一种适应于昔格达地层的大断面隧道支护结构及施工方法与流程

1.本发明涉及隧道施工技术领域，具体地讲，涉及一种适应于昔格达地层的大断面隧道支护结构及施工方法。


背景技术：

2.昔格达地层是分布于我国攀西地区的一种特殊半成岩，主要由黏土岩、粉砂质黏土岩和粉砂岩组成，具有孔隙比大、粘结力和水稳性差等特点。昔格达地层是工程性质极差的软土岩层，大断面隧道穿越昔格达地层往往存在地质灾害频发的现象，而该地层的大断面隧道施工过程表现为围岩自稳能力差、隧道大变形问题严重、掌子面坍塌等现象。针对昔格达地层的这些地质灾害，目前几乎没有有效的应对措施。
3.但在我国的成昆线，多达十几条在建隧道穿过昔格达地层，现有施工方法至少存在以下技术缺陷：一方面施工过程中突发性的坍塌、大变形等地质灾害严重威胁施工人员及设备的安全、影响施工进度，另一方面过大的围岩压力以及大变形容易造成初期支护失效、地上既有建筑下沉等危害。因此，如何有效改善昔格达地层大断面隧道工程围岩条件及严格控制昔格达地层及其地面建筑物的沉降和变形，成为了昔格达地层大断面隧道施工中亟待解决的工程难题。


技术实现要素：

4.针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种适应于昔格达地层的大断面隧道支护结构，可有效改善开挖后昔格达地层的围岩支护状态，增加结构的稳定性，有效严格控制隧道变形，防止地面建筑物的沉降或变形。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.一种适应于昔格达地层的大断面隧道支护结构，所述大断面隧道支护结构包括双层钢拱架和锚固支架，所述昔格达地层采用三台阶七步开挖法进行隧道开挖施工，以形成有上台阶、中台阶和下台阶的开挖断面，在开挖隧道的顶部架设所述双层钢拱架，所述上台阶、中台阶及下台阶的水平断面上均设置有所述锚固支架，每层台阶的所述锚固支架均与双层钢拱架进行焊接，以使得整个支护系统形成一个纵向连接体系对隧道进行支护。
7.上述技术方案优选地，所述锚固支架包括锁脚锚杆和大锁脚锚杆，在每层所述台阶支护施工时，在所述上台阶拱脚两侧各设置2根φ42mm锁脚锚杆和2根φ76mm大锁脚锚杆，在所述中台阶及下台阶拱脚两侧同样各设置2根φ42mm锁脚锚杆和2根φ76mm大锁脚锚杆，锁脚锚杆打入地层2/3固定，大锁脚锚杆打入1/2固定，锁脚锚杆和大锁脚锚杆二者采用钢丝进行绑扎连接；本技术方案中每层台阶的锚固支架均与双层钢拱架焊接固定，锚固支架作为隧道支护结构的重要组成部分，通过增强锁脚锚杆的结构强度及调整合理的支护参数，可显著改善整个隧道支护结构受力条件，增加整体结构的稳定性，进而严格控制控制隧道变形及位移沉降。
8.上述技术方案优选地，所述锚固支架设于距离拱脚20cm
‑
30cm范围内并与所述双
层钢拱架轴线呈40
°‑
50
°
夹角范围内插入岩体；进一步优选，所述锚固支架设于距离拱脚25cm处并与所述双层钢拱架轴线呈45
°
夹角插入岩体，根据昔格达地层的特殊性质，采取加强锁脚锚杆参数、大拱脚支护、掌子面预加固等综合措施控制隧道变形。
9.上述技术方案优选地，所述大断面隧道支护结构中的所述双层钢拱架包括采用hw175型钢制成的外层钢拱架和采用i18型钢制成的内层钢拱架。
