CN116220700B - 一种用于暗挖地下工程的预应力主动支护控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于暗挖地下工程的预应力主动支护控制方法，属于地下工程开挖支护技术领域，包括以下步骤：确定暗挖地下工程的开挖扰动影响范围；在地表处，沿拟开挖地下工程的走向，铺设支撑梁，支撑梁设有预留开孔；沿预留开孔分别朝暗挖地下工程拟开挖断面范围内及周边扰动影响范围边界方向施打地层钻孔，并将悬吊支护构件穿过支撑梁预留开孔伸入地层钻孔底部进行安设；在支撑梁上方利用锁具固定悬吊支护构件的顶端端头；进行暗挖地下工程开挖，在暗挖地下工程断面开挖过程中，对于开挖断面范围内揭露的悬吊支护构件底端端头，沿地下工程开挖边界处对其安装托盘及锁具，并施加预应力；继续进行其他支护构件施作，直至地下工程开挖完成。

Description

一种用于暗挖地下工程的预应力主动支护控制方法

技术领域

本发明属于地下工程开挖支护技术领域，具体涉及一种用于暗挖地下工程的预应力主动支护控制方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

开发和利用地下空间已成为世界各地的广泛发展趋势。尤其近年来，随着交通、水利、水电以及矿山等工程的进一步发展，地下空间工程面临水文地质条件也越来越复杂，如受高地应力、极软岩、淤泥质软弱地层等因素影响，导致地下工程建设难度越来越大，地下工程安全建设所面临的风险挑战也越来越多。

目前地下工程开挖方法主要包括暗挖法与明挖法两大类。其中，暗挖法由于其不开挖地表，对地面建筑、道路和地下管线影响不大，具有拆迁占地少、扰民少、污染城市环境少等优点，在当前的工程中应用较为广泛。在暗挖法施工中常用的支护技术主要有超前支护、初期支护与二次衬砌组成。对于埋深较大的暗挖地下工程来说，待其开挖后，围岩内部可形成有效的塌落承载拱结构，可有效发挥围岩自承载能力，避免围岩产生更大范围的变形破坏。而对于一些埋深较浅的地下工程而言，由于其上覆地层厚度较小，围岩内部难以形成稳定有效的塌落承载拱结构，导致围岩自承载能力难以有效发挥，从而在一些暗挖地下工程中，极易发生塌方等灾害事故，是暗挖地下工程安全建设面临的重要风险挑战。

在一些暗挖地下工程施工中，目前常用的初期支护技术包括锚杆、钢拱架、喷射混凝土，二次支护主要为钢筋混凝土衬砌。应当注意，上述支护构件目前在工程中多为被动型支护构件，只有在围岩发生变形破坏时，才会发挥作用，对于暗挖地下工程地层围岩控制而言具有一定的滞后性，这也是暗挖地下工程地层、围岩控制难度大，易产生塌方等灾害事故的重要原因。同时，上述支护构件均是在地下工程开挖后，在其内部进行施作的，此时地下工程围岩由于开挖卸荷已经产生一定程度破坏，支护存在一定的滞后性。理想的支护技术应保障在地下工程开挖前对周边围岩产生支护作用，并保证支护的及时性与主动性，才可以有效限制地下工程在开挖时围岩的变形破坏以及塌方问题。

发明内容

针对浅埋地段暗挖地下工程围岩难以有效形成塌落拱，易产生塌方、变形等灾害事故，以及常规暗挖地下工程支护采用的砂浆锚杆、格栅拱架、超前支护、二次衬砌等构件均为被动型支护构件，难以有效发挥围岩自承载能力，支护存在一定的滞后性，及时性与主动性不足等一系列问题，本发明的目的是提供一种用于暗挖地下工程的预应力主动支护控制方法，通过在地下工程开挖之前施作的支撑梁及预应力悬吊支护构件等控制技术，可提前对地下工程开挖扰动影响范围内的岩土体进行有效支撑并施加一定的支护力，并可有效传递至开挖扰动影响范围之外稳定地层，进一步增强支护体系的主动性与及时性，有效控制地下工程暗挖过程中可能发生的塌方、变形等问题。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提供了一种用于暗挖地下工程的预应力主动支护控制方法，包括以下步骤：

