一种用于富水砂性地层隧道加固的长短管加固结构及方法

本发明涉及隧道地层加固技术领域，更具体地说，它涉及一种用于富水砂性地层隧道加固的长短管加固结构及方法。

背景技术：

目前，随着经济和社会的迅猛发展，加快了全国交通网络的建设步伐。铁路和公路的建设规模进一步扩大，而穿越复杂地形的隧道工程往往是路网技术等级提升和实现现代交通的关键所在，是全国铁路网和各大城市的交通系统中不可缺少的重要组成部分。显然，隧道修建过程中面临的复杂地质难题将日益凸显,而其中富水含砂地层是隧道施工最易工程灾害的地质情况之一。

富水砂性地层在地下水、施工扰动及其他因素的联合作用下，存在土体渗透破坏、结构相互作用及围岩劣化等问题，极易引发突泥涌水、结构大变形破坏及地表塌陷等重大工程灾害及环境问题，给工程施工带来极大困难和风险。

本发明旨在设计一种用于富水砂性地层隧道加固的长短管加固结构及方法，以解决上述问题，其对该地层中隧道的安全、快速施工具有重要的现实意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于富水砂性地层隧道加固的长短管加固结构及方法，该方法既充分发挥了长管棚超前加固距离长，刚度大的特点，又充分发挥了超前小导管注浆加固围岩、隔离地下水的作用，且长管棚以当前掌子面、钢拱架和前方围岩为支点，能很好地发挥梁拱效应，起到加强围岩、控制变形作用，然后通过注浆封闭掌子面，可保证掌子面开挖施工的安全性；该方法特别适用于地下水丰富的砂性地层加固，对类似的富水软弱围岩加固也具有较好适用性，工程实践意义好。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种用于富水砂性地层隧道加固的长短管加固结构，包括多个锚杆、多个钢拱架和施做于隧道拱部180°范围内的多个钻孔，多个所述锚杆施做于隧道边墙的围岩内，多个所述钢拱架间隔架设于开挖隧道内，且其中一个钢拱架紧贴于掌子面；所述钻孔内设有长管棚，且所述长管棚延伸出钻孔外的端部支撑于钢拱架上；所述长管棚内填充有水泥砂浆；还包括施做于隧道拱部和边墙内的多个超前小导管。

通过采用上述技术方案，在对富水砂性地层隧道进行加固过程中，通过施做于隧道边墙的多个锚杆，便于对隧道边墙进行支护加固；通过钻孔，便于向隧道拱部180°范围内的围岩内施做长管棚的操作；通过向长管棚内填充的水泥砂浆，便于增加长管棚的刚度；长管棚的一端支撑于钢拱架上，便于充分发挥长管棚的梁效应和长管棚于钢拱架之间的联合支护效应；通过多个施做于隧道拱部和边墙内的多个超前小导管，便于采用超前小导管对隧道拱部及边墙围岩进行超前注浆加固；通过采用长管棚和超前小导管的对隧道拱部及边墙进行超前注浆加固，便于在隧道开挖轮廓范围形成加固圈，并配合锚杆和钢拱架实现联合支护效应，从而保证隧道掌子面开挖施工的安全性。

本发明进一步设置为：所述锚杆采用全长砂浆锚杆或中空注浆锚杆，且所述锚杆的直径为32mm，所述锚杆的长度大于等于3m。

通过采用上述技术方案，采用全长砂浆锚杆或中空注浆锚杆，便于对隧道边墙进行加固支护操作。

本发明进一步设置为：多个所述钢拱架等间距设置于隧道内，且钢拱架之间的间距为50-70cm，所述钢拱架的安装控制垂直度误差为±2°，所述钢拱架的安装控制中线和高程偏差为±5cm。

通过采用上述技术方案，通过多个钢拱架，便于对已开挖的隧道围岩进行支护，同时，通过紧贴于掌子面的钢拱架，便于为长管棚提供支撑点，从而使得长管棚以当前掌子面、钢拱架和前方围岩为支点，能很好地发挥梁拱效应，起到加强围岩、控制变形作用。

