CN203321531U - 地下洞室顶拱塌方后的衬砌处理结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种地下洞室顶拱塌方后的衬砌处理结构，涉及地下洞室施工领域，提供一种工作量小，成本低，防塌效果好的地下洞室顶拱塌方后的砌处理结构。地下洞室顶拱塌方后的衬砌处理结构包括围岩和具有相互连接的拱形梁和加强锚杆的支撑钢结构；围岩内部形成洞室和塌腔，塌腔下部填充有存留坍塌渣，存留坍塌渣和围岩在与洞室的交界的部分形成洞室顶拱；存留坍塌渣为经固结灌浆处理后的固结结构；存留坍塌渣和存留坍塌渣两侧的围岩内均至少存在一件加强锚杆；拱形梁形状与洞室顶拱横截面形状匹配，拱形梁与洞室顶拱贴合；存留坍塌渣通过支撑钢结构与围岩连接。本实用新型可用于修复顶拱塌方的地下洞室。

Description

地下洞室顶拱塌方后的衬砌处理结构

技术领域

本实用新型涉及地下洞室施工领域，尤其设计一种地下洞室顶拱塌方后的衬砌处理结构。

背景技术

矿山、水电、铁路、国防等行业中经常需要布置基岩中深埋的大型地下洞室（群），基于《岩石力学》及工程实例，这些洞室均采用弧度不一的圆拱洞顶，跨度普遍自20m～32m，国防工程中更甚。由于地下围岩条件复杂、未知的不利地质因素众多，采用各种计算模型并综合工程经验所得到的开挖支护方案仍无法完全避免洞室开挖过程中出现塌方。一旦发生塌方将必然造成重大损失，对工程的工期、投资造成重大负面影响。深埋基岩内大型洞室的中、大规模塌方通常形成空腔，造成洞室整体受力模式改变，洞室顶拱原有拱作用失效将带来洞室其它部位应力集中释放，造成较大的变位变形甚至整个洞室失稳，有的地下水及裂隙岩脉丰富的洞室还有可能沿塌方空腔发生连续垮塌，对后续开挖施工以及将来的工程运行造成巨大威胁。传统处理方法得到的结构如图2，传统处理方法通常是首先将洞室和塌腔内坍塌的岩石和土壤全部清理，然后在塌腔中下部浇筑一定厚度（通常是塌腔高度1/4～1/3）的钢筋混凝土拱圈，恢复洞室顶拱的拱作用，然后利用灌浆将塌腔剩余空间填实，防止二次塌方。但这种方法有如下弊端，首先塌方发生后的清渣工作量大，不仅要将塌方渣料全部清除，还要加固塌口防止塌方继续扩大，施工难度大，安全施工难以控制；其次混凝土拱圈浇筑条件较差，工程量巨大，且钢筋混凝土结构与周边围岩的物理力学性质差异较大，能否形成拱作用并与塌口围岩良好固结存在较大风险；最后对塌腔剩余部分的填实尽管避免了“拱上拱”现象，即避免了继续塌方的风险，通常也增大了下部混凝土拱圈的荷载，同时灌浆工程量巨大。因此，传统的“混凝土回填”处理方法在施工安全、工期及投资上存在较大改进空间。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种工作量小，成本低，防塌效果好的地下洞室顶拱塌方后的砌处理结构。

为解决上述问题采用的技术方案是：地下洞室顶拱塌方后的衬砌处理结构包括围岩，围岩内部形成洞室和塌腔，塌腔下部填充有存留坍塌渣，存留坍塌渣和围岩在与洞室的交界的部分形成洞室顶拱；地下洞室顶拱塌方后的衬砌处理结构还包括具有相互连接的拱形梁和加强锚杆的支撑钢结构；存留坍塌渣为经固结灌浆处理后的固结结构；存留坍塌渣和存留坍塌渣两侧的围岩内均至少存在一件加强锚杆；拱形梁形状与洞室顶拱横截面形状匹配，拱形梁与洞室顶拱贴合；存留坍塌渣通过支撑钢结构与围岩连接。

