CN114109437B - 一种适用于软岩大变形隧道的滚动铰节点锚梁支护方法 - Google Patents

一种适用于软岩大变形隧道的滚动铰节点锚梁支护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于软岩大变形隧道的滚动铰节点锚梁支护方法，本发明在常规锚喷支护的基础上，采用滚动铰节点，实现节点转动与滑动相结合。通过节点的滑动，实现环向周长的缩短，达到让压的目的，通过节点的转动，降低初期支护的弯曲形变能，降低初期支护弯曲应力，保护初期支护安全。滚动铰节点连接锚梁支护方法，预应力锚索与分段初期支护形成独立锚梁承载体，提供围岩支护阻力，又通过特殊滚动铰节点设计，实现初期支护在环向缩短过程中，初期支护整体的安全。该支护方法适应深埋软岩隧道围岩发生较大塑性变形和流变变形的特性，实现高地应力软岩的较大范围能量释放。

Description

一种适用于软岩大变形隧道的滚动铰节点锚梁支护方法
技术领域
本发明涉及一种针对软岩大变形隧道进行的支护方法，尤其涉及采用滚动铰节点锚梁进行支护的方法，属于隧道支护技术领域。
背景技术
新奥法之前，隧道的支护理念是针对所发生的围岩压力，重点放在设计和修建有充分强度的支护结构上。但是作用在支护上的围岩压力，不仅决定于地质条件，还随支护的刚度而变。新奥法不同于过去的厚壁混凝土衬砌为主的支护形式，改以锚杆和薄壁喷射混凝土为主要支护形式，锚杆和薄壁喷射混凝土能及早支护开挖后暴露的围岩，同时，锚杆能积极地发挥围岩自身的承载力，变围岩为支护的重要组成部分，使围岩与支护结构共同形成坚固的支撑环，新奥法是目前我国矿山法隧道建造的主要指导思想。
深埋软岩隧道由于高地应力、强塑性变形和流变变形的特征，隧道大变形控制是目前迫切需要解决的难题。为此，国内外学者展开了大量研究，在新奥法的思想基础上，逐渐形成了“先柔后刚、先让后抗、柔让适度、稳定支护”的联合支护理念，并由此发展了锚喷网索、锚喷网架等联合支护技术。实践证明，采用柔性支护体系对挤压性软岩大变形的控制效果较好，“强支硬顶”无法制止挤压型围岩的变形，支护结构应具有较大变形能力。有关学者提出支护结构必须具备强柔性、高可缩性、增阻性的特征。
近年来，深埋软岩隧道让压支护已经成为隧道工程科研人员研究的一个重要领域，从国内外研究现状可以看出，初期支护柔性和刚性的控制因素不明确，常规的可缩性支护由于初期支护弯曲变形而失去可缩性的弊端，设置限阻器的让压支护未解决弯曲变形的影响，喷射混凝土可能在限阻器屈曲让压之前发生破坏，使初期支护的承载能力和支护刚度遭到破坏。
发明内容
本发明是一种适应深埋软岩隧道的滚动铰节点连接锚梁的让压支护方法。在常规锚喷支护的基础上，采用滚动节点，实现节点转动与滑动相结合。通过节点的滑动，实现环向周长的缩短，达到让压的目的，通过节点的转动，降低初期支护的弯曲形变能，降低初期支护弯曲应力，保护初期支护安全。
本发明采用的技术方案为一种适用于软岩大变形隧道的滚动铰节点锚梁支护方法，该方法将软岩大变形隧道的初期支护分若干段，初期支护各段作为独立的支撑结构；分段后的初期支护通过设置预应力锚索，将预应力锚索与围岩联结为整体；各分段的初期支护和预应力锚索组成支撑体系；各分段后的初期支护通过滚动铰节点连接，台阶连接处采用法兰刚性连接。所述的滚动铰节点根据滑动支座和琨轴支座原理，设计一种隧道初期支护的连接节点，实现连接节点的铰接，且能够环向的自由伸缩。滚动铰节点采用在琨轴转动支座的基础上，在连接板上开长U型孔，即实现环向滑动收缩，又可实现转动的功能，达到滚动变形的效果，释放隧道横断面上的环向线自由度和转动自由度，该滚动铰节点能够抵抗节点剪切错动，释放节点弯矩。
本发明的锚梁支护代替常规初期支护，常规的隧道控制爆破、超前支护、注浆改良、系统锚杆、挂网初喷、防水板、衬砌等工法工艺仍按相关规范规程执行。本发明不改变初期支护原有的基本措施，包括喷射混凝土、系统锚杆、超前小导管、管棚以及注浆加固等措施。
本发明适用于深埋软岩隧道，岩体较破碎至破碎，全部极软岩或极破碎；软岩类别上属于较软岩到极软岩，围岩级别为IV、V、VI级；地层具有高地应力下的软岩塑性变形、碎胀扩容变形和流变变形的特性，变形量级大，时间长；利用超前地质预报功能，掌握掌子面前方工程地质和水文地质条件，提前消除水害，确保掌子面稳定，避免地下水对围岩过度劣化，引起围岩失稳垮塌。
