CN112682081A - 用于隧道断面施工加固的控制锚杆及隧道断面的加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于隧道断面施工加固的控制锚杆及隧道断面的加固方法，控制锚杆包括螺纹锚杆体、止浆塞、压板、弹簧、垫圈和螺母；螺纹锚杆体头部嵌入在隧道的岩体内，所述的止浆塞中部设置有与螺纹锚杆体外螺纹相匹配的内螺孔，止浆塞的圆锥面紧贴砂浆的注浆孔口设置；压板的芯部设置有套孔，并活动套接在螺纹锚杆体上，且压板的芯部紧贴止浆塞大径端；螺母通过垫圈和弹簧将压板的齿部压贴在二次衬砌的防水结构体上。本发明的控制锚杆可用于二次衬砌施工前的二次加固，保证二次衬砌满足设计厚度，同时有效控制并延缓围岩变形，促进二次衬砌混凝土强度的增长，加快施工进度。

Description

用于隧道断面施工加固的控制锚杆及隧道断面的加固方法

技术领域

本发明属于隧道工程领域，尤其涉及一种可用于隧道断面施工加固的控制锚杆及隧道断面的加固方法。

背景技术

在围岩等级较低及高地应力条件下进行隧道开挖时，由于受到二者综合作用的影响，隧道的支护结构会产生较大的变形，隧道部分位置的变形可能会超过预留变形量，减小二次衬砌的厚度，从而影响隧道的整体强度及稳定性；此外，隧道围岩变形稳定的周期较长，为加快施工的进度，未待围岩变形稳定便开始二衬的施工作业，二次衬砌混凝土没有足够的时间达到其设计强度，容易造成衬砌结构的开裂、入侵隧道净空等问题。现有锚杆的加固均在初期支护时完成，在二次衬砌施工及硬化的过程中对围岩的微小变形仍无法实现有效控制，而围岩持续形变对二次衬砌混泥土的强度有较大影响。可见，在保证施工进度的同时，如何控制隧道在施工过程中的变形是高地应力软岩地区施工的难点。

发明内容

为了解决上述隧道施工过程中遇到的变形控制问题，本发明提供了一种用于隧道断面施工加固的控制锚杆以及隧道断面的加固方法，可在二次衬砌浇筑前进行二次加固，控制隧道变形，并方便二次衬砌的施工，加快隧道的施工进度。

本发明的技术方案如下：

用于隧道断面施工加固的控制锚杆，包括沿长度方向依次设置的螺纹锚杆体、止浆塞、压板、弹簧、垫圈和螺母；所述的螺纹锚杆体在杆体的整个长度方向上均设置有外螺纹，螺纹锚杆体头部嵌入在隧道的岩体内，螺纹锚杆体和岩体之间灌注有砂浆；所述的止浆塞为圆台形结构，中部设置有与螺纹锚杆体外螺纹相匹配的内螺孔，止浆塞的圆锥面紧贴砂浆的注浆孔口设置；

所述压板包括芯部和齿部，压板的芯部设置有套孔，并活动套接在螺纹锚杆体上，且压板的芯部紧贴止浆塞大径端；所述的螺母设置在螺纹锚杆体的尾端，螺母通过垫圈和弹簧将压板的齿部压贴在二次衬砌的防水结构体上。

上述用于隧道断面施工加固的控制锚杆中，隧道的岩体外部依次设置有钢筋网、初期支护混凝土、防水结构体和二次衬砌混凝土。

上述用于隧道断面施工加固的控制锚杆中，止浆塞的高度与初期支护混凝土的厚度相匹配。

上述用于隧道断面施工加固的控制锚杆中，止浆塞采用聚氨酯橡胶制成。

上述用于隧道断面施工加固的控制锚杆中，压板的套孔的内径比螺纹锚杆体螺纹外径大1～3mm。

上述用于隧道断面施工加固的控制锚杆中，弹簧为高强度弹簧。

上述用于隧道断面施工加固的控制锚杆中，防水结构体为防水布或土工布。

上述用于隧道断面施工加固的控制锚杆中，压板的齿部为十字形结构。

上述用于隧道断面施工加固的控制锚杆中，控制锚杆的长度大于普通锚杆的长度。

一种对隧道断面进行加固方法，包括以下步骤：

【1】在隧道断面开挖完成后，完成钢筋网的挂网工作；

【2】在隧道断面的控制点位置处布设控制锚杆，在控制锚杆的周围灌注砂浆后，并安装止浆塞，然后完成普通锚杆的布设工作；

【3】对隧道进行初期支护混凝土的喷射，当初期支护混凝土的强度达到设计强度80％时，开始铺设防水结构体，在控制锚杆上安装压板；

【4】采用观测仪器测量开挖断面的围岩变形，并调节控制锚杆上的螺母，通过弹簧施力给压板，对控制锚杆周边的围岩进行挤压力调整，使得围岩变形值小于隧道变形预留值的1/5；

