一种双翼挑梁初期支护结构及其隧道施工方法
【专利摘要】本发明提供一种双翼挑梁初期支护结构及其隧道施工方法。支护结构包括沿着隧道内壁设置的拱架，其中，在拱架上固定有沿隧道深度方向以一定间距交错设置在隧道拱腰处的无缝钢管和钢花管，其一端固定在拱架上且留出注浆口，另一端插进围岩内，无缝钢管内插有钢筋并在钢管与钢筋之间填充有水泥砂浆。施工方法包括：将无缝钢管和钢花管的一端横向交错插入隧道拱腰处的围岩内；架设拱架，无缝钢管和钢花管的另一端固定在拱架上；无缝钢管内插入钢筋并用水泥砂浆填充密实，钢花管内注入水泥浆，对隧道围岩进行注浆；沿隧道内壁喷射混凝土，形成隧道的初衬；浇筑二次初砌，隧道封闭成环。本发明能够有效防止初衬开裂、围岩变形、地表沉降等大变形。
【专利说明】一种双翼挑梁初期支护结构及其隧道施工方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及隧道施工领域，更加具体地，涉及一种双翼挑梁初期支护结构及其隧 道施工方法。
【背景技术】
[0002] 在隧道施工时，往往采用上下台阶法开挖，如图1所示，将隧道100开挖断面分上 下两部分，上部为上台阶150,包括拱顶和拱腰部位，下部分为下台阶160,包括边墙和仰拱 部分。在上台阶150处要对隧道进行初期支护，例如在隧道内，沿隧道的内壁设置拱架，初 期支护受隧道围岩、洞口偏压、地表水下渗的影响，经常产生变形扭曲的情况，从而出现初 衬开裂渗水，在洞口段初期支护喷射混凝土时出现环向裂缝、套拱拱顶位置出现径向裂缝、 仰坡坡面出现裂缝，以及地表沉降等缺点，在富水、浅埋、软弱围岩的隧道中尤为明显。
【发明内容】
[0003] 本发明是为了解决现有技术中存在的上述技术问题而做出，其目的在于提供一种 有效防止出现仰坡、套拱、洞内初衬开裂、围岩变形、地表沉降等大变形的双翼挑梁初期支 护结构及其隧道施工方法。
[0004] 根据本发明的一个方面，提供一种双翼挑梁初期支护结构，所述支护结构包括沿 着隧道内壁设置的拱架，其中，在所述拱架上沿隧道深度方向固定有以一定间距交错设置 的多个无缝钢管和多个钢花管，所述无缝钢管或钢花管设置在隧道拱腰处，一端固定在拱 架上且留出注浆口，另一端插进围岩内，所述无缝钢管内插有钢筋并在钢管与钢筋之间填 充有水泥砂浆。
[0005] 所述的支护结构，其中，所述无缝钢管或钢花管与水平方向的夹角在0° -30°范 围内。
[0006] 所述的支护结构，其中，所述无缝钢管和钢花管的直径和间距根据隧道洞口的围 岩情况确定，富水、浅埋或者软弱的围岩，采用较大直径和较小的间距。
[0007] 所述的支护结构，其中，所述间距在0. 8m-l. 5m范围内。
[0008] 所述的支护结构，其中，所述支护结构还包括设置在隧道底部的注浆花管或设置 在隧道拱顶附近的局部注浆管。
[0009] 所述的支护结构，其中，所述拱腰处的钢花管的直径大于隧道底部注浆花管或拱 顶局部注浆管的直径。
[0010] 所述的支护结构，其中，所述无缝钢管和钢花管管焊接在所述拱架上。
[0011] 根据本发明的另一个方面提供一种双翼挑梁初期支护结构的隧道施工方法，所 述施工方法包括：将无缝钢管和钢花管的一端横向交错插入隧道拱腰处的围岩内；架设拱 架，将无缝钢管和钢花管的另一端固定在拱架上；将所述无缝钢管内插入钢筋并用水泥砂 浆填充密实，将所述钢花管内注入水泥浆，对隧道围岩进行注浆；沿隧道内壁喷射混凝土， 形成隧道的初衬；浇筑二次初砌，隧道封闭成环。
[0012] 所述的施工方法，其中，所述施工方法还包括在隧道底部设置注浆钢花管，利用水 泥浆对隧道底部注浆或者在隧道拱顶附近设置局部注浆管，利用水泥浆对对隧道拱顶的围 岩进行注浆。
