拱拱相交T型隧道交叉口无撑化初支开洞支护结构及方法与流程

拱拱相交t型隧道交叉口无撑化初支开洞支护结构及方法
技术领域
1.本发明涉及城市轨道交通设计与施工领域，具体涉及一种可以有效避免拱拱相交t型隧道交叉口“三角形悬臂区域围岩”塌方、冒顶风险的无撑化初支开洞支护结构及施工方法。


背景技术：

2.地铁暗挖车站因其功能定位及服务需求，需从站内引出至少2个常规出入口、2组风道以及1个消防安全口，其中：受主体站厅层层高及拱形结构的限制，出入口、风道等附属通道与主体隧道往往呈拱拱相交的状态，当t型交叉口开洞施工破除主体隧道初支结构的完整性后，拱拱相交区域的围岩容易形成“三角形”悬臂支护盲区，悬臂长度与t型交叉口隧道拱部相交的位置有关，一般在1.8～2.9m范围内，相当于3～6榀钢架间距的长度，对于暗挖隧道出现如此大的悬臂支护盲区，一旦开洞支护措施选择不当极易诱发冒顶、塌方事故，严重威胁作业人员的生命安全并造成难以估量的经济损失，越来越受到业内工程人士的关注与重视。目前，拱拱相交t型隧道交叉口常用的3种开洞支护措施及施工方法，均面临着不同程度的不足与弊端，具体分析如下：
3.(1)利用二衬结构状态开洞：虽然可以利用中板平台设置门型竖撑临时消除“三角形悬臂区域围岩”支护盲区，但交叉口结构合龙模筑时仍需面临拆撑失稳的施工风险，而且在合龙部位形成人为的施工缝，需要提前预留钢筋接驳器及埋入式止水带，附属通道施工时极易污染既有成品材料，既不利于交叉口复杂结构受力也无法保证防水施工质量；另外，从施工组织及工期工效方面考虑，附属通道与主体隧道开挖不能同步进行，严重制约后续建筑装修、机电安装专业进场施工，工效降低、工期滞后，既不经济又不合理；
4.(2)调整主体拱部开挖轮廓满足直墙初支开洞；直墙初支开洞可以保证附属钢架直接支顶主体截断钢架，无需面临“三角形悬臂区域围岩”支护盲区，但主体拱部开挖轮廓变坦、曲率变小而导致初支成拱效应变差，不利于初支结构受力及围岩的稳定性控制，甚至可能诱发初支强度、刚度失稳险情，而且交叉口主体隧道与两侧标准段过渡时需进行2次断面转换，极其不利于施工组织与风险管控，后期二衬模筑因主体开挖轮廓外放而属于大体积混凝土施工范畴，所产生的水化热容易在混凝土内部引起温度收缩应力而形成破坏结构完整性的有害裂缝；
5.(3)利用围岩自承能力直接初支开洞：这种开洞方式适用于完整性与稳定性较好的围岩中，但是截断后的主体初支仅仅依靠喷射混凝土与围岩的粘结强度实现自稳，即便打设超前管棚也无法与主体初支焊接形成可靠的整体受力结构，“三角形悬臂区域围岩”支护盲区仍然存在，一旦围岩破碎或地质突变后果不堪设想，只能设置竖向支撑支顶暂避风险但后期拆撑风险更高，不得不采用防水质量、结构耐久性均难以保障的埋撑方式模筑二衬，后期运营面临的水患整改更加困难、代价更高。


技术实现要素：

6.针对现有拱拱相交t型隧道交叉口开洞施工支护方案存在的上述缺陷和不足；本发明提供了一种t型隧道交叉口无撑化初支开洞支护结构及施工方法，该支护结构所形成的“横向成拱、纵向成梁”空间棚户承载结构，可以有效承载拱拱相交三角形悬臂区域围岩载荷，顺利实现交叉口处隧道初支无撑化开洞，与传统开洞方式相比，无需面临拆撑失稳的施工风险；同时附属通道与主体隧道开挖及支护可以同步进行，施工周期缩短。
7.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种拱拱相交t型隧道交叉口无撑化初支开洞支护结构，包括主隧道以及与主隧道呈t型拱拱相交的附属通道，所述支护结构包括组合型钢环梁、超前管棚、钢筋板带以及中空锚杆；其中：