本发明进一步设置为：所述钻孔的孔径比长管棚的管径大20-30mm，多个所述钻孔的环向间距为30cm，且所述钻孔的外插角为1-2°，所述钻孔的深度为30-40m。

通过采用上述技术方案，钻孔的孔径比长管棚的管径大20-30mm，便于将长管棚施做于钻孔内；钻孔的外插角为1-2°，便于在隧道轮廓外围形成加固圈。

本发明进一步设置为：所述长管棚伸入岩层内的一端的管壁上交错钻有多个直径为10-15mm的排气渗浆孔。

通过采用上述技术方案，通过排气渗浆孔，便于排气和浆液渗入围岩。

本发明进一步设置为：所述超前小导管采用无缝钢管制作，所述超前小导管的长度为3-5m，且多个超前小导管相互之间的间距小于等于1m，所述超前小导管的深入岩层内的前端为尖锥形，且所述超前小导管深入岩层内的前端的管壁上交错设有多个直径为6-8mm孔眼，所述孔眼之间的间距为10-15cm。

通过采用上述技术方案，超前小导管的深入岩层内的前端为尖锥形，便于将超前小导管施做于隧道拱部和边墙内的操作；通过孔眼，便于出气及浆液渗入围岩。

本发明进一步设置为：还包括交错设置于隧道掌子面的多个用于交圈注浆加固叠加的注浆孔。

通过采用上述技术方案，通过设置于隧道掌子面的多个注浆孔，便于对掌子面前方进行超前注浆加固及掌子面封闭注浆的操作，从而达到交圈注浆、加固叠加的效果。

本发明还提供一种用于富水砂性地层隧道加固的长短管加固结构的加固方法，在隧道开挖轮廓范围施做形成厚度为1.5m的加固圈，并在加固圈的保护下进行隧道的掌子面注浆加固，然后再进行掌子面的开挖，具体包括以下步骤：

s1、在隧道掌子面喷射厚度为5-10cm的混凝土层对掌子面进行封闭，并在隧道边墙施做直径为32mm，长度大于等于3m的全长砂浆锚杆或中空注浆锚杆；

s2、架设i25工字钢制作的钢拱架，在隧道内以50-70cm的间距架设多个钢拱架，且其中一个钢拱架紧贴隧道的掌子面；

s3、沿着隧道开挖轮廓线施做多个钻孔，且钻孔的环向间距为30cm，钻孔的外插角为1-2°，钻孔的深度为30-40m；

s4、施做长管棚加固隧道开挖轮廓线，采用规格为φ159×8mm的大管棚施做于步骤s3中所述的钻孔内，对隧道拱部范围的围岩进行超前预加固，其中，长管棚采用长度为4-6m的管节逐步接长，且长管棚延伸出钻孔的一端支撑与步骤s2中所述的钢拱架上；

s5、根据步骤s4，向步骤s4中所述的长管棚内填充水泥砂浆，并视注浆量或注浆压力达到规定值时停止注浆；

s6、对隧道的拱部和边墙进行超前小导管注浆，采用规格为φ42×3.5mm的无缝钢管制作为超前小导管，并将多个超前小导管施做于隧道的拱部和边墙，然后通过超前小导管进行注浆操作，其中，超前小导管的深入岩层内的前端为尖锥形，且超前小导管前端的管壁上交错设有多个直径为6-8mm，间距为10-15cm的孔眼；

s7、对隧道掌子面的前方进行加固及对掌子面进行封闭注浆，在隧道掌子面交错施做多个注浆孔，且注浆孔之间的间距小于等于1m，然后对注浆孔进行注浆操作，达到交圈注浆和加固叠加的目的，形成位于掌子面前方的预留加固层，其中，每循环注浆一次预留2根管作为排水孔；

s8、进行掌子面开挖工作，每开挖进尺1-2m，且挖掘直至距掌子面前方的预留加固层的距离大于等于50cm时，重复步骤s1至步骤s7。

该方法既充分发挥了长管棚超前加固距离长，刚度大的特点，又充分发挥了超前小导管注浆加固围岩、隔离地下水的作用，且长管棚以当前掌子面、钢拱架和前方围岩为支点，能很好地发挥梁拱效应，起到加强围岩、控制变形作用，然后通过注浆封闭掌子面，可保证掌子面开挖施工的安全性；该方法特别适用于地下水丰富的砂性地层加固，对类似的富水软弱围岩加固也具有较好适用性，工程实践意义好。