确定暗挖地下工程的开挖扰动影响范围；

在地表处，沿拟开挖地下工程的走向，间隔铺设支撑梁，支撑梁设有若干预留开孔；

沿支撑梁预留开孔分别朝暗挖地下工程拟开挖断面范围内及周边扰动影响范围边界方向施打地层钻孔，并将悬吊支护构件穿过支撑梁预留开孔伸入地层钻孔底部进行安设；在支撑梁上方利用锁具固定悬吊支护构件的顶端端头；

进行暗挖地下工程开挖，在暗挖地下工程断面开挖过程中，对于开挖断面范围内揭露的悬吊支护构件底端端头，沿地下工程开挖边界处对其安装托盘及锁具，并施加预应力；

继续进行其他支护构件施作，直至整个地下工程开挖完成。

作为进一步的技术方案，确定暗挖地下工程的开挖扰动影响范围的过程为：

根据暗挖地下工程的拟开挖尺寸，预测确定地下工程周边地层的开挖扰动影响范围及相应开挖扰动影响范围边界。

作为进一步的技术方案，开挖扰动影响范围边界始于地下工程开挖断面的最下方两个底角位置，并斜向上延伸至地表，为一平直面，其与底角位置水平线的夹角为；/>的大小为：

；

其中，为与围岩力学性质有关的经验参数；/>为开挖扰动影响范围边界处岩土体的似摩擦角。

作为进一步的技术方案，支撑梁走向与地下工程走向垂直，沿地表处布置的支撑梁的长度大于地表处开挖扰动影响范围的宽度，支撑梁长度满足如下公式：

；

其中，为暗挖地下工程的断面开挖高度，/>为地下工程断面顶部距地表处的垂直距离，/>为暗挖地下工程断面开挖宽度。

作为进一步的技术方案，对于朝暗挖地下工程拟开挖断面范围内安设的悬吊支护构件，悬吊支护构件及相应钻孔伸入地下工程拟开挖断面范围之内。

作为进一步的技术方案，对于朝暗挖地下工程周边开挖扰动影响范围边界方向安设的悬吊支护构件，在地层钻孔底部对悬吊支护构件进行钻孔底部锚固，形成锚固段，且锚固段位于开挖扰动影响范围边界外的稳定地层中。

作为进一步的技术方案，对于朝暗挖地下工程周边开挖扰动影响范围边界方向安设的悬吊支护构件，待其钻孔底端锚固段形成稳定后，沿其顶端端头处对其进行张拉并按预设值施加预应力。

作为进一步的技术方案，沿地下工程开挖扰动影响范围内布置的所有悬吊支护构件提供的支护力满足如下公式：

；

其中，为悬吊支护构件的总数量，/>为单根悬吊支护构件所提供的支护力，/>为每根悬吊支护构件和竖直方向的夹角，/>为开挖扰动影响范围边界处地层岩土体所能提供的总抗剪切力，/>为开挖扰动影响范围边界处地层岩土体提供的总法向支撑力，/>为开挖扰动影响范围内岩土体的总重力，/>为开挖扰动影响范围边界与底角位置水平线的夹角。

作为进一步的技术方案，对于朝地下工程开挖扰动范围影响边界处安设的悬吊支护构件，其支护力满足如下公式：

；

对于朝地下工程开挖断面范围内的悬吊支护构件，其支护力满足如下公式：

；

其中，为地层中悬吊支护构件锚固段灌浆体与周围地层界面之间的黏结强度，为地层钻孔的半径，/>为锚固段的长度；/>为单根悬吊支护构件的破断承载力。

作为进一步的技术方案，暗挖地下工程开挖时，根据暗挖地下工程水文地质条件及断面设计尺寸，采用全断面法、台阶法或分部开挖法进行开挖；其他支护构件施作包括喷射混凝土、钢拱架、防水层、钢筋混凝土衬砌。

上述本发明的有益效果如下：

本发明针对暗挖地下工程易产生塌方、变形等灾害事故以及常规暗挖工程的支护构件为被动性支护构件，存在一定的滞后性等问题，提出了一种预应力主动支护控制构件，是在地下工程开挖之前进行施作的，并施加了一定的预应力，可有效保证地下工程开挖期间的安全，这种支护技术具有较强的主动性与及时性，可进一步增强地下工程开挖的安全稳定。

本发明给出了地下工程开挖扰动影响范围边界、悬吊支护构件所需支护力以及支撑梁长度的定量化理论计算公式，为本发明的定量化设计提供了依据，可有效弥补地下工程现有构件依赖于经验设计的不足。