8.所述组合型钢环梁固定于t型隧道交叉口处主隧道初支结构内部，组合型钢环梁的形状与t型隧道拱拱相交处的交线相匹配，所述组合型钢环梁内部环向均匀设置若干预埋钢管；
9.所述超前管棚分别穿过所述预埋钢管，且管棚一端与预埋钢管焊接固定，另一端穿过拱拱相交三角形悬臂区域围岩，并置于前方附属通道未开挖土体中；
10.所述钢筋板带设置有多个，分别垂直固定于超前管棚的管壁上；
11.所述中空锚杆在环向上与超前管棚以间隔布置的方式打设，中空锚杆末端设置锚杆托盘，所述锚杆托盘以及中空锚杆可将钢筋板带以及超前管棚固定于拱拱相交三角形悬臂区域围岩基面上。
12.进一步地，位于拱拱相交三角形悬臂区域围岩上的由超前管棚、钢筋板带以及中空锚杆构成的支护结构表面设有厚度为300
‑
350mm的喷射混凝土层。
13.进一步地，所述超前管棚穿过拱拱相交三角形悬臂区域围岩的长度不低于3m；所述超前管棚与附属通道未开挖土体相互搭接范围内设有附属通道钢架。
14.进一步地，所述钢筋板带由两根螺纹钢筋并列布置组成，所述两根螺纹钢筋分别设置于中空锚杆两侧，并焊接固定于超前管棚的管壁上。
15.进一步地，所述组合型钢环梁是由双拼布置的工字钢以及两个分别与工字钢相连接的缀板相互焊接形成的格构式结构。
16.进一步地，所述中空锚杆直径为25mm、呈1.2m
×
1.2m梅花状布置，锚杆托盘尺寸长为150mm、宽为150mm、厚为12mm，可将钢筋板带扣锁固定在超前管棚上。
17.本发明还提供了一种基于上述支护结构的拱拱相交t型隧道交叉口无撑化初支开洞施工方法，包括如下施工步骤：
18.s1，沿着先行主体隧道开挖至t型隧道交叉口位置并施作相应的初期支护结构；
19.s2，靠近后行附属通道开洞一侧，放线测量、定位先行主体隧道与后行附属通道拱拱相交的交线；
20.s3，以拱拱相交交线作为先行主体隧道上台阶开挖边线，继续向前开挖、施工支护并打设锁脚锚杆稳固拱脚；
21.s4，加工预制组合型钢环梁，形状与拱拱相交交线相适应，地面试拼满足拼装误差要求后方可用于现场施工；
22.s5，待掌子面开挖至t型交叉口前方1倍后行附属通道洞跨时，沿着上台阶开挖边线环向分块掏槽开挖与所述组合型钢环梁安装空间相适应的岩体，架设设置若干预埋钢管
的组合形钢环梁，并将其与主体隧道初期支护格栅钢架焊接固定；
23.s6：继续向下开挖至后行附属通道上台阶底部标高，施作相应的初期支护结构；
24.s7：破除超前管棚打设点位初期支护并露出所述预埋钢管，清理内部填充异物并打设所述超前管棚，将所述超前管棚一端与所述组合型钢环梁焊接为整体，另一端穿过拱拱相交三角形悬臂区域围岩，并置于前方附属通道未开挖土体中；
25.s8：分块割除所述组合型钢环梁下部先行主体隧道初期支护，紧跟开挖后行附属通道上台阶；
26.s9：后行附属通道开挖进尺控制为0.5m，随着开挖施作钢筋板带、中空锚杆、中空托盘，并施作喷射混凝土层及时封闭拱拱相交三角形悬臂区域围岩；
27.s10：继续向前开挖后行附属通道，要求后行附属通道正洞与所述超前管棚相互搭接长度范围内必须架设附属通道钢架，以便形成所述超前管棚的结构性承压支座；
28.s11：至此，整个拱拱相交t型隧道交叉口无撑化初支开洞施工全部完成。
29.上述方案中，步骤s5中，所述预埋钢管内部预先填充无纺布或纺织袋以防喷混堵塞管路，便于后期超前管棚施工。