进一步的是：加强锚杆沿垂直于洞室顶拱方向设置。

进一步的是：支撑钢结构的数量为至少两件，各件支撑钢结构沿洞室轴线间隔设置，相邻支撑钢结构之间的距离为50至100cm。

进一步的是：洞室顶拱表面喷射有混凝土层，混凝土层至少覆盖存留坍塌渣、存留坍塌渣附近的围岩和拱形梁。

进一步的是：支撑钢结构包括与拱形梁连接的支护锚杆，支护锚杆设置于围岩内。

进一步的是：存留坍塌渣内设置有与洞室连通的排水孔。

进一步的是：塌腔上部没有填充存留坍塌渣的部分为空腔，形成空腔的围岩内设置有空腔支护锚杆，形成空腔的围岩表面喷射有空腔混凝土层。

进一步的是：形成空腔的围岩内设置有排水装置。

进一步的是：洞室和空腔内设置有坍塌监测装置。

本实用新型的有益效果是：相比传统塌方处理采用新浇筑钢筋混凝土拱圈结构承载的方法，本实用新型就地利用塌方后堆积于塌口的坍塌渣，对渣体进行有效固结，使其在物理力学参数上达到或接近于洞室其它部分围岩水平，配合拱形梁的刚性支撑共同作用，并与周边围岩有效支撑连接，形成具有拱作用的支撑拱圈，以达到维护洞室围岩稳定的工程目的。根据数个工程塌方处理实例表明，本实用新型相较传统方案工程投资减少20%～40%，工期节约30%左右，施工质量和安全控制条件大为改善，具有显著的推广和实用价值。

附图说明

图1是本实用新型地下洞室顶拱塌方后的衬砌处理结构横截面图；

图2是现有技术地下洞室顶拱塌方后经修复后的横截面图；

图中标记为：洞室侧壁1、洞室顶拱2、支护锚杆3、加强锚杆4、拱形梁5、固结坍塌渣6、松散坍塌渣7、空腔8、洞室9、混凝土层10、空腔混凝土层11、塌腔12、空腔支护锚杆13、排水装置14、围岩15、存留坍塌渣16、支撑钢结构17。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。

为了提供一种工作量小，成本低，防塌效果好的地下洞室顶拱塌方后衬砌处理结构，地下洞室顶拱塌方后的衬砌处理结构包括围岩15，围岩15内部形成洞室9和塌腔12，塌腔12下部填充有存留坍塌渣16，存留坍塌渣16和围岩15在与洞室9的交界的部分形成洞室顶拱2；地下洞室顶拱塌方后的衬砌处理结构还包括具有相互连接的拱形梁和加强锚杆的支撑钢结构；存留坍塌渣16为经固结灌浆处理后的固结结构；存留坍塌渣16和存留坍塌渣16两侧的围岩15内均至少存在一件加强锚杆4；拱形梁5形状与洞室顶拱2横截面形状匹配，拱形梁5与洞室顶拱2贴合；存留坍塌渣16通过支撑钢结构17与围岩15连接。

得到上述衬砌处理结构的施工方法包括如下步骤：a、清理洞室9内的坍塌渣，清理量以能够避免存留坍塌渣16掉落为准；b、往存留坍塌渣16和存留坍塌渣16两侧的围岩15内插入加强锚杆4，各加强锚杆4靠近洞室顶拱2一端位于洞室9同一横截面内，存留坍塌渣16和存留坍塌渣16两侧的围岩15内均至少插入一件加强锚杆4；c、将形状与洞室顶拱2横截面形状匹配的拱形梁5与所有加强锚杆4连接并使拱形梁5与洞室顶拱2贴合；d、对存留坍塌渣16进行固结灌浆处理；e、重复步骤a至d直至洞室9内的坍塌渣全部清理。

坍塌渣是围岩15塌方后的岩石和土壤；存留坍塌渣16是清理掉洞室9内的坍塌渣后剩余未清理的在塌腔12内的坍塌渣。加强锚杆4类似于“喷锚支护”中的锚杆又类似于膨胀螺栓，“喷锚支护”指的是借高压喷射水泥混凝土和打入岩层中的金属锚杆的联合作用（根据地质情况也可分别单独采用）加固岩层的方法，“喷锚支护”为现有技术洞室加固的常用方式。加强锚杆4推荐沿垂直于洞室顶拱2方向设置。拱形梁5推荐由14至22b工字钢弯曲制成，一次实施上述c步骤时可以设置一件也可以设置两件拱形梁5。加强锚杆4与拱形梁5的连接方式推荐为焊接。