本发明中悬吊支护构件为细长型柔性的支护构件，支撑梁为刚性的支护构件，且支撑梁两端位于开挖扰动影响范围之外，可充分发挥悬吊支护构件柔性支护的悬吊支护效应，为地下工程开挖扰动影响范围内的岩土体提供悬吊支护力，并可将开挖扰动影响范围内岩土体自重通过支撑梁有效传递至周边稳定地层，进一步增强地下工程开挖期间安全与稳定。

本发明借助地表处设置的支撑梁，可对地表产生一定的保护，避免产生较大范围的地表沉降、变形等不利影响，同时在地下工程施工期间，支撑梁上方也可布设临时钢板或混凝土板，供地表处车辆及行人正常通行。

通过借助预应力悬吊支护构件、支撑梁等构件可提前施加一定的预应力，可有效实现对地层岩土体的控制效果，有效杜绝开挖过程中的塌方、下沉变形等灾害。

本发明针对暗挖型地下工程，给出开挖扰动影响范围的理论确定方法，以及支护构件的施打方式和定量化设计的依据，弥补了现有支护方法通过经验类比法来施工的不足。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明用于暗挖地下工程的预应力主动支护控制方法的流程图；

图2为本发明开挖扰动影响范围边界示意图；

图3为本发明地表处支撑梁施作完毕后断面示意图；

图4为本发明开挖扰动影响范围内悬吊支护构件施作完毕后效果示意图；

图5为本发明悬吊支护构件施打完毕后沿地表处的平面布置示意图；

图6为本发明地下工程开挖后悬吊支护构件底端锁具施作完毕后效果示意图；

图7为本发明用于暗挖地下工程的预应力主动支护控制方法各悬吊支护构件受力示意图；

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；

其中，1-地下工程，2-开挖扰动影响范围边界，3-支撑梁，4-地表，5-悬吊支护构件，6-锁具，7-条状开口，8-锚固段，9-钻孔。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，提出一种用于暗挖地下工程的预应力主动支护控制方法，具体包括以下步骤：

（一）开挖扰动影响范围确定；

步骤1：根据暗挖地下工程1的拟开挖尺寸，如图2所示，预测确定地下工程1周边地层的开挖扰动影响范围及相应开挖扰动影响范围边界2。

（二）悬吊支护构件5施工；

步骤2：如图3所示，在地表4处，沿拟开挖地下工程1的走向，间隔铺设支撑梁3；支撑梁3上设有若干预留开孔，支撑梁3走向与地下工程1走向垂直；

步骤3：如图4所示，沿支撑梁3预留开孔分别朝暗挖地下工程1拟开挖断面范围内及周边扰动影响范围边界方向施打地层钻孔9，并将悬吊支护构件5穿过支撑梁3预留开孔伸入地层钻孔9底部进行安设；

①对于朝暗挖地下工程1拟开挖断面范围内安设的悬吊支护构件5，应确保悬吊支护构件5及相应钻孔9伸入地下工程1拟开挖断面范围之内；

②对于朝暗挖地下工程1周边开挖扰动影响范围边界2方向安设的悬吊支护构件5，应在地层钻孔9底部利用水泥砂浆、树脂锚固材料或其他锚固材料，对悬吊支护构件5进行钻孔9底部锚固，形成锚固段8，且保证锚固段8位于开挖扰动影响范围边界2外的稳定地层中；

步骤4：在步骤3基础上，在支撑梁3上方利用锁具6固定悬吊支护构件5的顶端端头；并且，如图7所示，对于朝暗挖地下工程1周边开挖扰动影响范围边界2方向安设的悬吊支护构件5，应待其钻孔9底端锚固段8形成稳定后，沿其顶端端头处对其进行张拉并按预设值施加预应力。

（三）暗挖地下工程1开挖；

步骤5：根据暗挖地下工程1水文地质条件及断面设计尺寸，采用全断面法、台阶法或分部开挖法进行开挖；

步骤6：在暗挖地下工程1断面开挖过程中，如图5和图6所示，对于开挖断面范围内揭露的悬吊支护构件5底端端头，应沿地下工程1开挖边界处对其安装托盘及锁具6，并施加一定预应力，实现悬吊支护构件5底端端头在开挖断面边界处的固定与安装；

