CN114320340B - 基于超前导洞及对拉锚索的大跨无柱地下隧洞结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于超前导洞及对拉锚索的大跨无柱地下隧洞结构及方法，包括地下隧洞、若干超前导洞以及若干对拉锚索；其中：所述地下隧洞的截面呈多连拱形式，所述超前导洞分别沿地下隧洞的纵向轴线方向延伸，若干所述超前导洞以横向并列的布置方式设置于地下隧洞的洞顶上方，所述超前导洞分别通过若干对拉锚索与地下隧洞多连拱结构中至少一个相邻洞跨相交处相连接。本发明所述大跨无柱地下隧洞结构利用超前导洞和对拉锚索实现地下隧洞大跨无柱的空间效果，在施工过程中，依次通过提前开挖超前导洞、分步爆破各洞跨岩体、逐步打设对拉锚索的施工步序，实现安全高效施工，且地下隧洞洞跨度可达30m以上。

Description

基于超前导洞及对拉锚索的大跨无柱地下隧洞结构及方法

技术领域

本发明涉及地下工程领域，具体涉及一种基于超前导洞及对拉锚索的大跨无柱地下隧洞结构及施工方法。

背景技术

为满足日益增长的地下空间使用需求，地下储油库、地下隧道、水电站主厂房、大跨洞库、大跨公路铁路隧道建设越来越多。但是，目前针对大跨度无立柱空间结构的地下隧道研究及工程经验都存在不足，大跨无柱地下隧洞的最大跨度受到很多条件制约，对其所适用的地层条件也有待进一步研究。按照现有的设计理念及土建施工技术，暗挖单洞能够实现的最大跨度为10m～20m；如果进一步增大洞室跨度，一般做法是加强初支及二衬并增设梁柱体系传递拱顶荷载。但是，由于梁柱体系切割了洞室空间，无法实现大跨无柱空间的使用要求。尤其对于矢跨比较小的无柱洞室，随着跨度在量级上的增大，“CRD法”、“新奥法”等传统设计方法及理念已经不能满足设计要求，无法为此提供借鉴与指导。因此，如何改进设计理念，安全高效地施工一种大跨无柱地下隧洞，成为亟需解决的技术问题。

发明内容

针对现有大跨度无立柱地下隧洞在工程设计及施工方面存在的上述缺陷和不足，本发明提供了一种通过在地下隧洞洞顶上方横向布置若干超前导洞，以提前揭露地质情况，并监测施工过程中的地质变形；通过设置对拉锚索锚固连接超前导洞与各跨地下隧洞，以提高开挖过程中的结构稳定性与施工安全性的大跨无柱地下隧洞结构及施工方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于超前导洞及对拉锚索的大跨无柱地下隧洞结构，所述大跨无柱地下隧洞结构包括地下隧洞、若干超前导洞以及若干对拉锚索；其中：所述地下隧洞的截面呈多连拱形式；所述超前导洞分别沿地下隧洞的纵向轴线方向延伸，若干所述超前导洞以横向并列的布置方式设置于地下隧洞的洞顶上方；所述超前导洞分别通过若干对拉锚索与地下隧洞多连拱结构中至少一个相邻洞跨相交处相连接。

进一步地，所述若干超前导洞与地下隧洞之间的纵向间距大于等于10m；相邻所述超前导洞之间的横向间距大于等于8m。

进一步地，所述超前导洞的数量小于截面呈多连拱形式的地下隧洞的洞跨跨数。

进一步地，所述地下隧洞多连拱结构中，相邻洞跨连接处分别设置第一连系梁；所述若干超前导洞中，导洞底板分别设置第二连系梁；与各个超前导洞相连接的若干对拉锚索两端分别锚固于设置于导洞底板上的第一连系梁以及设置于相邻洞跨连接处的第二连系梁中。