【5】搭建钢拱架及模板，在防水结构体(6)上浇筑二次衬砌混凝土(7)，同时继续通过隧道收敛观测仪器观测隧道收敛变形情况，并根据隧道变形结果微调螺母(13)，改变压板(11)对防水结构体(6)的挤压力，限制或延缓隧道围岩的变形，避免二次衬砌混凝土(7)在其强化过程中受围岩挤压而产生变形；

【6】待二次衬砌混凝土的强度达到设计强度的90％以上时，拆除钢拱架及模板，开始下一段隧道的开挖及支护作业。

本发明的技术效果如下：

(1)本发明的控制锚杆可通过调节螺母，通过弹簧和压板对隧道断面施加挤压力，在二次衬砌喷射前对围岩的变形进行控制；二次衬砌混凝土喷射完毕后，进一步施加挤压力，完成二次加固，避免围岩变形导致的隧道内部产生净空，影响二次衬砌混凝土的有效厚度；此外在在二次衬砌混凝土尚未凝固至设计强度前，控制锚杆对隧道围岩的变形起到了缓冲的作用，避免隧道围岩变形直接作用于未达到设计强度的二次衬砌混凝土上，为二次衬砌混凝土提供了足够的强化时间；待二次衬砌混凝土达到设计强度后，控制锚杆与衬砌共同作用，既保证了隧道稳定性又加快了施工进度。

(2)本发明的控制锚杆，仅需要对称布置在隧道断面控制点及关键点处，不需要全断面布置，主要用于二次衬砌加固中起控制变形的作用，隧道断面的部位布置普通锚杆即可，实施中通过观测仪器测量断面的变形参数，并适当调节弹簧的压力，控制断面的变形参数，具有施工方便、工作量小，锚固效果好的特点。

(3)本发明的控制锚杆在全长度范围设置有螺纹，一方面增强灌注砂浆与锚杆的咬合力或摩擦力，另一方面方便止浆塞和螺母的嵌套与调整，结构简单可靠，操作使用方便。

附图说明

图1为本发明控制锚杆的结构及安装示意图；

图2为本发明压板结构示意图；

图3为本发明止浆塞结构示意图；

图4为本发明控制锚杆在隧道断面结构的布设示意图；

附图标记为：1-控制锚杆；2-普通锚杆；3-控制点；4-钢筋网；5-初期支护混凝土；6-防水结构体；7-二次衬砌混凝土；8-仰拱；9-观测仪器；10-螺纹锚杆体；11-压板；12-垫圈；13-螺母；14-弹簧；15-止浆塞；16-砂浆；17-岩体；21-齿部；22-芯部；23-套孔；24-螺孔。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明提供了一种用于隧道断面施工加固的控制锚杆，包括沿长度方向依次设置的螺纹锚杆体10、止浆塞15、压板11、弹簧14、垫圈12和螺母13；螺纹锚杆体10在杆体的整个长度方向上均设置有外螺纹，螺纹锚杆体10头部嵌入在隧道的岩体17内，螺纹锚杆体10和岩体17之间灌注有砂浆16；所述的止浆塞15为圆台形结构，中部设置有与螺纹锚杆体10外螺纹相匹配的内螺孔24，止浆塞15的圆锥面紧贴砂浆16的注浆孔口设置；其中施工时，在岩体17上钻出大于螺纹锚杆体10外径的盲孔，然后将螺纹锚杆体10插入盲孔内，并灌入砂浆16，同时旋转并调节止浆塞15在螺纹锚杆体10上的位置，防止砂浆16流走。

压板11包括芯部22和齿部21，压板11的齿部21为十字结构，压板11的中部设置有套孔23，并活动套接在螺纹锚杆体10上，且压板11的芯部22紧贴止浆塞15大径端；压板11的套孔23的内径比螺纹锚杆体10螺纹外径大1～3mm，以间隙的方式套在螺纹锚杆体10上。螺母13设置在螺纹锚杆体10的尾端，螺母13通过垫圈12和弹簧14将压板11的齿部21压贴在二次衬砌的防水结构体6上，其中隧道的岩体17外部依次设置有钢筋网4、初期支护混凝土5、防水结构体6和二次衬砌混凝土7，防水结构体6为防水布或土工布。

