一种大断面暗挖隧道竖向预应力钢管支撑结构及施工工艺的制作方法
【专利摘要】本发明公布了一种大断面暗挖隧道竖向预应力钢管支撑结构及施工工艺，先施工下部小导洞，施作条形基础；然后施工上部小导洞，在上部小导洞人工挖孔形成竖向通道，安装竖向钢管支撑，钢管支撑底端设置活络端，支撑在条形基础上，钢管支撑顶端设置固定端，支撑于拱部工字钢型钢纵梁上；上部小导洞、下部小导洞、以及竖向通道形成临空面，降低爆破对钢管支撑的不利影响；拱部快速形成可靠初期支护和刚度较大的竖向支撑，开挖过程中根据信息监测结果，施加预应力，对拱部变形进行主动控制。本发明的技术方案既能有效控制拱顶沉降、降低爆破振速、保护临时支撑、保证施工安全的目的，又具有缩短工期和费用经济的优点。
【专利说明】一种大断面暗挖隧道竖向预应力钢管支撑结构及施工工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉隧道挖掘施工领域，具体是指一种大断面暗挖隧道竖向预应力钢管支撑结构及施工工艺。
【背景技术】
[0002]目前，软弱围岩大断面隧道大多采用双侧壁导坑法施工，如图1所示的施工步序:步骤一，左侧上部导坑①开挖，初期支护；步骤二，左侧下部导坑②开挖，初期支护；步骤三，右侧上部导坑③开挖，初期支护；步骤四，右侧下部导坑④开挖，初期支护；步骤五，中间上部导坑⑤开挖，初期支护；步骤六，中间下部导坑⑥开挖，初期支护；步骤七，拆除支撑，敷设仰拱防水层，浇筑仰拱混凝土⑦；步骤八，敷设防水层，浇筑隧道拱、墙二次衬砌及内部结构⑧。
[0003]上述的双侧壁导坑法施工中，中隔壁大多采用工字钢+喷射砼形成，侧壁为弧形，刚度小，支撑点未撑在拱顶变形最大处，即拱顶中心处，拱部变形大；侧壁仅能被动受力，无法施加预应力，对变形进行主动控制；开挖过程中，拱顶围岩应力状态发生多次改变有可能引起最终较大的变形量；仰拱施工和拱墙施工均需拆除中隔壁，纵向拆撑段长度大，安全性差；侧壁紧贴岩土面，爆破对侧壁的破坏难以避免，存在较大安全隐患。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种大断面暗挖隧道竖向预应力钢管支撑结构及施工工艺，解决现有技术中存在的安全性差的问题，达到提高施工安全性、加快进度、缩短工期的目的。
[0005]本发明的目的通过下述技术方案实现:
一种大断面暗挖隧道竖向预应力钢管支撑结构，其特征在于:包括开设在仰拱中心处的下部小导洞、开设在下部小导洞正上方的上部小导洞、以及连通上部小导洞与下部小导洞的竖向通道，在所述的下部小导洞设置有条形基础，在上部小导洞顶部形成拱部初期支护层，还包括穿过竖向通道的钢管支撑，钢管支撑的顶端为固定端且通过型钢纵梁作用在拱部初期支护层上，钢管支撑底部为活络端并安装在条形基础上。本发明的支护结构用于大断面的暗挖隧道，上部小导洞和下部小导洞位于整个隧道断面的中心线上，在下部小导洞底部烧筑形成的条形基础作为整个竖向支撑系统的受力基础和安装台座，通过竖向开挖的竖向通道将上部小导洞和下部小导洞连通，并作为钢管支撑的安装空间，钢管支撑穿过人工挖孔并顶在型钢纵梁的下方，钢管支撑顶端为固定端，与型钢纵梁固定连接，其底部为活络端，坐落于条形基础上，活络端设置千斤顶施加预应力，通过钢管支撑、型钢纵梁传递给隧道拱顶。
[0006]在所述条形基础下还设置有用于加固基础的树根桩。在地基承载力不满足受力要求的情况下，在条形基础下设置有用于加固地基的树根桩，在条形基础施工前，在下部小导洞内先施工树根桩来进行地基加固，以提高地基承载力。
[0007]在所述下部小导洞侧壁和顶部浇筑有下部初期支护层；在上部小导洞侧壁浇筑有上部初期支护层。为了提高施工的安全性，当岩土较为松散时，需要在上部小导洞的侧壁喷射混凝土形成上导洞支护层，在下部小导洞侧壁和顶部喷射混凝土形成下导洞支护层，以此来提高安全性能。
[0008]还包括安装在上部小导洞顶部的锚杆，锚杆的底部连接形成U形构件将型钢纵梁固定在上部小导洞的顶部。在型钢纵梁的两侧分别设置锚杆，锚杆钉入到隧道顶部的岩土中固定，其底部连接形成U字型结构，U字型结构的底部支撑在型钢纵梁的底部，给型钢纵梁向上的拉力。
