膨胀土隧道支护结构及方法与流程

本发明涉及岩土工程领域，尤其涉及一种膨胀土隧道支护结构及方法。

背景技术：

膨胀土在我国的分布范围很广，如广西、云南、河南、湖北、四川、陕西、河北、安徽、江苏等地均有不同范围的分布。膨胀土的矿物成分主要是蒙脱石，为一种高塑性粘土，一般承载力较高，具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性，性质极不稳定。由于该土具有吸水膨胀、失水收缩并往复变形的性质，因此其对隧道支护结构的破坏作用不可低估，并且构成的破坏是不易修复的。例如，膨胀土隧道在开挖后由于应力重分布与水的作用等原因，反复遇水膨胀、失水收缩，使隧道产生了向隧道内的挤压和位移，一般达到几厘米，甚至百余厘米，造成围岩开裂、坑道下沉、围岩失稳、坍塌、冒顶、底板隆起、衬砌变形破坏及运营后的病害等现象，其会对工程施工及运营造成了极为严重的后果，直接影响着结构物的安全性。

因此，为了保证隧道在较长时间内的稳定，达到安全、舒适行车的目的，有必要提供一种能控制膨胀土围岩的胀缩变形，保障隧道结构安全的支护结构以及方法。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的上述缺陷，提供一种膨胀土隧道支护结构及方法，其主要通过止浆墙来防止注浆压力过大而引起的掌子面变形和坍塌，解决了膨胀土隧道由于膨胀土的力学特性引起的胀缩变形和破坏的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一方面，提供了一种膨胀土隧道支护结构，其包括：

止浆墙，其设置在所述膨胀土隧道的掌子面的上半断面上；

若干注浆管，其预埋在所述止浆墙内，用于对所述掌子面的上半断面周边的膨胀土围岩进行超前注浆；所述注浆管均沿所述膨胀土隧道的延伸方向设置，且横截面均朝向所述掌子面的上半断面；

通过所述注浆管进行超前注浆时，所述止浆墙用于防止注浆用的浆液流出所述掌子面。

优选的，止浆墙包括：混凝土主体；以及设置在所述混凝土主体内的型钢主体。

优选的，所述型钢主体包括：

设置在所述掌子面的上半断面的若干型钢，每一所述型钢均沿所述掌子面的上半断面横向设置，且所述型钢之间相互平行；以及用于连接相邻的两型钢的钢筋。

优选的，所述止浆墙厚50-100cm；所述型钢为22a工字钢；所述钢筋之间相互平行，且均匀间隔设置。

优选的，还包括：超前支护结构；所述超前支护结构包括：

沿所述掌子面的上半断面的外沿均匀间隔设置的长管；以及设置在相邻的两长管之间的超前小导管；所述超前小导管均匀间隔设置；

所述长管以及超前小导管的横截面均朝向所述掌子面的上半断面；

沿所述掌子面的上半断面横向设置的临时仰拱；

以及沿所述膨掌子面的上半断面膨胀土隧道的隧道中线纵向设置的临时钢架。

优选的，所述注浆管相互之间交叠、平行设置，且交叠部分的长度为1.0-2.0m。

优选的，所述注浆管倾斜设置，其与所述膨胀土隧道的延伸方向的中心线之间的夹角为10°-30°。

优选的，所述注浆管为袖阀管。

另一方面，还提供一种膨胀土隧道支护方法，其包括如下步骤：

s1、在所述膨胀土隧道的掌子面的上半断面上设置止浆墙；

s2、在所述止浆墙内钻设多个注浆钻孔，每一所述注浆钻孔内均埋设有用于对所述掌子面的上半断面周边的膨胀土围岩进行超前注浆的注浆管；所述注浆管均沿所述膨胀土隧道的延伸方向设置，且横截面均朝向所述掌子面的上半断面膨胀土隧道的断面；

s3、超前注浆：通过所述注浆管进行超前注浆。

优选的，所述步骤s1之前还包括：s1a、设置超前支护结构。

本发明技术方案的有益效果在于：

本发明通过止浆墙来防止注浆压力过大而引起的掌子面变形和坍塌，且注浆管注浆时具有良好的止水效果，能有效降低了隧道涌水突泥的风险，解决了膨胀土隧道由于膨胀土的力学特性引起的胀缩变形和破坏的问题，的止浆墙有利于防止注浆压力过大引起掌子面变形和坍塌。且本发明采用的技术方案，工法简洁，施工速度快，经济成本较低。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的实施例一中膨胀土隧道支护结构的结构示意图；

