一种裂隙岩体巨型跨度洞室支护结构及其施工方法与流程

本发明涉及隧道与地下工程设计与施工技术领域，尤其涉及一种裂隙岩体巨型跨度洞室支护结构及其施工方法。

背景技术：

对于地下洞室，一般来说，开挖跨度在5～8.5m时为小跨度、8.5～12m时为中等跨度、12～14m时为大跨度、14～16m时为特大跨度，当开挖跨度大于16m时为超大跨度。目前超大跨洞室的跨度主要集中在30m以下，跨度在30～40米的洞室在国内外已屈指可数。跨度超过40米的地下洞室可称做巨型跨度地下洞室，跨度的增加带来的风险也是巨大的，目前尚无巨型跨度的地下结构的理论修建体系，工程实例也较少，巨型跨度地下洞室修建风险大，极易造成塌方事故，具有以下特征：

1)跨度的增加导致上部岩体松动圈范围变大，极易造成拱顶坍塌和掉块；

2)跨度巨大，则洞室不可避免的会遇到裂隙、节理等情况，不良地质风险高；

3)洞室上方岩体被裂隙切割后会形成块体，对于巨型跨度洞室来说，块体的稳定性是决定洞室稳定的主要因素；

4)巨型跨度洞室开挖后形成的松动荷载巨大，单纯依靠支护结构去承受上部松动荷载是不现实的，必须要考虑岩体的自承载能力。

针对上述特征，现有的超大跨洞室支护结构存在以下不足：

1)现有超大跨洞室支护结构未考虑对不稳定块体的支护，无法保证不稳定块体的安全性；

2)现有超大跨洞室表层支护结构一般采用格栅钢架的形式，然而对于巨型跨度洞室，格栅钢架架立困难，节点薄弱，受力有限，无法满足巨型跨度地下洞室施工及安全要求；

3)现有超大跨洞室支护结构采取的锚杆形式单一，无法充分调动岩体的自承载能力；

4)现有超大跨洞室的施工及支护，多采用分部开挖，架设临时支撑的型式，这种支护型式受力转化复杂，节点处支护薄弱，操作困难，不适合巨型跨度洞室的建造；

5)现有超大跨洞室二次衬砌承受一定的岩体荷载，对于巨型跨度洞室来说，若衬砌承载则厚度巨大，会带来浇筑困难、造价高等问题。

对于巨型跨度地下洞室，常规的超大跨支护结构及理念是不可行且不经济的，因此巨型跨度洞室的支护结构需利用各种手段来调动岩体的自承载能力，且应加强对不稳定块体的支护，从而实现洞室施工期及运营期的稳定。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种裂隙岩体巨型跨度洞室支护结构及其施工方法，支护结构手段丰富、范围全面、功能分明、承载能力强及经济性好，施工方法工艺简单、施工组织方便、步序衔接流畅及安全性高，可多层次调动岩体的自承载能力，对不稳定块体进行了加固，以使巨型跨度洞室达到稳定状态。

为实现上述目的，本发明的一种裂隙岩体巨型跨度洞室支护结构及其施工方法的具体技术方案为：

一种裂隙岩体巨型跨度洞室支护结构，包括：

洞室表面柔性支护结构，设置在开挖面的拱部及边墙，包括钢纤维混凝土和钢筋网；

岩体自承载拱结构，设置在洞室的拱部及边墙，包括普通砂浆锚杆、涨壳式预应力注浆锚杆和岩体；

锁脚预应力锚索，设置在洞室拱脚部位；

块体加固预应力锚索，设置在洞室不稳定块体范围内；以及

树脂锚杆，设置在开挖后变形突变区域。

一种裂隙岩体巨型跨度洞室支护结构的施工方法，包括：

步骤一，洞室开挖后清除表面破碎及不稳定块体，初喷钢纤维混凝土进行找平和封闭开挖面；

步骤二，打设普通砂浆锚杆和涨壳式预应力注浆锚杆，待浆液固结后后施加预应力，与岩体形成岩体自承载拱结构；在变形突变区域施加树脂锚杆；

步骤三，拱脚对称施作三排预应力锚索，待浆液固结后后施加预应力；

步骤四，在洞室不稳定块体范围内施作块体加固预应力锚索，锚索自由段穿过洞室上方不稳定块体，对其进行悬吊加固，待浆液固结后后施加预应力；

步骤五，敷设钢筋网并进行第二次钢纤维混凝土喷射，以形成巨型跨度洞室的柔性支护结构。

本发明的一种裂隙岩体巨型跨度洞室支护结构及其施工方法的优点在于：

1)支护结构具有手段丰富、范围全面、功能分明、承载能力强及经济性好等特点，施工方法适用于跨度大于40m的巨型跨度地下洞室，具有施工工艺简单、施工组织方便、步序衔接流畅及安全性高等特点；

