CN114086982A - 高地应力碎裂围岩变形施工控制方法 - Google Patents
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Abstract
本专利提供高地应力碎裂围岩变形施工控制方法,包括:S1、开挖前采取围岩保护,减少对围岩的施工扰动:①利用超前支护,对软弱碎裂围岩进行主动加固控制;②控制爆破参数,采用减弱振动控制爆破技术;S2、优化施工方案:①开挖后立即喷射一层混凝土封闭掌子面;②使支护结构尽早闭合以改善结构的受力状态;S3、围岩发生变形时采取补救措施:①径向注浆;②横撑加固;③拆换处理,结合了开挖前的围岩保护、开挖施工方案的优化以及在施工过程中围岩发生变形的补救措施,且结合数值模拟和现场试验结果分析得出适合高地应力碎裂围岩区段的合理支护参数,能有效减缓围岩变形速率,解决大变形给隧道施工带来的危害。
Description
技术领域
本发明涉及一种碎裂围岩变形控制领域,尤其涉及高地应力碎裂围岩变形施工控制方法。
背景技术
碎裂围岩变形控制理念,主要可归纳为减轻作用在支护结构上的荷载并允许支护结构产生较大变形的方法和为了控制围岩松弛而尽可能早地控制支护变形的方法,即所谓的柔性控制和刚性控制,两者的设计理念是完全相反的,在小埋深、地应力水平不高的条件下,刚性控制理念在技术上是可行的、经济上是合理的,但在埋深相对较大,尤其是地应力较高的条件下,选用柔性控制技术较为合适。
隧道是由围岩和支护结构共同构成的体系,在碎裂围岩地层中围岩仍然是外部荷载的承载体,也需保护围岩和发挥围岩的自身承载能力;碎裂围岩隧道变形控制不能仅依赖大刚度的型钢支护,而施工工法优化、支护形式与措施、支护闭合时机、施工质量(开挖、支护、超前支护施工质量等)均十分重要,而且有时某一环节失效会起影响全局的关键作用。
高地应力碎裂围岩隧道,其拱顶及两侧易发生破坏,为了抑制这种破坏,支护设计应采用以提高围岩自身强度为主的支护控制系统,阻止应力场引起的岩层运动的发展,以保证支护后的隧道稳定。因此,解决大变形给隧道施工带来的危害,主要是要找到合理的、能抗高地应力的支护系统和适当的施工方法,减缓变形速率。
发明内容
为解决大变形给隧道施工带来的危害问题,本发明提供一种高地应力碎裂围岩变形施工控制方法,具体技术方案为:包括以下步骤:S1、开挖前采取围岩保护,减少对围岩的施工扰动:
①利用超前支护,对软弱碎裂围岩进行主动加固控制;
②控制爆破参数,采用减弱振动控制爆破技术;
S2、优化施工方案:
①开挖后立即喷射一层混凝土封闭掌子面,使作较大刚度的初期支护使围岩的变形进入受控制状态;
②使支护结构尽早闭合以改善结构的受力状态;
S3、围岩发生变形时采取补救措施:
①径向注浆,当围岩变形超过设定警戒值而小于极限值或预留变形值,采取径向注浆的方法,使碎裂围岩形成一个整体,减小对初期支护的侧压力;
②横撑加固,在变形超过设定警戒值并采用径向注浆补强加固后,围岩仍然未稳定,变形量已经到了设计预留变形量的极限,但变形未造成初期支护开裂及未侵入二次衬砌空间,采用横撑加固的方法来控制变形;
③拆换处理,在采用①径向注浆补强加固和②横撑加固后,变形仍然继续发展,未施作二次模筑混凝土衬砌前,变形已侵入衬砌空间,采用拆换处理,每拆一榀支护一榀,并及时锚网喷支护。
进一步的,S1中,超前支护采用超前小导管,小导管安装方法:A、在预定的位置用风动凿岩机钻孔;B、把小导管插入孔内,带好丝扣保护帽,专用顶头顶入到要求的深度,使麻丝柱塞与孔壁充分挤压紧;C、用CS胶泥填充孔口; D、小导管尾部连接高压注浆管,利用注浆管向小导管内部注浆。
