本发明为一种隧道穿越空洞时的棚护结构与支护方法，是一种隧道棚护结构与支护方法，属于土木工程施工技术领域。
背景技术：
隧道施工中遇到有穿越空洞等不良地质条件时，由于其地质条件的复杂性和不确定性等，容易造成隧道坍塌，掉块等工程事故，为避免工程事故和质量问题，一般采用反压回填法施工，耽误工期，围岩产生较大变形，影响施工安全，造成比较大的经济浪费。
技术实现要素：
本发明为一种隧道穿越空洞棚护结构与支护方法，当隧道穿越空洞，且空洞比较大时，为了节约施工时间和施工费用，保证施工安全和工程质量，设计了穿越空洞棚护结构及支护方法，主要包括支护和防护两部分，支护部分包括管棚和拱架，防护部分是在管棚结构上增加防护翼板形成隧道结构防护层，可以根据洞顶的高度改变翼板的高度，调整防护层厚度，有效的防止洞顶落石，坍塌等安全事故。
本发明采用的技术方案中，一种隧道穿越空洞棚护结构，该结构包括棚护结构工作室(1)，导向墙(2)，棚护结构钢管(3)，钢筋网片(4)，型钢拱架(5)，翼板(6)及定向注浆系统(7)。
棚护结构工作室(1)由第一循环管棚(8)和第二循环管棚(9)组成，第一循环管棚(8)和第二循环管棚(9)交错布置，第一循环管棚(8)和第二循环管棚(9)之间设有导向墙(2)；棚护结构钢管(3)设置在棚护结构工作室(1)的顶部，钢筋网片(4)铺设在棚护结构工作室(1)上；型钢拱架(5)设置在棚护结构钢管(3)的底部，翼板(6)设置在棚护结构钢管(3)的外侧，定向注浆系统(7)设置在棚护结构钢管(3)的安装孔处。棚护结构钢管(3)，钢筋网片(4)和翼板(6)组成防护部分，翼板(6)的高度可调节，棚护结构钢管(3)和型钢拱架(5)为棚护结构的支护部分。
型钢拱架(5)之间设有纵向连接钢筋(14)。
棚护结构钢管(3)与导向墙(2)之间的外插角α根据棚护结构长度确定，为1°～3°。
棚护结构工作室(1)是棚护结构施做的工作场地，包括开挖工作室和初支护。首先在隧道掌子面拱部一定范围内(包括棚护结构拱顶和棚护结构拱腰)，隧道掌子面开挖比正常隧道直径外扩一定距离d，d取初支护厚度的二倍，工作室开挖长度根据钢管每节长确定，安装棚护结构工作室(1)的钢拱架，并进行开挖工作室的初支护，形成棚护结构工作室(1)。
导向墙(2)是引导隧道方向的拱墙，导向墙(2)中预埋棚护结构导向管和导向钢架，导向管和导向钢架同时设有翼板孔，翼板孔作为带翼板钢管安装定向。导向墙施做时先立拱架和模板，安装导向钢架和导向管，再灌注混凝土形成。为保证棚护结构施工精度，导向墙(2)内设工字钢，钢架外设导向钢管，钢管沿管棚外法线方向预留导向翼板插孔，宽度和高度根据空洞大小经过数值计算确定，导向钢管留有一定范围的外插角α，钢管与钢架焊接。钢架各单元由连接板焊接成型，单元间由螺栓连接。
棚护结构钢管(3)采用管径为
钢筋网片(4)是铺设在棚护结构外侧，焊接于棚护结构钢管(3)上，起固定钢管和进行混凝土喷护作用。钢筋网片(4)采用圆钢，间距根据拱架的大小决定为5cm×15cm，钢筋网在现场单根安装。钢筋网片(4)与棚护结构钢管(3)连接牢固，随着喷面的起伏铺设。钢筋网片(4)之间及与已喷砼段的钢筋网搭接牢固，且搭接长度不小于a(a一般为200mm)。钢筋网片(4)需挂靠牢固，在喷射混凝土时钢筋网不得晃动。挂网时按图纸标定的位置挂设加工好的钢筋网片(4)，钢筋网片(4)随初喷面的起伏铺设，绑扎固定于前期施工的棚护结构钢管之上，再把钢筋网片(4)焊接在一起，钢筋网片(4)搭接长度为1～2个网格。
