CN113236293A - 城市主干路软弱围岩浅埋大跨度小净距隧道变形控制支护方法 - Google Patents
城市主干路软弱围岩浅埋大跨度小净距隧道变形控制支护方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于隧道施工技术领域，为城市主干路软弱围岩浅埋大跨度小净距隧道变形控制提供了支护方法。包括小导管注浆超前支护体系、分区域爆破控制、变截面钢拱架支护、钢拱架‑锁脚锚管锚固体系和中夹岩径向注浆加固等步骤，本发明在隧道上台阶采用大截面型钢施作钢拱架、并在两侧拱脚处分别打设两排大直径锁脚锚管，在中台阶采用小截面型钢施作钢拱架、并在两侧拱脚打设小直径锁脚锚管，锁脚锚管与钢拱架之间通过钢片焊接牢固，形成钢拱架‑锁脚锚管锚固支护体系，能够有效控制围岩变形和地面沉降。本发明施工工序简单，能够严格控制地面变形，有效减小浅埋小净距隧道开挖对软弱围岩的扰动，工程成本较低，保证隧道施工安全，解决了城市主干路浅埋大跨度小净距隧道沉降控制难的问题。
Description
技术领域：
本发明属于隧道施工技术领域，尤其是涉及城市主干路软弱围岩条件下浅埋大跨度小净距隧道沉降控制支护方法。
背景技术：
随着我国城市化进程的快速推进，城市主干路隧道的数量和规模也大幅提高。受交通需求和用地限制，城市主干路隧道往往断面大、埋深浅、且需穿越软弱围岩地层，常采用浅埋大跨度小净距隧道形式。受多次开挖扰动影响，小净距隧道围岩受力变形特征相比分离式隧道更复杂，若施工过程中支护不当，易引起地层变形超限、冒顶，甚至导致中夹岩失稳、坍塌，造成人员伤亡等工程事故。
对于城市主干路的软弱围岩浅埋大跨度小净距隧道设计施工中，需在综合考虑建设成本及工期控制前提下，对隧道开挖引起的地层扰动变形加以严格限制，以满足环境保护和安全控制的需求。目前，针对小净距隧道施工国内外已积累一定的经验和工法，但这些方法主要针对中夹岩和洞周围岩进行加固，而对软弱围岩浅埋大跨度小净距隧道施工引起的地层变形控制问题，尚缺少一套明确的施工支护方法。选择技术可靠、造价合理、工期可控的开挖工法及变形控制支护技术对城市主干路软弱围岩浅埋大跨度小净距隧道的建设至关重要。
发明内容：
针对上述技术问题，本发明提供一种城市主干路软弱围岩浅埋大跨度小净距隧道变形控制支护方法，包含小导管注浆超前支护体系、分区域爆破控制、变截面钢拱架支护、钢拱架-锁脚锚管锚固体系及中夹岩径向注浆加固技术。本发明不仅能够保证小净距隧道中夹岩的稳定性，而且能够有效控制地面沉降，降低施工成本，提高施工效率。
本发明是通过以下技术方案实现的：
第一步、先行隧道超前支护：在先行隧道拱顶部打设双排超前注浆小导管，注浆顺序为自拱两边至拱顶。
第二步、分区域爆破控制：爆破施工按三台阶法顺序为上台阶、中台阶、下台阶，爆破每循环进尺取1.2m。为减小对围岩和上部建筑的影响，上台阶内爆破区域分为靠近拱顶2m范围内的弱爆破区和其余正常爆破区，中、下台阶为靠近中夹岩2 m范围内的弱爆破区和其余正常爆破区。弱爆破区内的辅助眼和周边眼采用小装药量、增大起爆时间间隔，正常爆破区内的掏槽眼、辅助眼和周边眼采用正常装药量，采用非电毫秒延期起爆技术和孔内延期的网络起爆。
第三步、先行隧道上台阶施工：按照先行隧道断面的设计轮廓线进行上台阶开挖、初喷混凝土，对中夹岩上部采用注浆小导管径向加固；上台阶钢拱架采用I25b大截面型钢；在上台阶两侧拱脚处各打设双排直径为76 mm的锁脚锚管，确保注浆完成后形成钢拱架—锁脚锚管锚固支护体系；最后，再喷射混凝土，形成稳固的初期支护体系，确保施工安全。
第四步、先行隧道中台阶施工：中台阶进行爆破开挖，爆破方式与上台阶类似，中夹岩中部采用直径为42 mm的注浆小导管径向加固，钢拱架采用I22b小截面型钢，最后在两侧拱脚处各打设双排直径为42 mm的锁脚锚管、复喷混凝土形成稳固的初期支护体系。