作为优选，与各个超前导洞相连接的若干对拉锚索分别沿超前导洞纵向方向等间距布设，纵向等间距布设的若干对拉锚索中，按组排列设置，每组中设有至少一个对拉锚索，且在大跨无柱地下隧洞结构的横向截面上，所述对拉锚索的总数量大于若干超前导洞的数量。

进一步地，与各个超前导洞相连接的若干对拉锚索中，纵向等间距布设的各组对拉锚索之间的间距设置为4～8m；每组对拉锚索中，锚杆长度设置为15～35m，预加力为1000kN～2000kN。

进一步地，所述大跨无柱地下隧洞适用的地层条件为：静止侧压力系数为1～3的II～IV级硬岩地层。

本发明还提供了一种上述大跨无柱地下隧洞结构的方法，包括如下步骤：

S1，施工第一超前导洞；

S2，在第一超前导洞下方至少10m处，施工地下隧洞多连拱结构中的第一洞跨，所述第一洞跨的纵向长度与所述第一超前导洞的纵向长度相对应；

S3，由第一超前导洞底板向下施工若干对拉锚索至第一洞跨与内边墙岩体连接处，在对拉锚索两端分别设置连系梁，将两端锚索超张拉后注浆锚固；

S4，爆破开挖第一洞跨的内边墙岩体，形成第二洞跨；

S5，重复上述步骤，直至达到设计跨度所需的洞跨数量，完成所述大跨无柱地下隧洞结构的施工。

本发明同现有技术相比具有以下优点及效果：

1、本发明所述的大跨无柱地下隧洞结构由地下隧洞、若干超前导洞以及将超前导洞与地下隧洞相连接的若干对拉锚索组成；其中：所述若干超前导洞设置于地下隧洞的洞顶上方，用于揭露地质情况，以便于施工时监测地层变形及锚杆预拉力；所述若干对拉锚索用于将各个超前导洞与地下隧洞相连接，以有效承载地下隧洞的拱顶载荷，实现在无梁柱体系工况下，地下隧洞大跨无柱的功能需求。

2、本发明所述大跨无柱地下隧洞结构利用超前导洞和对拉锚索实现地下隧洞大跨无柱的空间效果，在施工过程中，依次通过提前开挖超前导洞、分步爆破各洞跨岩体、逐步打设对拉锚索施工步序，实现安全高效施工的设计理念，且可使地下隧洞洞跨度达30m以上。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1至图6为本发明实施例2中所述大跨无柱地下隧洞的施工步序图。

图7为本发明实施例2所述大跨无柱地下隧洞的纵向剖面示意图。

标号说明：1、地下隧洞；11、第一洞跨；12、第二洞跨；13、第三洞跨；14、第四洞跨；15、第五洞跨；16、第六洞跨；21、第一超前导洞；22、第二超前导洞；23、第三超前导洞；3、对拉锚索；4、第一连系梁；5、第二连系梁；6、岩体。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例1：如图6、图7所示，一种基于超前导洞及对拉锚索的大跨无柱地下隧洞结构，包括地下隧洞1、若干超前导洞以及若干对拉锚索3；其中：所述地下隧洞1的截面呈多连拱形式；所述超前导洞分别沿地下隧洞的纵向轴线方向延伸，若干所述超前导洞以横向并列的布置方式设置于地下隧洞1的洞顶上方；所述超前导洞分别通过若干对拉锚索3与地下隧洞1多连拱结构中至少一个相邻洞跨相交处相连接。

具体地，如图6所示，本实施例1所述的大跨无柱地下隧洞结构中，为了尽量避免开挖过程中的围岩扰动，所述若干超前导洞与地下隧洞1之间的纵向间距应大于等于10m；为了减少群洞效应，相邻所述超前导洞之间的横向间距应大于等于8m，其中：具体横向间距的设置由地下隧洞的单洞跨跨度决定；同时，所述超前导洞的数量一般由地下隧洞的洞跨跨数决定，且超前导洞的数量一般小于地下隧洞的洞跨跨数。

