预防围岩高地应力状态下坍塌的隧道内支护结构施工方法

1.本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及预防围岩高地应力状态下坍塌的隧道内支护结构施工方法。


背景技术：

2.在隧道施工中，在富水、软岩、高地应力等情况下，伴随着隧道开挖常出现洞内涌水、突泥等地质灾害，引起隧道开挖工作面发生坍塌、进洞口段发生冒顶等严重施工事故，不仅危及施工人员生命安全，而且阻碍施工正常进行、延长施工工期等。隧道开挖时在洞口断面处大多会产生应力集中现象，隧道开挖至洞内一段距离后应力一般比较均匀，因此针对洞口段围岩稳定性的研究与支护方案相对较多。但是在高地应力状态下的围岩地区进行隧道开挖时，还容易出现洞内塌方、大量涌水等严重地质灾害，需要后期进行补救，不仅耽误工期，也存在严重施工隐患。如何在保证特殊围岩、复杂地质条件下隧道施工进度、效率的同时，提高施工安全性，保证施工人员安全，成为现今隧道复杂地质条件下施工的一大难点。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种预防围岩高地应力状态下坍塌的隧道内支护结构施工方法，提高施工作业面安全性，有效降低软弱富水围岩对隧道支护结构层的影响。
4.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种预防围岩高地应力状态下坍塌的隧道内支护结构施工方法，所述支护结构设置在隧道内，包括由外向内依次分层设置的管棚、主钢拱架、初衬和副钢拱架，管棚打设在隧道拱部，并沿隧道纵向延伸，延伸范围大于隧道顶部的溶腔范围，主钢拱架沿隧道间隔设置，并顺次纵向连接以形成第一纵向连接系，副钢拱架沿隧道间隔设置，并顺次纵向连接以形成第二纵向连接系，主钢拱架和相邻的副钢拱架之间通过双层拱架连接机构连接，将第一纵向连接系和第二纵向连接系连成一个整体，所述的初衬设置在主钢拱架和副钢拱架之间；该支护结构的施工方法包括如下步骤：步骤一，在探明隧道内围岩溶腔范围后，以之前施工的封堵墙作为导向，在隧道拱部设置一环管棚，管棚端头嵌入基岩不少于5m，管棚覆盖范围包括并大于溶腔范围；步骤二，采用三台阶临时仰拱法进行隧道开挖，各步台阶一次开挖长度为2～3m，下台阶开挖后紧跟仰拱；步骤三，开挖结束后，沿开挖的隧道施作主钢拱架，相邻两排主钢拱架间以纵向钢筋连接，使得所有主钢拱架形成纵向连接系，主钢拱架安装完成后与锁脚锚管采用u型钢筋环连接，锁脚钢管下倾角20～40
°
设置，每一主钢拱架与双层拱架连接机构的一端连接，双层拱架连接机构的另一端用于和副钢拱架连接；步骤四，钢拱架铺设完成后及时跟进初支，在隧道拱部临空范围采用锚网喷加强防护，并布设监测点，以监控初衬变形情况；
步骤五，待步骤四施工的初衬达到设计强度后，进行副钢拱架的施作，副钢拱架通过双层拱架连接机构与对应的主钢拱架相连，相邻的副钢拱架之间通过纵向钢筋连接，形成纵向连接系，得到所述的支护结构；所述封堵墙与初支背后岩体采用两排砂浆锚杆连接，砂浆锚杆环向间距1m，嵌入封堵墙1m，嵌入基岩1.5m，封堵墙基础埋入回填体不小于0.5m，且封堵墙基底与回填体之间通过钢花管连接，钢花管嵌入封堵墙1m，嵌入回填体2m，并对封堵墙基底和回填体注浆固结。
5.管棚中的钢管环向间距40cm，纵向搭接长度3m，钢管管壁四周钻孔，在同一环向上，钻孔呈梅花形布置。
6.在管棚的钢管中注水泥水玻璃浆液，注浆初压0.5mpa，增大至终压2.0mpa，注浆施作结束后采用1：1水泥砂浆回填钢管。
7.钢管接头在纵向上错开设置。
8.在主钢拱架安装时，在主钢拱架外侧紧贴厚度不小于4cm的混凝土层，拱脚安装在原状岩石上。
9.双层拱架连接机构包括内螺纹竖向套管、两个螺栓和钢护筒，其中一个螺栓安装在主钢拱架上，另一个螺栓安装在副钢拱架上，两个螺栓螺纹连接在所述的内螺纹竖向套管的两端，钢护筒套设在内螺纹竖向套管和两个螺栓外。
10.步骤四中，锚杆采用砂浆锚杆，间距1.0m
×