第五步、先行隧道下台阶施工：下台阶初期支护方式同中台阶支护，对中夹岩下部采用直径为42 mm的小导管径向注浆加固，钢拱架采用I22b型钢，无需打设锁脚锚管。
第六步、先行隧道二次衬砌支护：二次衬砌采用模筑60 cm厚C40钢筋混凝土。
第七步、后行隧道的施工：完成超前支护后，进行后行隧道的开挖施工。采用三台阶法开挖，支护方法与先行隧道类比进行。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1）本发明以三台阶开挖法为基础，开挖时，爆破方案采用分区域控制，分为靠近拱顶和中夹岩的弱爆破区和其余正常爆破区，严格控制爆破参数，这样既保证岩石破碎方便开挖，又能消除爆破震动对中夹岩稳定及地层变形的有害效应。
2）本发明采用隧道围岩分区域加固，在拱顶部采用直径为42 mm的小导管注浆作为超前支护，外侧边墙采用中空注浆锚杆加固，内侧中夹岩部分采用直径为42 mm的小导管径向注浆加固，隧道上台阶拱脚打设双排直径为76 mm的大直径锁脚锚管，中台阶打设双排直径为42 mm的小直径锁脚锚管，锁脚锚管与钢拱架通过钢片焊接牢固，形成钢拱架-锁脚锚管锚固支护体系，能够有效控制下层台阶开挖时由于钢拱架临时悬空引起的围岩变形和地面沉降。
3）本发明考虑到隧道开挖引起的围岩应力特征，隧道内部采用变截面钢拱架支撑，上台阶钢拱架为I25b型钢，中台阶和下台阶为I22b型钢。这样既可以充分发挥钢拱架-锁脚锚管锚固支护体系的力学性能，又可降低工程成本。
附图说明：
图1是本发明的开挖、初期支护施工步设计图；
图2是本发明的隧道弱爆破区和正常爆破区划分；
图3是本发明的爆破炮眼布置；
图4是本发明的上台阶锁脚锚管与钢拱架连接的立面图；
图5是图4的侧面图；
图6是图4的局部结构示意图。
图中标号：1、先行隧道超前注浆小导管，2、先行隧道上台阶开挖，3、先行洞中空注浆锚杆支护，4、先行隧道中夹岩上部注浆小导管，5、先行隧道上部大截面钢拱架，6、先行隧道上部锁脚锚管，7、先行隧道中台阶开挖，8、先行隧道中夹岩中部注浆小导管，9、先行隧道中部小截面钢拱架，10、先行隧道中部锁脚锚管，11、先行隧道下台阶开挖，12、先行隧道下部小截面钢拱架，13、先行隧道二次衬砌，14、后行隧道超前注浆小导管，15、后行隧道上台阶开挖，16、后行洞中空注浆锚杆支护，17、后行隧道中夹岩上部注浆小导管，18、后行隧道上部大截面钢拱架，19、后行隧道上部锁脚锚管，20、后行隧道中台阶开挖，21、后行隧道中夹岩中部注浆小导管，22、后行隧道中部小截面钢拱架，23、后行隧道中部锁脚锚管，24、后行隧道下台阶开挖，25、后行隧道下部小截面钢拱架，26、后行隧道二次衬砌，27、先行隧道弱爆破区，28、先行隧道正常爆破区，29、后行隧道弱爆破区，30、后行隧道正常爆破区，31、先行隧道弱爆破区炮眼，32、先行隧道正常爆破区炮眼，33、后行隧道弱爆破区炮眼，34、后行隧道正常爆破区炮眼，35、锁脚锚管导向导管，36、导向导管固定钢板，37、钢板连接螺栓。
具体实施方式：
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。
本实施例的支护方法适用于城市主干路软弱围岩条件下浅埋大跨度小净距隧道开挖和沉降控制，适用于城市主干路、景区等对地面变形要求严格地区的软弱围岩浅埋大跨度小净距隧道的施工，具体实现步骤如下：
（1）先行隧道超前支护：在先行隧道拱部打设超前注浆小导管，长度4.0 m，斜插入角度15°，环向间距35 cm，纵向排距240 cm，注浆水泥浆水灰比为1:1，注浆压力为0.5~1MPa，注浆顺序为自拱两边至拱顶。