本发明的开挖工法适用性中，采用控制爆破开挖或机械开挖，确保开挖过程对围岩的损伤降至最低。采用台阶法或全断面法开挖，当围岩自稳性差时，采取适当预支护措施，满足台阶法或全断面法的开挖条件。
本发明所述的锚索或者为锚杆。
相较于常见的让压支护，滚动铰节点连接锚梁支护方法，预应力锚索与分段初期支护形成独立锚梁承载体，提供围岩支护阻力，又通过特殊滚动铰节点设计，实现初期支护在环向缩短过程中，初期支护整体的安全。该支护方法适应深埋软岩隧道围岩发生较大塑性变形和流变变形的特性，实现高地应力软岩的较大范围能量释放。
附图说明
图1是隧道滚动铰节点连接锚梁支护图。A表示滚动铰节点连接；B表示常规法兰连接。
图2是初期支护的分段设计图。
图3是步序一的开挖初喷图。
图4是步序二的锚索(杆)定位，施作图。
图5是步序三的上台阶锚梁图。
图6是步序四的上台阶喷混凝土图。
图7是步序五的下台阶开挖，挂网初喷图。
图8是步序六的下台阶立钢架，形成锚梁图。
图9是步序七的下台阶喷混凝土图。
图10是步序八的下台阶喷混凝土图。
图11是步序九的下台阶喷混凝土图。
图12是步序十的防水及二次衬砌施工图。
图13是预制钢架展布图。(a)为三榀钢架连接展布图；(b)为二榀钢架连接展布图。
图14是滚动铰节点展布图。(a)为节点平面图；(b)为节点立面图。
图15是滚动铰节点连接示意图。
具体实施方式
下面以两台阶法为例，说明滚动铰节点连接锚梁支护方法的施工步骤。
S1首先进行初期支护的分段设计：
图2中，节点分为A类和B类两类节点，A类节点为滚动铰节点连接，B类节点为法兰刚性连接设置在上下台阶连接处。初期支护分为10段，编号为1、2、3、4、5、6；编号为1、2、3、4的四段支护左右对称分布，初期支护的顶部和底部的编号为5和6，编号1、2、5为上台阶初期支护，3、4、6为下台阶初期支护，初期支护的各分段长度及节点位置要结合初期支护的制作、运输、安装的施工条件综合确定，滚动铰节点的数量要根据单个节点的可缩量和环向总可缩量确定。
(1)如图3所示，步序一，采用控制爆破(光面、预裂)等开挖方法保护围岩，控制超欠挖，根据超前地质预报情况，选择合适的超前支护措施，超前支护掌子面玻璃纤维锚杆、管棚、超前小导管、旋喷注浆加固等的单独使用或联合使用，注意围岩中的水引排，降低地下水对围岩的劣化影响。
(2)如图4所示，步序二，根据初期支护的分段情况，进行锚索(杆)孔的定位，每段初期支护沿环向至少设置两排锚索，锚索的自由段长度和锚固段长度根据工程地质及围岩变形情况确定，通过拉拔试验确保锚索的锚固力。
(3)图5所示，步序三，分段安装上台阶钢架，编号为1、2、5，并分段锚拉，锚索与钢架形成锚梁支护。锚梁1与锚梁2、锚梁1与锚梁5间用所述的A型节点即滚动铰节点连接；，通过施作系统锚杆或者锁脚锚管，或者扩大拱脚、临时仰拱等措施，确保拱脚稳定。拱脚处锚梁2采用B型法兰节点与下台阶锚梁连接，实现刚性连接。
(4)图6所示，步序四，上台阶喷射混凝土，滚动铰节点区域不喷，以提供环向滚动变形空间。
(5)如图7所示，步序五，采用控制爆破(光面、预裂)等开挖方法保护围岩，控制超欠挖，并在此基础上挂钢筋网，并初喷混凝土找平，采用φ8@200mm钢筋网，初喷混凝土最小厚度50mm。
(6)图8所示，步序六，分段安装下台阶钢架，编号为3、4、6，并分段锚拉，锚索与钢架形成锚梁支护。锚梁3与锚梁4、锚梁4与锚梁6间用所述的A型节点即滚动铰节点连接。上台阶拱脚处锚梁2与下台阶锚梁3之间采用B型法兰节点刚性连接。
(7)图7所示，步序七，下台阶喷射混凝土初期支护，滚动铰节点区域不喷，以提供环向滚动变形空间。形成封闭的可滚动铰连接锚梁支护；喷射混凝土应与岩面、钢架、钢筋网密贴、不得留有空洞和间隙，初期支护与围岩应成为整体的支护体系。
(8)图10所示，步序八，下台阶喷射混凝土初期支护，滚动铰节点区域不喷，以提供环向滚动变形空间。形成封闭的可滚动铰连接锚梁支护。
(9)图11所示，步序九，加强监测，待初期支护变形稳定后，或者滚动铰节点可缩量完成，对节点空隙进行补喷，并采用分布式锚索(杆)提高初期支护的刚度(非必须)，促使围岩稳定。
(10)图12所示，步序十，围岩稳定后，初期支护表面喷射混凝土(或水泥砂浆)补平，铺设防水板，施作二次衬砌。
图13为预制钢架展布图，钢架采用工字钢或H型钢，钢架横向连接采用拉压型连接，以提供隧道纵向的拉压刚度。分段钢架及其横向连接在工厂焊接预制，滚动铰节点通过法兰与钢架节段现场连接，节点构造如下图14，图15所示。

