CN207892615U - 一种基于管棚预支护的大拱脚三台阶隧道快速施工结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于管棚预支护的大拱脚三台阶隧道快速施工结构，分别通过洞内无工作室管棚施工技术施作短管棚，以超前加固和支护掌子面前方围岩；和在每一级台阶基底处设置大拱脚；在上述双重控制措施下，隧道横断面分三台阶依次开挖，具体过程为：先沿隧道拱部一定范围内施作短管棚超前支护；依次错距开挖上、中、下台阶，每一台阶开挖完成后立即施作初期支护，初期支护基脚处设计为大拱脚型式；下台阶与前一循环二次衬砌距离1倍洞径时，施作仰拱、边墙、填充层以及二次衬砌。本实用新型不仅解决了浅埋软弱围岩条件下隧道变形控制难的问题，同时还克服了同等情况下传统施工方法分部多、工序繁、施工慢、临时支护多等缺点。

Description

一种基于管棚预支护的大拱脚三台阶隧道快速施工结构

技术领域

本实用新型涉及隧道施工领域，特别涉及一种基于管棚预支护的大拱脚三台阶隧道快速施工结构。

背景技术

近年来，随着我国基础设施建设的大力发展，出现了越来越多的隧道工程。在一些穿越软弱围岩的浅埋隧道中，初期支护变形开裂、侵限甚至塌方冒顶等大变形问题屡见不鲜，严重影响了隧道的施工安全与进度，从而增加了工程造价。

针对上述情况，为了防止大变形灾害的发生以保证施工安全，目前国内外大多采用的是各种工序繁杂的分部开挖方法进行施工，其中以CRD法以及双侧壁导坑法最为常见。虽然此类施工方法对于控制地表沉降的效果较为明显，但由于其施工工序繁、各部施工相互干扰较大、施工速度慢，导致整个开挖断面的闭合时间过长，一定程度上不利于控制隧道变形，同时临时支护用量大，增加了工程成本。

因此，如何有效地控制隧道变形，同时保证隧道的快速施工，是当前亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是在于针对上述施工方法的不足，提供一种既能控制隧道变形，保证施工安全，又能加快施工进度降低施工成本的隧道施工结构。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种基于管棚预支护的大拱脚三台阶隧道快速施工结构，通过洞内无工作室管棚施工技术施作短管棚，以超前加固和支护掌子面前方围岩，通过在每一级台阶基底处设置大拱脚，以增大基底承载面积，从而减少隧道结构与围岩变形；在上述双重控制措施下，隧道横断面分三台阶依次开挖。

为了实现上述技术目的，本实用新型的技术方案是，

一种基于管棚预支护的大拱脚三台阶隧道快速施工结构，包括短管棚超前支护结构、构成隧道开挖部分的上、中、下台阶、初期支护结构、仰拱、边墙、填充层和二次衬砌；

所述的短管棚超前支护结构设置于隧道开挖部分之前的隧道拱部以对隧道开挖部分形成保护，所述的上、中、下台阶分别错距；所述的初期支护结构分别设置于上、中、下台阶位置的隧道拱部；仰拱、边墙、填充层和二次衬砌分别设置于隧道完成部分的顶部、侧壁、底部；

所述的一种基于管棚预支护的大拱脚三台阶隧道快速施工结构，初期支护结构包括沿隧道径向打入围岩内的系统锚杆、挂设于隧道拱部的钢筋网、沿隧道横断面架立的钢拱架、打入至围岩中并支撑在钢拱架底部的锁脚锚杆、设置在钢拱架底部处的大拱脚和喷射于隧道拱部的喷射混凝土。

所述的一种基于管棚预支护的大拱脚三台阶隧道快速施工结构，所述的短管棚超前支护结构包括多根直径75mm、长6～8m的钢管组成，钢管在深入到围岩中的部分设有用于在短管棚钢管打设完毕后注浆的小孔，在隧道横断面上，钢管以0.3～0.8m的间距均匀布置在隧道拱部120°～180°范围内，在隧道纵断面方向上，钢管以6°～8°的斜插角向上插入掌子面前方围岩，纵向搭接长度为1～2m。

所述的一种基于管棚预支护的大拱脚三台阶隧道快速施工结构，所述的上、中、下台阶分别占隧道横断面的1/3，相互错距5m～1倍洞径，且隧道开挖时依次开挖上、中、下台阶作为一个循环，每个循环进尺为1～1.5m。

