控制隧道偏压变形的钢花管桩支挡结构及其施工方法与流程

本发明涉及岩土工程领域，尤其涉及一种控制隧道偏压变形的钢花管桩支挡结构及其施工方法。

背景技术：

偏压隧道是指隧道支护结构两侧的围岩压力相差较大或不对称荷载作用的隧道。如公路隧道断面一般呈马蹄形，由于地形不对称、地质岩层、施工等因素，造成隧道结构两面荷载不对称，就形成了偏压。偏压作用是隧道变形、坍塌的主要原因之一，因此隧道处于严重偏压状态时，应采取措施避免隧道结构发生病害、失稳。施工期间的病害主要是偏压一侧压力大，容易产生大变形，围岩不稳定容易塌方，喷混凝土会产生开裂、掉快、严重的发生坍塌。运营阶段，由于受偏压荷载的影响，隧道结构容易产生开裂、渗漏等病害。

目前国内外对偏压边坡加固处理的方法主要有以下几种：

(1)削坡排水法

该方法通过消弱偏压边坡以减轻下滑力，从而降低边坡偏压对隧道稳定性的影响。但该方法的治理效果与开挖范围密切相关。倘若开挖范围小，则一方面无法起到很好的治理效果，另一方面则可能引起新一轮边坡滑移的隐患；倘若开挖范围过大，则不但增加了工程造价，而且大大影响了周围环境。

(2)地表注浆法

当隧道浅埋且地层非常松散破碎、易发生大规模坍塌或失稳时，可采用地表注浆加固。这种方法方便、及时，投入的工作量相对较小。但是，注浆量估算和控制比较难以把握，实际治理效果有限。

(3)支挡措施

根据偏压坡体的性质，支挡措施可采用抗滑挡墙、抗滑桩、预应力锚索(杆)、钢管桩以及锚索桩、格构锚固等支挡构造物，对偏压坡体进行整治，控制偏压。如抗滑桩具有抗滑能力大的优点，但污工数量大，造价相对较高，影响施工进度。

因此，有必要提供一种能有效防止偏压隧道变形的支挡结构和方法，并且能简化施工步骤、加快施工速度、降低经济成本。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的上述缺陷，提供一种控制隧道偏压变形的钢花管桩支挡结构及其施工方法，其主要通过微型钢管桩以及预应力锚索的组合来减小偏压隧道所受的偏压荷载，避免因隧道处于严重偏压状态而导致的隧道结构发生病害、失稳的状况。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种控制偏压隧道偏压变形的钢花管桩支挡结构，其包括设置于对所述偏压隧道施加较大偏压载荷的一侧山体内的钢管桩，所述钢管桩用于对所述施加较大偏压载荷的一侧山体的岩体进行加固。

