CN117868841A - 一种新奥法施工的隧道临时支护装置及其支护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新奥法施工的隧道临时支护装置，涉及隧道临时支护技术领域。它包括弧形段、支撑顶力段和支撑腿，弧形段紧贴顶拱，弧形段与支撑腿连接；支撑顶力段与支撑腿连接，支撑顶力段顶紧隧道的边墙；支撑腿底部抵住边墙与渣堆的结合处。隧道常规开挖循环中隧道掌子面爆破后，碎块石渣堆一般形成三角堆积体，渣堆长度一般超过本循环爆破进深，掌子面处渣堆高度一般不超过一半洞高；本发明中利用可多点施力的隧道临时支护装置和渣堆，将循环调整为掌子面爆破—通风除尘—排险+支护—钻探炮眼+出渣，可节省掌子面施工台车搬运时间，有利于减少围岩松弛卸荷时间。本发明还公开了这种新奥法施工的隧道临时支护装置的支护方法。

Description

一种新奥法施工的隧道临时支护装置及其支护方法

技术领域

本发明涉及隧道临时支护技术领域，更具体地说它是一种新奥法施工的隧道临时支护装置。本发明还涉及这种新奥法施工的隧道临时支护装置的支护方法。

背景技术

在当代隧道工程中，特别是盾构机等大型设备不便运输、安装的山区，新奥法施工依然是隧道成型的主要工作方法；成洞过程需要及时采用喷射混凝土支护、锚杆、金属网、钢拱架等手段减少围岩松弛变形，使围岩连接在支护物体上，成为支护体系的组成部分。

但在实际施工中往往存在几个问题：

1)支护手段一般需要在洞室出渣环节之后方实施，几个小时的时间差会使软岩或破碎岩体的拱顶和边墙上部在重力作用下持续变形，导致松弛圈增大甚至塌方造成超挖；

2)支护之前需要排除松动岩块，存在安全隐患及增加超挖；

3)锚杆支护在成孔时需要使用水循环及产生震动，易使松动岩体垮塌；

4)常用拱架是提前加工而成的固定尺寸设备，与软弱或破碎岩体形成的洞壁难以紧密贴合，而拱架外侧的空腔回填存在滞后问题，导致拱架支护效果不理想。

因此，研发一种对现行国家标准规定的Ⅲ—Ⅴ类易掉块或垮塌的围岩洞壁围岩及时便捷支护、造价较低、可重复使用的支护装置很有必要的。

发明内容

本发明的第一目的是为了克服上述背景技术的不足之处，而提供一种新奥法施工的隧道临时支护装置。

本发明的第二目的是为了提供这种新奥法施工的隧道临时支护装置的支护方法。

为了实现上述第一目的，本发明的技术方案为：一种新奥法施工的隧道临时支护装置，其特征在于：包括弧形段、支撑顶力段和支撑腿，所述弧形段上表面紧贴隧道的顶拱，弧形段的左右两端均通过支撑顶力段与支撑腿连接；

所述支撑顶力段可上下伸缩的与支撑腿连接，支撑顶力段顶紧隧道的边墙；

所述支撑腿底部抵住边墙与渣堆的结合处。

在上述技术方案中，还包括多个螺旋顶力杆；所述螺旋顶力杆依次贯穿弧形段的下表面、弧形段的上表面，通过矩形顶板顶紧隧道的顶拱；多个所述螺旋顶力杆均匀分布在弧形段上。

在上述技术方案中，所述支撑顶力段包括加固框架、受力框架、竖置千斤顶和横置千斤顶；

所述受力框架包括横向受力板和竖向受力板，所述竖向受力板安装在横向受力板靠近边墙一端；

所述加固框架底部与横向受力板顶部接触，加固框架内安装有横置千斤顶，所述横置千斤顶与横向受力板连接；

所述竖置千斤顶安装在横向受力板底部，竖置千斤顶与支撑腿连接。

在上述技术方案中，所述横向受力板底部间隔安装有两个竖置千斤顶，其中一个竖置千斤顶平行于掌子面、另一个竖置千斤顶向隧道洞门一侧倾斜，两个竖置千斤顶之间的夹角为15度。

