一种大断面软岩隧道初期支护结构及施工方法

本发明属于隧道支护，具体涉及一种大断面软岩隧道初期支护结构及施工方法。

背景技术：

1、在新奥地利隧道施工方法的影响下，我国隧道的支护体系一般采用复合式衬砌结构形式，其中初期支护作为重要的组成部分，需要承受施工期间的全部荷载，对于抑制围岩变形、保障围岩稳定等方面发挥着关键作用。通常情况下，隧道初期支护采用格栅拱架、型钢拱架及钢管混凝土等作为骨架结构形式。其中格栅拱架因其承载力弱、整体刚度低等问题，一般在ⅱ、ⅲ级围岩条件下应用较广泛，但在ⅳ级及以上围岩适应性较差。型钢拱架虽具有整体刚度大、加工制作方便等优点，但存在抗扭刚度小、稳定性差等不足，在一些高能地质环境下的软岩隧道中时常出现型钢拱架扭曲破坏的现象。钢管混凝土结构因其构造的缘故，抗倾能力及与喷射混凝土的耦合效果欠佳。

2、对于一些初期支护变形量大、变形速率快及持续时间长的大断面软岩隧道工程，在施工过程中如若出现隧道初期支护结构选型不匹配、施作质量较差等情况，难以对围岩产生很好的约束作用，围岩松动圈范围会进一步扩大，严重时可能会导致拱架弯折破坏、二次衬砌开裂等工程灾害。因此，如何提高初期支护结构的抗变形能力及稳定性至关重要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种大断面软岩隧道初期支护结构，以满足大断面软岩隧道的变形控制及围岩稳定，减少因围岩变形过大而造成的返工、修复，降低施工成本。

2、为了实现上述目的，本申请所采用的技术方案为：

3、一种大断面软岩隧道初期支护结构，包括混凝土喷层和钢管格栅支护，所述钢管格栅支护内置在混凝土喷层的内部；

4、所述钢管格栅支护包括沿隧道纵向均匀布置的钢管格栅拱架环，相邻钢管格栅拱架环之间通过纵向连接件进行连接；

5、所述钢管格栅拱架环的两外侧分别固定安装有至少一对锁脚锚杆，所述锁脚锚杆的末端穿过混凝土喷层后与围岩连接。

6、进一步方案，所述钢管格栅拱架环是由钢管格栅拱架节段首尾相固定连接而成。

7、更进一步方案，所述钢管格栅拱架节段的两端均固设有节点法兰板，相邻钢管格栅拱架节段之间通过节点法兰板对接后用螺栓固定连接。

8、本申请的优选方案，所述钢管格栅拱架节段包括多个弧形的主肢及将所有主肢连接成一体的连接钢筋，所述主肢的两端分别焊接在节点法兰板上。

9、所述主肢为波纹钢管或带肋钢管，所述主肢数量为4个、6个或8个。

10、进一步方案，所述连接钢筋为“π”形筋、“8”字形筋、“z”形筋或“u”形筋。

11、进一步方案，所述纵向连接件位于钢管格栅拱架环的内、外侧面上且呈双层错缝布置。

12、进一步方案，所述纵向连接件为短直钢管、短直钢筋、短直槽钢、短直角钢或短直波纹板。

13、本发明的第二个发明目的是提供上述一种大断面软岩隧道初期支护结构的施工方法，其包括以下步骤：

14、(1)对开挖后的隧道暴露的围岩进行混凝土初喷，形成平整、圆顺的混凝土底层；

15、(2)在混凝土底层凝固之前，将加工好的钢管格栅拱架节段沿着隧道断面轮廓周向安装在混凝土底层，将相邻钢管格栅拱架节段首尾相连接拼装形成一个钢管格栅拱架环；

16、(3)在安装完钢管格栅拱架环之后，在所述钢管格栅拱架环的两侧打设锁脚锚杆，并将锁脚锚杆固定在围岩处，对安装孔进行注浆处理；

17、(4)按步骤(2)、(3)方法，沿隧道纵向均匀布置其他的钢管格栅拱架环，使用纵向连接件将相邻的钢管格栅拱架环进行连接，所述纵向连接件在钢管格栅拱架环的内、外侧面上呈双层错缝布置；

18、(5)向安装好的钢管格栅支护表面复喷混凝土，与混凝土底层相连接形成混凝土喷层，将钢管格栅支护内置在混凝土喷层的内部，从而形成大断面软岩隧道初期支护结构。

19、进一步方案，步骤(1)中所述混凝土底层的厚度为3-5cm，混凝土初喷时遵循分段、分层、自下而上的喷射顺序，喷射角度尽量控制在90°，喷嘴与受喷面的距离为0.8～1.2m。

