岩质地层大断面深竖井的支护结构体系及其施工方法
【专利摘要】本发明涉及一种岩质地层大断面深竖井的支护结构体系及其施工方法。断面较大的竖井如仅采用钢架锚喷支护，对竖井侧壁的稳定性及变形的有效控制都较为困难。本发明包含有竖井四壁的初支喷射混凝土，其内预设有初支格栅钢架；初支喷射混凝土内的竖井空间内自上而下设置有多层横向水平的钢支撑，钢支撑包括位于四角的斜钢支撑和中部的直钢支撑，端部均固定在环周设置于初支喷射混凝土内壁的钢围檩上，钢围檩外围固定在预埋于初支喷射混凝土内的初支型钢钢架上；初支格栅钢架和初支型钢钢架均焊接有初支锚杆，另一端打入围岩。本发明将柔性支护与刚性支撑合理的结合在一起，不改变常规支护方式，施工方便，节省投资，增强了竖井基坑的整体稳定性。
【专利说明】岩质地层大断面深竖井的支护结构体系及其施工方法
【技术领域】
[0001]本发明属于隧道建设【技术领域】，具体涉及一种岩质地层大断面深竖井的支护结构体系及其施工方法。
【背景技术】
[0002]21世纪是地下工程迅速发展的时期，尤其是近几年我国地铁工程的建设更是如火如荼。岩石隧道掘进机在地铁工程中的广泛应用给其工作竖井尺寸及深度提出了更高的要求；此外，在其它领域的地下工程建设中大断面深竖井也被广泛应用。如此大的开挖断面及开挖深度，是按一般性竖井来考虑支护型式还是按深基坑来施做围护结构，是摆在设计面前的难题；对于一般性竖井在岩质地层最常用的支护方式就是钢架锚喷支护，但对于断面较大的竖井，如仅采用钢架锚喷支护，其对竖井侧壁的稳定性及变形的有效控制都较为困难，安全风险较大；如按深基坑考虑，采用常用的“灌注桩+内支撑”支护型式，则对工程投资及施工进度均有较大影响，造成很大的工程浪费。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种岩质地层大断面深竖井的支护结构体系及其施工方法，改变常规支护方式，更适合于较大开挖断面及开挖深度的工况。
[0004]本发明所采用的技术方案是:
岩质地层大断面深竖井的支护结构体系，其特征在于:
包含有竖井四壁的初支喷射混凝土，初支喷射混凝土内预设有初支格栅钢架；
初支喷射混凝土内的竖井空间内自上而下设置有多层横向水平的钢支撑，钢支撑包括位于四角的斜钢支撑和中部的直钢支撑，斜钢支撑和直钢支撑的端部均固定在环周设置于初支喷射混凝土内壁的钢围檩上，钢围檩外围固定在预埋于初支喷射混凝土内的初支型钢钢架上；
初支格栅钢架和初支型钢钢架均焊接有初支锚杆，初支锚杆另一端打入围岩。
[0005]所述初支格栅钢架之间通过连接钢筋焊接相连，竖向间距为0.5-lm ；
所述初支型钢钢架为3榀联立工字钢，与上下临近的初支格栅钢架之间通过连接钢筋焊接相连。
[0006]所述钢支撑的竖向间距为3-6m，斜钢支撑和直钢支撑与钢围檩的连接一端为固定连接、另一端为活动连接。
[0007]所述钢围檩为2榀联立工字钢，上端内缘通过斜钢拉杆固定于初支喷射混凝土，下端固定有角钢三角支架，外圈固定有打入初支喷射混凝土的短锚杆。
[0008]岩质地层大断面深竖井的支护结构体系的施工方法，其特征在于:
由以下步骤实现:
步骤一:竖井井口设置有常规模筑钢筋混凝土锁口圈，浇筑完成达到设计强度70%后，架设第一层横向水平的钢支撑，包含四根角部的斜钢支撑及一根中部的直钢支撑，斜钢支撑和直钢支撑的端部均连接于钢筋混凝土锁口圈内侧；
