CN113074003A - 一种泥质砂岩地层小净距隧道变形抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种泥质砂岩地层小净距隧道变形抑制方法，包括步骤：一、变形监测模块的安装及上支护钢架拱脚处加固；二、初支结构一次加固；三、中夹岩加固；四、初支结构二次加固；五、初支结构三次加固。本发明通过加固初支结构对小净距隧道的围岩变形进行了抑制，施工操作简单，加固后的初支结构可靠稳定，通过对初支结构的多部位进行加固和监控量测，增强了初支结构的稳定性和结构刚度，避免了初支结构开裂，从而减小了隧道围岩的沉降收敛变形，实现了在隧道开挖初期的加固维稳，保障了隧道整体稳定性和施工安全。
Description
技术领域
本发明属于小净距隧道加固施工领域，具体涉及一种泥质砂岩地层小净距隧道变形抑制方法。
背景技术
小净距隧道是指隧道中的中夹岩厚度小于分离式独立双洞的最小净距的特殊隧道布置形式，作为隧道的一种新型结构形式，能克服展线困难、隧道占地较多、破坏生态环境等问题，施工时，分先行洞和后行洞依次施工，其中，后行洞开挖会引起先行洞已支护的围岩应力重分布，而先行洞本身开挖也会因引起隧道围岩应力重分布，尤其是膨胀性泥质粉砂岩地质情况下，因岩质较软、易碎、遇水易软化崩解和结构松散等特性，围岩自稳能力差，在隧道支护初期围岩变形收敛大、不均性明显，支护结构需要承受围岩二次应力分布，稍有不慎可能造成支护结构破坏或者变形过大、侵线等，需要进行换拱施工，而换拱施工难度大、风险高和成本高，因此，需要对泥质砂岩地层中的小净距隧道施工进行隧道变形量控制。
现有的隧道变形量抑制方法多采用中隔壁法施工或三台阶七步法施工，若采用中隔壁法施工，小净距隧道的开挖断面面积100㎡以下时，分块面积极小，大型机械无法作业，由此造成操作性较差且施工进度缓慢；若采用三台阶七步法施工，在泥质砂岩地质条件下，开挖初期围岩沉降收敛变形大，支护措施不到位时，极易引起隧道初支结构开裂、地表裂缝，进而影响隧道整体稳定性，导致塌方。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种泥质砂岩地层小净距隧道变形抑制方法，通过加固初支结构对小净距隧道的围岩变形进行了抑制，施工操作简单，加固后的初支结构可靠稳定，通过对初支结构的多部位进行加固和监控量测，增强了初支结构的稳定性和结构刚度，避免了初支结构开裂，从而减小了隧道围岩的沉降收敛变形，实现了在隧道开挖初期的加固维稳，保障了隧道整体稳定性和施工安全，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种泥质砂岩地层小净距隧道变形抑制方法，利用初支结构对小净距隧道围岩进行加固，所述初支结构包括上支护钢架、下支护钢架、钢筋网和喷射混凝土，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、变形监测模块的安装及上支护钢架拱脚处加固：在上支护钢架的拱脚下方设置支撑所述上支护钢架的垫块；
同时在所述上支护钢架的上安装用于进行围岩监控量测的变形监测模块，所述变形监测模块包括微控制器以及均与所述微控制器连接的位移传感器、收敛计、声光报警器、存储器和通信模块，所述上支护钢架上均匀布设多个所述位移传感器和多个所述收敛计，所述存储器中存储有一级沉降阈值、二级沉降阈值、一级位移阈值和二级位移阈值，其中，一级沉降阈值大于二级沉降阈值，一级位移阈值大于二级位移阈值；
步骤二、初支结构一次加固，过程如下：
步骤201、上支护钢架纵向加固：在相邻两个所述上支护钢架之间设置用于连接相邻两个上支护钢架的连接件，所述连接件与所述上支护钢架的腹板固定连接；
步骤202、锁脚锚管定型加固：
步骤2021、在上支护钢架两侧安装锁脚锚管；其中，锁脚锚管安装过程中通过定位卡具对所述锁脚锚管夹持定位；
步骤2022、所述上支护钢架两侧分别安装L型卡件；其中，U型卡件的两端穿过所述上支护钢架的腹板将所述锁脚锚管与所述L型卡件均固定在所述上支护钢架上，所述L型卡件的一个卡边与所述锁脚锚管平行且接触，所述L型卡件的另一个卡边卡接所述上支护钢架的内翼板上；
所述L型卡件的一个卡边与所述锁脚锚管平行且接触，所述L型卡件的另一个卡边卡接所述上支护钢架的内翼板外侧；
步骤三、中夹岩加固：在上支护钢架圆周设置超前小导管对隧道围岩进行加固作业，在所述上支护钢架侧边设置注浆锚杆对隧道中夹岩进行注浆加固作业；