2)本发明采取的钢纤维混凝土操作简单，能够作为巨型洞室的柔性支护，能够最大限度的发挥围岩的自承载功能；采用普通砂浆锚杆和涨壳式预应力注浆锚杆相结合的形式，能够大大提高锚杆对岩体的纵向、横向挤压及悬吊作用，能够保证形成有效的自承载拱结构，且涨壳式预应力注浆锚杆对自承载拱结构的悬吊作用可加强自承载拱的承载能力，保证洞室的整体稳定；

3)拱脚及边墙的稳定是自承载拱结构及洞室稳定的根基，本发明的支护结构采用高强度的锁脚锚索，防止拱脚及边墙发生滑移，确保拱脚及边墙的稳定；

4)本发明中的块体加固锚索支护能力强，对不稳定块体可以起到悬吊及挤压作用，从而保证不稳定块体的安全性；树脂锚杆可实现快速张拉，支护及时，能够为施加后序支护结构提供缓冲时间；

5)为了保证洞室运营期的安全性，常规洞室需施作二次衬砌，但对于巨型跨度洞室，若考虑二次衬砌承载，则衬砌厚度就会很大，会带来造价高、浇筑困难等问题；而本发明的支护结构功能分明，操作性强，充分调动围岩的自承载能力，可多层次调动岩体的自承载能力，对不稳定块体进行加固，使得巨型跨度洞室长期达到稳定状态，此体系作用下二次衬砌不承受岩体荷载，无水条件下可不施作，从而大大降低成本和施工难度；

6)本发明的支护结构无需架设临时支撑，受力体系无需多次转化，更能保证工程安全。施工工艺简单、施工次序相互衔接、步序流畅，方便施工组织，节省大量时间成本。

附图说明

图1为本发明提供的裂隙岩体巨型跨度洞室支护结构示意图；

图2为本发明提供的裂隙岩体巨型跨度洞室支护结构初喷钢纤维混凝土施工过程示意图；

图3为本发明提供的裂隙岩体巨型跨度洞室支护结构普通砂浆锚杆、涨壳式预应力注浆锚杆及树脂锚杆施工过程示意图；

图4为本发明提供的裂隙岩体巨型跨度洞室支护结构锁脚预应力锚索施工过程示意图；

图5为本发明提供的裂隙岩体巨型跨度洞室支护结构块体加固预应力锚索施工过程示意图；

图6为本发明提供的巨型跨度洞室断面自承载支护结构敷设钢筋网及复喷钢纤维混凝土施工过程示意图。

图中：1、钢纤维混凝土；2、钢筋网；3、自承载拱结构；4、普通砂浆锚杆；5、涨壳式预应力注浆锚杆；6、锁脚预应力锚索；7、块体加固预应力锚索；8、块体加固预应力锚索；9、树脂锚杆。

具体实施方式

为了更好的了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的一种裂隙岩体巨型跨度洞室支护结构及其施工方法做进一步详细的描述。

如图1至图6所示，其示为本发明的一种裂隙岩体巨型跨度洞室支护结构及其施工方法，适用于跨度大于40m的巨型跨度地下洞室。如图1所示，支护结构包括洞室表面柔性支护结构、岩体自承载拱结构3、锁脚预应力锚索6、块体加固预应力锚索8和树脂锚杆9。其中，洞室表面柔性支护结构设置在开挖面的拱部及边墙，包括钢纤维混凝土1和钢筋网2；岩体自承载拱结构3设置在洞室的拱部及边墙，包括普通砂浆锚杆4、涨壳式预应力注浆锚杆5和岩体；锁脚预应力锚索6设置在洞室拱脚部位；块体加固预应力锚索8设置在洞室不稳定块体7范围内；树脂锚杆设置在开挖后变形突变区域，为应急加固措施。

进一步，洞室表面柔性支护结构包括三层，洞室开挖后首先喷射一层钢纤维混凝土1，然后敷设钢筋网2，最后复喷一层钢纤维混凝土1。本发明采用钢纤维混凝土操作简单，能够作为巨型洞室的柔性支护，最大限度的发挥围岩的自承载功能。

进一步，洞室表面柔性支护结构中的钢纤维混凝土1强度等级不小于c35，抗弯强度不小于4mpa，厚度一般为30cm。并且，钢筋网2直径为6～12mm，钢筋网格间距为250x250mm或200x200mm，根据地质情况可以设置为单层或者双层。