30.进一步地，步骤s11之后，还包括如下施工步骤：待全面洞通后进行t型隧道交叉口结构防水材料铺设、钢筋绑扎以及二次衬砌模筑。
31.本发明同现有技术相比具有以下优点及效果：
32.1、本发明所述的拱拱相交t型隧道交叉口无撑化初支开洞支护结构包括组合型钢环梁、超前管棚、中空锚杆、钢筋板带以及喷射混凝土层；其中，所述组合型钢环梁设置于主体隧道初支厚度空间内，组合型钢环梁内部设置预埋钢管作为超前管棚的导向定位与固定装置，在组合型钢环梁以及超前管棚保护作用下可实现分块拆除交叉口主体钢架并开挖岩体，同时密贴超前管棚设置钢筋板带、打设中空锚杆并覆盖喷射混凝土层，形成“横向成拱、纵向成梁”的空间棚护结构，能有效承载拱拱相交t型隧道“三角形悬臂区域”的围岩荷载，顺利实现交叉口无撑化初支开洞，可完全规避传统开洞方案拆撑施工可能引起的塌方、冒顶风险，工程自身施工风险完全可控，弥补了传统开洞支护设计方案的不足与空白，具有较高的工程、经济与社会效益。
33.2、本发明所述的拱拱相交t型隧道交叉口无撑化初支开洞施工方法中，主体隧道与附属通道的开挖与支护可同时进行，与二衬模筑形成流水作业、互不干涉，保证既有成品结构与防水材料不受开挖支护施工的污染、损伤，施工组织相对更加灵活，可显著缩短建设周期、缓解土建工期压力。
34.3、本发明所述的拱拱相交t型隧道交叉口无撑化初支开洞施工方法中，在组合型钢环梁以及超前管棚保护作用下，沿拱拱相交的交线直接初支开洞，既不会改变主体隧道的开挖轮廓，主体纵向施工也无需面临断面转换；初支结构受力合理、可靠，确保主体开挖支护顺畅、便利的同时，还能避免大体积混凝土施工水化热所产生的有害裂缝。
35.4、本发明所述的拱拱相交t型隧道交叉口无撑化初支开洞施工方法中，t型交叉口二衬结构同时模筑施工，避免设置先做与后做两层加强环梁而形成人为防水施工缝，能显著改善结构受力与防水质量，结构耐久性得以保障，可大幅度降低后期运营维修的经济费用与时间成本。
附图说明
36.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，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1为本发明实施例所述拱拱相交t型隧道交叉口横向剖面图。
38.图2为本发明实施例所述拱拱相交t型隧道交叉口侧视图。
39.图3为本发明实施例拱拱相交t型隧道交叉口无撑化初支开洞支护结构中组合型钢环梁结合超前管棚的结构示意图。
40.图4为本发明实施例拱拱相交t型隧道交叉口无撑化初支开洞支护结构a处的局部放大图。
41.标号说明：1a、主体隧道上层左导坑；1c、主体隧道上层中导坑；1b、主体隧道上层右导坑；2a、主体隧道中层左导坑；2c、主体隧道中层中导坑；2b、主体隧道中层右导坑；3a、主体隧道下层左导坑；3c、主体隧道下层中导坑；3b、主体隧道下层右导坑；4、初期支护；5、附属通道上台阶；6、附属通道下台阶；7、组合型钢环梁；7a、工字钢；7b、缀板；7e、预埋钢管；8、超前管棚；9、拱拱相交三角形悬臂区域围岩；10a、中空锚杆；10b、钢筋板带；10c、喷射混凝土层；11、附属通道钢架。
具体实施方式
42.下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