步骤四、判断初支结构是否进行二次加固：利用位移传感器和收敛计采集数据，当位移传感器采集的数据累计未超过二级沉降阈值和收敛计采集的数据累计未超过二级位移阈值时，停止执行步骤五；当位移传感器采集的数据累计超过二级沉降阈值或收敛计采集的数据累计超过二级位移阈值时，对应的声光报警器提示，执行步骤五，其中，所述上支护钢架的变形监测结果超过二级沉降阈值或二级位移阈值的上支护钢架为二次加强支护钢架；
步骤五、初支结构二次加固：采用临时横撑对所述二次加强支护钢架进行加固，过程如下：
步骤501、凿除所述二次加强支护钢架上拱脚处的混凝土至二次加强支护钢架外露，且该凿除面积与所述临时横撑的安装面积相适应；
步骤502、安装临时横撑：将所述临时横撑的两端分别与所述二次加强支护钢架的两个拱脚固定连接，形成闭环结构；
步骤六、判断初支结构是否进行三次加固：利用位移传感器和收敛计采集数据，当位移传感器采集的数据累计未超过一级沉降阈值和收敛计采集的数据累计未超过一级位移阈值时，停止执行步骤七；当位移传感器采集的数据累计超过一级沉降阈值或收敛计采集的数据累计超过一级位移阈值时，对应的声光报警器提示，执行步骤七，其中，所述上支护钢架的变形监测结果超过一级沉降阈值或一级位移阈值的上支护钢架为三次加强支护钢架；
步骤七、初支结构三次加固：采用临时斜撑对所述三次加强支护钢架进行加固，过程如下：
步骤701、凿除所述三次加强支护钢架上拱脚上方的混凝土至三次加强支护钢架外露，此凿除位置高于所述临时横撑与所述三次加强支护钢架的连接位置，且该凿除面积与所述临时斜撑的安装面积相适应；
步骤702、安装临时斜撑：所述临时斜撑的第一端与所述三次加强支护钢架固定连接，所述临时斜撑的第二端与所述临时横撑固定连接，所述临时斜撑、所述三次加强支护钢架和所述临时横撑形成三角支撑结构；
步骤703、浇筑混凝土，使所述临时横撑与混凝土形成临时仰拱结构，混凝土厚度满足混凝土浇筑完成面与所述临时横撑的上表面持平。
上述的一种泥质砂岩地层小净距隧道变形抑制方法，其特征在于：在步骤201中，上支护钢架包括多个上支护钢架段，相邻的两个上支护钢架段通过连接板连接，用于连接相邻两个上支护钢架的连接件对称布设在所述连接板的两侧；
在步骤202中，所述锁脚锚管的第一端伸进拱脚斜下方的围岩内，所述锁脚锚管的第二端固定在上支护钢架的前后两侧，并与所述上支护钢架固定连接；
所述U型卡件与所述上支护钢架的腹板焊接，所述L型卡件和所述U型卡件的数量与所述锁脚锚管的数量相等且一一对应，且所述U型卡件的内径等于所述L型卡件和所述锁脚锚管的外径之和。
上述的一种泥质砂岩地层小净距隧道变形抑制方法，其特征在于：在步骤三中，中夹岩加固包括对先行洞的中夹岩进行加固和对后行洞的中夹岩进行加固，通过所述先行洞与所述后行洞分别向中夹岩打设一组超前小导管和一组注浆锚杆，两组所述超前小导管和两组所述注浆锚杆均呈对称布设。
上述的一种泥质砂岩地层小净距隧道变形抑制方法，其特征在于：每组所述超前小导管均包括多根均布设于同一平面上的超前小导管，每根所述超前小导管均沿中夹岩的纵向延伸方向布设，所述超前小导管的一端为打入围岩内的地层打入端且其另一端为注浆端，每根所述超前小导管的所述注浆端到所述地层打入端均逐渐向掘进方向外侧倾斜，在所述上支护钢架施工完成后，将所述超前小导管的注浆端与所述上支护钢架固定；
每组所述注浆锚杆均包括多根均布设于同一平面上的注浆锚杆，每根所述注浆锚杆均沿所述上支护钢架1的外侧呈放射状布设，且所述注浆锚杆的纵向间距和环向间距均为1m，所述注浆锚杆的锚固长度为先行洞和后行洞之间净距的五分之一至四分之一。
上述的一种泥质砂岩地层小净距隧道变形抑制方法，其特征在于：在所述二次加强支护钢架一侧未进行二次加固的上支护钢架上设置加固横撑，所述三次加强支护钢架一侧未进行三次加固的上支护钢架上设置加固斜撑。
上述的一种泥质砂岩地层小净距隧道变形抑制方法，其特征在于：在步骤402中，相邻两个所述临时横撑之间设置有连接筋，所述连接筋的布设间距为1m。
上述的一种泥质砂岩地层小净距隧道变形抑制方法，其特征在于：在步骤502中，所述临时斜撑的第一端和与其对应的拱脚之间的距离小于所述临时斜撑的第二端和与其对应的拱脚之间的距离。
上述的一种泥质砂岩地层小净距隧道变形抑制方法，其特征在于：在步骤一前，采用挖机鹰嘴钩进行机械开挖，开挖时采用上下台阶法。
上述的一种泥质砂岩地层小净距隧道变形抑制方法，其特征在于：所述微控制器通过通信模块与主机连接。