图2是本发明的实施例一中止浆墙的剖面图；

图3是本发明的实施例一中注浆管的侧视图；

图4是本发明的实施例一中注浆管与隧道中心线的夹角示意图；

图5是本发明的实施例二中膨胀土隧道支护方法的方法流程图；

图6是本发明的实施例二中注浆管的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：

图1示出了本发明的膨胀土隧道支护结构，其包括：

止浆墙1，其设置在所述膨胀土隧道100的掌子面的上半断面s1上；

若干注浆管2，其预埋在所述止浆墙内1，用于对所述膨胀土隧道100的掌子面的上半断面s1周边的膨胀土围岩进行超前注浆，形成注浆加固范围(本实施例中，所述注浆加固范围的大小为掌子面两侧向外延伸1-1.5m，掌子面顶端向上延伸1.5-2m，即图1中斜线框所示的矩形区域)；所述注浆管2均沿所述膨胀土隧道100的延伸方向(即垂直于纸面的方向)设置，且横截面均朝向所述掌子面的上半断面s1；

通过所述注浆管2进行超前注浆时，所述止浆墙1用于防止注浆用的浆液流出所述掌子面。

此外，为保证所述膨胀土隧道100的稳固性，所述膨胀土隧道支护结构还包括：超前支护结构；所述超前支护结构包括：

沿所述掌子面的上半断面s1的外沿均匀间隔设置的长管4，所述长管4构成长管棚；以及设置在相邻的两长管4之间的超前小导管3；且所述超前小导管3同样均匀间隔设置；本实施例中，所述长管4的长度为20-25m(优选为23.05m)，直径100-120mm(优选为108mm)，其设置的环向间距为0.3～0.5m；所述超前小导管3的长度为2-5m(优选为3m)，直径35-50mm(优选为42mm)，其设置的环向间距同样为0.3～0.5m；并且，所述长管4以及超前小导管3的横截面均朝向所述所述掌子面的上半断面s1；

沿所述掌子面的上半断面s1横向(即图1中的x方向)设置的临时仰拱5；

以及沿所述膨胀土隧道100的隧道中线纵向(即图1中的y方向，同时，所述x方向与y方向垂直)设置的临时钢架6，所述临时钢架6两端分别连接所述掌子面的顶端和底端，用于支撑所述掌子面；本实施例中，所述钢架6至少可以有两榀，相邻两榀钢架6的间距为0.4-1m(优选为0.5m)，且相邻两榀钢架6通过至少一个固定环61固定在一起，以此来增强其支撑效果，保证结构的稳定性。

进一步的，如图2所示，所述止浆墙1的厚度可为50-100cm(可优选为80cm)，其具体包括：混凝土主体；以及设置在所述混凝土主体内的至少一套型钢主体。

具体的，所述型钢主体包括：

设置在所述掌子面的上半断面s1的若干型钢11，所述型钢11可优选为22a工字钢，每一所述型钢11均沿所述掌子面的上半断面s1横向(即图1中的x方向)设置，且所述型钢11之间相互平行；以及用于连接相邻的两型钢的第一钢筋12；所述第一钢筋12之间相互平行，且可均匀间隔设置。

同时，为加强止浆墙1的稳固程度，所述止浆墙1还包括若干第二钢筋13以及若干第三钢筋14；所述第二钢筋13纵向、平行、且均匀间隔设置，其一端连接最上方的型钢11，另一端连接所述掌子面的顶端；所述第三钢筋14纵向、平行、且均匀间隔设置，其一端连接最下方的型钢11，另一端连接所述临时仰拱5，所述纵向即图1中的y方向，也即所述膨胀土隧道100的轨道中线，同时，所述x方向与y方向垂直。

所述第一钢筋12和/或第二钢筋13和/或第三钢筋14直径为22mm。

本实施例中，所述型钢主体可以优选为两套，其在所述膨胀土隧道100的延伸方向上内外设置(“内”为远离所述掌子面的方向，“外”为靠近所述掌子面的方向)，即一套靠近所述掌子面，一套远离所述掌子面。

为进一步增强抗压能力，所述型钢11还可与围护桩及管棚导向墙连接。

所述止浆墙1完成后，即可在所述止浆墙1上钻设若干用于设置所述注浆管2的注浆钻孔21(如图6所示)，且所述注浆钻孔21的孔口处还可设有球阀。

如图3,6所述，所述注浆管2相互之间交叠、平行设置，且所述注浆管2的首端伸出所述止浆墙1，尾端伸入到所述注浆钻孔21的底部；所述注浆管2长度为6m，且交叠部分的长度为1.0-2.0m(可优选为1.5m)。本实施例中，所述注浆管2可为袖阀管，所述注浆管2孔径为91mm，注浆劈裂渗透半径为500-1000mm，且末端开设有若干注浆孔22，所述注浆孔22呈梅花型布置，且纵、横间距均为750-1000mm(可优选为800mm)。

