(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 106761810 A(43)申请公布日 2017.05.31
(21)申请号 201611033432.8(22)申请日 2016.11.23
(71)申请人 长安大学
地址 710064 陕西省西安市南二环中段长
安大学330号信箱(72)发明人 陈建勋 罗彦斌 陈丽俊 刘钦
黄沛 (74)专利代理机构 西安新思维专利商标事务所
有限公司 61114
代理人 韩翎(51)Int.Cl.
E21D 11/00(2006.01)E21D 11/18(2006.01)E21D 11/10(2006.01)E21D 11/38(2006.01)
权利要求书2页 说明书4页 附图2页
E21D 20/00(2006.01)E21D 9/00(2006.01)
CN 106761810 A(54)发明名称
一种软岩大变形隧道支护结构体系及其施工方法(57)摘要
本发明涉及隧道工程领域，具体涉及一种软
其通岩大变形隧道支护结构体系及其施工方法。
过在围岩与初期支护间设置双层弹性泡沫板，预留足够的围岩变形空间以适应软岩隧道大变形的要求，不仅可以避免围岩变形量过大导致的侵限问题，而且能够有效降低作用于支护结构上的围岩压力；加强了初期支护，通过采用双层初期支护可避免支护结构受力过大造成的喷射混凝土剥落掉块、钢架扭曲错断、二衬开裂等现象，最终确保软岩大变形隧道支护结构的安全可靠；针对软岩大变形隧道系统锚杆效果不明显而且费时费力的特点，取消了系统锚杆在软岩大变形隧道中的应用，提出了加强锁脚锚管和钢架纵向连接的措施，并给出了相应的合理支护参数，以更好地控制隧道沉降。
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权 利 要 求 书
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1.一种软岩大变形隧道支护结构体系，其特征在于：包括拱部外层弹性泡沫板(1)，拱部外层钢架(2)，上台阶拱脚处锁脚锚管(3)，纵向槽钢托梁(4)，超前注浆小导管(5)、拱部外层喷射混凝土(6)，下台阶左侧外层弹性泡沫板(7)，下台阶左侧外层钢架(8)，下台阶左侧墙脚处锁脚锚管(9)，下台阶左侧外层喷射混凝土(10)，下台阶右侧外层弹性泡沫板(11)，下台阶右侧外层钢架(12)，下台阶右侧墙脚处锁脚锚管(13)，下台阶右侧外层喷射混凝土(14)，内层弹性泡沫板(15)，内层钢架(16)，内层喷射混凝土(17)，防水板(18)和二次衬砌(19)；
所述的拱部外层弹性泡沫板(1)、下台阶左侧外层弹性泡沫板(7)和下台阶右侧外层弹性泡沫板(11)构成外层弹性泡沫板；
所述拱部外层钢架(2)和拱部外层喷射混凝土(6)、下台阶左侧外层钢架(8)、下台阶右侧外层钢架(12)、下台阶左侧外层喷射混凝土(10)和下台阶右侧外层喷射混凝土(14)构成外层初期支护；
所述拱部内层钢架(16)和内层喷射混凝土(17)构成内层初期支护；
所述外层弹性泡沫板和内层弹性泡沫板(15)均采用膨胀螺丝分别固定于围岩和外层初期支护上；拱部外层钢架(2)与下台阶左侧外层钢架(8)、下台阶右侧外层钢架(12)均首先通过连接钢板由螺栓连接后，再进行焊接，以确保各段外层钢架之间牢固连接；内层钢架(16)采用与各段外层钢架相同的接头连接工艺；各锁脚锚管与各段外层钢架之间通过环形钢筋连接件进行牢固焊接，以避免钢架锁脚失效；超前注浆小导管(5)施做时穿过拱部外层钢架(2)腹板上的预留孔，由顶头顶进，外露端支于拱部外层钢架(2)上形成超前支护系统，然后采用高压注浆对地层做进一步加固，注浆压力为1.0～1.5MPa，注浆结束后将管口封堵，以防浆液流出；纵向槽钢托梁(4)设置在相邻拱部外层钢架(2)之间，与各拱部外层钢架翼缘牢固焊接。