上述的一种泥质砂岩地层小净距隧道变形抑制方法，其特征在于：二级变形预测包括拱顶下沉量连续三天超过单日沉降阈值或上支护钢架的水平位移量连续三天超过单日位移阈值，一级变形预测包括施做临时横撑后拱顶下沉量仍连续三天超过单日沉降阈值、或施做临时横撑后上支护钢架的水平位移量连续三天超过单日位移阈值、或初支结构出现裂缝；当达到所述二级变形预测时，也执行步骤五，当达到所述一级变形预测时，也执行步骤七。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过加固初支结构对小净距隧道的围岩变形进行了抑制，操作步骤简单，加固后的初支结构可靠稳定，实用性强，既保证了隧道施工安全，也控制了成本、节约了材料，便于推广使用。
2、本发明在上支护钢架的拱脚下方设置垫块，既增大了上支护钢架的拱脚与地面的受力面积，减小了上支护钢架不均匀性沉降的风险，避免了初支结构失衡所导致的隧道围岩变形严重，又确保了上支护钢架的拱脚落在硬地面上，避免了上支护钢架的拱脚受自重影响下陷到泥质砂岩中，由此增强了整体隧道结构的稳定性。
3、本发明对初支结构进行一次加固时，通过在相邻两个上支护钢架之间设置连接件，加强了相邻两个上支护钢架之间的连接稳定性，增强了整体初支结构的刚度和稳定性，且多个连接件间隔布设在上支护钢架腹板上，能够有效防止上支护钢架发生变形，避免了初支结构开裂，提高了隧道整体稳定性，实用性强。
4、本发明进行锁脚锚管加固时，通过在上支护钢架两侧均设置与锁脚锚管相适应的L型卡件，避免了直接利用U型卡件固定锁脚锚管时，锁脚锚管因U型卡件和上支护钢架翼板对锁脚锚管的集中应力过大而变形，加强了锁脚锚管在上支护钢架处的刚度，同时，通过设置U型卡件的内径等于L型卡件和锁脚锚管的外径之和，增设L型卡件后，避免了因U型卡件的内径空隙过大而造成的锁脚锚管移位，既加强了锁脚锚管与上支护钢架连接的稳固性，又有利于保持锁脚锚管的锚固角度，从而避免锁脚锚管的锚固角度变化对隧道围岩产生扰动。
5、本发明在开挖时对隧道围岩采用超前小导管进行加固，为下一个上支护钢架的布设提供了稳定的安装环境，采用注浆锚杆对隧道中夹岩进行注浆加固，提高了隧道中夹岩的自稳能力，有效保证了隧道工作面稳定和掘进安全，加强了小净距隧道施工的安全性。
6、本发明通过设置临时横撑对初支结构进行二次加固，临时横撑与地面平行，占用的空间面积小，不影响其他大型机械作业施工，有利于保障隧道施工进度，通过设置临时斜撑对初支结构进行三次加固，且临时横撑和临时斜撑均直接与上支护钢架固定连接，支撑稳定性强，避免了在混凝土上进行加固造成的受力位置不明确，实用性强。
7、本发明采用挖机鹰嘴钩机械开挖，单次掘进范围小，工作面可控，有利于减少对隧道围岩的扰动，降低了隧道围岩的变形程度，也降低了隧道开挖时的滑坡及坍塌风险，有利于保证施工安全和施工进度。
8、本发明通过在上支护钢架上设置变形监测模块，便于获得拱顶下沉量和上支护钢架的水平位移量，同时通过设置变形监测模块与主机无线连接，便于存储和分析变形监测模块的监测结果，由此，技术人员可以根据变形趋势提前实施加固措施，避免隧道围岩变形严重。
综上所述，本发明通过加固初支结构对小净距隧道的围岩变形进行了抑制，施工操作简单，加固后的初支结构可靠稳定，通过对初支结构的多部位进行加固和监控量测，增强了初支结构的稳定性和结构刚度，避免了初支结构开裂，从而减小了隧道围岩的沉降收敛变形，实现了在隧道开挖初期的加固维稳，保障了隧道整体稳定性和施工安全，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的施工方法流程框图。
图2为本发明中连接件与上支护钢架的组合关系示意图。
图3为本发明中定位卡具与锁脚锚管的布设位置示意图。
图4为本发明中L型卡件和U型卡件的布设位置示意图。
图5为本发明中临时横撑和临时斜撑的布设位置示意图。
图6为本发明中超前小导管和注浆锚管的布设位置示意图。
图7为本发明的电路原理框图。
图8为本发明中变形监测模块的电路原理框图。
附图标记说明:
1—上支护钢架； 1-1-上支护钢架段； 2—连接板；
3—连接件； 4—拱脚； 5—垫块；
6—锁脚锚管； 7—定位卡具； 8—L型卡件；
9—U型卡件； 10—超前小导管； 11—注浆锚杆；
12—临时横撑； 13—临时斜撑； 14—先行洞；
15—后行洞； 16—下支护钢架； 17—变形监测模块；
18—主机； 19—微控制器； 20—位移传感器；
21—收敛计； 22—声光报警器； 23—存储器；
24—通信模块。
具体实施方式