“固结灌浆处理”是现有技术为改善节理裂隙发育或有破碎带的岩石的物理力学性能而进行的灌浆工程。固结灌浆处理后的存留坍塌渣16物理力学参数必须接近或达到洞室内完好区域围岩水平，并且声波测值不低于2500m/s。可通过声波测值、钻孔取芯、孔内摄像、压水试验等多种手段对固结灌浆处理后的存留坍塌渣16物理力学参数进行测量。若存留坍塌渣16较多，不必固结灌浆处理全部的存留坍塌渣16，通常保证固结灌浆有效高度应不小于塌方空腔高度的1/3，对于上小下大的葫芦形塌腔，固结灌浆高度应达到空腔高度的1/2。固结灌浆处理后和未经固结灌浆处理的存留坍塌渣16分别为固结坍塌渣6和松散坍塌渣7。本实用新型中固结灌浆的技术指标应为：（1）固结灌浆采用新鲜的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，水泥强度等级不小于42.5。（2）灌浆采用自上而下分段灌浆法，逐段安装灌浆塞进行孔内循环灌浆。灌浆孔全孔分三段进行灌浆，各段长度均为3m。（3）坍塌口即塌腔12与洞室9相交的口段灌浆压力不大于0.5MPa，其余段灌浆压力不大于1MPa。灌浆压力采用逐级升压方法，起始压力0.2MPa，每级增加0.3～0.5MPa。灌浆过程中，应加强存留坍塌渣16表面变形监测。存留坍塌渣16表面冒浆、漏浆严重或变形较大时，灌浆压力适当降低，稳定后再提高压力。（4）灌浆应采用分序加密的方式进行。（5）灌浆浆液应由稀至浓逐级变换。浆液水灰比采用1、0.5两个比级。初始浆液水灰比1:1。（6）浆液变换原则如下：a、当灌浆压力保持不变，注入率持续减少时，或注入率不变而压力持续升高时，不得改变水灰比。b、当某级浆液注入量已达300L以上，或灌浆时间已达30min，而灌浆压力和注入率无改变或不显著时，应改用浓一级水灰比。c、当注入率大于30L/min时，可根据具体情况越级变浓。（7）灌浆结束条件：在灌浆段设计压力下，当注入率不大于1L/min后，持续灌浆30min，可结束灌浆。（8）灌浆孔终孔段灌浆结束后，应排除孔内的积水和污物，采用水灰比0.5:1的浓浆进行灌浆封孔，封孔压力0.5MPa，封孔时间不少于30min。（9）固结灌浆质量检查以声波检测、钻孔取芯及孔内摄像为主，压水试验为辅，进行综合分析。（10）灌浆后存留坍塌渣16声波波速值应不小于2500m/s。（11）压水试验采用钻孔压水试验单点法，压水试验检查时间在固结灌浆结束7天以后，检查孔数量不少于灌浆孔数的5%，且不少于3孔。合格标准为85%以上试段透水率不大于5Lu，其余试段不大于7Lu，且分布不集中。

通过固结灌浆使存留坍塌渣16物理力学参数上达到或接近于围岩15水平，通过支撑钢结构17将存留坍塌渣16与周边围岩15有效连成一体，并结合拱形梁5的刚性支撑共同作用，使塌方处形成具有拱作用的支撑拱圈，以达到维护洞室围岩稳定的工程目的。根据数个工程塌方处理实例表明，本实用新型相较传统方案工程投资减少20%～40%，工期节约30%左右，施工质量和安全控制条件大为改善，具有显著的推广和实用价值。

根据坍塌口的大小不同，需设置多个支撑钢结构17各件支撑钢结构17沿洞室9轴线间隔设置，相邻支撑钢结构17之间的距离为50至100cm。这样能够保证良好的支撑效果和连接围岩15与存留坍塌渣16的效果。

为了进一步加固洞室9，洞室顶拱2表面喷射有混凝土层10，混凝土层10至少覆盖存留坍塌渣16、存留坍塌渣16附近的围岩15和拱形梁5。喷射混凝土工艺与前面叙述的“喷锚支护”中喷射混凝土工艺相同。喷射混凝土是将一定比例的水泥、砂子和碎石均匀搅拌后，通过混凝土喷射机与水混合后以较高速度（30-100m/s）喷射到围岩表面上并快速凝结硬化而形成的支护层。由于混凝土是在一定压力下喷射的，使砂、石骨料和水泥颗粒重复碰撞冲击，相当于受到连续的冲实和压密，而且喷射工艺又可以使用较小的水灰比，这就保证了喷射混凝土具有较高的物理力学性能。喷射混凝土在对存留坍塌渣16进行固结灌浆处理后进行。

同样为了进一步加固洞室9，支撑钢结构17包括与拱形梁5连接的支护锚杆3，支护锚杆3设置于围岩15内。支护锚杆3与“喷锚支护”中的锚杆相同，支护锚杆3与加强锚杆4的区别是，加强锚杆4主要作用是与拱形梁5一起作用将存留坍塌渣16和围岩15连成一体。支护锚杆3主要有以下几种作用：a、悬吊作用即在块状结构或裂隙岩体中，使用锚杆可将松动的岩块固定在稳定的岩体上，阻止松动块体的滑移和塌落，或者把由节理切割成的岩块连接在一起，锚杆本身受到松动块体的拉力作用。b、减跨作用即在隧道顶板岩层中插入锚杆，相当于在顶板中增加了支点，使隧道跨度缩短，从而使形成洞室顶拱2的围岩15应力减小，起到维护围岩15定的作用。c、组合作用即在层状结构，尤其是薄层状结构的围岩中打入锚杆，把若干薄层岩层锚固在一，组合成一厚层的板或梁，从而提高了围岩15的整体承载能力，起到加固围岩15的稳定作用。4、挤压作用即挤压作用采用预应力系统锚杆加固围岩，其两端附近岩体形成圆锥形挤压区。按一定间距排列的锚杆在预应力作用下形成一个均匀的挤压带，形成承载拱，起拱形支架的作用。支护锚杆3较加强锚杆4更长。加强锚杆4应在设置支护锚杆3时一同设置。