1.0m，交错布置，钢筋网片采用φ8钢筋，网格间距25cm
×
25cm，并喷射c25混凝土封闭。
11.完成步骤四后，在超前地质探测阶段探测的软弱围岩段、空腔或淤泥溶腔所处隧道断面处布设监控量测点，以及时预报初衬变形情况并加以补救措施。
12.在步骤二中，对于v级围岩段，上台阶开挖进尺为3榀主钢拱架间距，下台阶开挖进尺不大于4榀主钢拱架间距。
13.本发明的有益效果是：第一，本发明通过超长钢管棚与主、副钢拱架、初衬等铁路隧道支护手段相结合，可以有效降低该地区软弱围岩、隧道洞内涌水突泥等对隧道结构层的影响。该方法对铁路隧道围岩等承载力要求不高，可适用于软弱岩土层、富水围岩、伴有充填溶腔的隧道线路等复杂地址条件的滇南地区。具有施工便捷，施工效率较高，施工难度较低等特点。
14.第二，超长大管棚长度为25m，采用热轧无缝钢管制成。每环布设28根，环向间距0.4m布置，对围岩环境要求较低，更有利于后期施工钻孔等。
15.第三，在初衬前后采用钢拱架、副钢拱架可有效降低软弱土层对初期支护结构的侵害影响，结合超长大管棚使用，使之成为一个整体后，支护结构层可以更加高效抵抗围岩土层的沉降量、水平拱腰收敛量等。既能保证施工更加安全的进行，也可提高铁路隧道后期的使用效率，保证该铁路隧道后期施工的稳定性。
16.第四，完成超长大管棚、钢拱架以及初期衬砌喷射后，为防止软弱围岩对衬砌结构的过度侵陷，铺设副钢拱架，用来做二衬之前的临时支护。在随后进行二衬施工时将副钢拱架拆除，进行二衬结构面层的施工。拆除的副钢拱架可继续沿铁路隧道洞内开挖方向继续施工铺设，延长其使用寿命，降低施工成本，增加副钢拱架使用效率。
17.第五，提高施工作业面安全性，有效降低软弱富水围岩对隧道支护结构层的影响，
技术较为成熟，养护成本较低。
附图说明
18.图1为预防围岩高地应力状态下坍塌的隧道内支护结构示意图。
19.图2为预防围岩高地应力状态下坍塌的隧道内支护结构中管棚的设置示意图。
20.图3为预防围岩高地应力状态下坍塌的隧道内支护结构中双层拱架连接机构的结构示意图。
21.图中标记：1、管棚，2、主钢拱架，3、双层拱架连接机构，4、初衬，5、副钢拱架，6、隧道开挖沿线溶腔、软弱围岩，7、封堵墙，8、钢护筒，9、螺栓，10、内螺纹竖向套管。
具体实施方式
22.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
23.本发明设计一种预防围岩高地应力状态下坍塌的隧道内支护结构施工技术，能够防止围岩高地应力状态下引起隧道衬砌结构失稳，发生严重侵陷，保证施工效率，提升施工安全性。该支护结构如图1所示，包括打设在隧道拱部、沿隧道长度延伸的超长管棚，设置在超长管棚下方的主钢拱架、初衬和副钢拱架；超长管棚的延伸范围要大于隧道顶部的溶腔范围；主钢拱架沿隧道间隔设置，并顺次纵向连接以形成第一纵向连接系，副钢拱架沿隧道间隔设置，并顺次纵向连接以形成第二纵向连接系，主钢拱架和相邻的副钢拱架之间通过双层拱架连接机构连接，将第一纵向连接系和第二纵向连接系连成一个整体；初衬将主钢拱架包覆其中，副钢拱架支撑在初衬的内环，双层拱架连接机构则穿过初衬设置。
24.需要说明的是，所述的支护结构中副钢拱架为二衬施工前的临时支护，待结构稳定后，将副钢拱架拆除，可以进行二衬的施工，以形成永久支护。
25.下面对本发明所述的支护结构的施工过程作进一步的说明。
26.具体的施工步骤如下：1、钻探法超前地质预报：采用超前水平钻，水平钻探测里程32km。断层、节理密集带或其他破碎富水地层每循环可只钻1孔，富水岩溶发育区每循环宜钻3-5个孔。不同地段用不同的钻孔深度，钻孔过程中应进行动态控制和管理，根据钻孔情况可适时调整钻孔深度，达到预报为目的的原则。在需连续钻孔时一般每循环可钻30-50m，必要时也可钻100m以上的孔深。每断面布设3-5个φ108探测孔(其中1孔取岩芯)，如在富水岩溶发育区超前钻探应终孔于隧道开挖轮廓线以外5-8m。