如图1至图8所示，本发明的一种泥质砂岩地层小净距隧道变形抑制方法，利用初支结构对小净距隧道围岩进行加固，所述初支结构包括上支护钢架1、下支护钢架16、钢筋网和喷射混凝土，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、变形监测模块的安装及上支护钢架拱脚处加固：在上支护钢架1的拱脚4下方设置支撑所述上支护钢架1的垫块5；
同时在所述上支护钢架1的上安装用于进行围岩监控量测的变形监测模块17，所述变形监测模块17包括微控制器19以及均与所述微控制器19连接的位移传感器20、收敛计21、声光报警器22、存储器23和通信模块24，所述上支护钢架1上均匀布设多个所述位移传感器20和多个所述收敛计21，所述存储器23中存储有一级沉降阈值、二级沉降阈值、一级位移阈值和二级位移阈值，其中，一级沉降阈值大于二级沉降阈值，一级位移阈值大于二级位移阈值；
步骤二、初支结构一次加固，过程如下：
步骤201、上支护钢架纵向加固：在相邻两个所述上支护钢架1之间设置用于连接相邻两个上支护钢架1的连接件3，所述连接件3与所述上支护钢架1的腹板固定连接；
步骤202、锁脚锚管定型加固：
步骤2021、在上支护钢架1两侧安装锁脚锚管6；其中，锁脚锚管6安装过程中通过定位卡具7对所述锁脚锚管6夹持定位；
步骤2022、所述上支护钢架1两侧分别安装L型卡件8；其中，U型卡件9的两端穿过所述上支护钢架1的腹板将所述锁脚锚管6与所述L型卡件8均固定在所述上支护钢架1上，所述L型卡件8的一个卡边与所述锁脚锚管6平行且接触，所述L型卡件8的另一个卡边卡接所述上支护钢架1的内翼板上；
步骤三、中夹岩加固：在上支护钢架1圆周设置超前小导管10对隧道围岩进行加固作业，在所述上支护钢架1侧边设置注浆锚杆11对隧道中夹岩进行注浆加固作业；
步骤四、判断初支结构是否进行二次加固：利用位移传感器20和收敛计21采集数据，当位移传感器20采集的数据累计未超过二级沉降阈值和收敛计21采集的数据累计未超过二级位移阈值时，停止执行步骤五；当位移传感器20采集的数据累计超过二级沉降阈值或收敛计21采集的数据累计超过二级位移阈值时，对应的声光报警器22提示，执行步骤五，其中，所述上支护钢架1的变形监测结果超过二级沉降阈值或二级位移阈值的上支护钢架1为二次加强支护钢架；
步骤五、初支结构二次加固：采用临时横撑12对所述二次加强支护钢架进行加固，过程如下：
步骤501、凿除所述二次加强支护钢架上拱脚4处的混凝土至二次加强支护钢架外露，且该凿除面积与所述临时横撑12的安装面积相适应；
步骤502、安装临时横撑：将所述临时横撑12的两端分别与所述二次加强支护钢架的两个拱脚4固定连接，形成闭环结构；
步骤六、判断初支结构是否进行三次加固：利用位移传感器20和收敛计21采集数据，当位移传感器20采集的数据累计未超过一级沉降阈值和收敛计21采集的数据累计未超过一级位移阈值时，停止执行步骤七；当位移传感器20采集的数据累计超过一级沉降阈值或收敛计21采集的数据累计超过一级位移阈值时，对应的声光报警器22提示，执行步骤七，其中，所述上支护钢架1的变形监测结果超过一级沉降阈值或一级位移阈值的上支护钢架1为三次加强支护钢架；
步骤七、初支结构三次加固：采用临时斜撑13对所述三次加强支护钢架进行加固，过程如下：
步骤701、凿除所述三次加强支护钢架上拱脚4上方的混凝土至三次加强支护钢架外露，此凿除位置高于所述临时横撑12与所述三次加强支护钢架的连接位置，且该凿除面积与所述临时斜撑13的安装面积相适应；
步骤702、安装临时斜撑：所述临时斜撑13的第一端与所述三次加强支护钢架固定连接，所述临时斜撑13的第二端与所述临时横撑12固定连接，所述临时斜撑13、所述三次加强支护钢架和所述临时横撑12形成三角支撑结构；
步骤703、浇筑混凝土，使所述临时横撑12与混凝土形成临时仰拱结构，混凝土厚度满足混凝土浇筑完成面与所述临时横撑12的上表面持平。
实际施工时，如图3和图4所示，垫块5为水泥垫块，架设上支护钢架1前，在上支护钢架1的拱脚4下方设置垫块5，确保了拱脚4落在硬地面上，避免了拱脚4受上支护钢架1自重影响下陷到泥质砂岩中，造成初支结构失衡，且垫块5的长宽尺寸均大于拱脚4的长宽尺寸，增大了拱脚4与地面的受力面积，减小了初支结构不均匀性沉降的风险，避免了初支结构失衡所导致的隧道围岩变形严重，从而增强了整体隧道结构的稳固性。