综上所述，本发明具有以下有益效果：通过施做于隧道边墙的多个锚杆，便于对隧道边墙进行支护加固；通过钻孔，便于向隧道拱部180°范围内的围岩内施做长管棚的操作；通过向长管棚内填充的水泥砂浆，便于增加长管棚的刚度；长管棚的一端支撑于钢拱架上，便于充分发挥长管棚的梁效应和长管棚于钢拱架之间的联合支护效应；通过多个施做于隧道拱部和边墙内的多个超前小导管，便于采用超前小导管对隧道拱部及边墙围岩进行超前注浆加固；通过采用长管棚和超前小导管的对隧道拱部及边墙进行超前注浆加固，便于在隧道开挖轮廓范围形成加固圈，并配合锚杆和钢拱架实现联合支护效应，从而保证隧道掌子面开挖施工的安全性。

附图说明

图1是本发明实施例1中隧道围岩加固断面图；

图2是本发明实施例1中掌子面注浆交圈图；

图3是本发明实施例1中长管棚的立体和内部的局部结构示意图；

图4是本发明实施例1中超前小导管的局部结构示意图；

图5是本发明实施例2中的流程图。

图中：1、锚杆；2、钢拱架；3、钻孔；4、长管棚；5、水泥砂浆；6、超前小导管；7、排气渗浆孔；8、孔眼；9、注浆孔。

具体实施方式

以下结合附图1-5对本发明作进一步详细说明。

实施例1：一种用于富水砂性地层隧道加固的长短管加固结构，如图1至图4所示，包括多个锚杆1、多个钢拱架2和施做于隧道拱部180°范围内的多个钻孔3，多个锚杆1施做于隧道边墙的围岩内，多个钢拱架2间隔架设于开挖隧道内，且其中一个钢拱架2紧贴于掌子面。钻孔3内施做有长管棚4，且长管棚4延伸出钻孔3外的端部支撑于钢拱架2上。长管棚4内填充有水泥砂浆5。还包括施做于隧道拱部和边墙内的多个超前小导管6。

在本实施例中，在对富水砂性地层隧道进行加固过程中，通过施做于隧道边墙的多个锚杆1，便于对隧道边墙进行支护加固。通过钻孔3，便于向隧道拱部180°范围内的围岩内施做长管棚4的操作。通过向长管棚4内填充的水泥砂浆5，便于增加长管棚4的刚度。长管棚4的一端支撑于钢拱架2上，便于充分发挥长管棚4的梁效应和长管棚4于钢拱架2之间的联合支护效应。通过多个施做于隧道拱部和边墙内的多个超前小导管6，便于采用超前小导管6对隧道拱部及边墙围岩进行超前注浆加固。通过采用长管棚4和超前小导管6的对隧道拱部及边墙进行超前注浆加固，便于在隧道开挖轮廓范围形成加固圈，并配合锚杆1和钢拱架2实现联合支护效应，从而保证隧道掌子面开挖施工的安全性。

锚杆1采用全长砂浆锚杆1或中空注浆锚杆1，且锚杆1的直径为32mm，锚杆1的长度大于等于3m。

在本实施例中，采用全长砂浆锚杆1或中空注浆锚杆1，便于对隧道边墙进行加固支护操作。

多个钢拱架2等间距设置于隧道内，且钢拱架2之间的间距为50-70cm，钢拱架2的安装控制垂直度误差为±2°，钢拱架2的安装控制中线和高程偏差为±5cm。

在本实施例中，通过多个钢拱架2，便于对已开挖的隧道围岩进行支护，同时，通过紧贴于掌子面的钢拱架2，便于为长管棚4提供支撑点，从而使得长管棚4以当前掌子面、钢拱架2和前方围岩为支点，能很好地发挥梁拱效应，起到加强围岩、控制变形作用。