型钢拱架(5)其作用是在喷射混凝土未达到要求强度之前承担地层压力和约束变形，提高初支护的能力，它既是临时支撑也是永久支护的一部分。型钢拱架(5)采用工字钢，每榀工字钢两端头处焊接连接钢板，钢支撑均采用双面焊接。加工好的钢拱架在平整的场地上进行试拼装，控制平面翘曲应小于b(b一般为5mm)，周边拼装允许偏差为c(c一般取±30mm)。钢拱架与钢拱架之间用法兰盘螺栓连接，并骑缝焊接，纵向采用钢筋连接，环向采用连接筋进行连接，焊接采用双面焊，确保纵向连接与拱架连接牢固，构成整体。钢拱架弯制采用冷弯机弯制，型钢连接可采用钢板绑条满焊，绑条焊前应先将型钢对接焊满，确保等强连接。连接钢板厚度、尺寸、钻眼必须符合要求，所有焊缝厚度不得小于设计厚度，且焊缝饱满。钢支撑应尽可能与锚杆头及钢筋网焊接，以加强其联合支护效应。
翼板(6)采用无缝钢板制作而成，焊接于棚护结构的钢管上，方向平行于隧道法线，翼板的长度与每节钢管长度相同，翼板的厚度由空腔顶部到棚护结构的顶部距离决定，翼板的高度根据空腔的大小和高度通过动力学计算得到。
定向注浆系统(7)包括浆液定向喷射系统和监控监测系统。浆液定向喷射系统包括钻具及注浆口(7.1.1)、高压注浆管(7.1.2)和注浆喷嘴(7.1.3)；
监控监测系统，包括计算机终端(7.2.2)、数据传输线(7.2.1)、钻具接头(7.2.3)、探测杆(7.2.4)，探测端头(7.2.5)以及压力传感器(7.2.6)；计算机终端(7.2.2)通过数据传输线(7.2.1)与压力传感器(7.2.6)连接，压力传感器(7.2.6)布设在高压注浆管(7.1.2)上，钻具及注浆口(7.1.1)设置在钻孔的中心处，钻具及注浆口(7.1.1)与高压注浆管(7.1.2)连接，注浆喷嘴(7.1.3)设置在高压注浆管(7.1.2)上；
钻具接头(7.2.3)、探测杆(7.2.4)和探测端头(7.2.5)顺次连接组成探测结构，探测结构与高压注浆管(7.1.2)竖直平行布置保证注浆定向，钻具接头(7.2.3)与钻具及注浆口(7.1.1)的位置相对应。
高压注浆管(7.1.2)为玻璃钢管。
浆液定向喷射系统，由钻具及注浆口(7.1.1)将按设计要求配制好浆液注入高压注浆管(7.1.2)内，浆液在压力作用下，由高压注浆管(7.1.2)管壁的注浆喷嘴(7.1.3)喷射至棚护结构的翼板(6)与底模型钢(11)之间并凝固，形成稳固保护层。
监控监测系统，包括计算机终端(7.2.2)、数据传输线(7.2.1)、探测杆(7.2.4)，探测端头(7.2.5)以及压力传感器(7.2.6)，用于在注浆时能够实时监测被加固保护层与高压注浆管(7.1.2)间的层间压力以及注浆管内压力，根据采集数据变化情况随时调整注浆压力、注浆量参数。
棚护结构穿越无充填物大溶洞时，顶模型钢(10)设置在棚护结构钢管(3)的顶部，翼板的作用是在棚护结构注浆时，浆液通过钢管上的预留注浆孔在棚护结构顶部的翼板之间形成坚固的防护层(12)，防护层(12)的厚度由翼板的高度决定，底模型钢(11)设置在型钢拱架(5)的底部，顶模型钢(10)和底模型钢(11)沿隧道中线(13)对称布置。