实际施工时，如图5所示，根据围岩监控量测结果采用临时横撑12对二次加强支护钢架的初支结构进行二次加固，采用临时斜撑13对三次加强支护钢架的初支结构进行三次加固，二次加固和三次加固后所占用的空间面积小，不影响其他大型机械作业施工，有利于保障隧道施工进度，且临时横撑12和临时斜撑13均在凿除混凝土后直接与上支护钢架1固定连接，支撑稳定性强，避免了在混凝土上进行加固造成的受力位置不明确，在二次加固和三次加固中，凿除上支护钢架1内翼板外侧的混凝土，至外露面积满足临时横撑12和临时斜撑13的安装需求，其中，临时横撑12和临时斜撑13与上支护钢架1、临时横撑12和临时斜撑13之间的连接方式均为焊接，操作简便，加固效率高。
本实施例中，在步骤201中，上支护钢架1包括多个上支护钢架段1-1，相邻的两个上支护钢架段1-1通过连接板2连接，用于连接相邻两个上支护钢架1的连接件3对称布设在所述连接板2的两侧；
在步骤202中，所述锁脚锚管6的第一端伸进拱脚4斜下方的围岩内，所述锁脚锚管6的第二端固定在上支护钢架1的前后两侧，并与所述上支护钢架1固定连接；
所述U型卡件9与所述上支护钢架1的腹板焊接，所述L型卡件8和所述U型卡件9的数量与所述锁脚锚管6的数量相等且一一对应，且所述U型卡件9的内径等于所述L型卡件8和所述锁脚锚管6的外径之和。
实际施工时，如图2所示，上支护钢架1和连接件3均采用工字型钢，便于连接件3与上支护钢架1的腹板焊接，通过在相邻两榀上支护钢架1之间焊接多个连接件3，加强了相邻两个上支护钢架1之间的连接稳定性，且连接件3对称布设在连接板2两侧30cm处，有利于上支护钢架1的拼接节点两侧受力均衡，加强了上支护钢架1拼接节点的强度，从而增强了整体初支结构的刚度和稳定性，多个连接件3间隔布设在上支护钢架1腹板上，能够有效防止上支护钢架1发生变形，避免了初支结构开裂，保证了隧道整体稳定性。
实际施工时，如图4所示，通过将锁脚锚管6的第一端伸进上支护钢架1的拱脚4斜下方的围岩内，锁脚锚管6的第二端固定在上支护钢架1的两侧，分散了上支护钢架1的拱脚4处的集中应力，加强了上支护钢架1的拱脚4处的围岩稳定性，通过在上支护钢架1两侧设置与锁脚锚管6相适应的L型卡件8，避免了直接利用U型卡件9固定锁脚锚管6时，锁脚锚管6因U型卡件9和上支护钢架1翼板对锁脚锚管6的集中应力过大而变形，加强了锁脚锚管6在上支护钢架1处的刚度，同时，通过设置U型卡件9的内径等于L型卡件8和锁脚锚管6的外径之和，增设L型卡件8后，避免了因U型卡件9的内径空隙过大而造成的锁脚锚管6移位，既加强了锁脚锚管6与上支护钢架1连接的稳固性，又有利于保持锁脚锚管6的锚固角度，从而避免锁脚锚管6的锚固角度变化对隧道围岩产生扰动。
需要说明的是，上支护钢架1的内侧指朝向隧道内部的一侧，上支护钢架1的外侧指朝向围岩的一侧，上支护钢架1的前侧指朝向隧道掘进方向的一侧，上支护钢架1的后侧指背向隧道掘进方向的一侧。
本实施例中，在步骤三中，中夹岩加固包括对先行洞14的中夹岩进行加固和对后行洞15的中夹岩进行加固，通过所述先行洞14与所述后行洞15分别向中夹岩打设一组超前小导管10和一组注浆锚杆11，两组所述超前小导管10和两组所述注浆锚杆11均呈对称布设。
本实施例中，每组所述超前小导管10均包括多根均布设于同一平面上的超前小导管10，每根所述超前小导管10均沿中夹岩的纵向延伸方向布设，所述超前小导管10的一端为打入围岩内的地层打入端且其另一端为注浆端，每根所述超前小导管10的所述注浆端到所述地层打入端均逐渐向掘进方向外侧倾斜，在所述上支护钢架1施工完成后，将所述超前小导管10的注浆端与所述上支护钢架1固定。
每组所述注浆锚杆11均包括多根均布设于同一平面上的注浆锚杆11，每根所述注浆锚杆11均沿所述上支护钢架1的外侧呈放射状布设，且所述注浆锚杆11的纵向间距和环向间距均为1m，所述注浆锚杆11的锚固长度为先行洞14和后行洞15之间净距的五分之一至四分之一。
实际施工时，如图6所示，超前小导管10为长度5m的热轧无缝钢管，超前小导管10与上支护钢架1的外插角为45°，环向布设间距为0.35m，有利于为下一个上支护钢架1的布设提供稳定的安装环境，注浆锚杆11为中空注浆锚杆，单根长度5m，布设时，注浆锚杆11的纵向间距和环向间距均为1m，锚固长度为相邻两个隧道之间净距的五分之一至四分之一，并沿上支护钢架1的外侧呈放射状，即注浆锚杆11的锚固方向与上支护钢架1的外翼板垂直，通过注浆锚杆11对隧道中夹岩进行注浆加固，提高了隧道中夹岩的自稳能力，有效保证了工作面稳定和掘进安全，加强了小净距隧道施工的安全性。