[0009]在所述的竖向通道侧壁上喷射有混凝土形成护壁。护壁的结构可以保持竖向通道的畅通，避免竖向通道侧壁垮塌。
[0010]一种大断面暗挖隧道竖向预应力钢管支撑的施工工艺，按照如下步骤依次进行:
(a)施工仰拱中心处下部小导洞，初期支护，在下部小导洞侧壁和顶部进行浇筑形成下部初期支护层，在下部小导洞底部安装条形基础；
(b)施工拱部中心处上部小导洞，初期支护，在上部小导洞侧壁进行浇筑形成上部初期支护层，在上部小导洞顶部形成拱部初期支护层，在上部小导洞顶部安装锚杆，安装型钢纵梁，用锚杆将型钢纵梁悬挂固定在上部小导洞的拱部；
(C)施工竖向通道，并在竖向通道内安装钢管支撑，在钢管支撑的顶端固定安装固定端并顶在型钢纵梁上，钢管支撑的底部为活络端并安装在条形基础上，采用千斤顶通过钢管支撑、型钢纵梁向隧道顶部施加预应力；
Cd)导坑左上部开挖，初期支护和临时仰拱，同时施工型钢横撑；
Ce)导坑右上部开挖，初期支护和临时仰拱，同时施工型钢横撑；
Cf)导坑左下部开挖，初期支护，施工型钢连梁；
(g)导坑右下部开挖，初期支护；
(h)铺设仰拱防水层，浇筑条形基础左、右两侧的侧仰拱混凝土，形成整体仰拱；
(i)拆除钢管支撑、型钢横撑、以及拱部型钢纵梁，敷设拱墙防水层，浇筑隧道拱、墙的二次衬砌及内部结构。
[0011]本发明的支护结构应用于大断面暗挖隧道的施工工程中，设计思路是:先施工下部小导洞，施作条形基础；然后施工上部小导洞，在上部小导洞人工挖孔形成竖向通道，安装竖向钢管支撑，钢管支撑底端设置活络端，支撑在条形基础上，钢管支撑顶端设置固定端，支撑于拱部工字钢型钢纵梁上；上部小导洞、下部小导洞、以及竖向通道形成临空面，降低爆破对钢管支撑的不利影响；拱部快速形成可靠初期支护和刚度较大的竖向支撑，开挖过程中根据信息监测结果，施加预应力，对拱部变形进行主动控制，相对于现有技术而言，完全克服了现有技术中需要多次进行支护的问题，先采用小导洞开挖，初始沉降小；钢管撑提前落底，无需在开挖过程接长中隔壁逐步落底，且钢管支撑在拱部初支中心处，二次沉降小；竖向钢管支撑可施加预应力，对拱部变形进行主动控制；超前导洞先行，形成有效临空面，有利于降低爆破振速，减小爆破对钢管撑的破坏影响；拱部有提前落底的竖向钢管支撑，拱部围岩应力状态稳定，进尺可加大，施工进度提高，工期缩短；仰拱施工时无需拆除钢管支撑，纵向拆撑段长度短，安全性高，既能有效控制拱顶沉降、降低爆破振速、保护临时支撑、保证施工安全的目的，又具有缩短工期和费用经济的优点。
[0012]在所述步骤(a)中，在下部小导洞底部安装条形基础之前，先施工树根桩进行基础加固。在地基强度不够的区域，其承载能力不足，可以通过预先施工树根桩来进行基础加固，提闻条状基础承台的承受:能力。
[0013]在进行步骤(C)施工竖向通道时，在竖向通道的侧壁喷射混凝土形成护壁。护壁的结构可以保持竖向通道的畅通，避免竖向通道侧壁垮塌。
[0014]在步骤(d)导坑左上部开挖时，对钢管支撑与型钢横撑同一竖向平面内的连接节点处设置加劲肋和连接型钢横撑的接头。
[0015]在步骤(f)导坑左下部开挖时，初期支护，钢管支撑两侧沿隧道纵向设置型钢连梁，作为相邻钢管支撑之间的加强连接构件和型钢横撑的中间支座。
[0016]本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果:在隧道的挖掘过程中，只需要一次支护，先采用小导洞开挖，初始沉降小；钢管支撑提前落底，无需在开挖过程接长中隔壁逐步落底，且钢管支撑在拱部初期支护中心处，支撑刚度大，开挖过程中发生二次沉降小；竖向钢管支撑可施加预应力，对拱部变形进行主动控制；超前导洞先行，形成有效临空面，有利于降低爆破振速，减小爆破对钢管撑的破坏影响；拱部有提前落底的竖向钢管支撑，拱部围岩应力状态稳定，进尺可加大，施工进度提高，工期缩短；仰拱施工时无需拆除钢管支撑，纵向拆撑段长度短，安全性高。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中:
图1为现有技术中双侧壁导坑法施工部位顺序剖面图；