优选的，所述钢管桩包括：

钢花管；设置于所述钢花管内部、且与所述钢花管同轴的至少一个固定环；以及设置于所述钢花管内部、且与所述固定环外表面固定连接的至少一根钢筋。

优选的，所述钢花管上开设有若干注浆孔，用于对周边岩体进行注浆加固。

优选的，所述支挡结构还包括设置于所述山体一侧的岩体内的冠梁；所述钢管桩的顶部固定于所述冠梁内。

优选的，所述支挡结构还包括至少一根预应力锚索，每一所述预应力锚索的一端与所述冠梁固定连接，另一端与所述施加较大偏压载荷的一侧山体的岩体固定连接。

优选的，所述冠梁包括：

混凝土主体；以及与所述混凝土主体上表面固定连接的锚墩；所述预应力锚索的一端穿过所述混凝土主体与锚墩，通过钢垫墩与所述锚墩固定连接。

优选的，所述钢管桩直径为50-1000mm，采用梅花形或方格型方式进行布置，且布置间距为0.3-5m。

另一方面，还提供一种控制隧道偏压变形的钢花管桩支挡结构的施工方法，其包括如下步骤：

s1、预制钢管桩；

s2、将所述钢管桩设置于对所述偏压隧道施加较大偏压载荷的一侧山体内；并对所述钢管桩周边岩体进行注浆加固。

优选的，步骤s2中包括：

s21、在所述施加较大偏压载荷的一侧山体的岩体内设置冠梁，将所述钢管桩的顶部固定于所述冠梁内，以此将所述钢管桩设置于对所述偏压隧道施加较大偏压载荷的一侧山体内；

s22、第一次注浆：将第一次注浆用的水泥浆从下向上进行灌注；

s23、二次注浆：第一次注浆10-12小时后，预制劈裂注浆管，并将所述劈裂注浆管伸入到所述钢管桩内，并对所述钢管桩进行劈裂注浆。

优选的，还包括s3、将预应力锚索的一端与所述冠梁固定连接，另一端与所述施加较大偏压载荷的一侧山体的岩体固定连接。

本发明技术方案的有益效果在于：

(1)本发明采用微型钢花管桩和预应力锚索组成支挡结构，可以支档隧道山体一侧的岩土层，减小隧道偏压荷载，防止隧道出现偏压变形和破坏；

(2)本发明采用的微型钢花管桩，本身具有较高的强度和刚度，具有抗滑桩的作用，同时钢花管可以对周边岩土层进行注浆加固，使钢花管和周边岩土层共同组成一个抗滑整体，显著提高的加固效果；

(3)本发明采用的技术方案，工法简洁，施工速度快，经济成本较低。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的实施例一中控制隧道偏压变形的钢花管桩支挡结构的结构示意图；

图2是本发明的实施例一中钢管桩的横剖面示意图；

图3是本发明的实施例一中钢管桩的纵剖面示意图；

图4是本发明的实施例一中冠梁的结构示意图；

图5是本发明的实施例一中预应力锚索与冠梁的连接的结构示意图；

图6是本发明的实施例一中预应力锚索的结构示意图；

图7是本发明的实施例一中隔离架的结构示意图；

图8本发明的实施例一中钢垫墩的剖视图；

图9本发明的实施例一中钢垫墩的俯视图；

图10本发明的实施例二中偏压隧道防偏压变形的钢花管桩支挡结构的施工流程图；

图11本发明的实施例二中劈裂注浆管的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：

图1示出了本发明的控制隧道偏压变形的钢花管桩支挡结构，其包括钢管桩1，所述钢管桩1设于所述偏压隧道100沿线、且对于所述偏压隧道100施加较大偏压载荷的一侧山体内，所述钢管桩1用于在开挖前对所述施加较大偏压载荷的一侧山体的岩体进行加固。本实施例中，所述钢管桩1的直径、间距、长度、壁厚等参数可根据隧道埋深、围岩条件、地下水状态、山体稳定性等影响因素确定，只要能确保隧道山体一侧岩体的稳定即可。在此，所述钢管桩1直径为50-1000mm，采用梅花形或方格型方式进行布置，且布置的横、纵间距均为0.3-5m(优选间距均为1.0m)。

具体的，如图2-3所示，所述钢管桩1包括：

钢花管10(可优选为无缝钢管)；设置于所述钢花管10内部、且与所述钢花管10同轴(如图3所示，即所述固定环12与所述钢花管10具有相同的竖直中心轴线y)的至少一个固定环12，所述固定环12优选为圆形固定环，直径为40-45mm(优选直径为42mm)；且固定环12有多个时，其按照间距(如图3所示，此处“间距”为相邻两固定环12水平中心轴线x之间的距离，所述水平中心轴线x与所述竖直中心轴线y’垂直)80-120mm(优选间距为100mm)均匀间隔设置在所述钢花管10内部；以及设置于所述钢花管10内部、且与所述固定环12外表面固定连接的至少一根钢筋11；本实施例中，所述钢筋11直径为10-50mm(优选直径为30mm)，且围绕所述固定环12的外表面均匀间隔设置，所述钢筋11的竖直中心轴线y’均与所述钢花管10的竖直中心轴线y平行，且钢筋11均通过焊接方式与所述固定环12的外表面固定连接。