在上述技术方案中，所述弧形段包括槽钢和厚钢板；所述槽钢为弧形，槽钢的弧度与顶拱的弧度一致，槽钢开口向下；所述厚钢板与槽钢的开口连接。

在上述技术方案中，所述槽钢侧板上开有多个施钻辅助孔；所述槽钢中部靠近隧道洞门一侧设置有肋板，所述肋板左右两端均开有连接孔，所述连接孔通过支撑腿斜向抵住边墙与渣堆的结合处。

在上述技术方案中，所述加固框架上端通过连接加固栓与弧形段固定连接；所述竖置千斤顶通过限位钢筒与支撑腿顶部连接，所述支撑腿有多节。

为了实现上述第二目的，本发明的技术方案为：一种新奥法施工的隧道临时支护装置的支护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：掌子面爆破后，进行通风除尘；

步骤2：清理欠挖洞壁并利用渣堆形成临时工作面；

步骤3：将弧形段和支撑顶力段移动至安装位置，进行安装固定；将金属网放置于弧形段与顶拱之间；

步骤4：根据竖置千斤顶底部与渣堆之间的间距，安装支撑腿，通过竖置千斤顶柱塞活动的行程施加压力至渣堆与边墙渣堆的结合处，将弧形段整体向上顶托，使弧形段与顶拱紧贴；通过横置千斤顶柱塞活动的行程,使得横向受力板向边墙处施加横向顶力，使弧形段整体牢固；

步骤5：旋转螺旋顶力杆，使矩形顶板紧密结合围岩，完成安装；

步骤6：采用锚杆对破碎围岩加固；

步骤7：钻取掌子面中上部炮孔，顶拱处的炮眼通过施钻辅助孔完成；

步骤8：钻取掌子面中下部炮孔时，同步进行出渣工序；

步骤9：炮孔施钻完成后，安装炸药爆破；

步骤10：清理浮石及渣堆整平，将弧形段和支撑顶力段向隧道的洞内移动，准备下一个循环工作。

在上述技术方案中，在步骤4中，连接孔通过支撑腿斜向抵住边墙与渣堆的结合处。

在上述技术方案中，当围岩完整性较好时，步骤3中的安装位置为掌子面；

当围岩完整性较差时，步骤3中的安装位置为隧道洞门一侧至掌子面，重复步骤3-步骤5，多榀弧形段和支撑顶力段由隧道洞门一侧向掌子面依次安装固定；步骤6中采用锚杆对破碎围岩加固后，拆除隧道洞门一侧的多榀弧形段和支撑顶力段，保留掌子面处的弧形段和支撑顶力段。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1)隧道常规开挖循环为：掌子面爆破—通风除尘—出渣—排险—支护—钻探炮眼；其中隧道掌子面爆破后，碎块石渣堆一般由新成型的掌子面处斜向洞外形成三角堆积体，渣堆长度一般超过本循环爆破进深，掌子面处渣堆高度一般不超过一半洞高；本发明中利用可多点施力的隧道临时支护装置和渣堆，并根据自身安装特点将开挖循环过程调整为掌子面爆破—通风除尘—排险+支护—钻探炮眼+出渣，可节省大型掌子面施工台车搬运时间，有利于减少围岩松弛卸荷时间。

2)本发明的环顶拱炮眼可通过施钻辅助孔完成，减少作业时间。

3)现有的锚杆支护在成孔时需要使用水循环及产生震动，易使松动岩体垮塌，本发明的隧道临时支护装置在支护时不需要设置锚杆，因此不会产生震动，造成松动岩体垮塌。

4)本发明将排险和支护同时进行，清除欠挖的松动岩块时，本发明的隧道临时支护装置已经基本安装完成；因利用渣堆增高使渣堆与顶拱的间距变小，还可以采用支撑腿临时抵住已超挖顶拱的松动岩块，减小了安全隐患和重力掉块造成的超挖方量和衬砌方量。