需要说明的是，先行洞14的中夹岩加固范围为先行洞14洞体外侧靠近后行洞15的掘进方向，后行洞15的中夹岩加固范围为后行洞15洞体外侧靠近先行洞14，且先行洞14的掌子面与后行洞15的掌子面之间的间距大于35m，避免在偏压小净距隧道施工过程中，对土体扰动过大，导致滑坡、塌方。
本实施例中，在所述二次加强支护钢架一侧未进行二次加固的上支护钢架1上设置加固横撑，所述三次加强支护钢架一侧未进行三次加固的上支护钢架1上设置加固斜撑。
实际施工时，加固横撑的结构和安装方式均与临时横撑12相同，加固斜撑的结构和安装方式均与临时斜撑13相同，通过在二次加强支护钢架两侧的上支护钢架1上设置加固横撑，且加固横撑的结构和安装方式与临时横撑12相同，便于预防二次加强支护钢架两侧的上支护钢架1受围岩沉降变形量的影响而出现破坏，通过在三次加强支护钢架两侧的上支护钢架1上设置加固斜撑，便于预防三次加强支护钢架两侧的上支护钢架1受围岩沉降变形量的影响而出现破坏，增强了初始结构的整体稳定性。
本实施例中，在步骤402中，相邻两个所述临时横撑12之间设置有连接筋，所述连接筋的布设间距为1m。
实际施工时，如图5所示，当临时横撑12和临时斜撑13均采用Ⅰ20a型钢时，上支护钢架1凿除混凝土后的外露面积为高25cm×宽15cm的矩形，此面积既能满足临时横撑12和临时斜撑13与上支护钢架1的连接需求，又不足以破坏初支结构的强度，安装临时横撑12时，采用先与上支护钢架1的拱脚4连接、后横向连接各个临时横撑12的原则，横向的连接筋采用I16型钢，将连接筋的两端分别与相邻两个临时横撑12的腹板连接，使多个临时横撑12连接为一个整体，安装临时斜撑13时，将临时斜撑13的第一端与上支护钢架1焊接，将临时斜撑13的第二端与临时横撑12焊接，使临时斜撑13、上支护钢架1和临时横撑12形成三角支撑结构，增强了临时横撑12与上支护钢架1的连接稳定性，也有利于增强上支护钢架1的刚度与稳定性，避免了初支结构变形和产生裂缝，最后在临时横撑12上浇筑混凝土，且混凝土厚度满足施工完成面与所述横撑12的上表面持平，增强临时横撑12的支撑强度，也便于施工人员在临时横撑12上进行后续施工作业。
当围岩监控量测结果显示围岩沉降及收敛变形趋于稳定后，可拆除临时横撑12和临时斜撑13，拆除顺序为先支后拆、后支先拆，保证施工安全，即割断临时横撑12和临时斜撑13与上支护钢架1的连接，然后用挖掘机将临时斜撑13与临时仰拱结构，操作简单，施工难度低。
本实施例中，在步骤502中，所述临时斜撑13的第一端和与其对应的上支护钢架1的拱脚4之间的距离小于所述临时斜撑13的第二端和与其对应的上支护钢架1的拱脚4之间的距离。
实际施工时，通过设置临时斜撑13的第一端和与其对应的拱脚4之间的距离小于临时斜撑13的第二端和与其对应的拱脚4之间的距离，便于临时斜撑13与上支护钢架1之间更接近直角，且能与临时横撑12形成锐角三角形，使临时斜撑13对上支护钢架1提供更大的支撑力和对围岩的抵抗力，从而有利于形成稳定的加固结构。
如图6所示，本实施例中，在步骤一前，采用挖机鹰嘴钩进行机械隧道开挖，开挖时采用上下台阶法。
实际施工时，采用挖机鹰嘴钩机械开挖，并配合小药量的松动爆破开挖，开挖循环进尺控制在0.6m～1m，便于控制掘进范围和工作面，有利于减少对围岩的扰动，降低围岩沉降变形的程度，也避免了隧道开挖时的坍塌风险，有利于保证施工安全和施工进度，开挖时采用上下台阶法将隧道断面分为两次开挖，并预留25cm的土体变形量，上台阶预留核心土长度控制在3m～5m之内，面积不小于上半断面的50％，核心土刷坡坡率控制在1:0.5～1:0.75间，下台阶长度不超过12m，下断面的落底采用双侧交错落底，落底长度不大于3m，同时，开挖一环、支护一环，有利于保持隧道的稳定性。
如图7和图8所示，本实施例中，所述微控制器19通过通信模块24与主机18连接。
实际施工时，通信模块24采用无线传输，避免传输线路在隧道内影响施工，减小日常维护成本，微控制器19将围岩监控量测结果通过通信模块24传输给主机18，便于技术员收集信息并分析围岩收敛变形规律，从而可以在初支结构达到二级变形阈值和一级变形阈值之前，进行初支结构二次加固和初支结构三次加固，避免破坏程度过大后，加固难度高。
本实施例中，二级变形预测包括拱顶下沉量连续三天超过单日沉降阈值或上支护钢架的水平位移量连续三天超过单日位移阈值，一级变形预测包括施做临时横撑12后拱顶下沉量仍连续三天超过单日沉降阈值、或施做临时横撑12后上支护钢架的水平位移量连续三天超过单日位移阈值、或初支结构出现裂缝；当达到所述二级变形预测时，也执行步骤五，当达到所述一级变形预测时，也执行步骤七。
