一种用于隧道洞口支护的多级套拱结构、管棚套拱结构及其施工方法与流程

本发明属于隧道施工领域，尤其涉及一种套拱结构、管棚套拱结构及其施工方法。

背景技术：

近年来，隧道工程建设日益增多，隧道开挖方法越来越受到重视，各种隧道开挖方法也应运而生，而隧道洞口作为工程的咽喉，该段建设尤其需要研究。针对软质岩土层、崩塌体等不良地质，隧道洞口部位岩土层比较破碎松散，极易形成滑坡、坍塌等。洞口段施工通常先设置管棚套拱，然后进行暗挖施工。

传统管棚设置在明暗交界处，根据一般规定，明暗交界处为洞顶覆土大于1.5m处。明暗交界处以外的部分，岩土体需全部开挖，隧道边坡和仰坡经常形成多级边坡，临空面和开挖量大，因而隧道洞口成为施工风险最大的地方，既不经济又不安全。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种开挖量少、临空面小的用于隧道洞口支护的多级套拱结构、管棚套拱结构及其施工方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种用于隧道洞口支护的多级套拱结构，包括沿山坡面设置的多个套拱(至少两个套拱)，多个所述套拱相邻排布，且多级套拱结构的下部呈阶梯状排布，多级套拱结构中开设有多个用于装设管棚钢管的孔口管。

上述多级套拱结构中，优选的，多个所述套拱的顶部位于同一水平面。

上述多级套拱结构中，优选的，隧道洞口最外侧套拱的底部与道路地面线平齐，其余套拱的底部沿山坡面逐渐升高。

本发明中，隧道洞口最内侧套拱起点位于多级套拱结构靠山体侧上檐与山体平齐的位置，最外侧套拱基础高度与明洞基础一致，其余套拱位置、高度与数量依据山体的地形地质条件与施工需求而定。隧道洞口最内侧套拱顶部可为零覆土，或有较小厚度的覆土。

上述多级套拱结构中，优选的，相邻所述套拱中的孔口管一一对应且相互连通。由于本发明中的多级套拱结构由多个套拱组合而成，施工过程中需要保证各套拱中的孔口管相互连通，以便于后续插入管棚钢管。

上述多级套拱结构中，优选的，每一个套拱均包括工字钢骨架，所述孔口管通过固定钢筋与工字钢骨架固接成一整体。在工字钢骨架上浇筑混凝土后即可形成套拱，用于支撑固定管棚钢管。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种用于隧道洞口支护的管棚套拱结构，包括上述的多级套拱结构与管棚钢管，所述管棚钢管插设于所述孔口管中与套拱连接成一整体。本发明的管棚套拱结构适用于软质岩土层段等地理条件的隧道施工，管棚套拱可以为隧道施工提供超前支护，保证隧道施工的安全。

上述管棚套拱结构中，优选的，所述管棚钢管包括有孔钢花管与无孔钢管，所述有孔钢花管与无孔钢管交替排布。在实际操作过程中，应先打有孔钢花管，注浆后再打无孔钢管，无孔钢管可以作为检查管，检查注浆质量。钻机立轴方向必须准确控制，以保证孔口的孔向正确，每钻完一孔便顶进一根管棚钢管，钻进中应经常采用测斜仪量测钻杆钻进的偏斜度，发现偏斜超过设计要求，及时纠正。

上述管棚套拱结构中，优选的，隧道内路基为直线时，控制管棚钢管平行于路基中轴线，隧道内路基为曲线时，控制管棚钢管的起点至管棚钢管与路基中轴线的交点的距离k为管棚钢管总长的0.828倍。上述设定是为了尽可能的减少管棚钢管侵入开挖轮廓线。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种管棚套拱结构的施工方法，包括以下步骤：

s1：确定隧道洞口最内侧套拱的施工位置，并在山坡上开设用于容纳隧道洞口最内侧套拱底部的施工槽；

s2：在开挖部分装设套拱的工字钢骨架与孔口管，在套拱定形模板的作用下浇筑套拱；

s3：重复步骤s1与s2依次完成多个套拱的浇筑，使多个套拱各自稳定固设于山坡上，每次开挖时，保留开挖面的核心土部分；

s4：通过孔口管在多级套拱结构中装设管棚钢管，形成钢管支护段；

s5：在管棚钢管中注入水泥浆，并填满管棚钢管与孔口管内的间隙，可选择性的在多级套拱结构顶部回填一部分土，即完成管棚套拱结构的施工。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种管棚套拱结构的施工方法，包括以下步骤：

s1：确定多级套拱结构的施工位置，并在山坡上开设用于容纳多级套拱结构底部的施工槽；开挖时，保留开挖面的核心土部分；

s2：在开挖部分装设多级套拱结构中各套拱的工字钢骨架与孔口管，在套拱定形模板的作用下将多级套拱结构一次浇筑成型；

s3：通过孔口管在多级套拱结构中装设管棚钢管，形成钢管支护段；

s4：在管棚钢管中注入水泥浆，并填满管棚钢管与孔口管内的间隙，可选择性的在多级套拱结构顶部回填一部分土，即完成管棚套拱结构的施工。

上述两种施工方法中，前一种为套拱分步施工，后一种为套拱整体施工，分步施工可以减小土体暴露时间，整体施工，套拱的整体性好。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、传统套拱一般设置在明暗交界处，为了施工的需要，明暗交界处以外的部分，岩土体需全部开挖，隧道边坡和仰坡经常形成多级边坡，临空面和开挖量大，临空面需要大量的防护措施(通常以挂钢筋网、打锚杆、喷混凝土等为防护手段)，以确保在隧道贯通前边仰坡稳定，既不经济又不安全。本发明的多级套拱结构无需将明暗交界处以外的部分全部挖除，只需要在各套拱的脚部少量开设施工槽，对原山体边坡扰动较少，开挖量少，临空面小，因此边仰坡无需额外的防护措施，隧道在管棚套拱结构提前介入的强支护下施工，更加安全环保。