所述的一种基于管棚预支护的大拱脚三台阶隧道快速施工结构，所述的大拱脚为由工字钢焊接而成的三角形，大拱脚的底边和靠围岩侧的斜边分别再在工字钢上焊接1.6cm厚0.5m宽的钢板，底边钢板与隧道开挖的轮廓线垂直，当任何台阶的基底进入基岩时，则不设置大拱脚。

本实用新型的技术效果在于：

(1)传统的管棚施工技术需要沿隧道轮廓线向外径扩挖0.6～0.8m以形成管棚工作室，虽然有利于长大管棚的施工，但由于隧道断面的开挖面积扩大，不仅进一步释放了围岩压力导致挑顶处应力集中，而且还增加了土石方、初期支护等工程量从而延长了施工工期，导致工程成本增加。本实用新型考虑了施工中上台阶超前进尺长度以及施工台架高度，合理地设计了管棚长度及管棚外插角，通过预埋导向管取消了常规的管棚工作室，实现了无工作室条件时管棚的安全快速施工。

(2)传统的分部开挖施工方法由于对隧道断面进行了分块，导致施工过程中初期支护不能及时地封闭成环而达到最佳的支护效果，因而拱部初期支护结构就必须通过其两侧地基的支撑反力保证结构稳定。传统的分部开挖施工方法由于分块较多，围岩压力一次性释放地较小，因此不专门设计大拱脚结构，但实际施工中，由于隧道围岩实际的承载能力较差，往往一定程度上都会导致隧道出现变形控制难的问题。本实用新型通过设置两侧大拱脚结构，增加了拱脚与地基的接触面积，分散了初期支护结构传递至拱脚地基的荷载，对控制结构及围岩变形起到了关键的作用。

(3)传统的分部开挖施工方法分部多、工序繁、施工慢、临时支护多。各分部之间开挖方法的转换及机具的调配明显地延缓了施工进度，分部之间常常设置有临时支护，不仅增加了工程量，同时在拆撑过程中会增加围岩的二次扰动，不利于围岩及结构的稳定。本实用新型提供的三台阶开挖方法同样适用于浅埋软弱围岩地段，通过上述无工作室管棚施工技术以及设置大拱脚结构，有效地控制了围岩及结构的变形，保证了施工安全，同时大大缩短了施工工期并减少了临时支护用量，提高了工程效益。

综上所述，本实用新型能够快速简便地进行管棚超前支护以及大拱脚施工，很大程度上控制了隧道顶部的变形及地表的沉降，能够解决现有传统施工工法存在的分部多、工序繁、施工慢、临时支护多等问题，具有较高的社会和经济效益。

下面结合附图和实例对本实用新型进行进一步说明。

附图说明

图1为本实用新型所提供的快速施工方法三维施工步示意图。

图2为本实用新型所提供的快速施工方法横断面施工步示意图。

图3为本实用新型所提供的快速施工方法纵断面施工步示意图。

图4为本实用新型无工作室管棚施工安装图。

图5为本实用新型初期支护中的基底大拱脚结构示意图。

图中：100、200和300为隧道分部开挖各部分，其中100为上台阶，200 为中台阶，300为下台阶。

1为管棚导向管。

2为超前预支护短管棚。

301、302分别为上台阶部分及中台阶部分隧道周壁的径向锚杆。

401、402、403分别为开挖上中下台阶部分后挂设的钢筋网。

501、502、503分别为开挖上中下台阶部分后所架立的钢拱架。

601、602分别为钢拱架501及502的大拱脚结构。

701、702分别为钢拱架501及502底部焊接的锁脚锚杆(杆)。

801、802、803分别为上中下台阶部分的喷射混凝土初期支护。

901为仰拱和边墙、902为二次衬砌。

10为隧道底部混凝土填充层。

11为大拱脚结构中靠近围岩侧的I20b工字钢斜撑。

12为大拱脚结构中尺寸为50*50*1.6cm的侧向钢板。

13为大拱脚结构中靠近围岩底的I20b工字钢横撑。

14为大拱脚结构中尺寸为100*50*1.6cm的底部钢板。

具体实施方式

本实施例中基于管棚预支护的大拱脚三台阶隧道快速施工结构，包括短管棚超前支护结构、构成隧道开挖部分的上、中、下台阶、初期支护结构、仰拱、边墙、填充层和二次衬砌；

短管棚超前支护结构设置于隧道开挖部分之前的隧道拱部以对隧道开挖部分形成保护，上、中、下台阶分别错距；初期支护结构分别设置于上、中、下台阶位置的隧道拱部；仰拱、边墙、填充层和二次衬砌分别设置于隧道完成部分的顶部、侧壁、底部；