步骤7：继续进行喷射混凝土、钢拱架、防水层、钢筋混凝土衬砌等其他种类支护的施作，直至整个地下工程1开挖完成。

其中，步骤1中，开挖扰动影响范围边界2始于地下工程1开挖断面的最下方两个底角位置，并斜向上延伸至地表4，为一平直面，其与底角位置水平线的夹角为。/>的大小为：

(1)；

式（1）中，为与围岩力学性质有关的经验参数，取值范围为/>，围岩级别越差取值越小；/>为开挖扰动影响范围边界2处岩土体的似摩擦角，综合等效反映了开挖扰动影响范围边界2处岩土体摩擦角和粘结力的共同作用。

其中，步骤2中，沿地表4处布置的支撑梁3，其长度应大于地表4处开挖扰动影响范围的宽度，并沿地下工程1开挖走向方向均匀间隔铺设，支撑梁3长度应满足如下公式：

(2)；

式（2）中，为暗挖地下工程1的断面开挖高度，/>为地下工程1断面顶部距地表4处的垂直距离，/>为暗挖地下工程1断面开挖宽度。

步骤2中支撑梁3的预留开孔为条状开口7，可以为倾斜安置于地层的悬吊支护构件5提供更多安装空间；悬吊支护构件5穿过支撑梁3的预留开孔后向地层内置入，露出支撑梁3的顶端端头采用锁具6锁紧。

其中，步骤3中，悬吊支护构件5为细长型的杆状结构，具有较高抗拉强度，可采用螺纹钢筋、钢绞线或纤维增强复合材料筋材等材料进行制作。

步骤3中，沿地下工程1开挖扰动影响范围内布置的所有悬吊支护构件5提供的支护力应满足如下公式：

(3)；

式（3）中，为悬吊支护构件5的总数量，/>为单根悬吊支护构件5所提供的支护力，/>为每根悬吊支护构件5和竖直方向的夹角，/>为开挖扰动影响范围边界2处地层岩土体所能提供的总抗剪切力，/>为开挖扰动影响范围边界2处地层岩土体提供的总法向支撑力，/>为开挖扰动影响范围内岩土体的总重力，/>为开挖扰动影响范围边界2与底角位置水平线的夹角。

步骤3中，对于朝地下工程1开挖扰动范围影响边界处安设的悬吊支护构件5，其支护力应满足如下公式：

(4)；

对于朝地下工程1开挖断面范围内的悬吊支护构件5，其支护力应满足如下公式：

(5)；

式（4）中，为地层中悬吊支护构件5锚固段8灌浆体与周围地层界面之间的黏结强度，/>为地层钻孔9的半径，/>为锚固段8的长度；式（5）中，/>为单根悬吊支护构件5的破断承载力。

步骤3中，本实施例中朝暗挖地下工程1拟开挖断面范围内安设的悬吊支护构件5以竖直方向向地层内安设；朝暗挖地下工程1周边开挖扰动影响范围边界2方向安设的悬吊支护构件5以倾斜角度向地层内安设，沿远离地下工程1的方向，各悬吊支护构件5与水平方向的夹角逐渐减小。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。

以某地下工程为例对本发明做进一步补充说明：拟开挖地下工程的断面的高度尺寸为6m，宽度尺寸为8m，埋深为11m，围岩等级按照Ⅳ级进行计算，岩土体似摩擦角为55°，根据围岩等级取为0.8。根据本发明可计算求得开挖扰动影响范围边界与水平方向的夹角/>大小为：

，也可确定地表处开挖扰动影响范围的宽度/>大小为：

。

在此基础上沿地表处进行支撑梁设计，若按支撑梁超出开挖扰动影响范围宽度两侧各5m进行考虑，相应的可求得支撑梁长度为30m。在开挖扰动影响范围内按9根悬吊支护构件进行设计，并在支撑梁设有9个开孔，待地下工程开挖之前，在地表处进行支撑梁均匀间隔铺设。铺设结束之后沿支撑梁预留的开孔分别向地层内进行钻孔，其中向开挖扰动影响范围边界方向两侧各施打三根悬吊支护构件，向地下工程开挖扰动影响范围内共施打3根悬吊支护构件。开挖扰动影响范围边界处设置的悬吊支护构件采用直径35mm的钢绞线进行制作，施加的预应力值为150kN，锚固段长度为8.8m，且应满足公式（4）。开挖扰动影响范围内处设置的悬吊支护构件也采用直径35mm的钢绞线进行制作，应满足公式（5），开挖揭露后施加的预应力值为100kN。最后要保证9根悬吊支护构件所提供的支护力大于开挖扰动影响范围内岩土体的总重力，满足上述公式（3）即可完成本发明该种暗挖地下工程的支护设计。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于暗挖地下工程的预应力主动支护控制方法，其特征是，包括以下步骤：

