CN113969796B - 一种大跨径罐室穹顶十字导坑扇形开挖及支护方法 - Google Patents
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Abstract
一种大跨径罐室穹顶十字导坑扇形开挖及支护方法，所述方法将穹顶分为十字导坑第一条通道（1）、十字导坑第二条通道、内圈圆形部分（3）和外圈环状部分（4），采用十字导坑法开挖；再采用以角度划分、分扇区逐步开挖及时进行支护，形成内圈圆形部分和外圈环状部分；先开挖支护内圈圆形部分，再开挖支护外圈环状部分，内圈圆形部分支护结构的形成进一步加强了工程中最脆弱的穹顶结构的稳定性；建立以“装配式格栅钢架+预应力锚杆+喷射混凝土”为核心的初期支护体系。本发明极大的提高了大跨径罐室穹顶的开挖支护效率，大大提高了大跨径罐室穹顶的开挖成形、初期支护质量，确保了施工安全，具有很好的应用价值和广阔的推广前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种大跨径罐室穹顶十字导坑扇形开挖及支护方法，属地下工程技术领域。
背景技术
近年来，我国地下能源储备发展呈良好态势，愈来愈多的大跨径穹顶罐室进入规划和施工阶段。在软弱围岩的复杂地质条件下，大跨径罐室穹顶开挖施工对周边围岩扰动大，作业效率、人员及设备安全难以保证，球冠状穹顶开挖成形、初期支护质量难以控制。
公开号CN105003271公开了一种“地下核电站核反应堆洞室大跨度穹顶开挖结构及开挖方法”。提出了一种“在穹顶内部预留多个具有间距的岩墙，岩墙将穹顶内部围成多个封闭施工空间，在各个较小的施工空间内进行开挖施工”的方法，该方法暴露的工作面太多，在大跨径罐室穹顶的开挖过程中难以保证穹顶结构的稳定性，而且无法及时将穹顶支护结构封闭连成整体。“一种地下核反应堆洞室超大跨度穹顶预留中心岩柱施工工艺”提出了一种“在穹顶中心部位预留中心岩柱，再沿穹顶所在球面的半径打通施工通道到中心岩柱处，支护其开挖揭露面，加强开挖揭露面中部的支护，然后沿施工通道的左右两侧呈扇形对称扩挖，加强掌子面中部的临时支护，对已揭露的穹顶轮廓岩面进行支护，并加强对穹顶轮廓拱脚的支护，最后，扩挖完成后自上而下挖除中心岩柱”的方法，而该方法中仅有两个工作面，在大跨径罐室穹顶开挖支护过程中施工周期长，且中心岩柱加大了施工难度和成本。
因此，迫切需要一种适用于大跨径罐室穹顶开挖支护方法，从而为此类罐室穹顶开挖支护的安全、高效施工提供技术支持。
发明内容
本发明的目的是，为了有效减小大跨径罐室穹顶开挖施工对周边围岩的扰动，增加作业空间，保证作业效率、人员及设备安全，提出一种大跨径罐室穹顶十字导坑扇形开挖及支护方法。
本发明实现的技术方案如下，一种大跨径罐室穹顶十字导坑扇形开挖及支护方法，将穹顶分为十字形部分、内圈圆形部分和外圈环状部分，采用十字导坑法开挖；再采用以角度划分、分扇区逐步开挖及时进行支护，形成内圈圆形部分和外圈环状部分；先开挖支护内圈圆形部分，再开挖支护外圈环状部分，内圈圆形部分支护结构的形成进一步加强了工程中最脆弱的穹顶结构的稳定性；建立以“装配式格栅钢架+预应力锚杆+喷射混凝土”为核心的初期支护体系。