初期支护结构包括沿隧道径向打入围岩内的系统锚杆、挂设于隧道拱部的钢筋网、沿隧道横断面架立的钢拱架、打入至围岩中并支撑在钢拱架底部的锁脚锚杆、设置在钢拱架底部处的大拱脚和喷射于隧道拱部的喷射混凝土。

本实施例结构中短管棚超前支护结构包括多根直径75mm、长6～8m的钢管组成，钢管在深入到围岩中的部分设有用于在短管棚钢管打设完毕后注浆的小孔，在隧道横断面上，钢管以0.3～0.8m的间距均匀布置在隧道拱部 120°～180°范围内，在隧道纵断面方向上，钢管以6°～8°的斜插角向上插入掌子面前方围岩，纵向搭接长度为1～2m。

本实施例结构中，上、中、下台阶分别占隧道横断面的1/3，相互错距5m～ 1倍洞径，且隧道开挖时依次开挖上、中、下台阶作为一个循环，每个循环进尺为1～1.5m。

本实施例结构中，大拱脚为由工字钢焊接而成的三角形，大拱脚的底边和靠围岩侧的斜边分别再在工字钢上焊接1.6cm厚0.5m宽的钢板，以增大基底和围岩侧的受力面积，增加抵抗力，减少支护结构变形。底边钢板与隧道开挖的轮廓线垂直，当任何台阶的基底进入基岩时，则不设置大拱脚。

为了实现上述结构，本实施例的施工包括以下步骤：隧道横断面分三台阶依次错距开挖，在隧道开挖前，首先沿隧道拱部施作短管棚超前支护；然后依次错距开挖上、中、下台阶作为一个循环，并在一个循环中的每一台阶开挖完成后立即施作相应的初期支护，初期支护的基脚处设为大拱脚型。由于分台阶开挖，因此，上台阶开挖和下台阶开挖完成，并架立钢拱架后，均存在基脚。当次循环开挖的下台阶与前一循环的二次衬砌距离为1倍洞径时，施作仰拱、边墙、填充层以及二次衬砌。

短管棚超前支护采用洞内无工作室管棚施工，短管棚由多根直径75mm、长6～8m的钢管组成，钢管在深入到围岩中的部分设有用于在短管棚钢管打设完毕后注浆的小孔，在隧道横断面上，钢管以0.3～0.8m的间距均匀布置在隧道拱部120°～180°范围内，在隧道纵断面方向上，钢管以6°～8°的斜插角向上插入掌子面前方围岩，纵向搭接长度为1～2m。

施工过程中，短管棚通过在前一循环的喷射混凝土中预先按6°～8°斜插角以及管棚设计间距埋入的1m长的导向管打入前方土体，以实现洞内无工作室管棚施工。既有的洞内无工作室管棚施工均需要进行少量的扩挖。而本实施例通过在前一循环预埋1m长的导向管打入管棚，实现了无任何扩挖前提下的管棚施工。

本实施例中的初期支护包括沿隧道径向打入围岩内的系统锚杆、挂设于隧道拱部的钢筋网、沿隧道横断面架立的钢拱架、打入至围岩中并支撑在钢拱架底部的锁脚锚杆、设置在钢拱架底部处的大拱脚和喷射于隧道拱部的喷射混凝土。其中大拱脚为由工字钢焊接而成的三角形，由与钢拱架相同的工字钢焊接而成，大拱脚的底边和靠围岩侧的斜边分别再在工字钢上焊接1.6cm 厚0.5m宽的钢板，以增大基底和围岩侧的受力面积，增加抵抗力，减少支护结构变形。其中底边钢板与隧道开挖的轮廓线垂直，当任何台阶的基底进入基岩时，则取消大拱脚。其中基底即基脚位置，也就是指钢拱架架立的地基基础位置。

本实施例采用洞内无工作室管棚施工技术施作短管棚，以超前加固和支护掌子面前方围岩；通过在每一级台阶基底处设置大拱脚，以增大基底承载面积，从而减少隧道结构与围岩变形。在上述变形控制措施下，隧道横断面分三台阶依次开挖，具体施工过程为：沿隧道拱部一定范围内施作短管棚超前支护；依次错距开挖上、中、下台阶，每一台阶开挖完成后立即施作初期支护，初期支护基脚处设计为大拱脚型式；下台阶与前一循环二次衬砌距离1 倍洞径时，施作仰拱、边墙、填充层以及二次衬砌。