2.根据权利要求1所述的一种软岩大变形隧道支护结构体系的施工方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)上台阶施工：上台阶环形部分开挖完成后，敷设拱部外层弹性泡沫板并采用膨胀螺丝固定，然后立即架设拱部外层钢架，并在左右两侧拱脚上方30～50cm处分别打设2排共8根
上台阶拱脚处锁脚锚管，实现拱部外层钢架的锁脚，打设角度取40°；为进一步加强拱部外层钢架的稳定性，在相邻拱部外层钢架之间设置纵向槽钢托梁；在拱部外层钢架稳定后进行超前注浆小导管的施工，采用长3～5m、直径42mm、环向设置间距20～50cm的热压无缝钢花管，沿开挖轮廓线120°范围内以5°～20°的外插角穿过拱部外层钢架腹板上的预留孔，伸入至掌子面前方地层并进行注浆加固；最后完成拱部外层喷射混凝土的施做；
2)开挖预留核心土部分；3)下台阶左侧部分施工：下台阶左侧部分开挖完成后，敷设下台阶左侧外层弹性泡沫板并采用膨胀螺丝固定，然后立即接长下台阶左侧外层钢架，并在左侧墙脚上方30～50cm处分别打设2排共4根
下台阶左侧墙脚处锁脚锚管，打设角度取40°，确保该侧外层钢架
脚部落于稳固地基上；最后施做下台阶左侧外层喷射混凝土；
4)下台阶右侧部分施工：下台阶右侧部分开挖完成后，敷设下台阶右侧外层弹性泡沫板并采用膨胀螺丝固定，然后立即接长下台阶右侧外层钢架，并在右侧墙脚上方30～50cm
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权 利 要 求 书
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处分别打设2排共4根下台阶右侧墙脚处锁脚锚管，打设角度取40°，确保该侧外层钢架
脚部落于稳固地基上；最后施做下台阶右侧外层喷射混凝土；
5)敷设内层弹性泡沫板，并采用膨胀螺丝将其固定在外层初期支护上；6)开挖仰拱部分，并进行初喷；7)架设内层钢架，全断面闭合后施做内层喷射混凝土；8)在内层初期支护内表面，敷设防水板；9)待隧道变形达到设计预留变形量后，施做二次衬砌；10)在超前注浆小导管支护下，隧道上下台阶按上述步骤交替施工，掌子面不断向前推进，以至隧道贯通。
3.根据权利要求2所述一种软岩大变形隧道的施工方法，其特征在于：所述施工方法适用于单洞两车道隧道，采用两台阶预留核心土法开挖，上下台阶交替作业，台阶长度控制在3～5m。
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说 明 书
一种软岩大变形隧道支护结构体系及其施工方法
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一、技术领域：[0001]本发明涉及隧道工程领域，具体涉及一种软岩大变形隧道支护结构体系及其施工方法。
二、背景技术：[0002]由于软岩缺乏自承能力，隧道开挖后往往具有变形量大、变形速率快、持续时间长的特点，若采用常规的施工方法，则很难适应软岩隧道大变形的要求，容易造成围岩大面积侵限、喷射混凝土剥落掉块、钢架扭曲变形甚至错断和二衬开裂等，进而不得不采取频繁拆换钢架、二次扩挖、加大衬砌厚度等措施，这样不仅浪费材料，更是造成工程造价不可控、施工工期不可预测和施工安全无法保证的问题。可以说，软岩隧道大变形问题已是目前隧道工程界的一个世界性难题，一直没有得到很好地解决，急需发明一种适应于软岩隧道大变形要求的支护结构体系及其施工方法。