27.2、封堵墙7与初支背后岩体采用两排φ22砂浆锚杆连接，φ22砂浆锚杆长3m，环向间距1.0m，嵌入封堵墙1.0m，嵌入基岩1.5m，封堵墙基础埋入回填体不小于0.5m，封堵墙基底与回填体采用两排φ42钢花管连接，长度按3m控制，间距按1.0m布置，φ42钢花管嵌入封堵墙1.0m，嵌入回填体2m，并对封堵墙基底回填体进行注浆固结以确保封堵墙基础的稳定。封堵墙于上台阶设置2m厚c20混凝土，封堵墙底部设置2～3孔引水管。
28.结合回填作业平台及封堵墙兼做导向墙，采用物探手段对前方溶腔情况进行探测，采用3根15m长φ89钢花管对物探结果进行验证，探明溶腔高度、纵向长度及岩体松散程度。
29.3、溶腔范围探明清楚后，结合管棚导向墙在隧道拱部范围设置一环超长管棚，具体设置要求如下：（1）管棚1施工用的钢管为外径φ89mm，壁厚4.0mm的热轧无缝钢管，环向间距40cm，布设28根，以包含溶腔范围，即坍塌环向范围；钢管纵向搭接长度3.0m，钢管长度为25m，连接接头采用厚壁箍，上满丝扣，丝扣长度为1.5cm；热轧无缝钢管前端作成尖靴状或楔形，管壁四周钻φ10mm孔，孔间距15-20
㎝
，每一环呈梅花形布置。
30.（2）管棚钢管安装：测量放样，标记孔位，用管棚钻机钻孔，成孔直径为φ89mm。
31.（3）管棚钻机钻孔完成后，清孔检查钻孔合格，安装钢管，每钻完1孔便顶进1钢管。
32.（4）封闭钢管尾部，先用麻布条封堵管棚钻孔空隙，后用环形楔环顶紧，最后用电焊将环形楔环焊接在管棚上。
33.（5）在钢管中注水泥水玻璃浆液，注浆初压0.5mpa，增大至终压2.0mpa，注浆施作结束后采用1：1水泥砂浆回填钢管，以增强钢管的强度与整体性。
34.4、隧道开挖，采用人工配合机械开挖，采用三台阶临时仰拱法施工，各步台阶一次开挖长度宜为2～3m，下台阶开挖后仰拱应紧跟。
35.5、开挖结束后，铺设主钢拱架，具体方法如下：（1）钢拱架定位测量：主钢拱架2采用全环i20b型钢钢架，间距0.6m/榀，安装前先准确定每榀钢拱架的位置，放样时首先测定出线路中线，确定里程，然后再测定其横向位置。
36.（2）安设前的准备工作：运至现场的单元钢架分单元堆放，安设前进行断面尺寸检查，及时处理欠挖侵空部分，保证钢架安设。钢架外侧必须有不小于4cm的喷射混凝土，安设拱脚或墙脚前，先清除垫板下的松碴，使其置于原状岩石上，避免拱脚下沉，拱墙脚保持水平。
37.（3）钢架安设：钢架按设计位置安设，钢架与喷射混凝土之间尽量紧贴，在安设过程中，两排钢架间沿周边每隔1m须用φ22的纵向钢筋联接，形成纵向连接系，以改善受力状态。拱脚高度不够时不得用土回填，拱脚按设计采用相应尺寸的支垫c20垫块，
ⅴ
级围岩上台阶钢架的拱脚高度低于上半断面底线以下15～20cm，当承载力不够时，可加大钢架拱脚外侧断面，向围岩方向加大接触面积。
38.（4）钢架安装完成后和与锁脚锚管采用u型钢筋环连接，锁脚钢管下倾角20～40
°
设置。
39.（5）钢拱架安装完成后需设置双层拱架连接机构3，双层拱架连接机构3设有钢护筒，用以后期进行二衬浇筑混凝土时，更好起到连接固定作用。
40.6、主钢拱架2铺设完成后及时跟进初支，在隧道拱部临空范围采用锚网喷加强防护，锚杆采用φ22砂浆锚杆，间距1.0m
×
1.0m，交错布置，长度3m/根，钢筋网片采用φ8钢筋，网格间距25cm
×
25cm，并喷射c25混凝土封闭。后续施工过程中，应及时在超前地质探测至软弱围岩段、空腔或淤泥溶腔等所处隧道断面处布设监控量测点，加强监控量测工作，及时预报初衬变形情况并加以补救措施等。
41.7、待初衬4达到设计强度之后，进行副钢拱架5施作。副钢拱架5采用全环i18工字钢架设，间距0.6m/榀，根据设计要求在初衬表面定点测量出每榀副钢拱架5位置，按照设计要求进行安装，并预留副拱架螺栓孔位，安装螺栓，并与主拱架2预留螺栓相连，组成双层拱
架连接机构3，用做隧道衬砌结构临时支撑，并且与管棚1、主钢拱架2、初衬4等隧道前期支护结构形成整体支撑体系，用以在二次衬砌施做前降低围岩变形对隧道环向支护结构的影响范围。同时每榀副钢拱架5皆用φ22的纵向钢筋连接，以提高其整体稳定性。