43.实施例1：如图1至4所示，一种拱拱相交t型隧道交叉口无撑化初支开洞支护结构，包括主隧道以及与主隧道呈t型拱拱相交的待开挖附属通道，所述支护结构包括组合型钢环梁7、超前管棚8、钢筋板带10b以及中空锚杆10a；其中：
44.如图2、3所示，所述组合型钢环梁7固定于t型隧道交叉口处主隧道初支结构内部，组合型钢环梁7的形状与t型隧道拱拱相交处的交线相匹配，所述组合型钢环梁7内部环向均匀设置若干预埋钢管7e；
45.如图1、2、3所示，所述超前管棚8分别穿过所述预埋钢管7e，且管棚一端与预埋钢管7e焊接固定，另一端穿过拱拱相交三角形悬臂区域围岩9，并置于前方附属通道未开挖土体中；
46.如图4所示，所述钢筋板带10b设置有多个，分别垂直固定于超前管棚8的管壁上；所述中空锚杆10a在环向上与超前管棚8以间隔布置的方式打设，中空锚杆10a末端设置锚杆托盘，所述锚杆托盘以及中空锚杆10b可将钢筋板带10b以及超前管棚8固定于拱拱相交三角形悬臂区域围岩9的基面上。
47.具体地，在本实施例1所述的t型隧道交叉口无撑化初支开洞支护结构中，所述组合型钢环梁7是由双拼布置的工字钢7a以及两个分别与工字钢7a相连接的缀板7b相互焊接形成的格构式结构；所述钢筋板带10b由两根螺纹钢筋并列布置组成，所述两根螺纹钢筋分别设置于中空锚杆10a两侧，并焊接固定于超前管棚8的管壁上；所述中空锚杆10a直径为25mm、呈1.2m
×
1.2m梅花状布置，锚杆托盘尺寸长为150mm、宽为150mm、厚为12mm，可将钢筋
板带10b扣锁固定在超前管棚8上。
48.进一步地，如图1、4所示，在本实施例1中，所述超前管棚8穿过拱拱相交三角形悬臂区域围岩的长度不低于3m，超前管棚8与附属通道未开挖土体相互搭接的范围内设有附属通道钢架11，以便形成超前管棚8的结构性承压支座；位于拱拱相交三角形悬臂区域围岩9上的由超前管棚8、钢筋板带10b以及中空锚杆10a构成的支护结构表面设置有厚度为300
‑
350mm的喷射混凝土层10c，所述喷射混凝土层10c可以有效封闭拱拱相交三角形悬臂区域围岩，提高支护结构的整体稳定性与安全性。
49.本实施例1所述的支护结构中，所述组合型钢环梁7于开挖期间内置于先行主体隧道初支空间内并与主体钢架焊接，作为t型交叉口初支开洞时截断主体钢架的支撑结构，同时兼作超前管棚的承压支座；另一方面，所述超前管棚8分别以组合型钢环梁7与前方未开挖地层作为两端支座，可有效避免开挖期间拱拱相交三角形悬臂区域围岩发生塌方、冒顶事故；由组合型钢环梁7、超前管棚8、中空锚杆10a、钢筋板带10b以及喷射混凝土10c相互连接形成的“横向成拱、纵向成梁”的空间棚护承载支护结构，共同维持交叉口二次衬砌模筑前t型隧道拱拱相交三角形悬臂区域围岩的稳定性，顺利实现交叉口处无撑化初支开洞，与传统开洞方式相比，无需面临拆撑失稳的施工风险；同时附属通道与主体隧道开挖与支护可以同步进行，施工周期短。
50.实施例2：如图1至4所示，一种拱拱相交t型隧道交叉口无撑化初支开洞施工方法，包括如下施工步骤：
51.s1，沿先行主体隧道上层左导坑1a开挖至t型交叉口位置并施作350mm厚初期支护4，主体隧道上层右导坑1b滞后主体隧道上层左导坑1a掌子面15m开挖、支护；
52.s2，靠近后行附属通道开洞一侧，放线测量、定位主体隧道上层左导坑1a与附属通道上台阶5的拱拱相交交线；
53.s3，以拱拱相交交线作为主体隧道上层左导坑1a上台阶岩体开挖边线，继续向前开挖、支护并打设锁脚锚杆稳固拱脚；