防护层(12)是指在棚护结构注浆时，浆液通过钢管上的预留注浆孔在棚护结构顶部的翼板之间形成坚固的保护层。防护层(12)的厚度取决于翼板的高度，翼板的高度可根据空洞的顶部到管棚的竖向距离来决定，洞顶离管棚的距离越大则翼板的高度也越大，反之亦然。
本发明所提供的穿越空洞棚护结构与支护方法，具有以下优点：
本发明可以根据空洞洞顶高度，调整翼板高度，进而改变结构保护层的厚度，从而有效保障棚护结构的稳定性。而定向注浆及监测系统，在注浆时能够实时监测被加固保护层与注浆管间的层间压力以及注浆管内压力，达到实时监测的目的，并且能够确保注浆效果，而不会发生过度注浆或达不到预期效果的现象。除此之外，本发明在施工时，有效抑制现场施工产生的扬尘，选择低噪音设备进行施工，噪音得到极大的控制，分流雨水，工程污水，减轻污水排放对环境的影响，具备绿色环保的施工理念。
附图说明
图1棚护结构穿越无充填物大空洞纵断面图。
图2带翼板的棚护结构钢管断面布设图。
图3为棚护结构钢管、钢筋网片和翼板之间的连接示意图。
图4为注浆系统和型钢拱架之间的连接示意图。
图5棚护结构施工定向注浆系统示意图。
图6为棚护结构穿越无充填物大溶洞横断面图。
具体实施方式
现结合附图对本发明具体实施方式作具体说明，附图为示意图，仅以示意方式说明本专利基本结构，基于本发明的实施例，本领域内技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。
一种隧道穿越空洞棚护结构的支护方法，该方法具体步骤如下：
s1导向墙施工：(a)根据隧道轴线及开挖轮廓线，安装两榀导向墙型钢拱架，两榀导向墙型钢拱架之间的间距为60cm，焊接牢固。(b)用全站仪定位，安装棚护结构导向管和导向钢架，棚护结构导向管为ф140壁厚为5mm钢管，沿棚护结构导向管上方棚护结构外法线方向预留导向翼板插孔，宽度2cm，高度3m(根据数值计算结果，隧道套拱的混凝土保护层厚度确定为3m)，用坡尺检查导向管坡度，按照1～3°的外插角精确定位，并用连接钢筋与型钢拱架牢固焊接为一整体。(c)经检测棚护结构导向管和导向架满足精度要求后，安装内模拱架，内模拱架用两榀型钢制作而成，支撑稳固后，于内模拱架外侧安设外侧模板。(d)浇筑导向墙，导向墙采用c25混凝土浇筑，截面尺寸2.0m×(1+3)m。(e)导向墙浇筑完成后，喷射15cm厚c25砼封闭周围仰坡面，作为注浆时的止浆墙。(f)待混凝土强度满足后拆除外侧模板。
s2棚管制作和安装：(a)棚护结构钢管采用外径108mm，壁厚6mm的热轧无缝钢管上焊接翼板，总长30m(钢管长度也能根据循环进尺长度现场确定，但分段长度不超过50m)，分段连接，每段3m长，管口接头处用丝扣连接，管口丝扣车深度为6cm母扣，连接管采用φ127×8mm无缝钢管，公扣长12cm。棚管尾部预留1m作为止浆段，棚护结构钢管其余部位打注浆孔，注浆孔孔径16mm，注浆孔孔间距15cm，梅花形布置。(b)用装载机在人工配合下顶进棚护结构钢管，相邻棚护结构钢管的接头前后错开1.5m，第一根钢管焊上翼板后安装在导向墙上，人工装上后一节棚护结构钢管，人工持链钳进行棚护结构钢管联接，使两节棚护结构钢管在联接处联成一体，再焊接导向管翼板，依次顶入。(c)棚管安装时，每安装3m棚护结构钢管，施做五榀型钢拱架，型钢拱架上设有棚管限位器，以对棚护结构钢管定位和支护。依次逐段安装棚护结构钢管和型钢拱架。
