CN112832824A - 一种适用于破碎围岩条件下的隧洞强支护结构及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于破碎围岩条件下的隧洞强支护结构及方法，所述支护结构包括用于隧洞超前支护的管棚和若干榀拱形的钢拱架，所述管棚设置隧道的顶拱区域，所述钢拱架沿隧洞方向设置，所述钢拱架内侧设置有若干钢筋拉杆，各榀钢拱架之间通过所述钢筋拉杆连接，钢拱架的两侧设有锁定锚杆，隧洞的顶拱及边墙的内壁设有素混凝土层，在素混凝土层内侧设有覆盖所有钢拱架的挂网喷混凝土层。本方案主要通过管棚在每一个循环开挖前进行超前支护，然后通过钢拱架对开挖后的隧洞提供内部支撑。各榀钢拱架之间通过所述钢筋拉杆连接，并通过浇筑挂网喷混凝土层，形成整体支护钢拱架结构，在隧洞内形成围岩稳定受力圈，避免或减少了隧洞支护问题造成的塌方事故。

Description

一种适用于破碎围岩条件下的隧洞强支护结构及方法
技术领域
本发明公开了一种适用于破碎围岩条件下的隧洞强支护结构及方法，适用于破碎围岩条件下隧洞开挖支护领域。
背景技术
引水发电系统位于地下的水电站，其地下交通隧洞众多，包括进厂交通洞、通风兼安全洞、施工支洞等，这些隧洞洞轴线长，洞线周边围岩条件复杂，难以避免会遇到破碎围岩条件，面对破碎围岩条件下的隧洞支护方式多种多样，结构复杂，有些可操作性较差，普适性不强。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中的上述不足之处，提供一种结构简单、普适性强的破碎围岩条件下隧洞强支护结构及方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种适用于破碎围岩条件下的隧洞强支护结构，包括用于隧洞超前支护的管棚和若干榀拱形的钢拱架，所述管棚设置隧道的顶拱区域，所述钢拱架沿隧洞方向设置，所述钢拱架内侧设置有若干钢筋拉杆，各榀钢拱架之间通过所述钢筋拉杆连接，钢拱架的两侧设有锁定锚杆，隧洞的顶拱及边墙的内壁设有素混凝土层，在素混凝土层内侧设有覆盖所有钢拱架的挂网喷混凝土层。
作为优选，钢拱架包括拱形部和连接拱形部两端的直脚部，所述锁定锚杆包括锁腰锚杆和锁脚锚杆，所述锁腰锚杆设置在钢拱架的拱形部和直脚部连接区域，所述锁脚锚杆设置在钢拱架的直脚部的下半部分。
作为优选，所述管棚包括若干热轧无缝钢管，所述热轧无缝钢管前端呈尖锥状，热轧无缝钢管的管壁设有注浆孔。
作为优选，所述支护结构还包括系统锚杆，所述系统锚杆沿隧洞顶拱及边墙辐射状设置。
作为优选，所述支护结构还包括排水结构，所述排水结构包括系统排水孔、软式透水管和排水沟，所述系统排水孔沿隧洞的顶拱及边墙辐射状设置，所述排水沟沿着隧洞路面两侧布置，所述软式透水管沿隧洞的顶拱及边墙布置，软式透水管串联系统排水孔并接入排水沟。
作为优选，所述隧洞顶拱及边墙在挂网喷混凝土层内侧覆盖有EVA复合防水板。
作为优选，所述隧洞顶拱、边墙及底板部位浇筑有厚衬砌混凝土。
本发明同时提供一种适用于破碎围岩条件下的隧洞强支护方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1，在每一个循环开挖前，施工用于超前支护的管棚；
步骤2，隧洞开挖，开挖完成一个循环开挖进尺后，立即对所述隧洞顶拱及边墙预喷素混凝土层，随后在所述隧洞顶拱、边墙及底板位置架设钢拱架，所述钢拱架架设后应立即挂网喷混凝土层；