此外，为了提高钢管桩1周边岩土层的整体性、强度和刚度，所述钢管桩1上还开设有若干注浆孔13，用于对周边岩体进行注浆加固，优选的，所述注浆孔13的直径为6-10mm(优选直径为8mm)。同时，由于钢管桩1在边坡岩体中要承受抗剪作用，为了减少注浆孔13对钢花管10的损害，注浆孔13在所述钢花管10上呈螺旋式布置，且所述钢花管10的同一横截面上只有一个注浆孔13，并且，在竖直中心轴线y方向上，所述注浆孔13的间距为10-20cm，特别优选为15cm。

进一步的，如图1所示，所述支挡结构还包括设置于所述施加较大偏压载荷的一侧山体的岩体内的冠梁2，具体的，冠梁2的设置位置可根据山体走势等因素而定，本实施例中，所述冠梁2沿所述施加较大偏压载荷的一侧山体的坡面走势设置；所述钢管桩1的顶部固定于所述冠梁2内，所述钢管桩1的底部伸入预先钻设的钻孔(未示出)中，由此，所述钢管桩1的顶部和底部的位置均可以得到有效固定，保证整个结构的强度；以及至少一根预应力锚索3，每一所述预应力锚索3的一端与所述冠梁2固定连接，另一端与所述施加较大偏压载荷的一侧山体的岩体4固定连接，所述预应力锚索3的使用可以增大钢管桩1的稳定性，减小钢管桩1向偏压隧道100一侧变形的幅度以及概率，从而减小偏压隧道100靠近所述施加较大偏压载荷的一侧山体的偏压荷载。本实施例中，所述预应力锚索3的锚索长度、预应力大小等参数根据围岩地质条件、边坡坡度、隧道尺寸等参数计算确定，在此不作具体限定。

具体的，如图3所示，所述冠梁2包括：

由c30钢筋混凝土制成的混凝土主体23，所述混凝土主体23可为长方体或正方体，其宽度w可为2-8m(优选为4m)，或者其他纵截面均匀的几何体，且所述混凝土主体23的厚度h为0.2-2.0m(优选为0.4m)；以及如图4所示的，与所述混凝土主体23上表面固定连接的锚墩21；所述预应力锚索3的一端穿过所述混凝土主体23与锚墩21，通过钢垫墩31与所述锚墩21固定连接，同时，为便于增强结构的稳定性，所述锚墩21的表面还设有硬质层22(可由m40干硬性预缩砂浆制成)，预应力锚索3的一端穿过所述混凝土主体23与锚墩21后，通过钢垫墩31将所述锚墩21固定在所述硬质层22上。

进一步的，如图6所示，所述对拉锚索3包括：

钢管32；至少一个隔离架33，每一所述隔离架33设置于所述钢管32内部，且沿所述钢管32轴向间隔固定，所述隔离架33的形状与所述钢管32的形状匹配，本实施例中，所述隔离架33为圆形；以及穿过所述隔离架33的至少一根加强索34，所述加强索34可优选为钢绞线。

具体的，如图7所示，所述隔离架33包括：

设置于所述隔离架33中心的第一通孔331；

环绕所述第一通孔331均匀间隔设置的若干第二通孔332；所述第一通孔331和/或第二通孔332用于供所述加强索34穿过，并固定所述加强索34的位置；

至少一个通气孔333以及至少一个钢管注浆孔334；所述钢管注浆孔334用于供钢管注浆管351(如图6所示)穿过，并伸入到所述钢管32内部进行注浆；所述通气孔333用于在对所述钢管32内部进行注浆时，供气源进入，以调整钢管32的内部气压。