10.上述技术方案优选地，所述外层钢拱架和内层钢拱架通过弹簧连接，所述弹簧与所述内层钢拱架焊接，且所述弹簧与通过螺栓与外层钢拱架连接；本技术方案根据昔格达地层的特殊性质，采用安装双层钢拱架并采用外层钢拱架与内层钢拱架柔性连接方式，可有效适应昔格达地层的大变形；在隧道施工过程中，先安装紧贴围岩的内层钢拱架和弹簧，再安装外层内层钢拱架；结构简单、安装便捷，适用于昔格达特殊地层的大断面隧道施工。
11.上述技术方案优选地，内层钢拱架和外层钢拱架相互垂直搭接；所述内层钢拱架与锚固支架进行焊接固定，所述外层钢拱架与锚固支架采用螺栓连接。
12.上述技术方案优选地，所述大断面隧道支护结构还包括预应力锚杆，以使在所述双层钢拱架安装完成后，紧贴所述双层钢拱架两侧边沿按下倾角20
°‑
40
°
范围内打设所述预应力锚杆；进一步优选，所述预应力锚杆是紧贴所述双层钢拱架两侧边沿按下倾角30
°
打设，该隧道支护结构及施工方法能够加固隧道支护结构应用于昔格达地层的结构稳定性，改善隧道支护结构受力条件，增强昔格达地层的围岩状态。
13.上述技术方案优选地，所述预应力锚杆延伸至双层钢拱架内侧与所述内层钢拱架之间设置有应力扩散垫块，用于将应力锚杆的预应力扩散至支护结构之上，达到支护结构均匀受力的目的；本技术方案中应力扩散垫块结合上述预应力锚杆、双层钢拱架以及高强弹簧的结构设计，与每层锚固支架形成一个隧道支护结构整体，适应于昔格达地层的大断面隧道施工，特别地在上部弧形导坑的位置共同构成了一种针对昔格达地层的大变形的隧道支护系统，能够显著改善开挖后昔格达地层的围岩状态，进而改善大断面隧道工程围岩支护条件及严格控制地层及地面建筑物的沉降和变形。
14.另一方面，本发明还提供有一种适应于昔格达地层的大断面隧道施工方法，利用所述的大断面隧道支护结构，包括如下步骤：
15.管棚超前加固，采用大管棚和超前小导管进行管棚超前加固，以形成初期支护；
16.采用三台阶七步开挖法进行隧道开挖施工，逐步释放围岩应力；
17.安装大断面隧道支护结构，先在隧道环向开挖上部弧形导坑，预留核心土并在开挖后立即喷射混凝土，混凝土喷射后及时安装大断面隧道支护结构；
18.所述大断面隧道支护结构包括双层钢拱架和锚固支架；
19.在上部弧形导坑开挖完成后，依次进行中台阶左侧及右侧开挖，下台阶左侧及右侧开挖，其中上台阶、中台阶及下台阶预留核心土开挖，每层台阶开挖后应及时依次进行喷射混凝土和台阶支护施工，在每层台阶上安装锚固支架，且每层台阶的锚固支架均与双层钢拱架进行焊接，以使得整个支护系统形成一个纵向连接体系对隧道进行支护。
20.本技术方案针对昔格达地层孔隙比大、粘结力和水稳性差、隧道开挖易发生大变形的特点，采用三台阶七步开挖法并结合隧道支护结构施工，能够逐步释放围岩应力，有效达到控制掌子面变形的目的，减小对围岩的扰动；同时采用隧道开挖后立即喷射混凝土，利用双层钢拱架 锚固支架作为昔格达地层的大变形的隧道支护结构，能够有效改善开挖后
昔格达地层的围岩支护状态，且每层台阶的锚固支架均与双层钢拱架进行焊接，使得整个支护系统形成一个纵向连接体系对隧道进行支护，综合改善了隧道支护结构受力条件，增加了结构的稳定性，施工过程中有效控制隧道变形，防止地面建筑物的沉降和变形，具有很好的应用前景。
21.上述技术方案优选地，在所述管棚超前加固步骤中，隧道拱部采用φ159mm的大管棚，采用套管法施工，大管棚环向间距0.4m，大管棚环每根长60m且每环安装49根，相邻两根大管棚环搭接长度不小于5m，采用该参数条件及结构能够有效针对昔格达地层软弱、支撑能力差的特点加固前方围岩，防止施工过程中发生塌方、冒顶等事故。