三、发明内容[0003]本发明的提供一种软岩大变形隧道支护结构体系及其施工方法。[0004]为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种软岩大变形隧道支护结构体系，其特征在于：包括拱部外层弹性泡沫板，拱部外层钢架，上台阶拱脚处锁脚锚管，纵向槽钢托梁，超前注浆小导管、拱部外层喷射混凝土，下台阶左侧外层弹性泡沫板，下台阶左侧外层钢架，下台阶左侧墙脚处锁脚锚管，下台阶左侧外层喷射混凝土，下台阶右侧外层弹性泡沫板，下台阶右侧外层钢架，下台阶右侧墙脚处锁脚锚管，下台阶右侧外层喷射混凝土，内层弹性泡沫板，内层钢架，内层喷射混凝土，防水板和二次衬砌；[0005]所述的拱部外层弹性泡沫板、下台阶左侧外层弹性泡沫板和下台阶右侧外层弹性泡沫板构成外层弹性泡沫板；[0006]所述拱部外层钢架和拱部外层喷射混凝土、下台阶左侧外层钢架、下台阶右侧外层钢架、下台阶左侧外层喷射混凝土和下台阶右侧外层喷射混凝土构成外层初期支护；[0007]所述拱部内层钢架和内层喷射混凝土构成内层初期支护；[0008]所述外层弹性泡沫板和内层弹性泡沫板均采用膨胀螺丝分别固定于围岩和外层初期支护上；拱部外层钢架与下台阶左侧外层钢架、下台阶右侧外层钢架均首先通过连接钢板由螺栓连接后，再进行焊接，以确保各段外层钢架之间牢固连接；内层钢架采用与各段外层钢架相同的接头连接工艺；各锁脚锚管与各段外层钢架之间通过环形钢筋连接件进行牢固焊接，以避免钢架锁脚失效；超前注浆小导管施做时穿过拱部外层钢架腹板上的预留孔，由顶头顶进，外露端支于拱部外层钢架上形成超前支护系统，然后采用高压注浆对地层做进一步加固，注浆压力为1.0～1.5MPa，注浆结束后将管口封堵，以防浆液流出；纵向槽钢托梁设置在相邻拱部外层钢架之间，与各拱部外层钢架翼缘牢固焊接。[0009]一种软岩大变形隧道支护结构体系的施工方法包括以下步骤：[0010]1)上台阶施工：上台阶环形部分开挖完成后，敷设拱部外层弹性泡沫板并采用膨
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胀螺丝固定，然后立即架设拱部外层钢架，并在左右两侧拱脚上方30～50cm处分别打设2排共8根
上台阶拱脚处锁脚锚管，实现拱部外层钢架的锁脚，打设角度取40°；为进一步加
强拱部外层钢架的稳定性，在相邻拱部外层钢架之间设置纵向槽钢托梁；在拱部外层钢架稳定后进行超前注浆小导管的施工，采用长3～5m、直径42mm、环向设置间距20～50cm的热压无缝钢花管，沿开挖轮廓线120°范围内以5°～20°的外插角穿过拱部外层钢架腹板上的预留孔，伸入至掌子面前方地层并进行注浆加固；最后完成拱部外层喷射混凝土的施做；[0011]2)开挖预留核心土部分；[0012]3)下台阶左侧部分施工：下台阶左侧部分开挖完成后，敷设下台阶左侧外层弹性泡沫板并采用膨胀螺丝固定，然后立即接长下台阶左侧外层钢架，并在左侧墙脚上方30～50cm处分别打设2排共4根
下台阶左侧墙脚处锁脚锚管，打设角度取40°，确保该侧外层
钢架脚部落于稳固地基上；最后施做下台阶左侧外层喷射混凝土；[0013]4)下台阶右侧部分施工：下台阶右侧部分开挖完成后，敷设下台阶右侧外层弹性泡沫板并采用膨胀螺丝固定，然后立即接长下台阶右侧外层钢架，并在右侧墙脚上方30～50cm处分别打设2排共4根
下台阶右侧墙脚处锁脚锚管，打设角度取40°，确保该侧外层