5)本发明的槽钢通过两侧腿部等距切割三角豁口并折弯后内外焊接形成与设计隧洞顶拱弧度一致的弧形，通过竖置千斤顶柱塞活动的行程施加压力至渣堆与边墙渣堆的结合处，将弧形段整体向上顶托，使弧形段与顶拱紧贴；通过横置千斤顶柱塞活动的行程,使得横向受力板向边墙处施加横向顶力，通过旋转螺旋顶力杆使矩形顶板紧密结合顶拱围岩，使弧形段整体牢固，以达到理想支护效果。

6)本发明一个竖置千斤顶平行于掌子面、另一个竖置千斤顶向隧道洞门一侧倾斜，两个竖置千斤顶之间的夹角为15度，用于增强稳定性和后期扒渣时不会同时悬空。

附图说明

图1为本发明的安装示意图。

图2为本发明中弧型段的结构示意图。

图3为本发明中螺旋顶力杆的结构示意图。

图4为本发明中支撑顶力段的结构示意图。

图5为图1中的A-A处的断面示意图。

图6为图1中的B-B处的断面示意图。

其中，1-弧形段、11-槽钢、111-施钻辅助孔、12-厚钢板、13-肋板、131-连接孔、2-支撑顶力段、21-加固框架、22-受力框架、221-横向受力板、222-竖向受力板、23-竖置千斤顶、24-横置千斤顶、25-连接加固栓、251-连接加固孔、3-支撑腿、31-限位钢筒、4-螺旋顶力杆、41-矩形顶板、5-隧道、51-顶拱、52-边墙、53-渣堆。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

参阅附图可知：一种新奥法施工的隧道临时支护装置，其特征在于：包括弧形段1、支撑顶力段2和支撑腿3，所述弧形段1上表面紧贴隧道5的顶拱51，弧形段1的左右两端均通过支撑顶力段2与支撑腿3连接；

所述支撑顶力段2可上下伸缩的与支撑腿3连接，支撑顶力段2顶紧隧道5的边墙52；

所述支撑腿3底部抵住边墙52与渣堆53的结合处。

还包括多个螺旋顶力杆4；所述螺旋顶力杆4依次贯穿弧形段1的下表面、弧形段1的上表面，通过矩形顶板41顶紧隧道5的顶拱51；多个所述螺旋顶力杆4均匀分布在弧形段1上。

所述支撑顶力段2包括加固框架21、受力框架22、竖置千斤顶23和横置千斤顶24；

所述受力框架22包括横向受力板221和竖向受力板222，所述竖向受力板222安装在横向受力板221靠近边墙52一端；

所述加固框架21底部与横向受力板221顶部接触，加固框架21内安装有横置千斤顶24，所述横置千斤顶24与横向受力板221连接；

所述竖置千斤顶23安装在横向受力板221底部，竖置千斤顶23与支撑腿3连接。

所述横向受力板221底部间隔安装有两个竖置千斤顶23，其中一个竖置千斤顶23平行于掌子面、另一个竖置千斤顶23向隧道5洞门一侧倾斜，两个竖置千斤顶23之间的夹角为15度。

所述弧形段1包括槽钢11和厚钢板12；所述槽钢11为弧形，槽钢11的弧度与顶拱51的弧度一致，槽钢11开口向下；所述厚钢板12与槽钢11的开口连接。

所述槽钢11侧板上开有多个施钻辅助孔111；所述槽钢11中部靠近隧道5洞门一侧设置有肋板13，所述肋板13左右两端均开有连接孔131，所述连接孔131通过支撑腿3抵住边墙52与渣堆53的结合处。

所述加固框架21上端通过连接加固栓25与弧形段1固定连接；所述竖置千斤顶23通过限位钢筒31与支撑腿3顶部连接，所述支撑腿3有多节。

一种新奥法施工的隧道临时支护装置的支护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：掌子面爆破后，进行通风除尘；采用通风、喷水等除尘措施至符合规范标准；

步骤2：采用反铲挖掘机清理清理欠挖洞壁并利用渣堆53形成临时工作面；使本次爆破形成的未支护段顶拱51与渣堆53间的高差可安放隧道临时支护装置，根据未支护段顶拱51与渣堆53间的高差可不安装支撑腿3；