图2为本发明支护结构示意图；
图3为本发明应用于大断面暗挖隧道施工过程中步骤(a)的示意图；
图4为本发明应用于大断面暗挖隧道施工过程中步骤(b)的示意图；
图5为本发明应用于大断面暗挖隧道施工过程中步骤(c)的示意图；
图6为本发明应用于大断面暗挖隧道施工过程中步骤(d)的示意图；
图7为本发明应用于大断面暗挖隧道施工过程中步骤(e)的示意图；
图8为本发明应用于大断面暗挖隧道施工过程中步骤(f)的示意图；
图9为本发明应用于大断面暗挖隧道施工过程中步骤(g)的示意图；
图10为本发明应用于大断面暗挖隧道施工过程中步骤(h)的示意图；
图11为本发明应用于大断面暗挖隧道施工过程中步骤(i)的示意图。
[0018]附图中标记及相应的零部件名称:
1-下部小导洞，2-上部小导洞，3-竖向通道，4-条形基础，5-拱部初期支护层，6-钢管支撑，7-型钢纵梁，8-树根桩，9-下部初期支护层，10-上部初期支护层，11-锚杆，12-护壁，13-仰拱防水层，14-仰拱，15-拱墙防水层，16- 二次衬砌及内部结构，17-型钢横撑，18-型钢连梁。
【具体实施方式】
[0019]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
[0020]以西安地铁某区间停车线隧道工程为例，该工程的长度为222.3米，横截面高度为10.4米,宽度为13.5米,拱顶覆土 8.4m,拱顶土层为饱和软黄土,拱顶有污水管、雨水管和燃气管线，对沉降控制要求高。如按照现有技术中的施工工艺，如图1所示的双侧壁导坑法施工，
步骤一，左侧上部导坑①开挖，初期支护；
步骤二，左侧下部导坑②开挖，初期支护；
步骤三，右侧上部导坑③开挖，初期支护；
步骤四，右侧下部导坑④开挖，初期支护；
步骤五，中间上部导坑⑤开挖，初期支护；
步骤六，中间下部导坑⑥开挖，初期支护；
步骤七，拆除支撑，敷设仰拱防水层，浇筑仰拱混凝土⑦；
步骤八，敷设防水层，浇筑隧道拱、墙二次衬砌及内部结构⑧。
[0021]经测算，工程总费用约3177万，工期约15个月，根据有限元分析，地表最大沉降为28mm,管线最大变形15mm。
[0022]而实际施工过程中，改变了其施工工艺，将本发明的支护结构应用于该工程，按照如下步骤施工:
如图3所示的步骤:(a)施工仰拱中心处下部小导洞1，初期支护，在下部小导洞I侧壁和顶部进行浇筑形成下部初期支护层9，在下部小导洞I底部先施工树根桩8进行基础加固，然后在下部小导洞I底部安装条形基础4 ;
如图4所示的步骤:(b)施工拱部中心处上部小导洞2，初期支护，在上部小导洞2侧壁进行浇筑形成上部初期支护层10，在上部小导洞2顶部形成拱部初期支护层5，在上部小导洞2顶部安装锚杆11，安装型钢纵梁7，用锚杆11将型钢纵梁7悬挂固定在上部小导洞2的拱部；
如图5所示的步骤:(c)施工竖向通道3，在竖向通道3的侧壁喷射混凝土形成护壁12，并在竖向通道3内安装钢管支撑6，在钢管支撑6的顶端固定安装固定端并顶在型钢纵梁7上，钢管支撑6的底部为活络端并安装在条形基础4上，采用千斤顶通过钢管支撑6、型钢纵梁7向隧道顶部施加预应力；
如图6所示的步骤:(d)导坑左上部开挖，初期支护和临时仰拱，同时施工型钢横撑17，型钢横撑17与钢管支撑6在同一竖向平面内时，在钢管支撑6与型钢横撑17连接节点处设置加劲肋和连接型钢横撑17的接头；
如图7所示的步骤:(e)导坑右上部开挖，初期支护和临时仰拱，同时施工型钢横撑
17 ；
如图8所示的步骤:(f)导坑左下部开挖，初期支护，在钢管支撑6两侧沿隧道纵向设置型钢连梁18，作为相邻钢管支撑6之间的加强连接构件和型钢横撑17的中间支座；
如图9所示的步骤:(g)导坑右下部开挖，初期支护； 如图10所示的步骤:(h)铺设仰拱防水层13，浇筑条形基础4左、右两侧的侧仰拱混凝土，形成整体仰拱14 ；
如图11所示的步骤:(i)拆除钢管支撑6、型钢横撑12、以及拱部型钢纵梁7，敷设拱墙防水层15，浇筑隧道拱、墙的二次衬砌及内部结构16。