[0013] 所述的施工方法，其中，所述无缝钢管和钢花管插入围岩的深度在8m-15m的范围 内，或者嵌入稳定围岩段长度满足锚固要求。
[0014] 所述的施工方法，其中，所述无缝钢管和钢花管设置在隧道偏压侧的数目比其在 非偏压侧的数目大，间距比其在非偏压侧的间距小。
[0015] 本发明的双翼挑梁初期支护结构在隧道的拱腰处交错设置有嵌入围岩的无缝钢 管和钢花管，既可利用钢花管注水泥浆封堵裂隙水，防止地下水的下渗造成的围岩和初砌 变形以及隧道整体下沉，又可利用无缝钢管的钉卯作用增加岩层间的摩擦阻力，增强初砌 支护强度。利用注浆花管在隧道底部注浆提高了地基承载力，防止了隧道整体下沉。利用 局部注浆管在隧道顶部注浆，固结隧道顶部围岩的不同岩层封堵岩层渗水。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，本发明的其它目的及结果将 更加明白及易于理解。在附图中：
[0017] 图1示出了本发明双翼挑梁初期支护结构沿隧道内壁设置的示意图；
[0018] 图2是本发明双翼挑梁初期支护结构的立体示意图；
[0019] 图3是具有本发明双翼挑梁初期支护结构的隧道的施工方法的流程图。
[0020] 在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。
【具体实施方式】
[0021] 下面将参照附图来对本发明的各个实施例进行详细描述。
[0022] 图1示出了本发明双翼挑梁初期支护结构沿隧道内壁设置的示意图，如图所示， 所述支护结构包括沿隧道100内壁设置的拱架110,其中，所述拱架110上设置有沿隧道深 度方向以一定间距交错设置的无缝钢管130和钢花管120,所述无缝钢管130和钢花管120 设置在隧道100的拱腰处，一端焊接在拱架110上且留出注浆口 121，另外一端插进隧道 100的围岩内，所述无缝钢管130内插有钢筋并在钢管与钢筋之间填充有水泥砂浆，所述无 缝钢管130和钢花管120与水平方向的夹角在0° -30°范围内。所述无缝钢管130内插 有钢筋并用水泥砂浆填充密实，增加了钢管的抗剪强度，既加固围岩又减少拱架变形及沉 降。所述钢花管120的管壁上具有出浆口，在上述钢花管内注入水泥浆，对隧道围岩进行注 浆，既固结不同的岩层又封堵岩层裂隙水和地下渗水。钢花管120和无缝钢管130横向贯 穿隧道内外壁，相当于隧道的两翼，所以称为双翼挑梁初期支护结构，所述支护结构对上台 阶150的分担荷载、控制变形有很大的作用，形成了上台阶150横向、纵向的梁基础，解决了 拱脚地基软弱，承载力不足，受地下水浸泡后沉降的缺点。
[0023] 优选地，所述无缝钢管130和钢花管120插入围岩的深度在8m_15m范围内，或者 嵌入稳定围岩段长度满足锚固要求。
[0024] 另外，优选地，所述双翼挑梁初期支护结构还包括在隧道底部设置的插入隧底的 注浆花管140,利用注浆花管140在隧道底部注浆提高了地基承载力，防止了隧道整体下 沉。
[0025] 图2是本发明双翼挑梁初期支护结构的立体示意图，如图所示，无缝钢管130和钢 花管120以一定的间距横向相互交错焊接在拱架110上，S卩，每相邻两根无缝钢管130中 间设置有一根钢花管120,每相邻两根钢花管120中间设置一根无缝钢管130,所述无缝钢 管130和钢花管120的排布沿隧道拱腰左右对称。所述无缝钢管130和钢花管120直径和 间距根据隧道洞口的围岩情况确定，富水、浅埋或者软弱的围岩，采用较大直径和较小的间 距。优选地，所述间距为〇.8m-l. 5m。当隧道顶部围岩受地下水的影响风化破碎时，在隧道 拱顶附近可设置局部注浆管170,用于向隧道拱顶附近的围岩注浆，固结不同岩层封堵岩层 渗水。