钻孔3的孔径比长管棚4的管径大20-30mm，多个钻孔3的环向间距为30cm，且钻孔3的外插角为1-2°，钻孔3的深度为30-40m。

在本实施例中，钻孔3的孔径比长管棚4的管径大20-30mm，便于将长管棚4施做于钻孔3内。钻孔3的外插角为1-2°，便于在隧道轮廓外围形成加固圈。

长管棚4伸入岩层内的一端的管壁上交错钻有多个直径为10-15mm的排气渗浆孔7。

在本实施例中，通过排气渗浆孔7，便于排气和浆液渗入围岩。

超前小导管6采用无缝钢管制作，超前小导管6的长度为3-5m，且多个超前小导管6相互之间的间距小于等于1m，超前小导管6的深入岩层内的前端为尖锥形，且超前小导管6深入岩层内的前端的管壁上交错钻有多个直径为6-8mm孔眼8，孔眼8之间的间距为10-15cm。

在本实施例中，超前小导管6的深入岩层内的前端为尖锥形，便于将超前小导管6施做于隧道拱部和边墙内的操作。通过孔眼8，便于出气及浆液渗入围岩。

还包括交错设置于隧道掌子面的多个用于交圈注浆加固叠加的注浆孔9。

在本实施例中，通过设置于隧道掌子面的多个注浆孔9，便于对掌子面前方进行超前注浆加固及掌子面封闭注浆的操作，从而达到交圈注浆、加固叠加的效果。

实施例2：本发明还提供一种用于富水砂性地层隧道加固的长短管加固结构的加固方法，如图5所示，在隧道开挖轮廓范围施做形成厚度为1.5m的加固圈，并在加固圈的保护下进行隧道的掌子面注浆加固，然后再进行掌子面的开挖，具体包括以下步骤：

s1、在隧道掌子面喷射厚度为5-10cm的混凝土层对掌子面进行封闭，并在隧道边墙施做直径为32mm，长度大于等于3m的全长砂浆锚杆1或中空注浆锚杆1。

s2、架设i25工字钢制作的钢拱架2，在隧道内以50-70cm的间距架设多个钢拱架2，且其中一个钢拱架2紧贴隧道的掌子面。

s3、沿着隧道开挖轮廓线施做多个钻孔3，且钻孔3的环向间距为30cm，钻孔3的外插角为1-2°，钻孔3的深度为30-40m。

s4、施做长管棚4加固隧道开挖轮廓线，采用规格为φ159×8mm的大管棚施做于步骤s3中的钻孔3内，对隧道拱部范围的围岩进行超前预加固，其中，长管棚4采用长度为4-6m的管节逐步接长，且长管棚4延伸出钻孔3的一端支撑与步骤s2中的钢拱架2上。

s5、根据步骤s4，向步骤s4中的长管棚4内填充水泥砂浆5，并视注浆量或注浆压力达到规定值时停止注浆。

s6、对隧道的拱部和边墙进行超前小导管6注浆，采用规格为φ42×3.5mm的无缝钢管制作为超前小导管6，并将多个超前小导管6施做于隧道的拱部和边墙，然后通过超前小导管6进行注浆操作，其中，超前小导管6的深入岩层内的前端为尖锥形，且超前小导管6前端的管壁上交错钻有多个直径为6-8mm，间距为10-15cm的孔眼8。

s7、对隧道掌子面的前方进行加固及对掌子面进行封闭注浆，在隧道掌子面交错施做多个注浆孔9，且注浆孔9之间的间距小于等于1m，然后对注浆孔9进行注浆操作，达到交圈注浆和加固叠加的目的，形成位于掌子面前方的预留加固层，其中，每循环注浆一次预留2根管作为排水孔。

s8、进行掌子面开挖工作，每开挖进尺1-2m，且挖掘直至距掌子面前方的预留加固层的距离大于等于50cm时，重复步骤s1至步骤s7。

该方法既充分发挥了长管棚4超前加固距离长，刚度大的特点，又充分发挥了超前小导管6注浆加固围岩、隔离地下水的作用，且长管棚4以当前掌子面、钢拱架2和前方围岩为支点，能很好地发挥梁拱效应，起到加强围岩、控制变形作用，然后通过注浆封闭掌子面，可保证掌子面开挖施工的安全性。该方法特别适用于地下水丰富的砂性地层加固，对类似的富水软弱围岩加固也具有较好适用性，工程实践意义好。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。