步骤3：采用反铲挖掘机铲斗将将弧形段1和支撑顶力段2移动至安装位置，进行安装固定；按本发明的矩形顶板41最大支护面50cm考虑，一般围岩条件可防护0.8-1m洞宽，可留出设计安装定型拱架位置(定型钢拱架为用于永久支护钢拱架，是由多段连接的固定尺寸钢拱架)；

将金属网放置于弧形段1与顶拱51之间；

步骤4：施工人员根据竖置千斤顶23底部与渣堆53之间的间距，安装支撑腿3，通过竖置千斤顶23柱塞活动的行程施加压力至渣堆53与边墙渣堆52的结合处，将弧形段1整体向上顶托，使弧形段1与顶拱51紧贴；通过横置千斤顶24柱塞活动的行程,使得横向受力板221向边墙52处施加横向顶力，使弧形段1整体牢固；

步骤5：旋转螺旋顶力杆4，使矩形顶板41紧密结合顶拱51围岩，减弱围岩松弛程度；完成安装；

步骤6：钻探并采用锚杆对破碎围岩加固；采用系统锚杆或随机锚杆对破碎围岩加固前，应进一步查看松动岩块，必要时清除或使用支撑腿3顶紧施工部位松动岩块或钢丝网，再行采用设备钻眼，并安装锚杆和与钢丝网焊接；

如需安装定型拱架，定型拱架与锚杆固定；

采用高压喷射混凝土将金属网、定型钢拱架等与围岩、锚杆端部粘结凝固在一起，此时掌子面处的隧道临时支护装置需防护勿喷射混凝土；

步骤7：钻取掌子面中上部炮孔，顶拱51处的炮眼通过施钻辅助孔111完成；

步骤8：钻取掌子面中下部炮孔时，同步进行出渣工序，如出渣导致支撑腿3松动，由人工按松动次序分别接长支撑腿3；

步骤9：炮孔施钻完成后，安装炸药爆破；

步骤10：清理浮石及渣堆整平，将弧形段1和支撑顶力段2向隧道5的洞内移动，准备下一个循环工作。

在步骤4中，连接孔131通过支撑腿3斜向抵住边墙52与渣堆53的结合处。

当围岩完整性较好时，仅局部掉块，步骤3中的安装位置为掌子面；

当围岩完整性较差时，步骤3中的安装位置为隧道5洞门一侧至掌子面，重复步骤3-步骤5，多榀弧形段1和支撑顶力段2由隧道5洞门一侧向掌子面依次安装固定；步骤6中采用锚杆对破碎围岩加固后，拆除隧道5洞门一侧的多榀弧形段1和支撑顶力段2，保留掌子面处的弧形段1和支撑顶力段2。

实际使用中，本发明的部件均为金属材质；弧型段1为钢拱架主体，形状和尺寸与顶拱51设计轮廓一致；弧型段1的长度小于顶拱弧形段20-40cm，便于搬运、旋转调整放置位置；弧型段1通过沿弧线布置多个螺旋顶力杆4直接顶紧顶拱51岩体；弧型段1通过横置千斤顶24支撑于边墙52上，通过竖置千斤顶23连接支撑腿3至渣堆53或地面，承受弧型段1传导的荷载。

槽钢11两侧腿部等距切割三角豁口并折弯后内外焊接，形成与设计隧道5的顶拱51弧度一致的弧形，槽钢11下弧面焊接有与槽钢11下弧长一致的厚钢板12，槽钢11和厚钢板12形成断面为中空矩形的弧线体；肋板13用以增加强度和方便搬运；连接孔131内径约3cm；施钻辅助孔111为圆孔，直径约4cm，施钻辅助孔111避开竖向焊缝；沿弧型段1上下弧面中线等距钻取若干直径约2cm的圆孔，圆孔避开竖向焊缝，并加工成上下弧面同心的螺纹孔，螺纹孔垂直于上下弧面。