螺纹锚杆体10的全长度范围刻有外螺纹，一方面增强灌注砂浆与锚杆的咬合力或摩擦力，另一方面方便止浆塞15和螺母13的嵌套与调整。

止浆塞15采用聚氨酯橡胶制成，具有一定的强度及可挤压收缩性，止浆塞15的高度与初期支护混凝土5的厚度相匹配，确保隧道断面施工完毕后，压板11能紧贴在防水结构体6上。注浆完成后，使得止浆塞15的圆锥面紧贴砂浆16的注浆孔口，并通过旋转止浆塞15来调整止浆塞对孔壁的压力。

弹簧14为高强度弹簧，具有延缓岩壁压力作用于二衬混凝土之上的作用，为二衬混凝土强化提供了足够多的时间。

压板11通过套孔23套于螺纹锚杆体10上之上，芯部22作为弹簧14的垫板，齿部21则紧贴在隧道临空面，对隧道断面施加挤压力。

垫圈12则用于保护螺母，其刚度较大，确保在弹簧的作用下不会产生变形。螺母13的内螺纹与螺纹锚杆体10的外螺纹相匹配，通过转动螺母调节其在锚杆上的位置。在二次衬砌混凝土浇筑前，与弹簧共同作用调整围岩变形，完成围岩的二次加固，将变形量控制在隧道预留变形值的1/5以内，并防止内部产生空隙，确保二次衬砌的有效厚度。

本发明的隧道断面加固方法包括以下的步骤：

【1】在隧道断面开挖完成后，完成钢筋网(4)的挂网工作；

【2】在隧道断面的控制点位置处布设控制锚杆(1)，在控制锚杆(1)的周围灌注砂浆(16)后，并安装止浆塞(15)，然后完成普通锚杆(2)的布设工作；

【3】对隧道进行初期支护混凝土(5)的喷射，填平凹凸的超挖部位，完成初期支护工作，为后续施工作业提供良好的工作面；当初期支护混凝土(5)的强度达到设计强度80％时，开始铺设防水结构体(6)，在控制锚杆(1)上安装压板(11)；

【4】如图4所示，上述施工作业全部完成后，使用隧道收敛仪、全站仪等观测仪器9观测开挖断面的围岩变形，并调节控制锚杆(1)上的螺母(13)，通过弹簧(14)施力给压板(11)，对控制锚杆(1)周边的围岩进行挤压力调整；当围岩变形较大时可通过调节控制锚杆1上的螺母13对控制锚杆周边的围压进行挤压调整，确保围压变形值小于隧道变形预留值的1/5，保证二次衬砌混凝土7的施工厚度。

【5】搭建钢拱架及模板，在防水结构体(6)上浇筑二次衬砌混凝土(7)，同时继续通过隧道收敛观测仪器观测隧道收敛变形情况，并不断调整螺母，改变压板对防水结构体的挤压力，进而限制或延缓隧道围岩的微小变形，延长二次衬砌混凝土(7)的强化时间，保证二次衬砌混凝土的施工质量。随着围岩变形的增大，二次衬砌混凝土也逐渐达到设计强度，此时岩壁产生的压力由二次衬砌混凝土与锚杆共同承担，进一步限制了围岩变形的增长，起到防止围岩变形入侵隧道净空的作用。

【6】待二次衬砌混凝土(7)的强度达到设计强度的90％以上时，拆除钢拱架及模板，开始下一段隧道的开挖及支护作业。

当隧道开挖及加固完成长度超过200m时，便开始隧道仰拱8的浇筑作业；如仰拱8以下2m范围内承载力达不到设计要求，进行换填处理后方可进行仰拱8的浇筑作业。

综上，本发明提供的二次加固控制锚杆主要布置于隧道断面的各控制点3处，可在二次衬砌混凝土7浇筑前进行二次加固，控制隧道变形，方便二次衬砌的施工，保证了二次衬砌混凝土的有效厚度，加快了隧道的施工进度。本发明的加固方法对高地应力软岩的变形具有控制作用，不仅可以通过二次加固调整围岩变形，还可以通过弹簧延缓岩壁压力作用在二次衬砌上的时间，为二次衬砌混凝土强化提供了足够的时间，保证了二次衬砌的有效厚度，避免了二次衬砌混凝土因过早受力而产生裂缝、局部变形等破坏现象。

