隧道穿越顺层边坡软弱夹层施工时防衬砌开裂的钢拱架的制作方法

1.本实用新型涉及交通隧道洞口段支护技术领域，具体涉及一种顺层条件下的洞口段隧道衬砌防开裂衬砌结构。


背景技术：

2.顺层岩质边坡是指坡体倾斜方向与层状基岩倾向接近或大体一致的边坡。在顺层边坡内部常伴生软弱夹层，在实际公路隧道工程穿越区域性单斜地层时形成无法避免的顺层边仰坡，而浅埋顺层隧道洞口段不仅易在施工阶段扰动边坡，造成边坡失稳滑塌，洞内变形过大等风险，而在后期运营阶段，围岩卸荷松弛、降雨等因素易造成顺层上部围岩继续变形，在拱顶处产生应力集中，造成拱顶一定范围内逐渐产生环向裂缝，带来渗漏水风险，影响隧道稳定性。目前的处理措施如抗滑桩、管棚，超前小导管等，保证的仅仅是施工阶段的安全稳定，并且在通过缓倾顺层软弱夹层时，往往不会特意改变支护形式和参数，具有一定盲目性，没有专门针对防后期衬砌开裂的处理措施。


技术实现要素：

3.本实用新型旨在提供一种专用于穿越顺层软弱夹层的洞口段隧道防开裂衬砌结构，不仅能保证施工阶段的衬砌结构强度，还能确保后期运营阶段的安全稳定。
4.为此，本实用新型所采用的技术方案为：一种隧道穿越顺层边坡软弱夹层施工时防衬砌开裂的钢拱架，将顺层边坡软弱夹层与隧道拱顶的重合区域称为软弱夹层钢拱架改造区，在隧道上台阶掌子面施工至软弱夹层钢拱架改造区的部分设置有初喷混凝土层，并在隧道上台阶上沿隧道延伸方向依次安装有若干榀上台阶钢拱架，每榀上台阶钢拱架分别通过径向锚杆和缩脚锚杆固定在围岩上，在每榀上台阶钢拱架的工字钢腹板中下部对称于隧道中心线等距设置钻孔，钻孔范围为拱顶圆弧对应圆心呈60
°
～90
°
角，每榀上台阶钢拱架与上一榀上台阶钢拱架通过每隔一孔穿设的螺纹钢筋结合锁紧螺栓相连，每榀上台阶钢拱架与下一榀上台阶钢拱架通过剩余的每隔一孔穿设的螺纹钢筋结合锁紧螺栓相连。
5.作为上述方案的优选，在每两榀上台阶钢拱架之间放置有钢筋网，在软弱夹层钢拱架改造区的部分设置有复喷混凝土层。
6.进一步优选为，所述钻孔数量为奇数个，孔径为φ20～φ30mm。
7.进一步优选为，所述径向锚杆和缩脚锚杆均从上台阶钢拱架内部穿过，并以弹性螺栓与上台阶钢拱架固定。
8.进一步优选为，所述锁紧螺栓采用弹性螺栓。
9.本实用新型的有益效果：(1)在上台阶钢拱架打孔插入螺纹钢筋后可起到与混凝土中增加配筋类似的效果，增强初期支护整体刚度，提高初支抵抗互层区拱顶变形能力；
10.(2)在上台阶钢拱架工字钢腹板下方插入螺纹钢筋可提高拱顶初期支护背离围岩侧的抗拉强度，提高结构抗拉裂能力；
11.(3)穿入螺纹钢筋使相邻上台阶钢拱架相互连接，进一步增强支护体系的纵向稳
定和整体刚度，同时可以将软弱夹层处的集中应力更好地向结构整体传递分散，无论是对于施工阶段的衬砌结构强度，还是对于后期运营阶段的安全稳定都有积极的效果。
附图说明
12.图1为本实用新型在适用区域的使用状态图。
13.图2为上台阶钢拱架的结构示意图。
14.图3为图2的局部放大图。
15.图4为多榀上台阶钢拱架安装后的俯视图。
具体实施方式
16.下面通过实施例并结合附图，对本实用新型作进一步说明：
17.结合图1—图4所示，一种隧道穿越顺层边坡软弱夹层施工时防衬砌开裂的钢拱架，将顺层边坡软弱夹层5与隧道拱顶的重合区域称为软弱夹层钢拱架改造区1(如图1中方框所示区域)，需要对该软弱夹层钢拱架改造区1要进行钢拱架改造。