确定暗挖地下工程的开挖扰动影响范围，具体过程为：根据暗挖地下工程的拟开挖尺寸，预测确定地下工程周边地层的开挖扰动影响范围及相应开挖扰动影响范围边界；开挖扰动影响范围边界始于地下工程开挖断面的最下方两个底角位置，并斜向上延伸至地表，为一平直面，其与底角位置水平线的夹角为；/>的大小为：

；

其中，为与围岩力学性质有关的经验参数；/>为开挖扰动影响范围边界处岩土体的似摩擦角；

在地表处，沿拟开挖地下工程的走向，间隔铺设支撑梁，支撑梁设有若干预留开孔；

沿支撑梁预留开孔分别朝暗挖地下工程拟开挖断面范围内及周边扰动影响范围边界方向施打地层钻孔，并将悬吊支护构件穿过支撑梁预留开孔伸入地层钻孔底部进行安设；在支撑梁上方利用锁具固定悬吊支护构件的顶端端头；对于朝暗挖地下工程拟开挖断面范围内安设的悬吊支护构件，悬吊支护构件及相应钻孔伸入地下工程拟开挖断面范围之内；对于朝暗挖地下工程周边开挖扰动影响范围边界方向安设的悬吊支护构件，在地层钻孔底部对悬吊支护构件进行钻孔底部锚固，形成锚固段，且锚固段位于开挖扰动影响范围边界外的稳定地层中；

其中，沿地下工程开挖扰动影响范围内布置的所有悬吊支护构件提供的支护力满足如下公式：

；

其中，为悬吊支护构件的总数量，/>为单根悬吊支护构件所提供的支护力，/>为每根悬吊支护构件和竖直方向的夹角，/>为开挖扰动影响范围边界处地层岩土体所能提供的总抗剪切力，/>为开挖扰动影响范围边界处地层岩土体提供的总法向支撑力，/>为开挖扰动影响范围内岩土体的总重力，/>为开挖扰动影响范围边界与底角位置水平线的夹角；

进行暗挖地下工程开挖，在暗挖地下工程断面开挖过程中，对于开挖断面范围内揭露的悬吊支护构件底端端头，沿地下工程开挖边界处对其安装托盘及锁具，并施加预应力；

继续进行其他支护构件施作，直至整个地下工程开挖完成。

2.如权利要求1所述的用于暗挖地下工程的预应力主动支护控制方法，其特征是，支撑梁走向与地下工程走向垂直，沿地表处布置的支撑梁的长度大于地表处开挖扰动影响范围的宽度，支撑梁长度满足如下公式：

；

其中，为暗挖地下工程的断面开挖高度，/>为地下工程断面顶部距地表处的垂直距离，/>为暗挖地下工程断面开挖宽度。

3.如权利要求1所述的用于暗挖地下工程的预应力主动支护控制方法，其特征是，对于朝暗挖地下工程周边开挖扰动影响范围边界方向安设的悬吊支护构件，待其钻孔底端锚固段形成稳定后，沿其顶端端头处对其进行张拉并按预设值施加预应力。

4.如权利要求1所述的用于暗挖地下工程的预应力主动支护控制方法，其特征是，对于朝地下工程开挖扰动范围影响边界处安设的悬吊支护构件，其支护力满足如下公式：；

对于朝地下工程开挖断面范围内的悬吊支护构件，其支护力满足如下公式：/>；

其中，为地层中悬吊支护构件锚固段灌浆体与周围地层界面之间的黏结强度，/>为地层钻孔的半径，/>为锚固段的长度；/>为单根悬吊支护构件的破断承载力。

5.如权利要求1所述的用于暗挖地下工程的预应力主动支护控制方法，其特征是，暗挖地下工程开挖时，根据暗挖地下工程水文地质条件及断面设计尺寸，采用全断面法、台阶法或分部开挖法进行开挖；其他支护构件施作包括喷射混凝土、钢拱架、防水层、钢筋混凝土衬砌。