所述十字导坑法开挖，采用光面爆破，在坑道与罐室交叉点位置马头门开洞，边挑顶开挖边架设门型钢架，开挖至穹顶中心时，在拱顶打设锚杆固定圆形钢骨架，再按照拱顶往拱脚的施工顺序对已开挖部分进行支护；支护结构稳定后，继续开挖支护至另一侧拱脚处；开挖支护完第一条通道后，从穹顶中心同时向另外两侧垂直扩张，开挖支护第二条通道，最终形成穹顶十字导坑。
所述对已开挖部分进行支护，包括初喷混凝土封闭围岩；挂第一层钢筋网；将格栅钢架与固定在拱顶的圆形钢骨架通过螺栓连接牢固，再依次拼装后续部分；打设预应力锚杆，长短交替、梅花形间隔布设；挂第二层钢筋网，使格栅钢架紧密夹在两层钢筋网之间；最后，喷射混凝土至设计厚度。
一种大跨径罐室穹顶十字导坑扇形开挖及支护方法，步骤如下：
（1）开挖支护第一条通道后，从穹顶中心同时向两侧垂直扩张，最终形成穹顶十字导坑结构；
（2）以穹顶中心为圆心，将穹顶未开挖部分进行分区，共分成16个扇区，扇区角度18°；以穹顶中心为圆心，以穹顶二分之一半径将穹顶划分成内圆外环模式；先进行内圈圆形部分的开挖支护，待其初期支护稳定后，再进行外圈环状部分的开挖支护；
（3）在拱顶处固定焊有预留螺栓孔连接板的圆形钢骨架，作为与格栅钢架螺栓连接的起点连接构件，形成从拱顶向拱脚发散布置的模式；格栅钢架均焊有预留螺栓孔的连接板，在径向和环向布置的所有格栅钢架端部均焊接L型连接板，在径向布置的格栅钢架紧贴焊接L型连接板的端部两侧焊接方型连接板，用于连接环向格栅钢架；
（4）形成“格栅钢架+预应力锚杆+喷射混凝土”支护体系，格栅钢架为柔性钢架，此结构在保证层状围岩稳定性的同时，能充分调动岩体的自稳能力，释放围岩压。
所述格栅钢架径向采用4C25格栅钢架；提前在工厂加工制作，再现场分块拼装。
所述格栅钢架连接板分为L型和方型两种，在径向和环向布置的所有格栅钢架端部均焊接L型连接板；在径向布置的格栅钢架紧贴端部两侧焊接方型连接板。
所述预应力锚杆采用φ25涨壳式预应力中空注浆锚杆；环纵向间距1m×1m，梅花形间隔布设。
所述内圈圆形部分和外圈环状部分开挖支护时，内圈圆形部分从Ⅳ-1、Ⅳ-2、Ⅳ-3、Ⅳ-4同时开始开挖支护，内圈支护结构外围临时支护采用型钢支护；待形成的内圈支护结构稳定后，外圈环状部分从Ⅴ-1、Ⅴ-5、Ⅴ-9、Ⅴ-13同时开始逐块开挖支护；其中Ⅴ-1~Ⅴ-13为外圈环状部分的扇区，Ⅳ-1~Ⅳ-4为内圈圆形部分四分区。
本发明的有益效果是，本发明采用十字导坑扇形开挖支护方法，优势在于：十字导坑支护结构形成后，具备较好的承受上部围岩压力的能力，且将穹顶未开挖部分分成四大块扇形区域，为后续作业提供足够的作业空间，减小后续各工序作业的干扰；采用内圆外环分步开挖支护模式，内圆支护结构的形成进一步加强工程中最脆弱的穹顶结构的稳定性；采用“格栅钢架+预应力锚杆+喷射混凝土”支护体系，其中，格栅钢架为柔性钢架，此结构在保证层状围岩稳定性的同时，能充分调动岩体的自稳能力，释放围岩压力，格栅钢架提前制作，现场分块拼装，操作简单，节省了人力和机械设备的投入。
本发明施工过程灵活性高，极大的提高了大跨径罐室穹顶的开挖支护效率，大大提高了大跨径罐室穹顶的开挖成形、初期支护质量，为施工人员和施工设备腾出了作业空间，有利于工人操作，确保了施工安全，提高了施工工效及质量，降低了施工成本，具有很好的应用价值和广阔的推广前景。