22.上述技术方案优选地，在所述管棚超前加固步骤中，隧道拱部采用φ42mm小导管，采用套管法施工，小导管环向间距0.4m，小导管每2.4m一环且每环49根，每根长3.5m，用该参数条件及结构能有效配合管棚超前加固的方案加固围岩，保证施工结构的稳定性，有效控制隧道的变形。
23.上述技术方案优选地，根据昔格达地层的地质情况，合理确定循环进尺：在所述三台阶七步开挖法步骤中，台阶长度为0.5～1.0m，开挖后应立即喷射4～6cm混凝土，其目的在于减少围岩暴露时间，防止围岩长时间接触空气而导致力学参数变差；且核心土长度应控制在4～6m，核心土宽度为隧道开挖宽度的1/3～1/2；如此在保证施工作业空间的前提下，应尽量缩短台阶长度，通过控制开挖进尺及预留合理尺寸核心土的方法达到逐步释放围压应力的目的，适用于昔格达特殊地层的大断面隧道施工。
24.上述技术方案优选地，根据昔格达地层的特殊性质，所述中台阶和下台阶的两侧采用错开挖，错开距离为2～4m；且在开挖过程中超前施作仰拱，仰拱距上台阶开挖工作面宜控制在30m左右，可有效增强结构的稳定性，进而保证围岩的强度和稳定性。
25.本发明至少具有以下有益效果：
26.1.本发明施工方法针对昔格达地层的大变形特点，采用管棚超前加固 三台阶七步开挖法进行施工，通过控制开挖进尺及预留合理尺寸核心土的方法达到逐步释放围压应力的目的，有效达到控制掌子面变形的目的，减小对围岩的扰动；同时采用隧道开挖后立即喷射混凝土，减少围岩暴露时间，防止围岩长时间接触空气而导致力学参数变差，适用于昔格达特殊地层的大断面隧道施工。
27.2.本发明施工方法结合隧道支护结构进行施工，且本发明利用双层钢拱架和锚固支架作为整体隧道支护结构，每层台阶的锚固支架均与双层钢拱架进行焊接，以使得整个支护系统形成一个纵向连接体系对隧道进行支护，能够有效改善开挖后昔格达地层的围岩支护状态，综合改善了隧道支护结构受力条件，增加了结构的稳定性，施工过程中有效控制隧道变形，防止地面建筑物的沉降和变形。
28.3.本发明施工方法根据昔格达地层的特殊性质，通过设置超前仰拱及增强锁脚锚杆的支护参数，能够进一步增强结构的稳定性，进而保证围岩的强度和稳定性，锚固支架作为隧道支护结构的重要组成部分，通过增强锁脚锚杆的结构强度及调整合理的支护参数，可显著改善整个隧道支护结构受力条件，进而严格控制控制隧道变形及位移沉降。
29.4.本发明针对昔格达地层围岩自稳能力差、孔隙比大、粘结力和水稳性差、隧道开挖易发生大变形的特点，改进了一种针对昔格达地层的大变形的隧道支护结构，其中双层钢拱架采用外层钢拱架与内层钢拱架柔性连接方式，可有效适应昔格达地层的大变形，在
隧道施工过程中，先安装紧贴围岩的内层内层钢拱架和弹簧，再安装外层内层钢拱架；结构简单、安装便捷，适用于昔格达特殊地层的大断面隧道施工。
30.5.本发明隧道支护结构采用预应力锚杆布置结合应力扩散垫块与双层钢拱架的结构设计，可有效达到整个隧道支护结构均匀受力的目的，适应于昔格达地层的大断面隧道施工，特别地在上部弧形导坑的位置共同构成了一种针对昔格达地层的大变形的隧道支护系统，能够显著改善开挖后昔格达地层的围岩状态，进而显著改善大断面隧道工程围岩支护条件及严格控制地层及地面建筑物的沉降和变形，具有很好的应用前景及推广使用价值。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