2、本发明的管棚套拱结构的稳定性、受力性能优异，可以保障隧道施工的安全。

3、本发明的施工方法简单，施工效率与安全性均很高，可广泛应用于隧道施工。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为管棚套拱结构的结构示意图。

图2为图1中a的局部放大图。

图3为多级套拱结构与山坡面的位置关系图。

图4为多级套拱结构与管棚钢管的侧视图。

图5为图3中a-a面的断面图。

图6为图3中b-b面的断面图。

图7为图3中c-c面的断面图。

图例说明：

1、套拱；2、管棚钢管；3、孔口管；4、工字钢骨架；5、固定钢筋；l1、山坡面；l2、道路地面线；l3、山体开挖面；l4、隧道拱顶结构线；l5、传统明暗交界线。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

实施例：

如图1-4所示，本实施例的用于隧道洞口支护的多级套拱结构，包括沿山坡面l1设置的3个套拱1，3个套拱1相邻排布且各自稳定存在，多级套拱结构的下部呈阶梯状排布，多级套拱结构中开设有多个用于装设管棚钢管2的孔口管3。图2中，l4为隧道拱顶结构线。如图3所示，多级套拱结构位于传统明暗交界线l5左边，而传统的套拱1位于传统明暗交界线l5处。

本实施例中，3个套拱1的顶部位于同一水平面。隧道洞口最外侧套拱1的底部与道路地面线l2平齐，其余2个套拱1的底部沿山坡面l1逐渐升高。

本实施例中，相邻套拱1中的孔口管3一一对应且相互连通。

本实施例中，每个套拱1均包括工字钢骨架4，孔口管3通过固定钢筋5与工字钢骨架4焊接成一整体，焊接时，采用双面焊接。

本实施例的用于隧道洞口支护的管棚套拱结构，包括上述多级套拱结构与管棚钢管2，管棚钢管2插设于孔口管3中与套拱连接成一整体。

上述管棚套拱结构中，管棚钢管2的规格、各孔口管3之间的环向距离、钢管施工误差与同一横断面内的管棚钢管2的接头数量可根据实际受力需求而定。比如管棚钢管2可以采用节长为3m与6m的钢管，3m与6m的钢管通过丝扣接头连接，丝扣长为15cm，为了使钢管接头错开，最靠近隧道洞口的一节相邻钢管采用不同节长的钢管，后续钢管均可采用6m的钢管。

本实施例还提供一种上述管棚套拱结构的施工方法，包括以下步骤：

s1：确定隧道洞口最内侧套拱1的施工位置，并在山坡上开设用于容纳隧道洞口最内侧套拱1底部的施工槽；

s2：在开挖部分装设套拱1的工字钢骨架4与孔口管3，在套拱1定形模板的作用下浇筑套拱1；浇筑时要保证工字钢骨架及孔口管3的位置不得挪动，一次浇筑成型；

s3：重复步骤s1与s2依次完成其余两个套拱1的浇筑，使多个套拱1各自稳定固设于山坡上，每次开挖时，保留开挖面的核心土部分；

s4：各级套拱1施做完成后，钻孔、清孔、插入管棚钢管2，形成钢管支护段；

s5：在管棚钢管2中注入水泥浆(可适量添加早强剂)，并填满管棚钢管2与孔口管3内的间隙，可选择性的在多级套拱结构顶部回填一部分土，即完成管棚套拱结构的施工。

当然，本实施例中的管棚套拱结构中的多级套拱结构在施工时还可以采用整体施造，一次成型，只需要先装设好多级套拱结构的骨架与定型模板后一次浇筑成型即可。

为了说明本实施例中的多级套拱结构的优势，本实施例还结合图5-7说明如下。图5为隧道洞口最内侧套拱1与山体开挖面l3位置关系图(为了施工的需要，还可以改变山体开挖面l3与最内侧套拱1的位置关系)，由图可知，建造最内侧套拱1，开设施工槽时，无需挖去太多山体，即可完成最内侧套拱1的施工。同理，如图6、7所示，建造剩余的两个套拱1时，也无需挖去太多山体。建造本实施例中的多级套拱结构，总体来说，无需将明暗交界处以外的部分(即图3中传统明暗交界线l5左边部分的山体)全部挖除，只需要在各套拱1的脚部少量开设施工槽，对原山体边坡扰动较少，开挖量少，临空面小，对山体原始生态环境破坏小，隧道在管棚套拱结构提前介入的强支护下施工，更加安全环保。

在其他实施例中，多级套拱结构中套拱1的数量还可以为其他数量，如2个、4个、5个或更多，可以依据山体的坡度、地质条件等确定。