在此基础上，如图8-9所示，所述钢垫墩31包括：

上垫板311；与所述上垫板311相对设置(可相对所述上垫板311平行设置)的下垫板312；所述上垫板311与所述下垫板312通过连接件313固定连接，所述连接件313可为筒状件，并且由钢材料制成；并且，为进一步加强上垫板311与下垫板312之间的连接强度，所述上垫板311与下垫板312之间、环绕所述连接件313设有若干加强肋314，所述加强肋314的上端连接所述上垫板311，底端连接所述下垫板312，具体的，所述加强肋314可为直角梯形，且所述直角梯形的加强肋314短的平行边连接所述上垫板311，长的平行边连接所述下垫板312，斜边远离所述连接件313。

进一步的，为配合所述钢管注浆管351对所述钢管32内部进行注浆，所述连接件313上开设有至少一个注浆管进出孔315；所述下垫板312中心处开设有与所述钢管32连通的第四通孔316；所述钢管注浆管351穿过所述注浆管进出孔315、第四通孔316以及隔离架33的第一通孔331和/或第二通孔332后伸入到所述钢管32内进行注浆。通过给所述对拉锚索3的钢管32内部注浆，可以极大的增强对拉锚索3的结构强度，进而增强对拉锚索3、冠梁2以及初支结构4三者之间的稳固程度，起到更好的防偏压效果。

在此基础上，为起到更好的固定效果，所述下垫板312上还可开设至少一个可供螺栓317穿过的螺栓固定孔318，所述螺栓317一端穿过所述下垫板312后与所述硬质层22固定连接，另一端与螺母319紧固连接，以此来将下垫板312与所述硬质层22紧固连接。

实施例二：

如图10所示，本发明在上述实施例一的基础上还提供了一种防止偏压隧道偏压变形的施工方法，其包括如下步骤：

s1、预制钢管桩1；

s2、将所述钢管桩1设置于对所述偏压隧道100施加较大偏压载荷的一侧山体内；并对所述钢管桩1周边岩体进行注浆加固。

具体的，步骤s2中包括：

s21、如图11所示，在所述施加较大偏压载荷的一侧山体的岩体内设置冠梁2，将所述钢管桩1的顶部固定于所述冠梁2内，同时还可预先钻设钻孔308，将所述钢管桩1的钢花管10的底部伸入预先钻设的钻孔中，以此将所述钢管桩1设置于所述偏压隧道100沿线、且对于所述偏压隧道100施加较大偏压载荷的一侧山体内；

s22、第一次注浆：向所述钻孔308的孔底泵送少量清水，用于稀释钻孔308孔底泥渣，并将所述泥渣托出；

按照水灰比1:1配置第一次注浆用的水泥浆(可采用p425水泥配置)，将第一次注浆用的水泥浆从所述钻孔308的孔底开始、从下向上进行灌注，利用水泥浆的浮力将钻孔308内的泥渣挤出所述钻孔308；

s23、二次注浆：第一次注浆10-12小时后，预制劈裂注浆管300，并将所述劈裂注浆管300伸入到所述钢管桩1的钢花管10内，并对所述钢花管10进行劈裂注浆。

步骤s22、s23中注浆材料可以是各种类型的水泥浆，也可以是水泥-水玻璃双液浆以及改性水玻璃浆等，只要能对岩体进行注浆加固即可。

具体的，所述步骤s23包括：

s231、第一次注浆10-12小时后，如图11所示，制取若干节壁厚2.0-2.5mm、直径20-24mm、长度1.5-2.0m(每一节镀锌钢管301的长度根据移动距离以及位置深度确定，只要使每次提升劈裂注浆管300时，保证出浆眼303在预先设定的位置即可)的镀锌钢管301，且相邻的镀锌钢管301之间用管接头302进行连接，并在最下面一节的镀锌钢管301上、距离所述最下一节的镀锌钢管301的端头0.5m范围内梅花形布置若干出浆眼303，所述出浆眼303孔径为3-8mm(优选孔径为5mm)，以获得所述劈裂注浆管300；并将所述钢花管10内部分成若干个注浆段；

s232、将所述劈裂注浆管300伸入到所述钢管桩1的钢花管10内、并深入到所述钻孔308的孔底附近；

s323、预制可供所述劈裂注浆管300以及排气管306穿过的注浆密封压盖304，待所述劈裂注浆管300以及排气管306均穿过所述注浆密封压盖304后，所述注浆密封压盖304盖设在所述钢花管10的上端，用于对所述钢花管10进行密封；