54.s4，加工预制组合型钢环梁7，所述组合型钢环梁7的形状与拱拱相交交线相适应，地面试拼满足拼装误差要求后方可用于现场施工；其中：所述组合型钢环梁7由规格为工25a双拼布置的工字钢7a与10mm厚的缀板7b焊接而成，所述工字钢7a与所述缀板7b上设置可满足89mm直径的超前管棚8穿越的预埋钢管7e，所述预埋钢管7e内部需填充无纺布或纺织袋以防喷混堵塞管路，便于后期超前管棚8的施工，所述预埋钢管7e内径比超前管棚8外径大10mm，具有管棚导向定位与固定功能的双重作用，管棚施作时无需外插角，可降低所述附属通道上台阶5的超挖量与初衬圬工量；
55.s5，待所述主体隧道上层左导坑1a掌子面开挖至t型交叉口前方1倍后行附属通道洞跨时，沿着上台阶开挖边线环向分块掏槽开挖所述组合型钢环梁7安装空间的围岩，架设组合型钢环梁7并将其与主体隧道初期支护4的格栅钢架焊接连接；
56.s6，继续向下开挖交叉口位置处主体隧道上层左导坑1a下台阶岩体至所述附属通道上台阶5底标高，施作剩余的初期支护4；
57.s6：继续向下开挖直至后行附属通道上台阶底部标高位置，施作相应的初期支护结构；
58.s7，破除89mm直径超前管棚8打设点位的初期支护4并露出所述预埋钢管7e，清理
内部填充异物并打设超前管棚8，所述超前管棚8一端与组合型钢环梁7焊接为整体，另一端穿过拱拱相交三角形悬臂区域围岩9，并置于前方附属通道未开挖土体中；
59.s8，分块割除组合型钢环梁7下部初期支护4，紧跟开挖后行附属通道上台阶5；
60.s9，后行附属通道上台阶5开挖进尺控制为0.5m，随着开挖施作多个由2根直径28mm螺纹钢组成的钢筋板带10b及直径25mm的中空锚杆10a，并施作300mm厚的喷射喷射混凝土10c及时封闭拱拱相交三角形悬臂区域围岩9；其中：所述钢筋板带中的2根螺纹钢筋并排布置在中空锚杆10a两侧35mm处，密贴超前管棚8施作并焊接连接，焊接时不得焊透超前管棚8的管壁，以免降低管棚结构纵向承载力；
61.s10，继续向前开挖后行附属通道，要求其与超前管棚8相互搭接长度范围内必须架设附属通道钢架11，以便形成超前管棚8的结构性承压支座；
62.s11，至此，整个拱拱相交t型交叉口无撑化初支开洞施工全部完成，继续开挖剩余主体隧道上层左、中、右导坑1a、1c、1b，主体隧道中层左、中、右导坑2a、2c、2b，主体隧道下层左、中、右导坑3a、3c、3b以及附属通道下台阶6，并施作相应的系统支护结构；
63.s12，待全面洞通后同时进行交叉口结构防水材料铺设、钢筋绑扎以及二次衬砌模筑。
64.在本实施例2所述的施工方法中，组合型钢环梁7于先行主体隧道开挖期间预先埋置在初支厚度空间内，待掌子面施工至t型交叉口前方且不低于1倍后行附属通道洞跨时，人工破除超前管棚布置点位初支基面后施作进洞管棚，在型钢环梁以及超前管棚保护作用下分块拆除洞门主体钢架并开挖岩体，紧跟开挖拱拱相交三角形悬臂区域围岩并密贴超前管棚施作钢筋板带与中空锚杆并覆盖喷射混凝土层，联合组合型钢环梁、超前管棚共同形成“横向成拱、纵向成梁”的空间棚护承载结构，与传统二衬出洞或直墙初支出洞方案相比，本发明所述的支护开洞措施可保证拱拱相交t型隧道交叉口三角形悬臂区域围岩的稳定性，实现无撑化初支开洞、缩短建设工期、提高施工工效、改善结构受力、保证防水质量的目的。
65.此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。