步骤二:竖井向下开挖，在竖井四壁初喷混凝土并铺设钢筋网；架立初支格栅钢架，之间通过连接钢筋焊接相连，竖向间距为0.5-lm ;在初支格栅钢架之间架立初支型钢钢架，初支型钢钢架为3榀联立工字钢，与上下临近的初支格栅钢架之间通过连接钢筋焊接相连，竖向间距为3-6m ;在初支格栅钢架和初支型钢钢架上焊接初支锚杆，初支锚杆另一端打入围岩；复喷混凝土至初期支护为350_ ;开挖及支护循环进尺为lm。
[0009]本发明具有以下优点:
本发明在竖井钢架锚喷支护的基础上，设置可施加预应力的钢支撑体系，根据竖井断面的大小及地层压力的强弱可对钢支撑的平面布设及竖向间距做出调整；同时根据支护型式的特点，对围檩与初支之间的连接节点进行优化，以便实现刚性支撑与柔性支护的良好结合，不改变常规支护方式，不仅方便施工操作，还节省工程投资；设置了可施加预应力的钢支撑体系，不仅可以有效控制竖井侧壁变形及地表沉降，还增强了竖井基坑的整体稳定性，从而降低工程风险。
[0010]本发明产品成型后，就形成了竖井临时支护结构，可满足施工期间出渣进料等相关功能的要求，如需施做竖井永久结构，可由下向上逐段拆撑、模筑混凝土二衬，满足其正常使用要求。如此便解决了钢架锚喷支护型式风险大、灌注桩+内支撑支护型式工期长造价高的支护结构型式选型的矛盾，其在铁路、公路、水工隧道、城市地铁隧道、等建设领域均有广泛的应用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为竖井支护结构横断面(平面)示意图。
[0012]图2为竖井支护结构剖面(立面)示意图。
[0013]图3为钢围檩与竖井初支连接大样图。
[0014]图中，1-初支锚杆，2-初支喷射混凝土，3-初支格栅钢架，4-初支型钢钢架，5-直钢支撑，6-斜钢支撑，7-钢围檩，8-斜钢拉杆，9-角钢三角支架，10-短锚杆。
【具体实施方式】
[0015]下面结合【具体实施方式】对本发明进行详细的说明。
[0016]本发明所涉及的本发明所涉及的岩质地层大断面深竖井，断面开挖尺寸(17.3x11.3) m,开挖面积达195.5m2，开挖深度达39.6m ;如此大的开挖断面及开挖深度，是按一般性竖井来考虑支护型式还是按深基坑来施做围护结构，是摆在设计面前的难题；对于一般性竖井在岩质地层最常用的支护方式就是钢架锚喷支护，但对于断面较大的竖井，如仅采用钢架锚喷支护，其对竖井侧壁的稳定性及变形的有效控制都较为困难，安全风险较大；如按深基坑考虑，采用常用的灌注桩+内支撑支护型式，则对工程投资及施工进度均有较大影响，会造成很大的工程浪费。基于以上情况，在一般竖井钢架锚喷支护的基础上，设置可施加预应力的钢支撑体系，根据竖井断面的大小及地层压力的强弱可对钢支撑的平面布设及竖向间距做出调整；同时根据支护型式的特点，对围檩与初支之间的连接节点进行优化，以便实现刚性支撑与柔性支护的良好结合，同时保证整个支护结构体系的整体性及有效性。[0017]本发明所涉及的岩质地层大断面深竖井的支护结构体系，包含有初期支护体系和钢支撑体系。初期支护体系包含有初支喷射混凝土 2、初支格栅钢架3、初支型钢钢架4和初支锚杆I。钢支撑体系为横向水平的钢支撑，包括斜钢支撑6、直钢支撑5和钢围檩7。