（2）如图2、图3所示，分区域爆破控制：爆破施工开挖顺序为上台阶、中台阶、下台阶，爆破每循环进尺取1.2m。为了减小对围岩和上部建筑的影响，爆破炸药选用爆速低的Φ32二号岩石乳化炸药，控制爆破振动波速小于10 cm/s。采用非电毫秒延期起爆技术，控制单段雷管的起爆药量和每段雷管间的起爆时间，使爆破震动波形不叠加，保证岩石破碎达到理想爆破效果，且消除爆破震动的有害效应。为了施工中操作方便，采用孔内延期的网络起爆。爆破参数的选择，具体地：
炮孔直径为40 mm，采用气腿式凿岩机钻孔。
炮孔深度L按照公式：L = l/η计算（l为每掘进循环的计划进尺数（m）；η为炮眼利用率，一般要求0.7~0.9，取0.85。
炸药单耗k值取0.6~1.6 kg/m3之间，根据工程岩性以及开挖部位选取不同的k值。
单孔装药量Q 0按照公式：Q 0 = aLG/h计算（a为装药系数，按照爆破类型的不同，一般取0.25~0.4，弱爆破区27、29取低值，正常爆破区28、30取高值；L为掌子面上炮孔的长度，m；G为每个药卷质量，kg；h为每个药卷长度，m）。一般地，在工程爆破中如采用直径为32 mm的乳化炸药药卷，质量一般为0.20kg/支，长度按0.2m/支计算。
（3）如图1所示，先行隧道上台阶施工：按照先行隧道断面的设计轮廓线进行上台阶开挖，初喷混凝土，打设中空锚杆并注浆，挂设钢筋网。同时，考虑浅埋小净距隧道施工，对中夹岩上部采用注浆小导管径向加固。架设上台阶钢拱架，采用I25b型钢拱架。然后立即在上台阶两侧拱脚处各打设双排斜向下、角度分别为60°和50°、直径为108 mm的钢套管，套管与拱架间采用钢板、螺栓接牢固；再采用潜孔钻机将2根4.5 m长、直径为76 mm的锁脚钢管，通过钢套管定位后斜向下打入岩体中并进行注浆，确保注浆完成后形成钢拱架—锁脚锚管锚固体系；最后，复喷混凝土，形成稳固的初期支护体系，确保施工安全。
如图4、图5和图6所示，钢拱架加工时，预先安装直径为108 mm的套管及连接钢板，确保安装的角度及位置，以便打设锁脚锚管。连接钢板与拱架栓接后再骑缝焊接牢固，焊缝饱满无砂眼。采用潜孔钻机，沿预留套管斜向下钻进成孔后安装锁脚锚管并注浆，锁脚锚管与套管间采用焊接牢固。钢管打设后进行注浆，确保注浆完成后形成钢拱架—锁脚锚管锚固支护体系。
水泥浆水灰比1:1，采用42.5普通硅酸盐水泥，必要时掺加速凝剂；注浆压力不小于1.5 MPa。注浆压力逐步升高，达到终压1.5 MPa且注浆量达到设计95%以上时可结束注浆。小导管注浆浆液扩散半径不小于0.15 m，锁脚锚管混凝土强度不小于M15。注浆前应先进行注浆现场试验，注浆参数通过试验按实际情况确定，以利于施工。
（4）如图1所示，先行隧道中台阶施工：沿中台阶开挖轮廓线对中台阶进行开挖，支护方式与上台阶类似，按照初喷混凝土、打设锚杆及中夹岩中部注浆加固、挂钢筋网、架立钢拱架的顺序，钢拱架采用I22b型钢，两侧拱脚处的双排斜向下套管角度分别为40°和30°、直径为60 mm，中台阶锁脚锚管所用钢管直径为42 mm，锁脚锚管注浆后形成稳固的初期支护体系。
（5）如图1所示，先行隧道下台阶施工：下台阶初期支护方式同中台阶支护，钢拱架采用I22b型钢，对中夹岩下部采用小导管径向注浆加固，无需打设锁脚锚管。
（6）如图1所示，先行隧道二次衬砌支护：二次衬砌采用模筑60 cm厚C40钢筋混凝土。
（7）如图1所示，后行隧道的开挖施工：完成超前支护后，进行后行隧道的开挖施工。采用台阶法，开挖支护方法与先行隧道类比进行。