32.图1是利用本发明实施例三台阶七步开挖法的示意图；
33.图2是利用本发明实施例锚固支架与双层钢拱架的布置示意图；
34.图3是本发明实施例大管棚与小导管加固示意图；
35.图4是本发明实施例适应于昔格达地层的大断面隧道支护结构的示意图。
36.图中：1
‑
超前支护；2
‑
核心土；3
‑
衬砌；4
‑
台阶；5
‑
仰拱；6
‑
双层钢拱架；7
‑
φ42锁脚锚杆；8
‑
φ76大锁脚锚杆；9
‑
混凝土导向墙；10
‑
小导管；11
‑
大管棚；12
‑
隧道内轨顶面；13
‑
预应力锚杆锚固段；14
‑
预应力锚杆；15
‑
应力扩散垫块；16
‑
弹簧。
具体实施方式
37.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
38.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
39.实施例一
40.结合图1至图4所示，本实施例还提供了一种适应于昔格达地层的大断面隧道支护结构，所述大断面隧道支护结构包括双层钢拱架6和锚固支架，根据昔格达地层的特殊性质，所述昔格达地层采用三台阶七步开挖法进行隧道开挖施工，以形成有上台阶、中台阶和下台阶的开挖断面，在开挖隧道的顶部架设所述双层钢拱架，所述上台阶、中台阶及下台阶的水平断面上均设置有锚固支架，每层台阶的锚固支架均与双层钢拱架进行焊接，以使得整个支护系统形成一个纵向连接体系对隧道进行支护，其中锚固支架包括锁脚锚杆和大锁脚锚杆，在每层所述台阶4支护施工时，在上台阶拱脚两侧各设置2根φ42mm锁脚锚杆7和2根φ76mm大锁脚锚杆8，在中台阶及下台阶拱脚两侧同样各设置2根φ42mm锁脚锚杆7和2根φ76mm大锁脚锚杆8；由上所述，本实施例每层台阶4的锚固支架均与双层钢拱架6焊接固定，锚固支架作为隧道支护结构的重要组成部分，通过增强锁脚锚杆7的结构强度及调整合
理的支护参数，可显著改善整个隧道支护结构受力条件，增加整体结构的稳定性，进而严格控制控制隧道变形及位移沉降。
41.另一方面，本实施例还提供了一种适应于昔格达地层的大断面隧道施工方法，利用上述的大断面隧道支护结构，实际应用在成昆铁路冉家湾隧道，隧道通过地段主要为典型的第三系昔格达地层，整个地层的岩质软、易风化，遇水易软化崩解，水稳性差，陡倾节理发育，洞顶及洞壁易发生掉块、振塌，工程地质条件极差，为改善开挖后昔格达地层的围岩状态，并严格控制地层及地面建筑物的沉降和变形，采用了本发明的大断面隧道支护结构，该施工方法包括如下步骤：
42.管棚超前加固，如图3所示，为有效控制隧道变形，打设混凝土导向墙9，并采用大管棚11和超前小导管10进行管棚超前加固，以形成初期支护1；具体地，在管棚超前加固步骤中，隧道拱部采用φ159mm的大管棚11，采用套管法施工，大管棚11环向间距0.4m，大管棚11环每根长60m且每环安装49根，相邻两根大管棚11环搭接长度不小于5m，采用该参数条件及结构能够有效针对昔格达地层软弱、支撑能力差的特点加固前方围岩，防止施工过程中发生塌方、冒顶等事故；同时隧道拱部采用φ42mm小导管10，采用套管法施工，小导管10环向间距0.4m，小导管10每2.4m一环且每环49根，每根长3.5m，用该参数条件及结构能有效配合管棚超前加固的方案加固围岩，保证施工结构的稳定性，有效控制隧道的变形；初期支护1强度达到要求后施工衬砌3，衬砌3施工完成后应平整隧道内轨顶面12；