Claims (5)

1.一种适用于软岩大变形隧道的滚动铰节点锚梁支护方法，其特征在于：该方法将软岩大变形隧道的初期支护分若干段，初期支护各段作为独立的支撑结构；分段后的初期支护为设置的预应力锚索，将预应力锚索与围岩联结为整体；各分段的初期支护和预应力锚索组成支撑体系；各分段后的初期支护通过滚动铰节点连接，台阶连接处采用法兰刚性连接；所述的滚动铰节点根据滑动支座和琨轴支座原理实现连接节点的铰接，且能够环向的自由伸缩；滚动铰节点采用在琨轴转动支座的基础上，在连接板上开长U型孔，既实现环向滑动收缩，又实现转动的功能，达到滚动变形的效果，释放隧道横断面上的环向线自由度和转动自由度，该滚动铰节点能够抵抗节点剪切错动，释放节点弯矩。
2.根据权利要求1所述的一种适用于软岩大变形隧道的滚动铰节点锚梁支护方法，其特征在于：锚梁支护代替初期支护，隧道控制爆破、超前支护、注浆改良、系统锚杆、挂网初喷、防水板、衬砌工法工艺仍按相关规范规程执行；本方法不改变初期支护原有的基本措施，包括喷射混凝土、系统锚杆、超前小导管、管棚以及注浆加固。
3.根据权利要求1所述的一种适用于软岩大变形隧道的滚动铰节点锚梁支护方法，其特征在于：本方法适用于深埋软岩隧道，岩体较破碎至破碎，全部极软岩或极破碎；软岩类别上属于较软岩到极软岩，围岩级别为IV、V、VI级；地层具有高地应力下的软岩塑性变形、碎胀扩容变形和流变变形的特性，变形量级大，时间长；利用超前地质预报功能，掌握掌子面前方工程地质和水文地质条件，提前消除水害，确保掌子面稳定，避免地下水对围岩过度劣化，引起围岩失稳垮塌。
4.根据权利要求1所述的一种适用于软岩大变形隧道的滚动铰节点锚梁支护方法，其特征在于：开挖工法适用性中，采用控制爆破开挖或机械开挖，确保开挖过程对围岩的损伤降至最低；采用台阶法或全断面法开挖，当围岩自稳性差时，采取适当预支护措施，满足台阶法或全断面法的开挖条件。
5.根据权利要求1所述的一种适用于软岩大变形隧道的滚动铰节点锚梁支护方法，其特征在于：所述的锚索或者为锚杆。
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