本实施的隧道开挖方法为三台阶开挖联合锁脚锚管支护法，利用直径为42 mm的小导管注浆加固作为超前支护，开挖爆破区域分为靠近拱顶和中夹岩的弱爆破区和其余正常爆破区，严格控制爆破方案参数，减少爆破对中夹岩和地层变形的扰动。隧道内外侧边墙采用不同的加固方案，外侧边墙采用直径为25 mm的中空注浆锚杆加固；中夹岩部分采用直径为42 mm的小导管径向注浆加固。初期支护采用变截面钢拱架支撑，上台阶采用I25b型钢，中台阶和下台阶采用I22b型钢。另外，本发明在隧道上台阶两侧拱脚处分别打设两排直径为76 mm的大直径锁脚锚管，中台阶两侧拱脚打设两排直径为42 mm的小直径锁脚锚管，锁脚锚管与钢拱架之间通过钢片焊接牢固，形成钢拱架-锁脚锚管锚固支护体系，能够有效控制围岩变形和地面沉降。本发明施工工序简单，能够严格控制地面变形，有效减小浅埋小净距隧道开挖对软弱围岩的扰动，工程成本较低，保证隧道施工安全，解决了城市主干路浅埋大跨度小净距隧道沉降控制难的问题。
Claims (9)
1.一种城市主干路软弱围岩浅埋大跨度小净距隧道变形控制支护方法，其特征在于：包括依次执行的小导管注浆超前支护体系、分区域爆破控制、变截面钢拱架支护、钢拱架-锁脚锚管锚固支护体系和中夹岩径向注浆加固。
2.根据权利要求1所述的城市主干路软弱围岩浅埋大跨度小净距隧道变形控制支护方法，其特征在于：所述小导管注浆超前支护体系是在先行洞和后行洞隧道断面开挖前沿拱顶部打设双排超前注浆小导管，注浆顺序为自拱两边至拱顶。
3.根据权利要求1所述的城市主干路软弱围岩浅埋大跨度小净距隧道变形控制支护方法，其特征在于：所述分区域爆破控制，是将先行洞和后行洞的爆破施工按三台阶法顺序为上台阶、中台阶、下台阶，爆破每循环进尺取1-1.2m；每台阶内将爆破区域分为靠近拱顶和中夹岩的弱爆破区和正常爆破区，弱爆破区内的辅助眼和周边眼采用小装药量、增大起爆时间间隔，正常爆破区内的掏槽眼、辅助眼和周边眼采用正常装药量，采用非电毫秒延期起爆技术和孔内延期的网络起爆。
4.根据权利要求3所述的城市主干路软弱围岩浅埋大跨度小净距隧道变形控制支护方法，其特征在于：上台阶弱爆破区为距拱顶2m范围，中台阶和下台阶弱爆破区为距中夹岩2m范围，其余区域为正常爆破区。
5.根据权利要求1所述的城市主干路软弱围岩浅埋大跨度小净距隧道变形控制支护方法，其特征在于：所述变截面钢拱架支护，是在先行洞和后行洞上台阶钢拱架采用大截面型钢，中台阶钢拱架采用小截面型钢，下台阶钢拱架采用小截面型钢形成初期支护体系。
6.根据权利要求5所述的城市主干路软弱围岩浅埋大跨度小净距隧道变形控制支护方法，其特征在于：所述钢拱架-锁脚锚管锚固支护体系是在先行洞和后行洞上台阶两侧拱脚处分别打设双排大直径锁脚锚管，中台阶两侧拱脚打设双排小直径锁脚锚管。
7.根据权利要求1所述的城市主干路软弱围岩浅埋大跨度小净距隧道变形控制支护方法，其特征在于：所述中夹岩径向注浆加固是在先行洞和后行洞初期支护施工时，对中夹岩体沿径向打设小导管并进行注浆以加固中夹岩体。
8.根据权利要求3所述的软弱围岩浅埋大跨度小净距隧道变形控制支护方法，其特征在于：上台阶和中台阶分别长7m和10m，先行洞和后行洞上台阶掌子面距离不小于30m；完成超前支护后，后行隧道施工类比先行隧道进行开挖支护。
9. 根据权利要求6所述的软弱围岩浅埋大跨度小净距隧道变形控制支护方法，其特征在于：所述注浆小导管是直径为42 mm的导管，所述大直径锁脚锚管采用直径为76 mm的注浆钢管，所述小直径锁脚锚管采用直径为42 mm的注浆钢管，所述大截面钢拱架采用I25b型钢，所述小截面钢拱架采用I22b型钢。
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- 2021-03-30 CN CN202110342549.9A patent/CN113236293B/zh active Active
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