步骤3，对所述隧洞顶拱及边墙采用系统锚杆支护，对所述隧洞顶拱及边墙采用系统排水孔进行排水，对所述隧洞顶拱及边墙采用EVA复合防水板进行覆盖；
步骤4，在所述隧洞顶拱、边墙及底板部位立模浇筑厚衬砌混凝土，待所述衬砌混凝土浇筑完成并达到70％设计强度后，对所述隧洞顶拱部位所述衬砌混凝土和围岩之间进行回填灌浆。
作为优选，所述步骤4之后，还包括步骤5：
步骤5，循环采用步骤1-4的方法完成隧洞全部的开挖支护后，进行隧洞路面施工，并在隧洞路面两侧开挖水沟。
作为优选，所述步骤1中施工用于超前支护的管棚的步骤，具体包括以下步骤：
步骤101，施工时，所述热轧无缝钢管沿隧道顶拱周边以1°外插角打入围岩，环向布置间距为300mm；
所述热轧无缝钢管有3m和6m长两种形式，施工所述管棚时相邻所述管棚第一节所述热轧无缝钢管交替采用3m和6m两种长度的钢花管，其余节数均采用6m长的钢花管，以保证同一截面安装接头不超过50％；
步骤102，通过注浆孔进行注浆，注浆材料采用1:1水泥浆，初压为0.5～0.75MPa，终压为1.0MPa，在最大压力下注浆孔停止吸浆后，延续灌注10min即可结束注浆，当注浆强度达到70％设计强度后方可进行下一步隧洞开挖步骤。
本方案主要通过管棚在每一个循环开挖前进行超前支护，然后通过钢拱架对开挖后的隧洞提供内部支撑。钢筋拉杆分布于钢拱架内外两侧，各榀钢拱架之间通过所述钢筋拉杆连接，并通过浇筑挂网喷混凝土层，形成整体支护钢拱架结构。钢拱架还设有锁腰锚杆和锁脚锚杆插入岩体，将钢拱架和岩体紧密固定，在隧洞内形成围岩稳定受力圈，避免或减少了隧洞支护问题造成的塌方事故。本发明的技术方案可应对大多数破碎围岩条件下的隧洞的支护需求，可操作性强，并且能够适应多数施工要求。
附图说明
图1是本发明的整体立面图。
图2是本发明的管棚布置详图。
图3是本发明的管棚支护用热轧无缝钢管的结构图。
图4是本发明的钢拱架立面图。
图中标注：1、隧洞；2、管棚；3、热轧无缝钢管；4、注浆孔；5、素混凝土层；6、钢拱架；7、工字钢；8、钢筋拉杆；9、锁腰锚杆；10、锁脚锚杆；11、混凝土预制块；12、挂网喷混凝土层；13、系统锚杆；14、系统排水孔；15、软式透水管；16、两侧排水沟；17、双通排水管；18、单通排水管；19、EVA复合防水板；20、厚衬砌混凝土；22、C15混凝土回填；23、一期混凝土路面；24、二期混凝土路面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。
如图1、图2所示，本申请实施例的一种适用于破碎围岩条件下的隧洞强支护结构，包括用于隧洞1超前支护的管棚2、若干榀拱形的钢拱架6、系统锚杆13和排水结构。
如图2、图3所示，所述管棚2设置隧道1的顶拱区域。所述管棚2包括若干热轧无缝钢管3，所述热轧无缝钢管3前端呈尖锥状，热轧无缝钢管3的管壁设有注浆孔4。所述热轧无缝钢管3沿隧道顶拱周边以1°外插角打入围岩，环向布置间距为300mm。所述热轧无缝钢管3有3m和6m长两种形式，施工所述管棚2时相邻所述管棚2第一节所述热轧无缝钢管3交替采用3m和6m两种长度的钢花管，其余节数均采用6m长的钢花管，以保证同一截面安装接头不超过50％。