钢架脚部落于稳固地基上；最后施做下台阶右侧外层喷射混凝土；[0014]5)敷设内层弹性泡沫板，并采用膨胀螺丝将其固定在外层初期支护上；[0015]6)开挖仰拱部分，并进行初喷；[0016]7)架设内层钢架，全断面闭合后施做内层喷射混凝土；[0017]8)在内层初期支护内表面，敷设防水板；[0018]9)待隧道变形达到设计预留变形量后，施做二次衬砌；[0019]10)在超前注浆小导管支护下，隧道上下台阶按上述步骤交替施工，掌子面不断向前推进，以至隧道贯通。[0020]所述施工方法适用于单洞两车道隧道，采用两台阶预留核心土法开挖，上下台阶交替作业，台阶长度控制在3～5m。[0021]与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果：[0022](1)本发明通过在围岩与初期支护间设置双层弹性泡沫板，预留足够的围岩变形空间以适应软岩隧道大变形的要求，不仅可以避免围岩变形量过大导致的侵限问题，而且能够有效降低作用于支护结构上的围岩压力；[0023](2)本发明加强了初期支护，通过采用双层初期支护可避免支护结构受力过大造成的喷射混凝土剥落掉块、钢架扭曲错断、二衬开裂等现象，最终确保软岩大变形隧道支护结构的安全可靠；[0024](3)本发明针对软岩大变形隧道系统锚杆效果不明显而且费时费力的特点，取消了系统锚杆在软岩大变形隧道中的应用，提出了加强锁脚锚管和钢架纵向连接的措施，并给出了相应的合理支护参数，以更好地控制隧道沉降。四、附图说明：[0025]图1为本发明软岩大变形隧道支护结构体系及施工步骤示意图；[0026]图2为超前注浆小导管横向布置示意图；
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图3为外层钢架纵向连接示意图。
[0028]其中：1-拱部外层弹性泡沫板，2-拱部外层钢架，3-上台阶拱脚处锁脚锚管，4-纵向槽钢托梁，5-超前注浆小导管，6-拱部外层喷射混凝土，7-下台阶左侧外层弹性泡沫板，8-下台阶左侧外层钢架，9-下台阶左侧墙脚处锁脚锚管，10-下台阶左侧外层喷射混凝土，11-下台阶右侧外层弹性泡沫板，12-下台阶右侧外层钢架，13-下台阶右侧墙脚处锁脚锚管，14-下台阶右侧外层喷射混凝土，15-内层弹性泡沫板，16-内层钢架，17-内层喷射混凝土，18-防水板，19-二次衬砌，Ⅰ-上台阶环形部分，Ⅱ-预留核心土部分，Ⅲ(1)-下台阶左侧部分，Ⅲ(2)-下台阶右侧部分，Ⅳ-仰拱部分。五、具体实施方式[0029]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。[0030]本发明实施例提供的软岩大变形隧道支护结构体系，如图1～3所示，包括拱部外层弹性泡沫板1，拱部外层钢架2，上台阶拱脚处锁脚锚管3，纵向槽钢托梁4，超前注浆小导管5、拱部外层喷射混凝土6，下台阶左侧外层弹性泡沫板7，下台阶左侧外层钢架8，下台阶左侧墙脚处锁脚锚管9，下台阶左侧外层喷射混凝土10，下台阶右侧外层弹性泡沫板11，下台阶右侧外层钢架12，下台阶右侧墙脚处锁脚锚管13，下台阶右侧外层喷射混凝土14，内层弹性泡沫板15，内层钢架16，内层喷射混凝土17，防水板18和二次衬砌19。其中由拱部外层弹性泡沫板1、下台阶左侧外层弹性泡沫板7和下台阶右侧外层弹性泡沫板11构成外层弹性泡沫板，由拱部外层钢架2和拱部外层喷射混凝土6、下台阶左侧外层钢架8、下台阶右侧外层钢架12、下台阶左侧外层喷射混凝土10和下台阶右侧外层喷射混凝土14构成外层初期支护，由拱部内层钢架16和内层喷射混凝土17构成内层初期支护。