其次，为便于向不同的方位进行注浆，所述注浆管2倾斜设置，如图4所示，其中心轴线y’与所述膨胀土隧道100的延伸方向的中心线y”之间的夹角θ为10°-30°。

本实施例中，使用袖阀管作为注浆管2具有以下优点：

(1)在施工场地受到限制时，可针对性的对故障段实施定向斜孔注浆，加固土体。

(2)袖阀管系统主要由塑料阀管(外管)、注浆芯管(内管)、橡皮套、密封圈等组成，因此，其是一种只能向管外出浆，不能向管内返浆的单向闭合装置。注浆时，压力将塑料阀管小孔外的橡皮套冲开，浆液进入地层，如管外压力大于管内时，小孔外的橡皮套自动闭合。

(3)可根据需要对任何一个注浆段注浆，还可重复注浆。

(4)钻孔和注浆分开，提高了钻孔、注浆设备的利用率。

(5)由于在被加固的地层中，进行了多点、定量、均衡的注浆，注浆体在地层中均匀分布，均匀连接，因此，大大提高了被加固地层段的整体稳定性。

实施例二：

如图5-6所示，本发明还示出了一种膨胀土隧道支护方法，其包括如下步骤：

s1、在所述膨胀土隧道100的掌子面的上半断面s1上设置止浆墙1；

s2、在所述止浆墙1内钻设多个注浆钻孔21，每一所述注浆钻孔21内均埋设有用于对所述膨胀土隧道100的上半断面周边的膨胀土围岩进行超前注浆的注浆管2；所述注浆管2均沿所述膨胀土隧道的延伸方向设置，且横截面均朝向所述掌子面的上半断面s1；

s3、通过所述注浆管2进行超前注浆。

优选的，所述步骤s1之前还包括：s1a、设置超前支护结构。

具体的，所述步骤s3中包括：

s31、配置注浆材料：本实施例中，所述注浆材料为水泥-水玻璃双液浆，其配置过程如下：

选用普通硅酸盐水泥(例如，p.o42.5)作为水泥分层，所述普通硅酸盐水泥应新鲜无结块，且符合有关质量标准，施工过程中应抽样检查，不得使用受潮结块的水泥，水泥浆密度1.5t/m³；水泥浆的搅拌时间，高速搅拌应不少于30s，普通搅拌不少于90s，获得水泥液浆，且所述水泥液浆制备至用完时间应小于4h，存放温度在5-40℃之间；所述普通硅酸盐水泥以及水的称量误差不超过5％；

选用水玻璃，所述水玻璃进场浓度为40波美度(密度1.38g/cm³)或3.4模数，将其浓度稀释到浓度25波美度(密度1.25g/cm³)后再与水按照1：1(质量比)进行稀释，获得水玻璃液浆，所述水玻璃液浆存放温度在5-40℃之间；所述水玻璃以及水的称量误差不超过5％；

s32、将所述注浆管2与泵200(如图6所示)连接，调节泵压至1.0-2.0mpa；

s33、如图6所示，先通过所述注浆管2首端的第一进口21和第二进口22向所述注浆钻孔21内泵送钻孔水，将所述注浆钻孔21中的杂物(包括泥渣等)冲出；

s34、通过第一进口21泵入所述水泥液浆，通过所述第二进口22泵入水玻璃液浆，所述水泥液浆以及水玻璃液浆在所述注浆管2中混合后通过注浆孔22排出，对所述膨胀土隧道的上半断面周边的膨胀土围岩进行第一注浆段的超前注浆；

s35、完成所述第一注浆段的超前注浆后，所述注浆管2移动至第二注浆段，重复步骤s34，直至完成所有注浆段的超前注浆。

浆液注入地层后，水玻璃可与土层中碳酸钙起化学反应，生成硅胶；水泥与土颗粒及土层中其它填物胶结。同时，水玻璃可促使水泥早凝，避免沉淀、析水、保证浆液和易性、可注性。注浆液通过土层中孔隙，起劈裂和渗透充填作用，所经之处均与土层牢固胶结，形成坚固持力层，提高了地基承载力，消除了土层的湿陷性(塌陷性)，也降低了土体的渗透性能，使土体遇水不会再产生不均匀沉陷，保持原状土体长久稳定，达到止水、加固的目的。

本实施例中，完成所有注浆段的超前注浆后，所获得的加固体300具有良好的均匀性和自稳性，掌子面无渗水，且所述加固体无侧限抗压强度为0.5mpa，渗透系数为≤1.0×10^-6cm/s。

需要说明的是，上述实施例一、二中的技术特征可进行任意组合，组合而成的技术方案均属于本发明的保护范围。

综上所述，本发明的膨胀土隧道支护结构及方法由于采用水泥-水玻璃双液浆进行注浆，因此，其有利于控制膨胀土围岩的胀缩变形，保障隧道结构安全；止浆墙有利于防止注浆压力过大引起掌子面变形和坍塌；袖阀管注浆具有良好的止水效果，有效降低了隧道涌水突泥的风险。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。