进一步地，在本实施例1所述的大跨无柱地下隧洞结构中，所述地下隧洞多连拱结构中，相邻洞跨连接处分别设置第一连系梁5；所述若干超前导洞中，导洞底板分别设置第二连系梁4；与各个超前导洞相连接的若干对拉锚索3两端分别锚固于设置于导洞底板上的第一连系梁4以及设置于相邻洞跨连接处的第二连系梁中5；同时，与各个超前导洞相连接的若干对拉锚索3分别沿超前导洞纵向方向等间距布设，纵向等间距布设的若干对拉锚索3中，按组排列设置，每组中设有至少一个对拉锚索3，且在大跨无柱地下隧洞结构的横向截面上，所述对拉锚索3的总数量大于若干超前导洞的数量。

实施例2：如图6至7所示，一种基于超前导洞及对拉锚索的大跨无柱地下隧洞结构，与实施例1的区别在于：作为优选，与各个超前导洞相连接的若干对拉锚索3中，纵向等间距布设的各组对拉锚索之间的间距设置为4～8m；根据单洞跨度与地层条件，每组对拉锚索中，锚杆长度设置为15～35m，预加力为1000kN～2000kN。

本发明实施例1、2所述的大跨无柱地下隧洞结构适用的地层条件为：静止侧压力系数为1～3的II～IV级硬岩地层。

本发明实施例1、2所述的大跨无柱地下隧洞结构中，隧洞整体跨度可达30m以上，隧洞结构通过设置若干超前导洞以及对拉锚索承载拱顶载荷，可实现在确保隧洞结构稳定性的同时，取消隧洞多连拱结构内部梁柱体系的设置，满足地下隧洞大跨无柱的功能需求。

实施例3：如图1至7所示，一种施工实施例1、实施例2所述大跨无柱地下隧洞结构的方法，本发明以地下隧洞六连拱结构为例，隧洞设计跨度为60m，共六个洞跨，每个洞跨跨度为10m，洞跨最大设计高度为13.5m，矢跨比0.23，纵向长度为105m；地质条件为：无承压水，处于IV级花岗岩地层，侧压力系数为3.0，洞室范围内存在5条贯通裂隙，与洞室轴线呈正交，裂隙倾角60°～90°，均为陡倾角裂隙；

具体施工步骤如下：

如图1所示：S1，施工第一超前导洞21；S2，在第一超前导洞21下方至少10m处，施工地下隧洞多连拱结构中的第一洞跨11，所述第一洞跨11的纵向长度与所述第一超前导洞21的纵向长度相对应；S3，由第一超前导洞21底板向下施工若干对拉锚索3至第一洞跨11与内边墙岩体6的连接处，在对拉锚索3两端分别设置连系梁，将两端锚索超张拉后注浆锚固；S4，待对拉锚索张拉强度稳定后，爆破开挖第一洞跨11的内边墙岩体6，形成第二洞跨12；

如图2所示：S5，由第一超前导洞21底板向下施工若干对拉锚索3至第二洞跨12与内边墙岩体6的连接处，在对拉锚索3端部设置连系梁，将两端锚索超张拉后注浆锚固；待对拉锚索张拉强度稳定后，爆破开挖第二洞跨12的内边墙岩体6，形成第三洞跨13；

如图3所示：S6，施工第二超前导洞22，由第二超前导洞22底板向下施工若干对拉锚索3至第三洞跨13与内边墙岩体6的连接处，在对拉锚索3两端分别设置连系梁，将两端锚索超张拉后注浆锚固，待对拉锚索张拉强度稳定后，爆破开挖第三洞跨13的内边墙岩体6，形成第四洞跨14；

如图4所示：S7，施工第三超前导洞23，由第三超前导洞23底板向下施工若干对拉锚索3至第四洞跨14与内边墙岩体6的连接处，在对拉锚索3两端分别设置连系梁，将两端锚索超张拉后注浆锚固，待对拉锚索张拉强度稳定后，爆破开挖第四洞跨14的内边墙岩体6，形成第五洞跨15；