[0031]上述支护结构体系中各构件的连接关系为：外层弹性泡沫板和内层弹性泡沫板均采用膨胀螺丝分别固定于围岩和外层初期支护上；拱部外层钢架2与下台阶左侧外层钢架8、下台阶右侧外层钢架12均首先通过连接钢板由螺栓连接后，再进行焊接，以确保各段外层钢架之间牢固连接；内层钢架16采用与各段外层钢架相同的接头连接工艺；各锁脚锚管与外层钢架之间通过环形钢筋连接件进行牢固焊接，以避免钢架锁脚失效；如图2所示，超前注浆小导管5施做时穿过拱部外层钢架腹板上的预留孔，由专用顶头顶进，外露端支于拱部外层钢架上形成超前支护系统，然后采用高压注浆对地层做进一步加固，注浆压力为1.0～1.5MPa，注浆结束后将管口封堵，以防浆液流出；如图3所示，纵向槽钢托梁4设置在相邻拱部外层钢架之间，与各拱部外层钢架翼缘牢固焊接。[0032]本发明提供的软岩大变形隧道支护结构体系的施工方法，包括以下步骤：[0033]1)上台阶施工：上台阶环形部分Ⅰ(见图1)开挖完成后，敷设拱部外层弹性泡沫板1并采用膨胀螺丝固定，然后立即架设拱部外层钢架2；考虑到软岩大变形隧道中系统锚杆作用效果不明显，这里取消系统锚杆而用锁脚锚管代替，在两侧拱脚上方30～50cm处分别打设2排共8根
上台阶拱脚处锁脚锚管3，实现拱部外层钢架2的锁脚，打设角度取40°；为
进一步加强拱部外层钢架2的稳定性，在相邻拱部外层钢架之间设置纵向槽钢托梁4；在拱部外层钢架稳定后进行超前注浆小导管5的施工，采用长3～5m、直径42mm、环向设置间距20
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～50cm的热压无缝钢花管，沿开挖轮廓线120°范围内以5°～20°的外插角穿过拱部外层钢架2腹板上的预留孔，伸入至掌子面前方地层并进行注浆加固；最后完成拱部外层喷射混凝土6的施做；[0034]2)开挖预留核心土部分Ⅱ(见图1)；[0035]3)下台阶左侧部分施工：下台阶左侧部分Ⅲ(1)(见图1)开挖完成后，敷设下台阶左侧外层弹性泡沫板7并采用膨胀螺丝固定，然后立即接长下台阶左侧外层钢架8，并在左侧墙脚上方30～50cm处分别打设2排共4根
下台阶左侧墙脚处锁脚锚管9，打设角度取
40°，确保该侧外层钢架脚部落于稳固地基上；最后施做下台阶左侧外层喷射混凝土10；[0036]4)下台阶右侧部分Ⅲ(2)施工：下台阶右侧部分Ⅲ(2)(见图1)开挖完成后，敷设下台阶右侧外层弹性泡沫板11并采用膨胀螺丝固定，然后立即接长下台阶右侧外层钢架12，并在右侧墙脚上方30～50cm处分别打设2排共4根
下台阶右侧墙脚处锁脚锚管13，打设
角度取40°，确保该侧外层钢架脚部落于稳固地基上；最后施做下台阶右侧外层喷射混凝土14；[0037]5)敷设内层弹性泡沫板15，并采用膨胀螺丝将其固定在外层初期支护上；[0038]6)开挖仰拱部分Ⅳ(见图1)，并进行初喷；[0039]7)架设内层钢架16，全断面闭合后施做内层喷射混凝土17；[0040]8)在内层初期支护内表面，敷设防水板18；[0041]9)待隧道变形达到设计预留变形量后，施做二次衬砌19；[0042]10)在超前注浆小导管5支护下，隧道上下台阶按上述步骤交替施工，掌子面不断向前推进，以至隧道贯通。[0043]上述发明的软岩大变形隧道支护结构体系及其施工方法中，遵循柔中带刚、刚柔并济的支护原则，通过设置双层弹性泡沫板和双层初期支护以适应软岩隧道大变形的要求。一方面，以双层弹性泡沫板为变形缓冲层，在避免围岩变形量过大导致侵限的同时，可有效降低作用于支护结构上的围岩压力；另一方面，加强了初期支护，采用双层初期支护以避免支护结构受力过大造成的喷射混凝土剥落掉块、钢架扭曲错断、二衬开裂等，最终确保软岩大变形隧道支护结构的安全可靠。[0044]以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
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