进一步的,S1的D中,注浆的浆液采用单液水泥浆,水灰比1:1;通过高压泵将浆液泵入小导管内部,浆液单孔注入量Q和围岩的孔隙率有关: Q=π·r2·H·η·ρ(m3),式中:r为浆液扩散半径(m);H为压浆段长度(m);η为岩层裂隙率,一般取1~5%;为浆液充填系数,约为0.3~0.9。
进一步的,S2中,采用台阶法保证支护结构闭合时间,其中,上台阶施作钢拱架时,采用锁脚锚管,用于控制围岩和初期支护变形;下台阶在上台阶喷射混凝土达到设计强度70%以上时开挖。
进一步的,S3中,①径向注浆,径向注浆的注浆材料采用普通水泥单液浆,浆液配比为水灰比0.6:1~1:1,注浆压力1.5~2MPa,浆液中掺入速凝剂,用于控制凝胶时间;径向注浆的结构采用小导管,小导管端部焊成锥形,管体两侧每隔15cm设置一孔径为6~8mm的注浆孔。
进一步的,S3中,②横撑加固:横撑采用热轧无缝钢管,钢管两端撑在工字钢起拱部位的连接钢板部位;或在起拱部位延着隧道纵向设置工字钢,横撑直接顶在工字钢上。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果:
本发明提供的高地应力碎裂围岩变形施工控制方法,结合了开挖前的围岩保护、开挖施工方案的优化以及在施工过程中围岩发生变形的补救措施,且结合数值模拟和现场试验结果分析得出适合高地应力碎裂围岩区段的合理支护参数,能有效减缓围岩变形速率,解决大变形给隧道施工带来的危害。
附图说明
图1是本发明关于超前支护的小导管纵向布置图;
图2是小导管注浆施工工艺流程图;
图3为小导管注浆施工示意图;
图4为钢拱架安装工艺流程图;
图5为喷射砼施工程序图;
其中,1、径向系统锚杆,2、超前小导管,3、钢架,4、内轨顶面,5、喷射混凝土,6、注浆桶,7、进浆管,8、注浆泵,9、压力表,10、高压胶管,11、止浆塞,12、注浆嘴,13、小导管。
具体实施方式
高地应力碎裂围岩变形施工控制方法,包括以下步骤:S1、开挖前采取围岩保护;S2、优化施工方案;S3、围岩发生变形时采取补救措施,具体涉及到施工工法优化、支护形式与措施、支护闭合时机、开挖、支护、超前支护施工质量等环节,减缓变形速率。
现结合附图对本发明作进一步说明。
S1、开挖前采取围岩保护,减少对围岩的施工扰动:①利用超前支护对软弱碎裂围岩进行主动加固控制,即“先加固,后开挖”;②控制爆破参数,采用减弱振动控制爆破技术,尽量减少对围岩的扰动,同时控制循环进尺为80cm,以减少由于长进尺大药量引起的围岩扰动。
S1的①中,超前支护采用图1所示的超前小导管,小导管安装方法:A、在预定的位置用风动凿岩机钻孔;B、把小导管插入孔内,带好丝扣保护帽,专用顶头顶入到要求的深度,使麻丝柱塞与孔壁充分挤压紧;C、用CS胶泥填充孔口;D、图3所示,小导管尾部通过高压胶管连接高压注浆管,利用注浆泵将注浆桶内的浆液通过进浆管、高压胶管后泵入小导管内部,注浆流程如图2所示。
注浆的浆液采用单液水泥浆,水灰比1:1;通过高压泵将浆液泵入小导管内部,浆液单孔注入量Q和围岩的孔隙率有关:Q=π·r2·H·η·ρ(m3),式中:r为浆液扩散半径(m);H为压浆段长度(m);η为岩层裂隙率,一般取1~ 5%;为浆液充填系数,约为0.3~0.9。
S2、优化施工方案:
①开挖后立即喷射一层混凝土封闭掌子面,使作较大刚度的初期支护使围岩的变形进入受控制状态;②使支护结构尽早闭合以改善结构的受力状态,采用台阶法保证支护结构闭合时间,即将隧道设计断面分上、下两部分进行开挖,上台阶光面爆破辅以挖掘机开挖,高度6.5m,循环进尺80cm,其中,上台阶施作钢拱架时,采用锁脚锚管,用于控制围岩和初期支护变形,必要时施作临时仰拱;下台阶在上台阶喷射混凝土达到设计强度70%以上时开挖,下台阶施工时要保证初支钢架整体顺接平直,螺栓连接牢靠。