围岩监控量测从隧道开挖持续到仰拱封闭后，设置洞内围岩变形观测点时，沿洞内围岩纵向上设定多个观测断面，每个观测断面之间相距5m，每个观测断面上均匀布设5个观测点，每个观测点均安装有位移传感器20和收敛计21，隧道施工过程中，前15天每天量测1～2次，第16天及之后每天量测一次，通过设置二级变形预测和一级变形预测，便于技术员在初支结构破坏前就进行步骤五或步骤七，起到提前预防的作用。
本发明中小净距隧道指隧道中的中夹岩厚度小于两倍的隧道直径，上支护钢架1为上台阶开挖后的初支钢拱架，下支护钢架16为下台阶开挖后的初支钢架，经过对初支钢拱架和隧道围岩实施多次加固措施，加固后的初支结构可靠稳定，实用性强，既保证了隧道施工安全，也控制了成本、节约了材料。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种泥质砂岩地层小净距隧道变形抑制方法，利用初支结构对小净距隧道围岩进行加固，所述初支结构包括上支护钢架(1)、下支护钢架(16)、钢筋网和喷射混凝土，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、变形监测模块的安装及上支护钢架拱脚处加固：在上支护钢架(1)的拱脚(4)下方设置支撑所述上支护钢架(1)的垫块(5)；
同时在所述上支护钢架(1)的上安装用于进行围岩监控量测的变形监测模块(17)，所述变形监测模块(17)包括微控制器(19)以及均与所述微控制器(19)连接的位移传感器(20)、收敛计(21)、声光报警器(22)、存储器(23)和通信模块(24)，所述上支护钢架(1)上均匀布设多个所述位移传感器(20)和多个所述收敛计(21)，所述存储器(23)中存储有一级沉降阈值、二级沉降阈值、一级位移阈值和二级位移阈值，其中，一级沉降阈值大于二级沉降阈值，一级位移阈值大于二级位移阈值；
步骤二、初支结构一次加固，过程如下：
步骤201、上支护钢架纵向加固：在相邻两个所述上支护钢架(1)之间设置用于连接相邻两个上支护钢架(1)的连接件(3)，所述连接件(3)与所述上支护钢架(1)的腹板固定连接；
步骤202、锁脚锚管定型加固：
步骤2021、在上支护钢架(1)两侧安装锁脚锚管(6)；其中，锁脚锚管(6)安装过程中通过定位卡具(7)对所述锁脚锚管(6)夹持定位；
步骤2022、所述上支护钢架(1)两侧分别安装L型卡件(8)；其中，U型卡件(9)的两端穿过所述上支护钢架(1)的腹板将所述锁脚锚管(6)与所述L型卡件(8)均固定在所述上支护钢架(1)上，所述L型卡件(8)的一个卡边与所述锁脚锚管(6)平行且接触，所述L型卡件(8)的另一个卡边卡接所述上支护钢架(1)的内翼板上；
步骤三、中夹岩加固：
在上支护钢架(1)圆周设置超前小导管(10)对隧道围岩进行加固作业，在所述上支护钢架(1)侧边设置注浆锚杆(11)对隧道中夹岩进行注浆加固作业；
步骤四、判断初支结构是否进行二次加固：利用位移传感器(20)和收敛计(21)采集数据，当位移传感器(20)采集的数据累计未超过二级沉降阈值和收敛计(21)采集的数据累计未超过二级位移阈值时，停止执行步骤五；当位移传感器(20)采集的数据累计超过二级沉降阈值或收敛计(21)采集的数据累计超过二级位移阈值时，对应的声光报警器(22)提示，执行步骤五，其中，所述上支护钢架(1)的变形监测结果超过二级沉降阈值或二级位移阈值的上支护钢架(1)为二次加强支护钢架；
步骤五、初支结构二次加固：采用临时横撑(12)对所述二次加强支护钢架进行加固，过程如下：
步骤501、凿除所述二次加强支护钢架上拱脚(4)处的混凝土至二次加强支护钢架外露，且该凿除面积与所述临时横撑(12)的安装面积相适应；
步骤502、安装临时横撑：将所述临时横撑(12)的两端分别与所述二次加强支护钢架的两个拱脚(4)固定连接，形成闭环结构；
步骤六、判断初支结构是否进行三次加固：利用位移传感器(20)和收敛计(21)采集数据，当位移传感器(20)采集的数据累计未超过一级沉降阈值和收敛计(21)采集的数据累计未超过一级位移阈值时，停止执行步骤七；当位移传感器(20)采集的数据累计超过一级沉降阈值或收敛计(21)采集的数据累计超过一级位移阈值时，对应的声光报警器(22)提示，执行步骤七，其中，所述上支护钢架(1)的变形监测结果超过一级沉降阈值或一级位移阈值的上支护钢架(1)为三次加强支护钢架；