如图5所示：S8，由第三超前导洞23底板向下施工若干对拉锚索3至第五洞跨15与内边墙岩体6的连接处，在对拉锚索3端部设置连系梁，将两端锚索超张拉后注浆锚固，待对拉锚索张拉强度稳定后，爆破开挖第五洞跨15的内边墙岩体6，形成第六洞跨16，施工完毕。达到设计跨度的地下隧洞结构横剖面图如图6所示，纵向剖面图如图7所示。

本发明实施例3所述的施工方法中，相邻超前导洞之间净间距为15m，根据单洞跨度和地层条件，所述对拉锚索长度为25m，预加力为2000kN，对拉锚索纵向间距为5m。

本发明取消了多连拱结构内部立柱的设置，实现了地下隧洞大跨无柱的功能需求；所述建造方法中提供超前导洞可提前揭露地质情况，便于施工时监测地层变形、锚杆预拉力及结构稳定性，可降低施工风险；同时，各步序施工干扰小，可实现机械化，安全高效。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于超前导洞及对拉锚索的大跨无柱地下隧洞结构，其特征在于，所述大跨无柱地下隧洞结构包括地下隧洞、若干超前导洞以及若干对拉锚索；其中：

所述地下隧洞的截面呈多连拱形式；

所述超前导洞分别沿地下隧洞的纵向轴线方向延伸，若干所述超前导洞以横向并列的布置方式设置于地下隧洞的洞顶上方；

所述超前导洞分别通过若干对拉锚索与地下隧洞多连拱结构中至少一个相邻洞跨相交处相连接；

所述若干超前导洞与地下隧洞之间的纵向间距大于等于10m；相邻所述超前导洞之间的横向间距大于等于8m；

所述超前导洞的数量小于截面呈多连拱形式的地下隧洞的洞跨跨数；

所述大跨无柱地下隧洞适用的地层条件为：静止侧压力系数为1～3的II～IV级硬岩地层。

2.根据权利要求1所述的基于超前导洞及对拉锚索的大跨无柱地下隧洞结构，其特征在于，所述地下隧洞多连拱结构中，相邻洞跨连接处分别设置第一连系梁；所述若干超前导洞中，导洞底板分别设置第二连系梁；与各个超前导洞相连接的若干对拉锚索两端分别锚固于设置于导洞底板上的第一连系梁以及设置于相邻洞跨连接处的第二连系梁中。

3.根据权利要求2所述的基于超前导洞及对拉锚索的大跨无柱地下隧洞结构，其特征在于，与各个超前导洞相连接的若干对拉锚索分别沿超前导洞纵向方向等间距布设，纵向等间距布设的若干对拉锚索中，按组排列设置，每组中设有至少一个对拉锚索，且在大跨无柱地下隧洞结构的横向截面上，所述对拉锚索的总数量大于若干超前导洞的数量。

4.根据权利要求1所述的基于超前导洞及对拉锚索的大跨无柱地下隧洞结构，其特征在于，与各个超前导洞相连接的若干对拉锚索中，纵向等间距布设的各组对拉锚索之间的间距设置为4～8m；每组对拉锚索中，锚杆长度设置为15～35m,预加力为1000kN～2000kN。

5.一种根据施工权利要求1至4任一项所述的基于超前导洞及对拉锚索的大跨无柱地下隧洞结构的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1,施工第一超前导洞；

S2,在第一超前导洞下方至少10m处，施工地下隧洞多连拱结构中的第一洞跨，所述第一洞跨的纵向长度与所述第一超前导洞的纵向长度相对应；

S3,由第一超前导洞底板向下施工若干对拉锚索至第一洞跨与内边墙岩体连接处，在对拉锚索两端分别设置连系梁，将两端锚索超张拉后注浆锚固；

S4,爆破开挖第一洞跨的内边墙岩体，形成第二洞跨；

S5,重复上述步骤，直至达到设计跨度所需的洞跨数量，完成所述大跨无柱地下隧洞结构的施工。