[0023]经测算，采用本发明方案施工，工程总费用约2926万，工期约13个月，根据有限元分析，通过施加预应力，施工过程中，地表和管线甚至可实现零沉降；在实际施工过程中，没有塌方事故，各项安全监测指标均符合安全要求，具有明显的进步。
[0024]以上所述的【具体实施方式】，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的【具体实施方式】而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种大断面暗挖隧道竖向预应力钢管支撑结构，其特征在于:包括开设在仰拱中心处的下部小导洞(I)、开设在下部小导洞(I)正上方的上部小导洞(2)、以及连通上部小导洞(2)与下部小导洞(I)的竖向通道(3)，在所述的下部小导洞(I)设置有条形基础(4)，在上部小导洞(2)顶部形成拱部初期支护层(5)，还包括穿过竖向通道(3)的钢管支撑(6)，钢管支撑(6)的顶端为固定端且通过型钢纵梁(7)作用在拱部初期支护层(5)上，钢管支撑(6)的底部为活络端并安装在条形基础(4)上。
2.根据权利要求1所述的一种大断面暗挖隧道竖向预应力钢管支撑结构，其特征在于:在所述条形基础(4)下还设置有用于加固基础的树根桩(8)。
3.根据权利要求1所述的一种大断面暗挖隧道竖向预应力钢管支撑结构，其特征在于:在所述下部小导洞(I)侧壁和顶部浇筑有下部初期支护层(9);在上部小导洞(2)侧壁浇筑有上部初期支护层(10)。
4.根据权利要求1所述的一种大断面暗挖隧道竖向预应力钢管支撑结构，其特征在于:还包括安装在上部小导洞(2)顶部的锚杆(11)，锚杆(11)的底部连接形成U形构件将型钢纵梁(7)固定在上部小导洞(2)的顶部。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种大断面暗挖隧道竖向预应力钢管支撑结构，其特征在于:在所述的竖向通道(3)侧壁上喷射有混凝土形成护壁(12)。
6.一种大断面暗挖隧道竖向预应力钢管支撑的施工工艺，其特征在于，按照如下步骤依次进行: Ca)施工仰拱中心处下部小导洞(I )，初期支护，在下部小导洞(I)侧壁和顶部进行浇筑形成下部初期支护层(9)，在下部小导洞(I)底部安装条形基础(4)； (b)施工拱部中心处上部小导洞(2)，初期支护，在上部小导洞(2)侧壁进行浇筑形成上部初期支护层(10)，在上部小导洞(2)顶部形成拱部初期支护层(5)，在上部小导洞(2)顶部安装锚杆(11)，安装型钢纵梁(7)，用锚杆(11)将型钢纵梁(7)悬挂固定在上部小导洞(2)的拱部； (c)施工竖向通道(3)，并在竖向通道(3)内安装钢管支撑(6)，在钢管支撑(6)的顶端固定安装固定端并顶在型钢纵梁(7)上，钢管支撑(6)的底部为活络端并安装在条形基础(4)上，采用千斤顶通过钢管支撑(6)、型钢纵梁(7)向隧道顶部施加预应力； Cd)导坑左上部开挖，初期支护和临时仰拱，同时施工型钢横撑(17)； (e)导坑右上部开挖，初期支护和临时仰拱，同时施工型钢横撑(17); Cf)导坑左下部开挖，初期支护，施工型钢连梁(18)； (g)导坑右下部开挖，初期支护； (h)铺设仰拱防水层(13)，浇筑条形基础(4)左、右两侧的侧仰拱混凝土，形成整体仰拱(14)； (i)拆除钢管支撑(6)、型钢横撑(12)、以及拱部型钢纵梁(7)，敷设拱墙防水层(15)，浇筑隧道拱、墙的二次衬砌及内部结构(16)。
7.根据权利要求6所述的一种大断面暗挖隧道竖向预应力钢管支撑的施工工艺，其特征在于:在所述步骤(a)中，在下部小导洞(I)底部安装条形基础(4)之前，先施工树根桩(8)进彳丁基础加固。
8.根据权利要求6或7所述的一种大断面暗挖隧道竖向预应力钢管支撑的施工工艺，其特征在于:在进行步骤(C)施工竖向通道(3)时，在竖向通道(3)的侧壁喷射混凝土形成护壁(12)。
【文档编号】E21D11/10GK104453948SQ201410711292
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月1日 优先权日:2014年12月1日
【发明者】刘建伟, 卢致强 申请人:中铁隆工程集团有限公司