螺旋顶力杆4主体直径与螺纹孔一致，长度约50cm，螺旋顶力杆4通过螺帽或轴承焊接等方式与矩形顶板41中心连接；矩形顶板41长、宽、厚约为50cm、10cm、1cm。

加固框架21采用厚度约1.5cm钢板，加固框架21高度约50cm，宽度需满足横置千斤顶24油室的固定和防护，临边墙52一侧的加固框架21边缘平行于设计边墙面；加固框架21焊接于弧线段1端部两侧，并通过2根连接加固栓25穿过弧线段补充加固；横置千斤顶24为常用的行程较大的柱塞式千斤顶，横置千斤顶24柱塞轴向与设计边墙52垂直；在横置千斤顶24柱塞顶出时，可超过弧线段1边缘10cm以上。

支撑框架22采用厚度约1.5cm钢板，上部宽度约30cm，横向受力板221掌子面一侧边缘中下部焊接竖置防护板223，竖置防护板223用于爆破时保护千斤顶和辅助增加横向受力板221的强度；两个竖置千斤顶23底座用钢板连接，钢板下面沿两个竖置千斤顶23柱塞轴向焊接限位钢筒31，限位钢筒31用以连接支撑腿3并限位。

支撑腿3为多种长度的厚壁钢管(或工字钢等)组合，相互间可通过连接板及螺栓连接，支撑腿3下端至渣堆面或洞底。

本发明隧道临时支护装置的单榀质量：以宽度8m、高度7m的城门洞型隧道举例，计划采用18b型号的热轧槽钢作为弧形段1的主体，理论质量为23kg每米，增加厚钢板12、肋板13、螺旋顶力杆4、支撑顶力段2后估算单位质量约50kg/米，估算长度约12m，单榀隧道临时支护装置质量约700kg，大中型挖掘机即可托举。

本发明的施工过程应关注隧道临时支护装置的状态，必要时可在矩形顶板41与顶拱51围岩间增设变形传感器动态掌握洞壁变形数据；若隧道临时支护装置突然松动或异响，施工人员应迅速撤至安全区域观察，以避免冒顶等原因产生的围岩松动，如必要时迅速通知地质、观测专业进驻。

本发明支护方法中，因利用渣堆增高使顶拱间距变小，有利于采用支撑腿3等撑杆临时支护松动岩块，减少排险和重力掉块造成的超挖方量和衬砌方量；采用该方法前提是松动岩块运动方向垂直于地面，其它方向一般都有围岩约束，提早施加反力即可阻止松动岩块掉落，但该方法存在一定危险性，需要在保证人员安全的条件下进行。

其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (10)

1.一种新奥法施工的隧道临时支护装置，其特征在于：包括弧形段(1)、支撑顶力段(2)和支撑腿(3)，所述弧形段(1)上表面紧贴隧道(5)的顶拱(51)，弧形段(1)的左右两端均通过支撑顶力段(2)与支撑腿(3)连接；

所述支撑顶力段(2)可上下伸缩的与支撑腿(3)连接，支撑顶力段(2)顶紧隧道(5)的边墙(52)；

所述支撑腿(3)底部抵住边墙(52)与渣堆(53)的结合处。

2.根据权利要求1所述的一种新奥法施工的隧道临时支护装置，其特征在于：还包括多个螺旋顶力杆(4)；所述螺旋顶力杆(4)依次贯穿弧形段(1)的下表面、弧形段(1)的上表面，通过矩形顶板(41)顶紧隧道(5)的顶拱(51)；多个所述螺旋顶力杆(4)均匀分布在弧形段(1)上。

3.根据权利要求1所述的一种新奥法施工的隧道临时支护装置，其特征在于：所述支撑顶力段(2)包括加固框架(21)、受力框架(22)、竖置千斤顶(23)和横置千斤顶(24)；