s3型钢拱架制作与安装：(a)工字钢拱架采用20b工字型钢，每榀工字型钢两端头处焊接220×220×10mm的连接钢板，钢支撑均采用双面焊接，焊接厚度不小于5mm，完成型钢拱架的加工。加工好的型钢拱架在平整的场地上进行试拼装，控制平面翘曲小于20mm，周边拼装允许偏差为±30mm。检查焊点是否符合规范要求，是否漏焊；符合要求的要编号，避免混用。(b)钢拱架与型钢拱架之间用法兰盘螺栓连接，并骑缝焊接，纵向采用φ22mm的钢筋连接，间距为60cm，环向采用1m的连接筋进行连接，焊接采用双面焊，确保纵向连接与型钢拱架连接牢固，构成整体。(c)型钢拱架弯制采用冷弯机弯制，型钢连接采用20cm*h(h为型钢高度减4cm)厚度1cm钢板绑条满焊，绑条焊前应先将型钢对接焊满，确保等强连接。连接钢板厚度、尺寸、钻眼必须符合要求，所有焊缝厚度不得小于设计厚度，且焊缝饱满。钢支撑与锚杆头及钢筋网焊接，以加强其联合支护效应。
s4钢筋网片的制作与安装：(a)钢筋网片采用φ6圆钢，间距为5cm×15cm，钢筋网在现场单根安装。钢筋网片与钢管联接牢固，随着喷面的起伏铺设。钢筋网之间及与已喷砼段的钢筋网搭接牢固，且搭接长度不小于200mm。钢筋网需挂靠牢固，在喷射混凝土时钢筋网不得晃动。(b)钢筋焊接前要先将钢筋表面的油渍、漆污、水泥浆和用锤敲击能剥落的浮皮、铁锈等均清除干净；加工完毕后的钢筋网片应平整，钢筋表面无削弱钢筋截面的伤痕。(c)挂网时按图纸标定的位置挂设加工好的钢筋网片，钢筋网片随初喷面的起伏铺设，绑扎固定于先期施工的管棚钢管之上，再把钢筋网片焊接在一起，钢筋网片之间的搭接长度为1～2个网格。
s5钢筋笼制作和安装：为增加棚护结构的抗弯能力和抗冲击能力，钢管中设置钢筋笼对结构进行补强，由四根φ22mm钢筋和固定环组成，用装载机在人工配合下顶进。
s6注浆和保护层施工：(a)注浆前掌子面必须先素喷一层混凝土作为止浆墙，对掌子面进行封闭，确保注浆过程不漏浆；管棚注浆方式采用间歇式注浆，即一机两孔换孔注浆。(b)注浆采用定向注浆系统，包括浆液定向喷射系统和监控监测系统，对棚护结构进行定向注浆和监测。(c)间歇时间不能大于1.5小时，让浆液有一定的凝固时间，防止连续注浆过程浆液无限制扩散。(d)注浆顺序为先低孔后高孔，先注无水孔后注有水孔，从两拱脚向拱顶对称进行。(e)注浆标准为隧道结构保护层厚度满足设计要求，并且单管注浆量达到设计值或注浆压力达到终压并稳压20分钟以上，孔内不再进浆，方可停止注浆。(f)注浆结束后及时封闭止浆阀，注浆过程中检查孔口、邻孔、覆盖层较薄部位有无串浆现象，如发生串浆，立即停止该孔注浆，采用间歇式注浆封堵串浆口，间隔一孔或数孔注浆，或采用麻纱、木楔、快硬水泥砂浆或锚固剂封堵，直至不再串浆时再继续注浆，注浆过程中压力如突然升高，则可能发生堵管，应停机检查。
s7循环施工：以每向内推进30m为一循环进尺单元(循环进尺可由现场确定，但分段长度不宜超过50m)，纵向两组棚护结构循环搭接长度不小于3.0m，至全部完成结束。