[0018]具体结构为:包含有竖井四壁的初支喷射混凝土 2，初支喷射混凝土 2内预设有初支格栅钢架3。初支喷射混凝土 2内的竖井空间内自上而下设置有多层横向水平的钢支撑，钢支撑包括位于四角的斜钢支撑6和中部的直钢支撑5，斜钢支撑6和直钢支撑5的端部均固定在环周设置于初支喷射混凝土 2内壁的钢围檩7上，钢围檩5与初期支护内轮廓贴合，并闭合成环，钢围檩7外围固定在预埋于初支喷射混凝土 2内的初支型钢钢架4上，将一定的预加应力做用于初期支护，来保证大断面竖井基坑施工阶段的整体稳定。初支格栅钢架3和初支型钢钢架4均焊接有初支锚杆1，初支锚杆I另一端打入围岩。初支格栅钢架3、初支型钢钢架4和初支锚杆I被初支喷射混凝土 2包裹后形成一定厚度的柔性初期支护结构，保持围岩的固有强度及自承能力，共同抵抗围岩的变形。
[0019]其中，初支格栅钢架3之间通过连接钢筋焊接相连，竖向间距为0.5-lm ;初支型钢钢架4为3榀联立工字钢，与上下临近的初支格栅钢架3之间通过连接钢筋焊接相连；钢支撑的竖向间距为3-6m，斜钢支撑6和直钢支撑5与钢围檩7的连接一端为固定连接、另一端为活动连接。钢支撑应结合竖井断面尺寸及地层压力确定竖向间距；盾构井开挖断面一般都在IOOm2以上，需考虑在竖井的四角设置斜钢支撑6，斜钢支撑6与竖井相邻两边形成夹角45°的等腰三角形，有效降低竖井初期支护的跨度，改善其受力条件；如长边较长，可根据情况在长边增加直钢支撑5，两端支撑于竖井长边；如竖井断面较大，长短边均需增设直钢支撑5，可通过竖向间隔布设即1、3、5、…道支撑仅设置四角斜钢支撑6及长边直钢支撑5，2、4、6、…道支撑仅设置四角斜钢支撑6及短边直钢支撑5避免交叉干扰，并适当减小支撑竖向间距。
[0020]钢围檩7为2榀联立工字钢，上端内缘通过斜钢拉杆8固定于初支喷射混凝土 2，下端固定有角钢三角支架9，间距3m，上下间隔布设；同时考虑到竖井初支厚度及刚度不大，为进一步确保钢围檩7的稳固，外圈固定有打入初支喷射混凝土 2的短锚杆10，上下两侧按间距3m间隔布设。
[0021]具体施工方法如下:
步骤一:竖井井口设置有常规模筑钢筋混凝土锁口圈，浇筑完成达到设计强度70%后，架设第一层横向水平的钢支撑，包含四根角部的斜钢支撑6及一根中部的直钢支撑5，斜钢支撑6和直钢支撑5的端部均连接于钢筋混凝土锁口圈内侧；
步骤二:竖井向下开挖，在竖井四壁初喷混凝土并铺设Φ80150x150钢筋网；架立4 Φ 25初支格栅钢架3，之间通过连接钢筋焊接相连，竖向间距为0.5-lm ;在初支格栅钢架3之间架立工25b初支型钢钢架4，初支型钢钢架4为3榀联立工字钢，与上下临近的初支格栅钢架3之间通过连接钢筋焊接相连，竖向间距为3-6m ;在初支格栅钢架3和初支型钢钢架4上焊接Φ25中空注浆初支锚杆1，初支锚杆I另一端打入围岩；复喷混凝土至初期支护为350mm ;开挖及支护循环进尺为lm。
[0022]钢支撑一般选用基坑支护工程常用的Φ609钢管内支撑系统，以便于取材及重复利用。在竖井开挖过程中，通过初期支护的小循环及钢支撑架设的大循环的相互结合，竖井安全开挖至设计标高后，形成了竖井临时支护结构，可满足施工期间出渣进料等相关功能的要求，如需施做竖井永久结构，可由下向上逐段拆撑、模筑混凝土二衬，满足其正常使用要求。