步骤七、初支结构三次加固：采用临时斜撑(13)对所述三次加强支护钢架进行加固，过程如下：
步骤701、凿除所述三次加强支护钢架上拱脚(4)上方的混凝土至三次加强支护钢架外露，此凿除位置高于所述临时横撑(12)与所述三次加强支护钢架的连接位置，且该凿除面积与所述临时斜撑(13)的安装面积相适应；
步骤702、安装临时斜撑：所述临时斜撑(13)的第一端与所述三次加强支护钢架固定连接，所述临时斜撑(13)的第二端与所述临时横撑(12)固定连接，所述临时斜撑(13)、所述三次加强支护钢架和所述临时横撑(12)形成三角支撑结构；
步骤703、浇筑混凝土，使所述临时横撑(12)与混凝土形成临时仰拱结构，混凝土厚度满足混凝土浇筑完成面与所述临时横撑(12)的上表面持平。
2.按照权利要求1所述的一种泥质砂岩地层小净距隧道变形抑制方法，其特征在于：在步骤201中，上支护钢架(1)包括多个上支护钢架段(1-1)，相邻的两个上支护钢架段(1-1)通过连接板(2)连接，用于连接相邻两个上支护钢架(1)的连接件(3)对称布设在所述连接板(2)的两侧；
在步骤202中，所述锁脚锚管(6)的第一端伸进拱脚(4)斜下方的围岩内，所述锁脚锚管(6)的第二端固定在上支护钢架(1)的前后两侧，并与所述上支护钢架(1)固定连接；
所述U型卡件(9)与所述上支护钢架(1)的腹板焊接，所述L型卡件(8)和所述U型卡件(9)的数量与所述锁脚锚管(6)的数量相等且一一对应，且所述U型卡件(9)的内径等于所述L型卡件(8)和所述锁脚锚管(6)的外径之和。
3.按照权利要求1所述的一种泥质砂岩地层小净距隧道变形抑制方法，其特征在于：在步骤三中，中夹岩加固包括对先行洞(14)的中夹岩进行加固和对后行洞(15)的中夹岩进行加固，通过所述先行洞(14)与所述后行洞(15)分别向中夹岩打设一组超前小导管(10)和一组注浆锚杆(11)，两组所述超前小导管(10)和两组所述注浆锚杆(11)均呈对称布设。
4.按照权利要求3所述的一种泥质砂岩地层小净距隧道变形抑制方法，其特征在于：每组所述超前小导管(10)均包括多根沿围岩的纵向延伸方向布设的超前小导管(10)，所述超前小导管(10)的一端为打入围岩内的地层打入端且其另一端为注浆端，每根所述超前小导管(10)的所述注浆端到所述地层打入端均逐渐向掘进方向外侧倾斜，在所述上支护钢架(1)施工完成后，将所述超前小导管(10)的注浆端与所述上支护钢架(1)固定；
每组所述注浆锚杆(11)均包括多根均布设于同一平面上的注浆锚杆(11)，每根所述注浆锚杆(11)均沿所述上支护钢架1的外侧呈放射状布设，且所述注浆锚杆(11)的纵向间距和环向间距均为1m，所述注浆锚杆(11)的锚固长度为先行洞(14)和后行洞(15)之间净距的五分之一至四分之一。
5.按照权利要求1所述的一种泥质砂岩地层小净距隧道变形抑制方法，其特征在于：在所述二次加强支护钢架一侧未进行二次加固的上支护钢架(1)上设置加固横撑，所述三次加强支护钢架一侧未进行三次加固的上支护钢架(1)上设置加固斜撑。
6.按照权利要求5所述的一种泥质砂岩地层小净距隧道变形抑制方法，其特征在于：在步骤402中，在相邻两个所述临时横撑(12)之间均匀布设连接筋，所述连接筋的布设间距为1m。
7.按照权利要求5所述的一种泥质砂岩地层小净距隧道变形抑制方法，其特征在于：在步骤502中，所述临时斜撑(13)的第一端和与其对应的上支护钢架(1)的拱脚(4)之间的距离小于所述临时斜撑(13)的第二端和与其对应的上支护钢架(1)的拱脚(4)之间的距离。
8.按照权利要求1所述的一种泥质砂岩地层小净距隧道变形抑制方法，其特征在于：在步骤一前，采用挖机鹰嘴钩进行机械隧道开挖，开挖时采用上下台阶法。
9.按照权利要求1所述的一种泥质砂岩地层小净距隧道变形抑制方法，其特征在于：所述微控制器(19)通过通信模块(24)与主机(18)连接。
10.按照权利要求9所述的一种泥质砂岩地层小净距隧道变形抑制方法，其特征在于：二级变形预测包括拱顶下沉量连续三天超过单日沉降阈值或上支护钢架的水平位移量连续三天超过单日位移阈值，一级变形预测包括施做临时横撑(12)后拱顶下沉量仍连续三天超过单日沉降阈值、或施做临时横撑(12)后上支护钢架的水平位移量连续三天超过单日位移阈值、或初支结构出现裂缝；当达到所述二级变形预测时，也执行步骤五，当达到所述一级变形预测时，也执行步骤七。
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