42.8、铺设防、排水结构层，沿隧道两侧纵向布设外贴式止水带以及外裹无纺布，环向设置外裹无纺布。
43.9、根据施工进度及施工需要，为确保二衬能够及时跟进，在二衬施工前，需要对副钢拱架5实施拆除作业，具体方法如下：（1）在已初期支护完成的上中台阶段布置变形观测点，确保安全。拆除副钢拱架前进行监控量测，取得拆除前的初始数据。在整个拆除过程中，对隧道收敛采取不间断观测，以保证隧道的安全。
44.（2）采用人工拆除副钢拱架的临时仰拱时，同时尽快施作下台阶及永久仰拱，使初期支护封闭成环。
45.二衬施工采用全断面液压整体式衬砌台车进行二次衬砌，拱墙二次衬砌一次性浇筑，二衬仰拱环向钢筋保护层采用混凝土垫块控制，不少于4块/m2。
46.隧道衬砌要遵循“仰拱超前、拱墙整体衬砌”的原则，初期支护完成后，为有效地控制其变形，仰拱施做完成后，利用自制防水板作业台车，铺设防水板，绑扎钢筋后，采用拱墙一次性整体灌注。
47.施工时对需针对隧道
ⅴ
级围岩段进行洞内外观察和拱顶下沉、净空变化测量。
ⅴ
级围岩量测断面间距不大于5m，按照相关技术规范的要求，根据量测信息及时修正初期支护参数、适时施作二次衬砌，实施动态设计、施工。监控量测点严禁直接焊接在工字钢或格栅钢架上，应在喷浆前植入岩层。量测点采用φ22mm螺纹钢，尾端焊接钢板（5cm
×
5cm），钢板上面粘贴测量专用反射贴（4cm
×
4cm），入岩30cm，喷锚后外露4cm以上。
48.在上述步骤7中，所述双层拱架连接机构的结构如图3所示，包括内螺纹竖向套管、两个螺栓和钢护筒，其中一个螺栓安装在主钢拱架上，另一个螺栓安装在副钢拱架上，两个螺栓螺纹连接在所述的内螺纹竖向套管的两端，钢护筒套设在内螺纹竖向套管和两个螺栓外，并焊接在主钢拱架上。
49.在上述施工步骤中，还需要注意以下几点：1、管棚1施工过程中，充分利用管棚钻机钻孔，分析钻孔资料，进一步探测掌子面前方溜坍范围及围岩情况，并根据钻进记录优化调整管棚的施作长度及施作范围。
50.2、主钢拱架2施工过程中，应严格控制开挖进尺，v级围岩段上台阶开挖进尺为3榀钢架间距，下台阶不大于4榀钢架间距。同时要求按“弱爆破，短进尺、强支护、早封闭、勤量测”原则进行施工。
51.3、为保证受力均匀性，管棚施工中所用的25m超长钢管接头应纵向错开，为保证成孔质量，防止邻孔钻进时前面的成孔坍塌，管棚钻机在钻孔时间隔进行，以便顺利安装φ89
×
4mm钢花管；钻孔需沿隧道纵向开挖轮廓线向外以1-3
°
外插角钻孔，环向间距40cm，每环28孔，孔深较管长长0.5m以上。钻进中应采用测量仪量测钢管钻进的偏斜度，发现偏斜超过设计要求及时纠正。利用钻机的冲击和推力将管棚钢花管沿引导孔顶进，逐节接长管棚，直至孔底。管棚注浆顺序应遵循“先两侧后中间”、“跳孔注浆”、“由稀到浓”的原则。
52.4、为了施工和隧道结构安全，副钢拱架的临时仰拱必须满足以下几个条件方能进
行拆除作业：（1）副钢拱架5拆除前必须保证拆除支撑段的永久支护已经封闭完成，且结构符合规范和设计要求；（2）副钢拱架5拆除前该拆除段的沉降和收敛测量结果都满足稳定条件，沉降收敛达到稳定的标准为收敛不超过0.5mm/d或累计值不超过50mm（当超过该值时需及时通知设计变更加强衬砌类型或按照其他方式进行施工）。
53.（3）拆除后尽快进行二次衬砌，确保隧道结构的稳定和安全。
54.5、步骤3中水泥水玻璃浆液的搅拌应在高速搅拌机内进行，严格按照施工配合比进行投料，水泥浆水灰比1:1，水玻璃模数m=2.4，浓度be=35。注浆应满足设计规范要求，为钻孔圆柱体的1.5倍，若注浆量超过设计量但未达到强度要求，需重新调整注浆浓度继续注浆，以确保钻孔周围空隙与钢管填充饱满，密实。
55.6、施工中注意保持监控量测点不被机械碰撞等损伤，并保持反光贴清洁。
56.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。