进一步，岩体自承载拱结构3中的普通砂浆锚杆4长度根据洞室稳定所需要的自承载拱厚度进行设置，穿过岩体松动圈，长度一般为6～10米，环向间距为1～1.5米，纵向间距为1～1.5米。涨壳式预应力注浆锚杆5辅助形成岩体自承载拱结构3并可对其进行悬吊加固，长度一般为普通砂浆锚杆4长度的1.2～1.8倍(优选1.5倍)，环向间距为2～3米，纵向间距为2～3米，预应力为120～180kn(优选150kn)。本发明中采用普通砂浆锚杆和涨壳式预应力注浆锚杆相结合的形式，能够大大提高锚杆对岩体的纵向、横向挤压及悬吊作用，能够保证形成有效的自承载拱结构，且涨壳式预应力注浆锚杆对自承载拱结构的悬吊作用可加强自承载拱的承载能力，保证洞室的整体稳定。

进一步，锁脚预应力锚索6为保证拱脚稳定设置，锁脚预应力锚索6的长度一般为洞室跨度的3/1～2/1，拱脚对称设置有三排，纵向间距为4～6m，锁脚预应力锚索6的初始预加力为1500kn，后续进行补充张拉。介于拱脚及边墙的稳定是自承载拱结构及洞室稳定的根基，本发明的支护结构采用高强度的锁脚锚索，防止拱脚及边墙发生滑移，确保拱脚及边墙的稳定。

进一步，块体加固预应力锚索8打设在裂隙切割面范围内，对洞室上方不稳定块体7进行挤压和悬吊，块体加固预应力锚索8的自由段穿过洞室上方不稳定块体7上3～5m，块体加固预应力锚索8的锚固段固定在裂隙切割面上部的稳定岩体中，块体加固预应力锚索8的预加力及布设间距根据不稳定块体7重量而设定，并考虑一定的安全储备。介于巨型跨度洞室断面大的情况，不可避免会遇到裂隙及破碎围岩，洞室上方易形成不稳定的块体，因此，块体的稳定性是决定巨型跨度洞室稳定性的主要因素。本发明的块体加固锚索支护能力强，对不稳定块体可以起到悬吊及挤压作用，从而保证不稳定块体的安全性。

进一步，树脂锚杆9设置在不稳定块体7的范围内，能够快速提供拉力，长度一般为6～10米，设置间距根据现场变形区域而定，环纵向间距一般为1.5m。介于锚索及锚杆等支护结构需要等待浆液固结后才能进行张拉，无法对现场出现的突发变形进行及时支护的情况，本发明的支护结构中的树脂锚杆能够实现快速张拉，支护及时，可为施加后序支护结构提供缓冲时间。

综上所述，本发明的支护结构手段丰富、范围全面、功能分明、承载能力强及经济性好等特点，施工方法适用于跨度大于40m的巨型跨度地下洞室，具有施工工艺简单、施工组织方便、步序衔接流畅及安全性高等特点。

下面结合附图对本发明的一种裂隙岩体巨型跨度洞室支护结构的施工方法的工作过程进行描述：

如图2至图6所示，本发明公开了一种裂隙岩体巨型跨度洞室支护结构的施工方法，包括以下步骤：

步骤一，洞室开挖后清除表面破碎及不稳定块体，初喷一层钢纤维混凝土1进行找平和封闭开挖面。

具体来说，优选初喷8～12cm(优选10cm)钢纤维混凝土1。

步骤二，根据设计间距及长度依次打设普通砂浆锚杆4和涨壳式预应力注浆锚杆5，注浆材料为水泥浆，待浆液固结后后施加预应力，与岩体形成岩体自承载拱结构3；在变形突变区域施加树脂锚杆9。

步骤三，拱脚对称施作三排预应力锚索6，注浆材料为水泥浆，待浆液固结后后施加预应力。

步骤四，在洞室不稳定块体7范围内施作块体加固预应力锚索8，锚索自由段穿过洞室上方不稳定块体7，对其进行悬吊加固，同时可作为整个支护体系的安全储备，注浆材料为水泥浆，待浆液固结后后施加预应力。

步骤五，敷设钢筋网2并进行第二次钢纤维混凝土1喷射，以此形成巨型跨度洞室的柔性支护结构。

本发明的一种裂隙岩体巨型跨度洞室支护结构及其施工方法，支护结构具有手段丰富、范围全面、功能分明、承载能力强及经济性好等特点，施工方法适用于跨度大于40m的巨型跨度地下洞室，具有施工工艺简单、施工组织方便、步序衔接流畅及安全性高等特点；本发明的支护结构功能分明，操作性强，充分调动围岩的自承载能力，可多层次调动岩体的自承载能力，对不稳定块体进行加固，使得巨型跨度洞室长期达到稳定状态，此体系作用下二次衬砌不承受岩体荷载，无水条件下可不施作，从而大大降低成本和施工难度；本发明的支护结构无需架设临时支撑，受力体系无需多次转化，更能保证工程安全。施工工艺简单、施工次序相互衔接、步序流畅，方便施工组织，节省大量时间成本。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。