附图说明
图1为本发明一个实施例中大跨径罐室穹顶十字导坑扇形开挖支护平面示意图；
图2为本发明一个实施例中穹顶与上支坑道接口图；
图3为本发明一个实施例中格栅钢架展开图；
图4为本发明一个实施例中穹顶配筋展开图；
图5为本发明一个实施例中径向格栅钢架L型连接板焊接位置图；
图6为本发明一个实施例中环向格栅钢架L型连接板焊接位置图；
图7为本发明一个实施例中格栅钢架拼装正视图；
图8为本发明一个实施例中格栅钢架拼装俯视图；
图9为本发明一个实施例中锚杆布置图；
图10为本发明一个实施例中穹顶支护图；
图11为本发明一个实施例中大跨径罐室穹顶十字导坑扇形开挖支护流程图；
图中，1为十字导坑第一条通道；2为十字导坑第二条通道；3为内圈圆形部分；4为外圈环状部分；5为上支坑道；6为超前小导管；7为门型钢架；8为上支坑道与罐室交叉点处；9为圆形钢骨架；10为钢筋网片；11为格栅钢架；12为L型连接板；13为螺栓连接；14为方型连接板；15为预应力锚杆；16为圈梁；101为第一层钢筋网片；102为第二层钢筋网片；111为径向格栅钢架；112为环向格栅钢架；151为第一预应力锚杆（φ25涨壳式预应力中空注浆锚杆L=6m）；152为第二预应力锚杆（φ25涨壳式预应力中空注浆锚杆L=4m）。
具体实施方式
本发明的具体实施方式如图11所示。
步骤一、马头门开洞，选择坑道与罐室交叉点位置
上支坑道5开洞前拱部打设一环Φ42长4m、环相间距0.4m的超前小导管6进行超前支护，打设角度与拱顶开挖边线成5°，穹顶与上支坑道接口如图2所示。超前支护后进行弱爆破开挖，开挖每循环进尺不得大于2m，开挖完成后及时进行支护，沿罐室方向穹顶拱脚处联立5榀门型钢架7进行加强支护，其后在穹顶每间隔1m立I14门型钢架7，上支坑道5与罐室交叉点处8采用C25喷射混凝土进行回填，待混凝土强度达到设计强度100%后方可进行罐室开挖。
步骤二、开挖支护Ⅰ部分
进入灌帽，边挑顶开挖边架设门型钢架7，挑顶开挖至灌室中心线向前1.5m截止，拱顶采用4根6m锚杆固定圆形钢骨架9，圆形钢骨架9直径2.3m。开挖完成后，施作初期支护，支护结构施工步骤如下：
（1）初喷混凝土封闭围岩，喷射厚度为40mm。
（2）在挖机的配合下，搭设作业平台，铺设第一层钢筋网片101，施工中通过钻孔设备辅助固定钢筋网101，并使其贴近岩面，安装时搭焊接长度不小于200mm，钢筋网片10在钢筋加工厂集中分片制作，钢筋网片10径向钢筋采用C25@200，环向钢筋采用C20@200；穹顶配筋如图4所示。
（3）将提前制作的各段径向格栅钢架111与固定的圆形钢骨架9通过螺栓连接，按照拱顶往拱脚的顺序依次拼装各段径向布置的格栅钢架111和环向布置的格栅钢架112，在各段径向布置的格栅钢架111和环向布置的格栅钢架112端部均焊接L型连接板12，200mm×125mm×80mm，厚10mm，预留两个螺栓孔，孔径26mm；另外，在各段径向布置的格栅钢架111紧贴焊接L型连接板12的端部两侧焊接方型连接板14，200mm×200mm×10mm，预留四个螺栓孔，孔径26mm，用于连接环向布置的格栅钢架112，且第一层钢筋网片101与格栅钢架11绑扎连接，确保整体结构受力平衡；格栅钢架展开如图3所示，环向格栅钢架L型连接板焊接位置如图5所示，环向格栅钢架L型连接板焊接位置如图6所示，格栅钢架拼装如图7和图8所示。