[0026] 优选地，如图2所示，当隧道存在偏压时，即隧道一侧的压应力大于另一侧的压应 力时，在偏压侧111比非偏压侧112设置的无缝钢管130和钢花管120的间距小，数量多。
[0027] 所述钢花管120和无缝钢管130的直径可以相同也可以不同，所述钢花管120的 直径优选大于隧道底部注浆花管140的直径，所述局部注浆管170的直径优选不小于注浆 花管140的直径，这是因为隧道底部的注浆花管140受力最小。
[0028] 图3是具有本发明双翼挑梁支护结构的隧道的施工方法的流程图，结合图1和图 3描述本发明所述隧道施工方法，包括下述步骤：
[0029] 首先，在步骤S310中，对隧道采用上下台阶法开挖，上台阶150开挖完成后，在隧 道拱腰处横向交错插入无缝钢管130和钢花管120。
[0030] 无缝钢管130和钢花管120布置完成后，在步骤S320中，沿隧道内壁架设拱架 110,并将无缝钢管130和钢花管120固定在拱架110上并留出注浆口 121。
[0031] 初期支护架设完成后，在步骤S330中，在所述无缝钢管130内插入钢筋并用水泥 砂浆填充密实，在钢花管120内注入水泥浆，对隧道围岩进行注浆。
[0032] 优选地，步骤S310至S330中还包括，在隧道底部设置注浆钢花管140,注浆花管 140梅花形布置，利用1:0. 5到1:1范围内的水泥浆对隧道底部注浆，注浆压力根据现场试 验确定，例如，先对隧道底部以一定注浆压力（例如，2MPa)注浆，观察水泥浆液的下渗量， 若下渗量达到要求，则采用上述注浆压力。若下渗量偏小，则增大注浆压力。若下渗量偏大， 则减小注浆压力。利用上述方法隧底注浆，能够有效提高基底承载力。
[0033] 另外，优选地，步骤S310至S330中还包括，在隧道拱顶附近设置局部注浆管170， 对隧道顶部注浆，团结不同岩层封堵地下渗水。
[0034] 初期支护注浆完成后，在步骤S340中，沿隧道内壁喷射混凝土，形成隧道的初衬 101。
[0035] 隧道初衬101形成后，在步骤S350中，及时架设临时仰拱，加快二次衬砌台车的进 场速度，进行隧道下台阶160的开挖，待下台阶160开挖完成后，及时施工永久仰拱、浇筑二 次衬砌，隧道封闭成环，施作仰拱和二衬1〇2(图1示出）及时封闭成环进一步增强了双翼 挑梁支护的强度。
[0036] 优选地，在步骤S350之后，还包括排除拱脚处的积水的步骤，防止隧道内的渗水 浸泡拱脚。
[0037] 根据本发明的另一实施例，将本发明上述施工方法应用于某一富水、浅埋、软弱围 岩的隧道，具体地，首先，分析隧道的洞口地形、地质、水文，隧道的浅埋段的岩性为强风化 泥岩夹砂岩、页岩，半岩半土，密实土状或密实土状夹碎石块；洞顶表面为稻田；隧道进口 段岩体为中-厚层状砂岩、粉砂质泥岩等，产状为243° Z 73° ;从洞口地形来看，左洞左侧 覆盖层较厚，左洞右侧及右洞覆盖层较薄，存在由左侧向右侧的偏压。
[0038] 然后，根据上述情况，确定隧道初期支撑可能出现的问题，例如，由于隧道浅埋段 的和进口段的岩石风化破碎，挖时洞顶易松动变形；洞顶表面为稻田，常年有水浸泡，地表 水下渗使洞顶覆盖层达到水饱和状态，不仅增加了地下水的渗透水压力，而且使覆盖层容 重增大，增加了隧道内衬砌的负荷；未开挖之前隧道周围的围岩处于应力稳定状态，隧道开 挖后隧道位置出现凌空面，加之地下水的渗流既软化了岩层又降低了岩层间的摩擦阻力， 导致初支钢架受到的力不仅有初始应力还有岩层的下滑力；隧道开挖后，存在从左侧向右 侧的偏压，则偏压全部由初期支护承担，而地下水渗流又降低了基底的承载力，因此当初期 支护参数不足时，易造成初期支护的弯曲变形和隧道整体沉降。