如图4所示，所述钢拱架6沿隧洞1方向设置，所述钢拱架6内侧设置有若干钢筋拉杆8，各榀钢拱架6之间通过所述钢筋拉杆8连接，钢拱架6的两侧设有锁定锚杆。钢拱架6包括拱形部和连接拱形部两端的直脚部，所述锁定锚杆包括锁腰锚杆9和锁脚锚杆10，所述锁腰锚杆9设置在钢拱架6的拱形部和直脚部连接区域，所述锁脚锚杆10设置在钢拱架6的直脚部的下半部分。所述钢拱架6基础采用混凝土预制块11。
所述系统锚杆13沿隧洞1顶拱及边墙辐射状设置并插入隧洞1岩壁内。所述系统锚杆13间排距为1m×1m，直径为25mm，长度为4.5m，入岩4.2m，位于所述钢拱架6附近的系统锚杆13与所述钢拱架6焊接连接。
所述支护结构还包括排水结构，所述排水结构包括系统排水孔14、软式透水管15和排水沟16，所述系统排水孔14沿隧洞1的顶拱及边墙辐射状设置钻入隧洞1岩壁内。所述排水沟16沿着隧洞1路面两侧布置，所述软式透水管15沿隧洞1的顶拱及边墙布置，软式透水管15串联系统排水孔14并接入排水沟16。所述系统排水孔14与软式透水管15之间通过HDPE双通排水管17连接，所述软式透水管15与所述排水沟16之间通过HDPE单通排水管18连接。系统排水孔14间排距为3m×3m，孔径为50mm，长度为3m。
隧洞1的顶拱及边墙的内壁设有素混凝土层5，在素混凝土层5内侧设有覆盖所有钢拱架6的挂网喷混凝土层12。所述隧洞1顶拱及边墙在挂网喷混凝土层12内侧覆盖有EVA复合防水板19。所述隧洞1顶拱、边墙及底板部位立模浇筑厚衬砌混凝土20。素混凝土层5厚度为50mm。挂网喷混凝土层12厚度为250mm。所述钢拱架6选取I18型工字钢，间距500mm。
本方案主要通过管棚在每一个循环开挖前进行超前支护，然后通过钢拱架对开挖后的隧洞提供内部支撑。钢筋拉杆分布于钢拱架内外两侧，各榀钢拱架之间通过所述钢筋拉杆连接，并通过浇筑挂网喷混凝土层，形成整体支护钢拱架结构。钢拱架还设有锁腰锚杆和锁脚锚杆插入岩体，将钢拱架和岩体紧密固定，在隧洞内形成围岩稳定受力圈，避免或减少了隧洞支护问题造成的塌方事故。本发明的技术方案可应对大多数破碎围岩条件下的隧洞的支护需求，可操作性强，并且能够适应多数施工要求。
本申请实施例同时提供一种适用于破碎围岩条件下的隧洞强支护方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1，在每一个循环开挖前，施工用于超前支护的管棚2。
具体的，如图2、图4所示，所述管棚2包括若干热轧无缝钢管3，所述热轧无缝钢管3前端呈尖锥状，热轧无缝钢管3的管壁设有注浆孔4。热轧无缝钢管3的规格为
Figure BDA0002946798270000061
所述步骤1中施工用于超前支护的管棚2的步骤，具体包括以下步骤：
步骤101，施工时，所述热轧无缝钢管3沿隧道顶拱周边以1°外插角打入围岩，环向布置间距为300mm；
所述热轧无缝钢管3有3m和6m长两种形式，施工所述管棚2时相邻所述管棚2第一节所述热轧无缝钢管3交替采用3m和6m两种长度的钢花管，其余节数均采用6m长的钢花管，以保证同一截面安装接头不超过50％；
步骤102，通过注浆孔4进行注浆，注浆材料采用1:1水泥浆，初压为0.5～0.75MPa，终压为1.0MPa，在最大压力下注浆孔停止吸浆后，延续灌注10min即可结束注浆，当注浆强度达到70％设计强度后方可进行下一步隧洞1开挖步骤。
每循环开挖进尺不大于0.75m，所述管棚2前后搭接长度不小于2m。