如图11所示，所述注浆密封压盖304采用厚5mm的钢板制成，为直径φ130mm的圆盘状压盖；其次，所述注浆密封压盖304上对称设有两个供压盖螺栓305穿过的通孔，所述螺栓孔305用于紧固连接所述钢花管10与注浆密封压盖304，通过所述注浆密封压盖304实现对所述钢花管10的密封。进一步的，所述注浆密封压盖304中部开设有供所述镀锌钢管301穿过的第一开孔，同时还在所述注浆密封压盖304上还开设供排气管306穿过的第二开孔，所述排气管306用于在向所述钢花管10注浆的过程中进行排气，其具体规格可根据排气需要而定，本实施例中，所述排气管306的长度可为20cm，直径为22mm；

具体的，当对所述钢花管10内部进行注浆时，所述排气管306连通钢花管10内部与外接大气，用于将钢花管10中的气体排出，调节其内部压力，排气完成后，通过密封件3061密封排气管306的上端，如可在所述排气管306的上端设置螺纹，密封件3061可优选为螺栓，排气完成后，通过螺栓与排气管306的螺纹进行螺纹连接，拧紧螺栓以完成对所述排气管306的密封。进一步的，为保证密封效果，所述注浆密封压盖304与所述钢花管10之间还设有密封垫，具体的，所述密封垫可选用厚度为2mm～15mm的硬橡胶皮切割制成；

s324、将所述劈裂注浆管300与高压注浆管连通，打开排气管306，通过高压注浆管向所述钢花管10内逐渐加压注浆，以完成第一注浆段的注浆；

s325、提升所述劈裂注浆管300，进行下一注浆段的劈裂注浆，直至完成所有注浆段的劈裂注浆。

步骤s324-s325中，在完成一注浆段的劈裂注浆后，打开所述注浆密封压盖304，检查所述镀锌钢管301内的注浆材料是否凝结或堵塞。如有，则将所述镀锌钢管301拆下，用高压水进行冲洗，同时稀释所述钢花管10内的沉浆，以保证注浆管通畅及浆液扩散，然后重新安装好所述注浆密封压盖304，完成余下注浆段的注浆。

进一步的，步骤s324-s325中，还可通过设置在所述钻孔308孔口的压力表307(如图11所示)观察、记录注浆量。

完成所有所述注浆段的劈裂注浆后，用清水冲洗所述劈裂注浆管300，以防管内浆液凝固，保证管路通畅。

还包括s3、将预应力锚索3的一端与所述冠梁2固定连接，另一端与所述施加较大偏压载荷的一侧山体的岩体4固定连接。利用预应力锚索3的拉应力对抗隧道山体一侧的偏压，从而控制偏压隧道100的隧道偏压变形，防止偏压隧道100发生偏压破坏。

需要说明的是，上述实施例一、二中的技术特征可进行任意组合，组合而成的技术方案均属于本发明的保护范围。

综上所述，本发明采用微型钢管桩和预应力锚索作为组合支挡结构，其可以支档隧道山体一侧的岩土层，减小隧道偏压荷载，防止隧道出现偏压变形和破坏；同时，所述钢管桩本身具有较高的强度和刚度，具有抗滑桩的作用，可对周边岩土层进行注浆加固，使钢花管和周边岩土层共同组成一个抗滑整体，显著提高的加固效果，以此来减小偏压隧道所受的偏压荷载，避免因隧道处于严重偏压状态而导致的隧道结构发生病害、失稳的状况；另外，本发明采用的技术方案工法简洁，可大幅提高施工速度，降低经济成本。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。