为了便于排水，避免水降低存留坍塌渣16的强度，存留坍塌渣16内设置有与洞室9连通的排水孔。排水孔大小为

50至

76，排水孔应穿过固结坍塌渣6延伸至松散坍塌渣7。设置排水孔在本文具体实施方式第二段步骤e后进行。

为了避免塌腔12顶部塌方，塌腔12上部没有填充存留坍塌渣16的部分为空腔8，形成空腔8的围岩15内设置有空腔支护锚杆13，形成空腔8的围岩15表面和存留坍塌渣16上表面喷射有空腔混凝土层11。实施方式与“喷锚支护”相同，在本文具体实施方式第二段步骤e后开挖通道进入空腔8内部进行。

为了避免空腔8内进水降低存留坍塌渣16的强度，形成空腔8的围岩15内设置有排水装置14。排水装置14本文具体实施方式第二段步骤e后设置。排水措施主要包括均布的排水孔以及排水沟。

为了能够随时监测到洞室9和空腔8内可能出现的塌方，便于及时修复洞室9：洞室9和空腔8内设置有坍塌监测装置。坍塌监测装置最后设置。监测装置主要包括塌腔内的锚杆应力计及测缝计等。

Claims (9)

1.地下洞室顶拱塌方后的衬砌处理结构，包括围岩（15），围岩（15）内部形成洞室（9）和塌腔（12），塌腔（12）下部填充有存留坍塌渣（16），存留坍塌渣（16）和围岩（15）在与洞室（9）的交界的部分形成洞室顶拱（2）；其特征在于：包括具有相互连接的拱形梁（5）和加强锚杆（4）的支撑钢结构（17）；存留坍塌渣（16）为经固结灌浆处理后的固结结构；存留坍塌渣（16）和存留坍塌渣（16）两侧的围岩（15）内均至少存在一件加强锚杆（4）；拱形梁（5）形状与洞室顶拱（2）横截面形状匹配，拱形梁（5）与洞室顶拱（2）贴合；存留坍塌渣（16）通过支撑钢结构（17）与围岩（15）连接。

2.根据权利要求1所述的地下洞室顶拱塌方后的衬砌处理结构，其特征在于：加强锚杆（4）沿垂直于洞室顶拱（2）方向设置。

3.根据权利要求2所述的地下洞室顶拱塌方后的衬砌处理结构，其特征在于：支撑钢结构（17）的数量为至少两件，各件支撑钢结构（17）沿洞室（9）轴线间隔设置，相邻支撑钢结构（17）之间的距离为50至100cm。

4.根据权利要求1至3任一项所述的地下洞室顶拱塌方后的衬砌处理结构，其特征在于：洞室顶拱（2）表面喷射有混凝土层（10），混凝土层（10）至少覆盖存留坍塌渣（16）、存留坍塌渣（16）附近的围岩（15）和拱形梁（5）。

5.根据权利要求4所述的地下洞室顶拱塌方后的衬砌处理结构，其特征在于：支撑钢结构（17）包括与拱形梁（5）连接的支护锚杆（3），支护锚杆（3）设置于围岩（15）内。

6.根据权利要求5所述的地下洞室顶拱塌方后的衬砌处理结构，其特征在于：存留坍塌渣（16）内设置有与洞室（9）连通的排水孔。

7.根据权利要求6所述的地下洞室顶拱塌方后的衬砌处理结构，其特征在于：塌腔（12）上部没有填充存留坍塌渣（16）的部分为空腔（8），形成空腔（8）的围岩（15）内设置有空腔支护锚杆（13），形成空腔（8）的围岩（15）表面和存留坍塌渣（16）上表面喷射有空腔混凝土层（11）。

8.根据权利要求7所述的地下洞室顶拱塌方后的衬砌处理结构，其特征在于：形成空腔（8）的围岩（15）内设置有排水装置（14）。

9.根据权利要求8所述的地下洞室顶拱塌方后的衬砌处理结构，其特征在于：洞室（9）和空腔（8）内设置有坍塌监测装置。

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