本实例在具体施工时，所采用的步骤如下：

(1)参见图1、图2、图3，进行隧道开挖施工前，根据隧道设计的横断面形状，将隧道的整个横断面分为上、中、下三个部分，每个部分约占整个隧道横断面的1/3左右。

(2)参见图4，通过前一循环施作的导向管1进行预支护短管棚2的顶进施工，然后进行注浆加固，并施作下一循环导向管。导向管1、管棚2与水平面的夹角均为8°。

(3)进行上台阶100的开挖，立即初喷混凝土，然后以0.6m的环向间距垂直隧道周壁打入长4m、Φ22的系统锚杆301，于隧道周壁挂设钢筋网401，架立上台阶部分钢拱架501，施作两侧拱脚处锁脚锚杆601和大拱脚结构701，复喷混凝土至设计厚度形成完整的初期支护801。大拱脚结构参见图5，其中11、13分别为I20b工字钢斜撑及横撑，12、14分别为1.6cm厚0.5m宽的钢板。

(4)上台阶100开挖5m后，进行中台阶200的开挖，立即初喷混凝土，然后以0.6m的环向间距垂直隧道周壁打入长4m、Φ22的系统锚杆302，于隧道周壁挂设钢筋网402，架立中台阶钢拱架502并与上台阶钢拱架501焊接，施作两侧拱脚处锁脚锚杆602和大拱脚钢结构702，复喷混凝土至设计厚度形成完整的初期支护802。

(5)中台阶200开挖5m后，进行下台阶300的开挖，立即初喷混凝土，然后于隧道周壁挂设钢筋网403，架立中台阶钢拱架503并与中台阶钢拱架 502焊接，复喷混凝土至设计厚度形成完整的初期支护803。

(6)施作仰拱、边墙901，待仰拱混凝土初凝后，灌筑仰拱填充层混凝土10至设计高度。

(7)施作二次衬砌902。

(8)完成整个施工循环后，进行下一循环的施工直至浅埋软弱围岩段施工完毕。

Claims (5)

1.一种基于管棚预支护的大拱脚三台阶隧道快速施工结构，其特征在于，包括短管棚超前支护结构、构成隧道开挖部分的上、中、下台阶、初期支护结构、仰拱、边墙、填充层和二次衬砌；

所述的短管棚超前支护结构设置于隧道开挖部分之前的隧道拱部以对隧道开挖部分形成保护，所述的上、中、下台阶分别错距；所述的初期支护结构分别设置于上、中、下台阶位置的隧道拱部；仰拱、边墙、填充层和二次衬砌分别设置于隧道完成部分的顶部、侧壁、底部。

2.根据权利要求1所述的一种基于管棚预支护的大拱脚三台阶隧道快速施工结构，其特征在于，初期支护结构包括沿隧道径向打入围岩内的系统锚杆、挂设于隧道拱部的钢筋网、沿隧道横断面架立的钢拱架、打入至围岩中并支撑在钢拱架底部的锁脚锚杆、设置在钢拱架底部处的大拱脚和喷射于隧道拱部的喷射混凝土。

3.根据权利要求1所述的一种基于管棚预支护的大拱脚三台阶隧道快速施工结构，其特征在于，所述的短管棚超前支护结构包括多根直径75mm、长6～8m的钢管组成，钢管在深入到围岩中的部分设有用于在短管棚钢管打设完毕后注浆的小孔，在隧道横断面上，钢管以0.3～0.8m的间距均匀布置在隧道拱部120°～180°范围内，在隧道纵断面方向上，钢管以6°～8°的斜插角向上插入掌子面前方围岩，纵向搭接长度为1～2m。

4.根据权利要求1所述的一种基于管棚预支护的大拱脚三台阶隧道快速施工结构，其特征在于，所述的上、中、下台阶分别占隧道横断面的1/3，相互错距5m～1倍洞径，且隧道开挖时依次开挖上、中、下台阶作为一个循环，每个循环进尺为1～1.5m。

5.根据权利要求2所述的一种基于管棚预支护的大拱脚三台阶隧道快速施工结构，其特征在于，所述的大拱脚为由工字钢焊接而成的三角形，大拱脚的底边和靠围岩侧的斜边分别再在工字钢上焊接1.6cm厚0.5m宽的钢板，底边钢板与隧道开挖的轮廓线垂直，当任何台阶的基底进入基岩时，则不设置大拱脚。