18.在隧道上台阶掌子面施工至软弱夹层钢拱架改造区1的部分设置有初喷混凝土层(图中未显示)，施作初喷混凝土层以保证已开挖洞室基本稳定和避免部分松散围岩脱落，具备继续施工钢拱架的条件。
19.本隧道围岩分为上台阶围岩10和下台阶围岩11，在隧道上台阶上沿隧道延伸方向依次安装有若干榀上台阶钢拱架2。每榀上台阶钢拱架2分别通过径向锚杆和缩脚锚杆固定在围岩上。最好是，径向锚杆和缩脚锚杆均从上台阶钢拱架2内部穿过，并以弹性螺栓与上台阶钢拱架2固定。
20.每榀上台阶钢拱架2的周向边缘采用工字钢，工字钢分为两侧板和中间腹板。在每榀上台阶钢拱架2的工字钢腹板中下部对称于隧道中心线等距设置钻孔3，钻孔范围为拱顶圆弧对应圆心呈60
°
～90
°
角。钻孔3数量最好为奇数个，以7个、9个为宜，孔径为φ20～φ30mm。
21.每榀上台阶钢拱架2与上一榀上台阶钢拱架2通过每隔一孔穿设的螺纹钢筋4结合锁紧螺栓相连。每榀上台阶钢拱架2与下一榀上台阶钢拱架2通过剩余的每隔一孔穿设的螺纹钢筋4结合锁紧螺栓相连。锁紧螺栓最好采用弹性螺栓。
22.最好是，在每两榀上台阶钢拱架2之间放置有钢筋网，在软弱夹层钢拱架改造区1的部分设置有复喷混凝土层。
23.具体施工时的步骤如下：
24.s1：确定顺层边坡中软弱夹层的位置、产状以及穿越隧道区域，特别是与拱顶重合位置。
25.首先利用物探手段对软弱夹层的走向、产状进行评估，判断其与隧道区域大致的相交位置，即穿越隧道区域，在未接近该区域时采用常规钢拱架6正常施工；
26.s2：开挖至上台阶掌子面接近软弱夹层与隧道拱顶重合区域，初喷混凝土；
27.s3：安装上台阶钢拱架2，在上台阶钢拱架上按设计打入径向锚杆和锁脚锚杆，固定上台阶钢拱架；
28.径向锚杆和锁脚锚杆均从钢拱架内部穿过，并以弹性螺栓与钢拱架固定，将上台
阶钢拱架与围岩卡死固定，起到进一步稳定围岩和锁定上台阶钢拱架位置的作用；
29.s4：在安装完成的上台阶钢拱架的工字钢腹板中下部对称于隧道中心线等距打孔，打孔范围视夹层状态较拱顶圆弧对应圆心呈60
°
～90
°
角，并在下一榀上台阶钢拱架安装完成后重复该操作；
30.打孔位置选择在腹板中下部，使安装钢筋位置更加接近受拉区，起到预防开裂的作用。本实施例打孔范围约为60
°
，孔数为7孔，孔径为φ22，与连接钢筋直径一致，根据软弱夹层强度、厚度、产状等特点可适当增减孔数、打孔范围和孔径。
31.s5：在两上台阶钢拱架之间，每隔一孔穿入比拱架间距稍长的螺纹钢筋，并以弹性螺栓将两头固定，继续开挖掌子面，安装并改造下一榀上台阶钢拱架；
32.s6：在下一榀上台阶钢拱架钻孔完成后，从上一榀上台阶钢拱架未穿入钢筋的钻孔中穿过，与下一榀上台阶钢拱架对应位置穿出并固定；
33.s7：每两榀上台阶钢拱架全部孔洞均插入钢筋后，即在上台阶钢拱架间放入钢筋网并复喷混凝土，以此类推循环作业，直至通过软弱夹层区域。
34.隧道内施作的初支7、二衬8和仰拱回填9等如图1所示。
35.由于顺层地质伴生软弱夹层在掌子面通过后，易因爆破扰动，围岩卸荷松弛和地表径流渗透软化等因素对与其接触的拱顶衬砌结构造成一定范围的应力集中，随时间推移易使拱顶衬砌出现裂缝，对结构稳定性产生破坏，增加后期运营维护难度，对多榀上台阶钢拱架打孔并穿入螺纹钢筋连为一个整体后可有效地降低拱顶衬砌出现裂缝的概率。