43.采用三台阶4七步开挖法进行隧道开挖施工，逐步释放围岩应力；具体地，根据昔格达地层的地质情况，合理确定循环进尺：在所述三台阶4七步开挖法步骤中，每次台阶4开挖长度为0.6m，且核心土2长度为5m，核心土2宽度为隧道开挖宽度的1/2；如此在保证施工作业空间的前提下，应尽量缩短台阶4长度，通过控制开挖进尺及预留合理尺寸核心土2的方法达到逐步释放围压应力的目的，适用于昔格达特殊地层的大断面隧道施工；
44.同时在所述三台阶4七步开挖法步骤中，根据昔格达地层的特殊性质，所述中台阶4和下台阶4的两侧采用错开挖，错开距离为3m；且在开挖过程中超前施作仰拱5，仰拱5距上台阶4开挖工作面宜控制在30m，可有效增强结构的稳定性，进而保证围岩的强度和稳定性；
45.安装大断面隧道支护结构，先在隧道环向开挖上部弧形导坑，预留核心土2并在开挖后立即喷射混凝土，且每次开挖后应立即喷射5cm混凝土，其目的在于减少围岩暴露时间，防止围岩长时间接触空气而导致力学参数变差；混凝土喷射后及时安装大断面隧道支护结构；关键地，大断面隧道支护结构包括双层钢拱架16和锚固支架，其中，锚固支架采用预应力锚杆进行支护，主要包括预应力锚杆锚固段13、锚杆14、锁脚锚杆7、大锁脚锚杆8以及应力扩散垫块15；
46.在上部弧形导坑开挖完成后，依次进行中台阶4左侧及右侧开挖，下台阶4左侧及右侧开挖，其中上台阶4、中台阶4及下台阶4预留核心土2的开挖，每层台阶4开挖后应及时依次进行喷射混凝土和台阶4支护施工，在每层台阶上安装锚固支架，且每层台阶4的锚固支架均与双层钢拱架进行焊接，以使得整个支护系统形成一个纵向连接体系对隧道进行支护。
47.本实施例适应于昔格达地层的大断面隧道施工方法，其一采用管棚超前加固 三台阶4七步开挖法进行施工，通过控制开挖进尺及预留合理尺寸核心土2的方法达到逐步释放围压应力的目的，有效达到控制掌子面变形的目的，减小对围岩的扰动；其二采用隧道开
挖后立即喷射混凝土，减少围岩暴露时间，防止围岩长时间接触空气而导致力学参数变差，适用于昔格达特殊地层的大断面隧道施工；其三施工方法结合隧道支护结构进行施工，且本发明利用双层钢拱架6和锚固支架作为整体隧道支护结构，双层高双层钢拱架包括有内层钢拱架和外层钢拱架，内层钢拱架和外层钢拱架相互垂直搭接，双层钢拱架的内层钢拱架与锚固支架进行焊接固定，双层钢拱架的外层钢拱架与锚固支架采用螺栓连接，以使得整个支护系统形成一个纵向连接体系对隧道进行支护，能够有效改善开挖后昔格达地层的围岩支护状态，综合改善了隧道支护结构受力条件，增加了结构的稳定性，施工过程中有效控制隧道变形，防止地面建筑物的沉降和变形。
48.实施例二
49.结合图1至图4所示，本实施例还提供了一种适应于昔格达地层的大断面隧道支护结构，在实施例一的基础上，本实施例提供的所述大断面隧道支护结构包括双层钢拱架6和锚固支架，根据昔格达地层的特殊性质，所述昔格达地层采用三台阶七步开挖法进行隧道开挖施工，以形成有上台阶、中台阶和下台阶的开挖断面，在开挖隧道的顶部架设所述双层钢拱架，所述上台阶、中台阶及下台阶的水平断面上均设置有锚固支架，每层台阶的锚固支架均与双层钢拱架进行焊接，以使得整个支护系统形成一个纵向连接体系对隧道进行支护，其中锚固支架包括锁脚锚杆和大锁脚锚杆，在每层所述台阶4支护施工时，在上台阶拱脚两侧各设置2根φ42mm锁脚锚杆7和2根φ76mm大锁脚锚杆8，在中台阶及下台阶拱脚两侧同样各设置2根φ42mm锁脚锚杆7和2根φ76mm大锁脚锚杆8；由上所述，本实施例每层台阶4的锚固支架均与双层钢拱架6焊接固定，锚固支架作为隧道支护结构的重要组成部分，通过增强锁脚锚杆7的结构强度及调整合理的支护参数，可显著改善整个隧道支护结构受力条件，增加整体结构的稳定性，进而严格控制控制隧道变形及位移沉降。