本发明不仅局限于上述高地应力软岩隧道的实施方式，任何形式的隧道均适用，其尺寸可根据实际工程做出相应调整，但须符合设计要求；在本发明的启发下得到其他相似结构或形式的技术方案，均在其保护范围之内。

Claims (10)

1.用于隧道断面施工加固的控制锚杆，其特征在于：包括沿长度方向依次设置的螺纹锚杆体(10)、止浆塞(15)、压板(11)、弹簧(14)、垫圈(12)和螺母(13)；所述的螺纹锚杆体(10)在杆体的整个长度方向上均设置有外螺纹，螺纹锚杆体(10)头部嵌入在隧道的岩体(17)内，螺纹锚杆体(10)和岩体(17)之间灌注有砂浆(16)；所述的止浆塞(15)为圆台形结构，中部设置有与螺纹锚杆体(10)外螺纹相匹配的内螺孔(24)，止浆塞(15)的圆锥面紧贴砂浆(16)的注浆孔口设置；

所述压板(11)包括芯部(22)和齿部(21)，压板(11)的芯部(22)设置有套孔(23)，并活动套接在螺纹锚杆体(10)上，且压板(11)的芯部(22)紧贴止浆塞(15)大径端；所述的螺母(13)设置在螺纹锚杆体(10)的尾端，螺母(13)通过垫圈(12)和弹簧(14)将压板(11)的齿部(21)压贴在二次衬砌的防水结构体(6)上。

2.根据权利要求1所述的用于隧道断面施工加固的控制锚杆，其特征在于：隧道的岩体(17)外部依次设置有钢筋网(4)、初期支护混凝土(5)、防水结构体(6)和二次衬砌混凝土(7)。

3.根据权利要求1所述的用于隧道断面施工加固的控制锚杆，其特征在于：止浆塞(15)的高度与初期支护混凝土(5)的厚度相匹配。

4.根据权利要求1所述的用于隧道断面施工加固的控制锚杆，其特征在于：止浆塞(15)采用聚氨酯橡胶制成。

5.根据权利要求1所述的用于隧道断面施工加固的控制锚杆，其特征在于：压板(11)的套孔(23)的内径比螺纹锚杆体(10)螺纹外径大1～3mm。

6.根据权利要求1所述的用于隧道断面施工加固的控制锚杆，其特征在于：弹簧(14)为高强度弹簧。

7.根据权利要求1所述的用于隧道断面施工加固的控制锚杆，其特征在于：防水结构体(6)为防水布或土工布。

8.根据权利要求1所述的用于隧道断面施工加固的控制锚杆，其特征在于：压板(11)的齿部(21)为十字形结构。

9.根据权利要求1所述的用于隧道断面施工加固的控制锚杆，其特征在于：控制锚杆(1)的长度大于普通锚杆(2)的长度。

10.一种采用如权利要求1至9任意之一所述的用于隧道断面施工加固的控制锚杆对隧道断面进行加固方法，其特征在于，包括以下步骤：

【1】在隧道断面开挖完成后，完成钢筋网(4)的挂网工作；

【2】在隧道断面的控制点位置处布设控制锚杆(1)，在控制锚杆(1)的周围灌注砂浆(16)后，并安装止浆塞(15)，然后完成普通锚杆(2)的布设工作；

【3】对隧道进行初期支护混凝土(5)的喷射，当初期支护混凝土(5)的强度达到设计强度80％时，开始铺设防水结构体(6)，在控制锚杆(1)上安装压板(11)；

【4】采用观测仪器(9)测量开挖断面的围岩变形，并调节控制锚杆(1)上的螺母(13)，通过弹簧(14)施力给压板(11)，对控制锚杆(1)周边的围岩进行挤压力调整，使得围岩变形值小于隧道变形预留值的1/5；

【5】搭建钢拱架及模板，在防水结构体(6)上浇筑二次衬砌混凝土(7)，同时继续通过隧道收敛观测仪器观测隧道收敛变形情况，并根据隧道变形结果微调螺母(13)，改变压板(11)对防水结构体(6)的挤压力，限制或延缓隧道围岩的变形，避免二次衬砌混凝土(7)在其强化过程中受围岩挤压而产生变形；

【6】待二次衬砌混凝土(7)的强度达到设计强度的90％以上时，拆除钢拱架及模板，开始下一段隧道的开挖及支护作业。

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