[0023]这种岩质地层大断面深竖井的支护结构体系解决了钢架锚喷支护型式变形不易控制、风险大及灌注桩+内支撑支护型式工期长、造价高的支护结构选型的矛盾，将柔性支护与刚性支撑合理的结合在一起:不改变常规的钢架锚喷支护方式，不仅方便施工操作，还节省工程投资；设置了可施加预应力的钢支撑体系，不仅可以有效控制竖井侧壁变形及地表沉降，还增强了竖井基坑的整体稳定性，从而降低工程风险。
[0024]本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.岩质地层大断面深竖井的支护结构体系，其特征在于: 包含有竖井四壁的初支喷射混凝土(2)，初支喷射混凝土(2)内预设有初支格栅钢架(3)； 初支喷射混凝土(2)内的竖井空间内自上而下设置有多层横向水平的钢支撑，钢支撑包括位于四角的斜钢支撑(6)和中部的直钢支撑(5)，斜钢支撑(6)和直钢支撑(5)的端部均固定在环周设置于初支喷射混凝土( 2)内壁的钢围檩(7)上，钢围檩(7)外围固定在预埋于初支喷射混凝土(2)内的初支型钢钢架(4)上； 初支格栅钢架(3)和初支型钢钢架(4)均焊接有初支锚杆(I )，初支锚杆(I)另一端打入围岩。
2.根据权利要求1所述的岩质地层大断面深竖井的支护结构体系，其特征在于: 所述初支格栅钢架(3)之间通过连接钢筋焊接相连，竖向间距为0.5-lm ； 所述初支型钢钢架(4)为3榀联立工字钢，与上下临近的初支格栅钢架(3)之间通过连接钢筋焊接相连。
3.根据权利要求2所述的岩质地层大断面深竖井的支护结构体系，其特征在于: 所述钢支撑的竖向间距为3-6m，斜钢支撑(6)和直钢支撑(5)与钢围檩(7)的连接一端为固定连接、另一端为活动连接。
4.根据权利要求3所述的岩质地层大断面深竖井的支护结构体系，其特征在于: 所述钢围檩(7)为2榀联立工字钢，上端内缘通过斜钢拉杆(8)固定于初支喷射混凝土(2 )，下端固定有角钢三角支架(9 )，外圈固定有打入初支喷射混凝土( 2 )的短锚杆(10 )。
5.岩质地层大断面深竖井的支护结构体系的施工方法，其特征在于: 由以下步骤实现: 步骤一:竖井井口设置有常规模筑钢筋混凝土锁口圈，浇筑完成达到设计强度70%后，架设第一层横向水平的钢支撑，包含四根角部的斜钢支撑(6)及一根中部的直钢支撑(5)，斜钢支撑(6)和直钢支撑(5)的端部均连接于钢筋混凝土锁口圈内侧； 步骤二:竖井向下开挖，在竖井四壁初喷混凝土并铺设钢筋网；架立初支格栅钢架(3)，之间通过连接钢筋焊接相连，竖向间距为0.5-lm ;在初支格栅钢架(3)之间架立初支型钢钢架(4)，初支型钢钢架(4)为3榀联立工字钢，与上下临近的初支格栅钢架(3)之间通过连接钢筋焊接相连，竖向间距为3-6m ;在初支格栅钢架(3)和初支型钢钢架(4)上焊接初支锚杆(I )，初支锚杆(I)另一端打入围岩；复喷混凝土至初期支护为350_ ;开挖及支护循环进尺为lm。
【文档编号】E21D7/00GK103982188SQ201410241602
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年6月3日 优先权日:2014年6月3日
【发明者】李储军, 王俊, 王立新, 王天明, 张利斌, 曹伟, 王鹏, 张毓斌, 翁木生, 戴志仁, 张海 申请人:中铁第一勘察设计院集团有限公司