（4）打设φ25涨壳式预应力中空注浆锚杆L=6m预应力锚杆151、φ25涨壳式预应力中空注浆锚杆L=4m预应力锚杆152，环纵向间距1m×1m，梅花形间隔布设，裂隙发育处，间距可适当加密，且预应力锚杆15端部应设置垫片，与格栅钢架紧密贴合；锚杆布置如图9所示。
（5）铺设第二层钢筋网片102，第二层钢筋网片102与格栅钢架11绑扎连接，且与施作的预应力锚杆15绑扎连接，使各段径向布置的格栅钢架111和环向布置的格栅钢架112紧密夹在两层钢筋网之间，确保格栅钢架11、钢筋网片10成为一个整体；穹顶支护如图10所示。
（6）喷射混凝土，覆盖格栅钢架11的厚度为30mm，格栅钢架11与围岩间的间隙必须用喷射混凝土填充密实，先喷射格栅钢架11与围岩间的空隙，再喷射格栅钢架11间的混凝土。
步骤三、开挖支护Ⅱ部分
待Ⅰ部分支护结构稳定后，继续开挖支护Ⅱ部分至另一侧拱脚处，贯通十字导坑的第一条通道1，支护结构施工工艺同Ⅰ部分。
步骤四、开挖支护Ⅲ部分
贯通十字导坑第一条通道1后，从穹顶中心同时向另外两侧垂直扩张，开挖支护Ⅲ部分，支护结构施工工艺同Ⅰ部分，最终形成穹顶十字导坑。
步骤五、开挖支护Ⅳ部分
以穹顶跨度二分之一半径将穹顶划分成内圈圆形部分3外圈环状部分4，内圈圆形部分从Ⅳ-1、Ⅳ-2、Ⅳ-3、Ⅳ-4同时开始开挖支护，内圈结构外围临时支护采用工25b型钢支护，环向间距1m，支护结构施工工艺同Ⅰ部分。
步骤六、开挖支护Ⅴ部分
采用以角度划分、分扇区逐步开挖及时进行支护的施工方法。如图1所示，以穹顶中心为圆心，将穹顶未开挖部分进行分区，共分成16个扇区，扇区角度18°。待形成的内圈支护结构稳定后，外圈环状部分从Ⅴ-1、Ⅴ-5、Ⅴ-9、Ⅴ-13同时开始逐块开挖支护，支护结构施工至拱脚处时，搭设圈梁16，圈梁16为钢筋混凝土结构，由竖向格栅钢架、钢筋网和喷射混凝土构成，与拱脚处格栅钢架螺栓连接，且拱脚处钢筋网锚入圈梁16，圈梁16置于穹顶脚部的岩壁上端，从而可将上部荷载传递到岩壁。严格控制内圈圆形部分3和外圈环状部分4衔接处的连接质量。
支护结构施工工艺同Ⅰ部分，简要概括为：
（1）初喷混凝土封闭围岩；
（2）挂第一层钢筋网；
（3）从内圈结构边界往拱脚的顺序依次拼装格栅钢架；
（4）搭设圈梁；
（5）打设预应力锚杆；
（6）挂第二层钢筋网，且锚入圈梁；
（7）喷射混凝土覆盖格栅钢架厚度为30mm。
Claims (8)
1.一种大跨径罐室穹顶十字导坑扇形开挖及支护方法，其特征在于，所述方法将穹顶分为十字形部分、内圈圆形部分和外圈环状部分，采用十字导坑法开挖；再采用以角度划分、分扇区逐步开挖及时进行支护，形成内圈圆形部分和外圈环状部分；先开挖支护内圈圆形部分，再开挖支护外圈环状部分，内圈圆形部分支护结构的形成进一步加强了工程中最脆弱的穹顶结构的稳定性；建立以“装配式格栅钢架+预应力锚杆+喷射混凝土”为核心的初期支护体系；
所述方法步骤如下：
（1）开挖支护第一条通道后，从穹顶中心同时向两侧垂直扩张，最终形成穹顶十字导坑结构；