步骤2，隧洞1开挖，开挖完成一个循环开挖进尺后，立即对所述隧洞1顶拱及边墙预喷素混凝土层5，随后在所述隧洞1顶拱、边墙及底板位置架设钢拱架6，所述钢拱架6架设后应立即喷涂挂网喷混凝土层12。
素混凝土层5厚度为50mm。挂网喷混凝土12厚度为250mm。所述钢拱架6选取I18型工字钢7，间距500mm。所述钢拱架6各榀之间采用设有直径22mm钢筋拉杆8连接，环向间距1m。所述钢拱架6腰部设有锁腰锚杆9，直径为22mm，长度为2m。所述钢拱架6的脚部设置锁脚锚杆10，直径为22mm，长度为2m。所述锁脚锚杆10夹在所述钢拱架6的两侧并与所述钢拱架6焊牢，所述钢拱架6基础采用混凝土预制块11。
步骤3，对所述隧洞1顶拱及边墙采用系统锚杆13支护，对所述隧洞1顶拱及边墙采用系统排水孔14进行排水，对所述隧洞1顶拱及边墙采用EVA复合防水板19进行覆盖。
所述系统锚杆13间排距为1m×1m，直径为25mm，长度为4.5m，入岩4.2m，所述钢拱架6附近所述系统锚杆13需与所述钢拱架6焊接连接。系统排水孔14间排距为3m×3m，孔径为50mm，长度为3m。
步骤4，在所述隧洞1顶拱、边墙及底板部位立模浇筑厚衬砌混凝土20，待所述衬砌混凝土20浇筑完成并达到70％设计强度后，对所述隧洞1顶拱部位所述衬砌混凝土20和围岩之间进行回填灌浆。
衬砌混凝土20厚度为500mm。回填灌浆的具体操作方法是：所述衬砌混凝土20顶拱部位需预埋回填灌浆钢管21，所述回填灌浆钢管21选用
Figure BDA0002946798270000071
Figure BDA0002946798270000072
沿洞轴线方向间距3m，待所述衬砌混凝土20浇筑完成并达到70％设计强度后对所述隧洞1顶拱部位所述衬砌混凝土20和围岩之间进行回填灌浆，回填灌浆压力0.2～0.3MPa，在最大压力下灌浆孔停止吸浆后，延续灌注10min即可结束回填灌浆。
步骤5，循环采用步骤1-4的方法完成隧洞1全部的开挖支护后，进行隧洞路面施工，并在隧洞路面两侧开挖水沟16。
所述系统排水孔14通过软式透水管15串联起来排入所述隧洞1路面两侧排水沟16中。所述系统排水孔14与软式透水管15之间通过HDPE双通排水管17连接，所述软式透水管15与所述排水沟16之间通过HDPE单通排水管18连接。
所述隧洞路面自下而上做法依次为C15混凝土回填22，一期混凝土路面23，二期混凝土路面24，其中二期混凝土路面24待施工期结束后水电站投入运行时实施。

Claims (10)

1.一种适用于破碎围岩条件下的隧洞强支护结构，其特征是，包括用于隧洞(1)超前支护的管棚(2)和若干榀拱形的钢拱架(6)，所述管棚(2)设置隧道(1)的顶拱区域，所述钢拱架(6)沿隧洞(1)方向设置，所述钢拱架(6)内侧设置有若干钢筋拉杆(8)，各榀钢拱架(6)之间通过所述钢筋拉杆(8)连接，钢拱架(6)的两侧设有锁定锚杆，隧洞(1)的顶拱及边墙的内壁设有素混凝土层(5)，在素混凝土层(5)内侧设有覆盖所有钢拱架(6)的挂网喷混凝土层(12)。
2.根据权利要求1所述的一种适用于破碎围岩条件下的隧洞强支护结构，其特征是，钢拱架(6)包括拱形部和连接拱形部两端的直脚部，所述锁定锚杆包括锁腰锚杆(9)和锁脚锚杆(10)，所述锁腰锚杆(9)设置在钢拱架(6)的拱形部和直脚部连接区域，所述锁脚锚杆(10)设置在钢拱架(6)的直脚部的下半部分。