S3、围岩发生变形时采取补救措施:径向注浆,横撑加固,拆换处理。
①径向注浆,当围岩变形超过设定警戒值而小于极限值或预留变形值,采取径向注浆的方法,使碎裂围岩形成一个整体,减小对初期支护的侧压力;径向注浆的注浆材料采用普通水泥单液浆,浆液配比为水灰比0.6:1~1:1,注浆压力 1.5~2MPa,浆液中掺入速凝剂,用于控制凝胶时间;径向注浆的结构采用小导管,小导管端部焊成锥形,管体两侧每隔15cm设置一孔径为6~8mm的注浆孔。
②横撑加固,在变形超过设定警戒值并采用径向注浆补强加固后,围岩仍然未稳定,变形量已经到了设计预留变形量的极限,但变形未造成初期支护开裂及未侵入二次衬砌空间,采用横撑加固的方法来控制变形,横撑采用热轧无缝钢管,钢管两端撑在工字钢起拱部位的连接钢板部位;或在起拱部位延着隧道纵向设置工字钢,横撑直接顶在工字钢上。
③拆换处理,在采用①径向注浆补强加固和②横撑加固后,变形仍然继续发展,未施作二次模筑混凝土衬砌前,变形已侵入衬砌空间,采用拆换处理,每拆一榀支护一榀,并及时锚网喷支护,由于该段已经出现了初期支护变形,因此,补做的初期支护参数较原支护参数强点为好,防止大变形的再次发生。
施工过程中,通过数值模拟和现场试验结果分析可以得出适合高地应力碎裂围岩区段的合理支护参数,包含喷射砼、锚杆、钢筋网、超前注浆小导管、钢拱架、钢筋混凝土衬砌、预留变形量等。
(1)锚杆可以使支护变被动为主动,提高支护效果,锚杆还可以将洞壁周边一定深度内的围岩进行挤压加固,形成一个压力拱圈,从而可以承受相当大的荷载,达到维护围岩稳定的作用。
理论分析结果结合现场围岩松动圈测试结果,拱墙系统锚杆宜采用中空注浆锚杆按梅花形布置,锚杆方向与岩面垂直,锚杆端头设铁垫板,施工时垫板用螺母拧紧,使之紧贴岩面,锚杆杆体插入孔内长度不应小于设计长度的95%,外露长度不应大于喷混凝土厚度,注浆应饱满,以提高锚杆的黏结力,锚杆钻孔机械采用风钻或锚杆专用钻机(长锚杆施工)。
(2)钢筋网的作用是改善喷混凝土应力的分布,提高喷混凝土的抗拉和抗剪强度,改善其变形性能,增加支护的整体性和承载力;它还能有效地防止小块松散围岩掉落,增加施工的安全性;同时它在防止喷混凝土开裂、脱落方面也有一定的作用。
钢筋网采用钢筋焊接而成,钢筋网一般在初喷砼、锚杆完工之后安设,现场施工时,利用已施工的锚杆作为钢筋网的支承点,与钢筋网焊接在一起,网片要紧贴初喷面,砼保护层厚度必须满足设计要求。
(3)钢拱架是为了抑制围岩大变形而采用的加强支护措施,它本身刚度大,与喷混凝土、锚杆、钢筋网组成联合支护,有利于提高支护的强度和刚度。
钢拱架安装工艺流程图见图4,钢拱架在洞外按设计加工成型,洞内安装在初喷混凝土之后进行,与定位系筋、锚杆联接,钢拱架间设纵向连接筋,钢拱架间以喷混凝土填平,钢拱架拱脚安放在牢固的基础上,架立时垂直隧洞中线,当钢拱架和围岩之间间隙过大时设置垫块,用喷混凝土喷填。
(4)喷射砼采用网喷砼,喷砼采用湿喷技术,砼在洞外由砼拌合站拌好,通过输送车向洞内送料,空压机供风,喷射砼施工程序详见图5。
为保证喷射混凝土的厚度和质量,喷射混凝土分二次完成,即初喷和复喷,喷射混凝土以湿喷为主,含水量较大地段采用潮喷工艺,喷射料由洞外的混凝土拌和站拌合。
初喷在刷帮、找顶后进行,喷射混凝土厚度4cm,及早快速封闭围岩,放炮后由人工在碴堆上喷护。