（2）以穹顶中心为圆心，将穹顶未开挖部分进行分区，共分成16个扇区，扇区角度18°；以穹顶中心为圆心，以穹顶二分之一半径将穹顶划分成内圆外环模式；先进行内圈圆形部分的开挖支护，待其初期支护稳定后，再进行外圈环状部分的开挖支护；支护结构施工至拱脚处时，搭设圈梁；
（3）在拱顶处固定焊有预留螺栓孔连接板的圆形钢骨架，作为与格栅钢架螺栓连接的起点连接构件，形成从拱顶向拱脚发散布置的模式；格栅钢架均焊有预留螺栓孔的连接板，在径向和环向布置的所有格栅钢架端部均焊接L型连接板，在径向布置的格栅钢架紧贴焊接L型连接板的端部两侧焊接方型连接板，用于连接环向格栅钢架；
（4）形成“格栅钢架+预应力锚杆+喷射混凝土”支护体系，格栅钢架为柔性钢架，此结构在保证层状围岩稳定性的同时，能充分调动岩体的自稳能力，释放围岩压。
2.根据权利要求1所述的一种大跨径罐室穹顶十字导坑扇形开挖及支护方法，其特征在于，所述十字导坑法开挖，采用光面爆破，在坑道与罐室交叉点位置马头门开洞，边挑顶开挖边架设门型钢架，开挖至穹顶中心时，在拱顶打设锚杆固定圆形钢骨架，再按照拱顶往拱脚的施工顺序对已开挖部分进行支护；支护结构稳定后，继续开挖支护至另一侧拱脚处；开挖支护完第一条通道后，从穹顶中心同时向另外两侧垂直扩张，开挖支护第二条通道，最终形成穹顶十字导坑。
3.根据权利要求1所述的一种大跨径罐室穹顶十字导坑扇形开挖及支护方法，其特征在于，所述格栅钢架径向采用4C25格栅钢架；提前在工厂加工制作，再现场分块拼装。
4.根据权利要求1所述的一种大跨径罐室穹顶十字导坑扇形开挖及支护方法，其特征在于，所述格栅钢架连接板分为L型和方型两种，在径向和环向布置的所有格栅钢架端部均焊接L型连接板；在径向布置的格栅钢架紧贴端部两侧焊接方型连接板。
5.根据权利要求1所述的一种大跨径罐室穹顶十字导坑扇形开挖及支护方法，其特征在于，所述预应力锚杆采用Φ25mm涨壳式预应力中空注浆锚杆；环纵向间距1m×1m，梅花形间隔布设。
6.根据权利要求1所述的一种大跨径罐室穹顶十字导坑扇形开挖及支护方法，其特征在于，所述内圈圆形部分和外圈环状部分开挖支护时，内圈圆形部分从Ⅳ-1、Ⅳ-2、Ⅳ-3、Ⅳ-4同时开始开挖支护，内圈支护结构外围临时支护采用型钢支护；待形成的内圈支护结构稳定后，外圈环状部分从Ⅴ-1、Ⅴ-5、Ⅴ-9、Ⅴ-13同时开始逐块开挖支护；其中Ⅴ-1~Ⅴ-13为外圈环状部分的扇区，Ⅳ-1~Ⅳ-4为内圈圆形部分四分区。
7.根据权利要求1所述的一种大跨径罐室穹顶十字导坑扇形开挖及支护方法，其特征在于，所述圈梁为钢筋混凝土结构，由竖向格栅钢架、钢筋网和喷射混凝土构成，与拱脚处格栅钢架螺栓连接，且拱脚处钢筋网锚入圈梁，圈梁置于穹顶脚部的岩壁上端，将上部荷载传递到岩壁。
8.根据权利要求2所述的一种大跨径罐室穹顶十字导坑扇形开挖及支护方法，其特征在于，所述对已开挖部分进行支护，包括初喷混凝土封闭围岩；挂第一层钢筋网；将格栅钢架与固定在拱顶的圆形钢骨架通过螺栓连接牢固，再依次拼装后续部分；打设预应力锚杆，长短交替、梅花形间隔布设；挂第二层钢筋网，使格栅钢架紧密夹在两层钢筋网之间；最后，喷射混凝土至设计厚度。
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