[0039] 随后，针对上述问题，设置隧道初期支撑结构，S卩，在隧道拱腰处横向交错设置焊 接在供架上的无缝钢管130和钢花管120,由于存在从左向右的偏压，隧道右侧设置的所述 无缝钢管130和钢花管120数目较多，间距较小；由于隧道拱顶为稻田，在隧道拱顶附近设 置局部注浆管170 ;由于地下水渗流降低了基底的承载力，在隧道底部设置注浆花管140。
[0040] 最后，按照本发明所述的隧道施工方法对隧道进行施工。施工前对所述隧道浅埋 地段设置了多个沉降观测点，观测结果显示，地表下沉量在2cm-16cm范围内，施工后，观测 的地表沉将量在6mm以下。所以，本发明所述双翼挑梁初期支护结构及其隧道施工方法能 够有效地降低隧道地表的沉降量。
[0041] 尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权 利要求限定的本发明的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的发明实 施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明 的元素可以以个体形式描述或要求，但是也可以设想多个，除非明确限制为单数。
【权利要求】
1. 一种双翼挑梁初期支护结构，包括沿着隧道内壁设置的拱架，其中， 在所述拱架上沿隧道深度方向固定有以一定间距交错设置的多个无缝钢管和多个钢 花管，所述无缝钢管或钢花管设置在隧道拱腰处，一端固定在拱架上且留出注浆口，另一端 插进围岩内，所述无缝钢管内插有钢筋并在钢管与钢筋之间填充有水泥砂浆。
2. 根据权利要求1所述的支护结构，其中，所述无缝钢管或钢花管与水平方向的夹角 在0° -30°范围内。
3. 根据权利要求1所述的支护结构，其中，所述无缝钢管和钢花管的直径和间距根据 隧道洞口的围岩情况确定，富水、浅埋或者软弱的围岩，采用较大直径和较小的间距。
4. 根据权利要求3所述的支护结构，其中，所述间距在0. 8m-l. 5m范围内。
5. 根据权利要求1所述的支护结构，其中，所述支护结构还包括设置在隧道底部的注 浆花管或设置在隧道拱顶附近的局部注浆管。
6. 根据权利要求5所述的支护结构，其中，所述拱腰处的钢花管的直径大于隧道底部 注浆花管或拱顶局部注浆管的直径。
7. 根据权利要求1所述的支护结构，其中，所述无缝钢管和钢花管管焊接在所述拱架 上。
8. -种双翼挑梁支护结构的隧道施工方法包括： 将无缝钢管和钢花管的一端横向交错插入隧道拱腰处的围岩内； 架设拱架，将无缝钢管和钢花管的另一端固定在拱架上； 将所述无缝钢管内插入钢筋并用水泥砂浆填充密实，将所述钢花管内注入水泥浆，对 隧道围岩进行注浆； 沿隧道内壁喷射混凝土，形成隧道的初衬； 浇筑二次初砌，隧道封闭成环。
9. 根据权利要求8所述的施工方法，其中，所述施工方法还包括在隧道底部设置注浆 钢花管，利用水泥浆对隧道底部注浆或者在隧道拱顶附近设置局部注浆管，利用水泥浆对 对隧道拱顶的围岩进行注浆。
10. 根据权利要求8所述的施工方法，其中，所述无缝钢管和钢花管插入围岩的深度在 8m-15m的范围内，或者嵌入稳定围岩段长度满足锚固要求。
11. 根据权利要求8所述的施工方法，其中，所述无缝钢管和钢花管设置在隧道偏压侧 的数目比其在非偏压侧的数目大，间距比其在非偏压侧的间距小。
【文档编号】E21D11/10GK104100280SQ201410320536
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月7日 优先权日:2014年7月7日
【发明者】黄 俊, 肖剑 申请人:中冶交通工程技术有限公司, 江苏省交通科学研究院股份有限公司