拉锚索支护，所述施工隧道拱顶结构上设有系统锚索支护和系统锚杆支护。

2.根据权利要求1所述的巨跨隧道洞口内外交互式支护结构，其特征在于，所述施工隧道跨度为30-100m，适用于II-IV级硬岩地层；所述的岩体边仰坡总体高度范围为50-200m；所述下层仰坡中的仰坡数量大于等于2，所述多级仰坡中各级仰坡坡率由上至下逐渐减小，各级仰坡的仰坡高度为5-20m，各级仰坡平台的宽度为2-5m。

3.根据权利要求2所述的巨跨隧道洞口内外交互式支护结构，其特征在于，所述支护结构还包括3-5m的隧道延伸段，所述隧道延伸段上方设置预留仰坡平台。

4.根据权利要求2或3所述的巨跨隧道洞口内外交互式支护结构，其特征在于，所述下层仰坡中各级仰坡面以排列方式布置2-4排的水平锚索支护，锚索的倾斜角度为0-15°，锚索的长度为15-40m，锚索的横向、竖向间距为3-8m，预加力为500kN-2000KN；所述下层仰坡中，在各级仰坡平台上以排列的方式布置1-2排的对拉锚索支护，所述对拉锚索支护之间环向间距为3-8m，纵向间距为3-8m，预加力为1000kN-2500kN。

5.根据权利要求4所述的巨跨隧道洞口内外交互式支护结构，其特征在于，所述上层仰坡中各级仰坡面上采用梅花形的布置方式设置锚喷支护；其中，所述锚喷支护中的锚杆长度为3-10m，横向、纵向间距为1-3m。

6.根据权利要求5所述的巨跨隧道洞口内外交互式支护结构，其特征在于，所述系统锚索支护中的锚索长度为15-35m，环向、纵向间距为3-8m，预加力为1000kN-2500kN；所述系统锚杆支护中的锚杆长度为3-10m，环向、纵向间距为1-3m。

7.一种巨跨隧道洞口内外交互式开挖及支护方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，根据现场地形、地质，由上至下开挖上层仰坡及下层仰坡，并爆破各级仰坡面至设计标高，爆破各级仰坡平台至设计标宽；

S2，在上层仰坡开挖过程中，对各级仰坡面进行锚喷支护；

S3，开挖至隧道洞口上方的下层仰坡时，在下层仰坡的各级仰坡面上打设水平锚索支护，并在相应的各级仰坡平台上设置对拉锚索地梁；

S4，在隧道洞口开辟工作面向洞内推进，通过“分部开挖法”，开挖上层导洞，并预留1-3级中岩柱作为洞口临时支撑结构；

S5，在隧道另一侧同步开辟洞内工作面向洞外开挖，结合巨跨隧道施工步序，各部位依次开挖，并及时在隧道拱顶打设系统锚索支护以及系统锚杆支护，当隧道开挖至下层仰坡的正下方时，在设置于下层仰坡各级仰坡平台上的对拉锚索地梁上打设贯穿隧道拱顶的对拉锚索支护；

S6，待洞口围岩稳定后，拆除预留的1-3级中岩柱；

S7，开挖至隧道全部贯通。

8.根据权利要求7所述的巨跨隧道洞口内外交互式开挖及支护方法，其特征在于，所述步骤S4中：将隧道在原设定长度的基础上，向洞外延伸3-5m，隧道洞口工作面设置于隧道延伸段的洞口处，所述隧道延伸段上设置预留仰坡平台。

9.根据权利要求8所述的巨跨隧道洞口内外交互式开挖及支护方法，其特征在于，步骤S4中，所述隧道洞口工作面的开挖断面包括两个边导洞，设置于两个边导洞之间的底部预留核心岩土，设置于底部预留核心岩土上的三个预留中岩柱，形成于三个预留中岩柱之间的两个中间导洞。

10.根据权利要求9所述的巨跨隧道洞口内外交互式开挖及支护方法，其特征在于，步骤S4中，所述分部开挖的顺序依次为：两个中间导洞、两个边导洞、左侧中沿住、右侧中岩柱、中间中岩柱、底部预留核心岩土。

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