50.更进一步地，锚固支架设于距离拱脚20cm
‑
30cm处并与拱架轴线呈40
°‑
50
°
夹角范围内插入岩体；本实施例锚固支架是设于距离拱脚25cm处并与所述双层钢拱架轴线呈45
°
夹角插入岩体，根据昔格达地层的特殊性质，采取加强锁脚锚杆7参数、大拱脚支护、掌子面预加固等综合措施控制隧道变形。
51.在图示的实施例中，隧道支护结构中的双层钢拱架6包括采用hw175型钢制成的外层钢拱架和采用i18型钢制成的内层钢拱架，具体地，内层钢拱架和外层钢拱架相互垂直搭接，双层钢拱架的内层钢拱架与锚固支架进行焊接固定，双层钢拱架的外层钢拱架与锚固支架采用螺栓连接；外层钢拱架和内层钢拱架通过弹簧16连接，本实施例中的弹簧16为建筑施工领域的高强弹簧，弹簧16与所述内层钢拱架焊接，且弹簧16与通过螺栓与外层钢拱架连接；本实施例根据昔格达地层的特殊性质，采用安装双层钢拱架6并采用外层钢拱架与内层钢拱架柔性连接方式，可有效适应昔格达地层的大变形；在隧道施工过程中，先安装紧贴围岩的内层钢拱架和弹簧16，再安装外层内层钢拱架；结构简单、安装便捷，适用于昔格达特殊地层的大断面隧道施工。
52.优选地，隧道支护结构还包括预应力锚杆14，以使在所述双层钢拱架6安装完成后，紧贴所述双层钢拱架6两侧边沿按下倾角20
°‑
40
°
范围内打设预应力锚杆14；本实施例预应力锚杆是紧贴双层钢拱架两侧边沿按下倾角30
°
打设，该隧道支护结构及施工方法能够加固隧道支护结构应用于昔格达地层的结构稳定性，改善隧道支护结构受力条件，增强昔格达地层的围岩状态。
53.进一步地，预应力锚杆14延伸至双层钢拱架6内侧与所述内层钢拱架之间设置有应力扩散垫块15，用于将应力锚杆的预应力扩散至支护结构之上，达到支护结构均匀受力的目的。
54.由上所述，本实施例中应力扩散垫块15结合上述预应力锚杆14、双层钢拱架6以及高强弹簧16的结构设计，与每层锚固支架形成一个隧道支护结构整体，适应于昔格达地层的大断面隧道施工，特别地在上部弧形导坑的位置共同构成了一种针对昔格达地层的大变形的隧道支护系统，能够显著改善开挖后昔格达地层的围岩状态，进而改善大断面隧道工程围岩支护条件及严格控制地层及地面建筑物的沉降和变形。
55.综上所述，本发明针对昔格达地层围岩自稳能力差、孔隙比大、粘结力和水稳性差、隧道开挖易发生大变形的特点，改进了一种适应于昔格达地层的大断面隧道支护结构，也应用性地提出了一种适应于昔格达地层的大断面隧道施工方法，特别地在上部弧形导坑的位置共同构成了一种针对昔格达地层的大变形的隧道支护系统，结合上述施工步骤及特定参数的选取，能够显著改善开挖后昔格达地层的围岩状态，进而显著改善大断面隧道工程围岩支护条件及严格控制地层及地面建筑物的沉降和变形，具有很好的应用前景及推广使用价值，适合推广应用。
56.本发明的说明书和附图被认为是说明性的而非限制性的，在本发明基础上，本领域技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中一些技术特征做出一些替换和变形，均在本发明的保护范围内。