复喷是在初喷混凝土层及加固后的围岩保护下,完成立拱架、挂网、锚杆工序的作业后进行的,采用湿喷工艺,由喷射机械手施工,采用湿喷工艺可以减小回弹量及粉尘,减少环境污染。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理,而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释,本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式,这些方式都将落入本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.高地应力碎裂围岩变形施工控制方法,其特征在于,包括:S1、开挖前采取围岩保护,减少对围岩的施工扰动:①利用超前支护,对软弱碎裂围岩进行主动加固控制;②控制爆破参数,采用减弱振动控制爆破技术;
S2、优化施工方案:①开挖后立即喷射一层混凝土封闭掌子面,使作较大刚度的初期支护使围岩的变形进入受控制状态;②使支护结构尽早闭合以改善结构的受力状态;
S3、围岩发生变形时采取补救措施:
①径向注浆,当围岩变形超过设定警戒值而小于极限值或预留变形值,采取径向注浆的方法,使碎裂围岩形成一个整体,减小对初期支护的侧压力;
②横撑加固,在变形超过设定警戒值并采用径向注浆补强加固后,围岩仍然未稳定,变形量已经到了设计预留变形量的极限,但变形未造成初期支护开裂及未侵入二次衬砌空间,采用横撑加固的方法来控制变形;
③拆换处理,在采用①径向注浆补强加固和②横撑加固后,变形仍然继续发展,未施作二次模筑混凝土衬砌前,变形已侵入衬砌空间,采用拆换处理,并及时锚网喷支护。
2.根据权利要求1所述的高地应力碎裂围岩变形施工控制方法,其特征在于,S1中,超前支护采用超前小导管,小导管安装方法:A、在预定的位置用风动凿岩机钻孔;B、把小导管插入孔内,带好丝扣保护帽,专用顶头顶入到要求的深度,使麻丝柱塞与孔壁充分挤压紧;C、用CS胶泥填充孔口;D、小导管尾部连接高压注浆管,利用注浆管向小导管内部注浆。
3.根据权利要求2所述的高地应力碎裂围岩变形施工控制方法,其特征在于,S1的D中,注浆的浆液采用单液水泥浆,水灰比1:1;通过高压泵将浆液泵入小导管内部,浆液单孔注入量Q和围岩的孔隙率有关:Q=π·r2·H·η·ρ(m3),式中:r为浆液扩散半径(m);H为压浆段长度(m);η为岩层裂隙率,一般取1~5%;ρ为浆液充填系数,约为0.3~0.9。
4.根据权利要求1所述的高地应力碎裂围岩变形施工控制方法,其特征在于,S2中,采用台阶法保证支护结构闭合时间,其中,上台阶施作钢拱架时,采用锁脚锚管,用于控制围岩和初期支护变形;下台阶在上台阶喷射混凝土达到设计强度70%以上时开挖。
5.根据权利要求1所述的高地应力碎裂围岩变形施工控制方法,其特征在于,S3中,①径向注浆,径向注浆的注浆材料采用普通水泥单液浆,浆液配比为水灰比0.6:1~1:1,注浆压力1.5~2MPa,浆液中掺入速凝剂,用于控制凝胶时间;径向注浆的结构采用小导管,小导管端部焊成锥形,管体两侧每隔15cm设置一孔径为6~8mm的注浆孔。
6.根据权利要求5所述的高地应力碎裂围岩变形施工控制方法,其特征在于,S3中,②横撑加固:横撑采用热轧无缝钢管,钢管两端撑在工字钢起拱部位的连接钢板部位;或在起拱部位延着隧道纵向设置工字钢,横撑直接顶在工字钢上。
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- 2021-11-02 CN CN202111287959.4A patent/CN114086982A/zh active Pending
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