3.根据权利要求1所述的一种适用于破碎围岩条件下的隧洞强支护结构，其特征是，所述管棚(2)包括若干热轧无缝钢管(3)，所述热轧无缝钢管(3)前端呈尖锥状，热轧无缝钢管(3)的管壁设有注浆孔(4)。
4.根据权利要求1所述的一种适用于破碎围岩条件下的隧洞强支护结构，其特征是，所述支护结构还包括系统锚杆(13)，所述系统锚杆(13)沿隧洞(1)顶拱及边墙辐射状设置。
5.根据权利要求1所述的一种适用于破碎围岩条件下的隧洞强支护结构，其特征是，所述支护结构还包括排水结构，所述排水结构包括系统排水孔(14)、软式透水管(15)和排水沟(16)，所述系统排水孔(14)沿隧洞(1)的顶拱及边墙辐射状设置，所述排水沟(16)沿着隧洞(1)路面两侧布置，所述软式透水管(15)沿隧洞(1)的顶拱及边墙布置，软式透水管(15)串联系统排水孔(14)并接入排水沟(16)。
6.根据权利要求1所述的一种适用于破碎围岩条件下的隧洞强支护结构，其特征是，所述隧洞(1)顶拱及边墙在挂网喷混凝土层(12)内侧覆盖有EVA复合防水板(19)。
7.根据权利要求1所述的一种适用于破碎围岩条件下的隧洞强支护结构，其特征是，所述隧洞(1)顶拱、边墙及底板部位浇筑有厚衬砌混凝土(20)。
8.一种适用于破碎围岩条件下的隧洞强支护方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：
步骤1，在每一个循环开挖前，施工用于超前支护的管棚(2)；
步骤2，隧洞(1)开挖，开挖完成一个循环开挖进尺后，立即对所述隧洞(1)顶拱及边墙预喷素混凝土层(5)，随后在所述隧洞(1)顶拱、边墙及底板位置架设钢拱架(6)，所述钢拱架(6)架设后应立即挂网喷混凝土层(12)；
步骤3，对所述隧洞(1)顶拱及边墙采用系统锚杆(13)支护，对所述隧洞(1)顶拱及边墙采用系统排水孔(14)进行排水，对所述隧洞(1)顶拱及边墙采用EVA复合防水板(19)进行覆盖；
步骤4，在所述隧洞(1)顶拱、边墙及底板部位立模浇筑厚衬砌混凝土(20)，待所述衬砌混凝土(20)浇筑完成并达到70％设计强度后，对所述隧洞(1)顶拱部位所述衬砌混凝土(20)和围岩之间进行回填灌浆。
9.根据权利要求8所述的一种适用于破碎围岩条件下的隧洞强支护方法，其特征是，所述步骤4之后，还包括步骤5：
步骤5，循环采用步骤1-4的方法完成隧洞(1)全部的开挖支护后，进行隧洞路面施工，并在隧洞路面两侧开挖水沟(16)。
10.根据权利要求8所述的一种适用于破碎围岩条件下的隧洞强支护方法，其特征是，所述步骤1中施工用于超前支护的管棚(2)的步骤，具体包括以下步骤：
步骤101，施工时，所述热轧无缝钢管(3)沿隧道顶拱周边以1°外插角打入围岩，环向布置间距为300mm；
所述热轧无缝钢管(3)有3m和6m长两种形式，施工所述管棚(2)时相邻所述管棚(2)第一节所述热轧无缝钢管(3)交替采用3m和6m两种长度的钢花管，其余节数均采用6m长的钢花管，以保证同一截面安装接头不超过50％；
步骤102，通过注浆孔(4)进行注浆，注浆材料采用1:1水泥浆，初压为0.5～0.75MPa，终压为1.0MPa，在最大压力下注浆孔停止吸浆后，延续灌注10min即可结束注浆，当注浆强度达到70％设计强度后方可进行下一步隧洞(1)开挖步骤。
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