所述受力框架(22)包括横向受力板(221)和竖向受力板(222)，所述竖向受力板(222)安装在横向受力板(221)靠近边墙(52)一端；

所述加固框架(21)底部与横向受力板(221)顶部接触，加固框架(21)内安装有横置千斤顶(24)，所述横置千斤顶(24)与横向受力板(221)连接；

所述竖置千斤顶(23)安装在横向受力板(221)底部，竖置千斤顶(23)与支撑腿(3)连接。

4.根据权利要求3所述的一种新奥法施工的隧道临时支护装置，其特征在于：所述横向受力板(221)底部间隔安装有两个竖置千斤顶(23)，其中一个竖置千斤顶(23)平行于掌子面、另一个竖置千斤顶(23)向隧道(5)洞门一侧倾斜，两个竖置千斤顶(23)之间的夹角为15度。

5.根据权利要求2所述的一种新奥法施工的隧道临时支护装置，其特征在于：所述弧形段(1)包括槽钢(11)和厚钢板(12)；所述槽钢(11)为弧形，槽钢(11)的弧度与顶拱(51)的弧度一致，槽钢(11)开口向下；所述厚钢板(12)与槽钢(11)的开口连接。

6.根据权利要求5所述的一种新奥法施工的隧道临时支护装置，其特征在于：所述槽钢(11)侧板上开有多个施钻辅助孔(111)；所述槽钢(11)中部靠近隧道(5)洞门一侧设置有肋板(13)，所述肋板(13)左右两端均开有连接孔(131)，所述连接孔(131)通过支撑腿(3)斜向抵住边墙(52)与渣堆(53)的结合处。

7.根据权利要求3所述的一种新奥法施工的隧道临时支护装置，其特征在于：所述加固框架(21)上端通过连接加固栓(25)与弧形段(1)固定连接；所述竖置千斤顶(23)通过限位钢筒(31)与支撑腿(3)顶部连接，所述支撑腿(3)有多节。

8.根据权利要求1-7中任一权利要求所述一种新奥法施工的隧道临时支护装置的支护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：掌子面爆破后，进行通风除尘；

步骤2：清理欠挖洞壁并利用渣堆(53)形成临时工作面；

步骤3：将弧形段(1)和支撑顶力段(2)移动至安装位置，进行安装固定；将金属网放置于弧形段(1)与顶拱(51)之间；

步骤4：根据竖置千斤顶(23)底部与渣堆(53)之间的间距，安装支撑腿(3)，通过竖置千斤顶(23)柱塞活动的行程施加压力至渣堆(53)与边墙渣堆(52)的结合处，将弧形段(1)整体向上顶托，使弧形段(1)与顶拱(51)紧贴；通过横置千斤顶(24)柱塞活动的行程,使得横向受力板(221)向边墙(52)处施加横向顶力，使弧形段(1)整体牢固；

步骤5：旋转螺旋顶力杆(4)，使矩形顶板(41)紧密结合围岩，完成安装；

步骤6：采用锚杆对破碎围岩加固；

步骤7：钻取掌子面中上部炮孔，顶拱(51)处的炮眼通过施钻辅助孔(111)完成；

步骤8：钻取掌子面中下部炮孔时，同步进行出渣工序；

步骤9：炮孔施钻完成后，安装炸药爆破；

步骤10：清理浮石及渣堆整平，将弧形段(1)和支撑顶力段(2)向隧道(5)的洞内移动，准备下一个循环工作。

9.根据权利要求8所述一种新奥法施工的隧道临时支护装置的支护方法，其特征在于：在步骤4中，连接孔(131)通过支撑腿(3)斜向抵住边墙(52)与渣堆(53)的结合处。

10.根据权利要求8所述一种新奥法施工的隧道临时支护装置的支护方法，其特征在于：当围岩完整性较好时，步骤3中的安装位置为掌子面；

当围岩完整性较差时，步骤3中的安装位置为隧道(5)洞门一侧至掌子面，重复步骤3-步骤5，多榀弧形段(1)和支撑顶力段(2)由隧道(5)洞门一侧向掌子面依次安装固定；步骤6中采用锚杆对破碎围岩加固后，拆除隧道(5)洞门一侧的多榀弧形段(1)和支撑顶力段(2)，保留掌子面处的弧形段(1)和支撑顶力段(2)。