20、进一步方案，步骤(2)中所述钢管格栅拱架节段安装顺序是先安装拱顶处的钢管格栅拱架节段，接着依次安装拱墙、拱脚及拱底部位的钢管格栅拱架节段；

21、将相邻钢管格栅拱架节段首尾相连接拼装是使用螺栓将钢管格栅拱架节段端部的节点法兰板连接起来形成一个环状结构；螺栓的紧固分次进行，先将螺栓旋紧一半对钢管格栅拱架节段进行预连接，调整好各个钢管格栅拱架节段位置后再反复拧紧。

22、本申请中纵向连接件间隔地布置在相邻钢管格栅拱架环之间，将钢管格栅拱架环连接成一个整体。纵向连接件之间的间距是根据围岩变形情况进行设置的，可不同。

23、本申请中的混凝土喷层是现场施工制得的，即先在在隧道掌子面开挖后及时对围岩进行初喷，然后安装上钢管格栅拱架环和锁脚锚杆，再通过纵向连接件沿着隧道纵向安装下一个钢管格栅拱架环及锁脚锚杆，最后再复喷混凝土至设计厚度，形成混凝土喷层，也即形成钢混组合式初期支护结构。

24、本申请中钢管格栅拱架节段中选用小口径的波纹钢管或带肋钢管作为主要的受力骨架，改善了传统钢筋格栅拱架承载强度低、抗变形能力弱的不足，同时也保留了格栅结构与混凝土所具有的良好耦合承载效果，避免了采用工字钢、h型钢或钢管混凝土作为初支拱架出现耦合效果欠佳、稳定性差等问题。

25、本申请在钢管格栅拱架环的两外侧固设至少一对锁脚锚杆，相邻钢管格栅拱架环之间设置双层错缝布设的纵向连接件，从而进一步提高了支护结构的承载力、刚度及稳定性，可以有效保障隧道施工质量及安全。

26、本发明的施工方法适用于两台阶、三台阶及其它开挖方法进行施工，采用短台阶法进行施工，利于大型机械作业，提高施工效率，优化人员配置，改善作业环境。

技术特征：

1.一种大断面软岩隧道初期支护结构，其特征在于，包括混凝土喷层和钢管格栅支护，所述钢管格栅支护内置在混凝土喷层的内部；

2.根据权利要求1所述的一种大断面软岩隧道初期支护结构，其特征在于，所述钢管格栅拱架环是由钢管格栅拱架节段首尾相固定连接而成。

3.根据权利要求2所述的一种大断面软岩隧道初期支护结构，其特征在于，所述钢管格栅拱架节段的两端均固设有节点法兰板，相邻钢管格栅拱架节段之间通过节点法兰板对接后用螺栓固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种大断面软岩隧道初期支护结构，其特征在于，所述钢管格栅拱架节段包括多个弧形的主肢及将所有主肢连接成一体的连接钢筋，所述主肢的两端分别焊接在节点法兰板上。

5.根据权利要求4所述的一种大断面软岩隧道初期支护结构，其特征在于，所述主肢为波纹钢管或带肋钢管，所述主肢数量为4个、6个或8个。

6.根据权利要求4所述的一种大断面软岩隧道初期支护结构，其特征在于，所述连接钢筋为“π”形筋、“8”字形筋、“z”形筋或“u”形筋。

7.根据权利要求1所述的一种大断面软岩隧道初期支护结构，其特征在于，所述纵向连接件位于钢管格栅拱架环的内、外侧面上且呈双层错缝布置；

8.如权利要求1-7任一项所述的一种大断面软岩隧道初期支护结构的施工方法，其特征在于：包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的施工方法，其特征在于：步骤(1)中所述混凝土底层的厚度为3-5cm，混凝土初喷时遵循分段、分层、自下而上的喷射顺序，喷射角度尽量控制在90°，喷嘴与受喷面的距离为0.8～1.2m。

10.根据权利要求8所述的施工方法，其特征在于：步骤(2)中所述钢管格栅拱架节段安装顺序是先安装拱顶处的钢管格栅拱架节段，接着依次安装拱墙、拱脚及拱底部位的钢管格栅拱架节段；

技术总结
本发明公开了一种大断面软岩隧道初期支护结构及施工方法，包括混凝土喷层和钢管格栅支护，所述钢管格栅支护内置在混凝土喷层的内部；所述钢管格栅支护包括沿隧道纵向均匀布置的钢管格栅拱架环，相邻钢管格栅拱架环之间通过纵向连接件进行连接；所述钢管格栅拱架环的两外侧分别固定安装有至少一对锁脚锚杆，所述锁脚锚杆的末端穿过混凝土喷层后与围岩连接。本申请的初期支护结构充分发挥了钢管格栅支护与混凝土喷层之间的良好耦合承载效果，解决了在复杂地质条件下现有初期支护结构承载力不足、稳定性差等问题。

技术研发人员：宋远,荣传新,蔡海兵,王长柏,李然,王强,袁璞,姚韦靖,杨晓峰
受保护的技术使用者：安徽理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31