用于防止隧道注浆加固引起地表隆起的防护结构的制作方法

本发明属于岩土工程技术领域和土建市政技术领域，特别是一种用于防止隧道注浆加固引起地表隆起的防护结构。适用于浅埋隧(巷)道穿越松散岩层、砂土层时超前注浆加固容易引起地表隆起、道路开裂、建筑物倾斜等一系列问题的永久性隧(巷)道工程。

背景技术：

随着经济全球化的发展和城市化进程的加快，地铁工程越来越成为城市公共交通发展的主要方向。地铁不仅增强了出行的快捷性，节省了人们的时间，还为城市环保建设的开展起到了良好的促进作用。我国正处在工业化和城市化加速发展的时期，数以百万计的人口涌入大城市，给城市管理和城市交通带来巨大的压力。与其他工程相比，地铁工程是一项投资大、建设周期长、技术复杂的大型土木工程。地铁工程具有隐蔽性、地质环境的不确定性、施工技术复杂性等特点，这势必造成工程在施工期内的风险数量多、种类复杂，甚至出现事故后造成较大的经济损失。

地铁处于城市喧闹、人口密集、建构筑物密集的市区，为修建地铁而开挖的隧(巷)道位于整个地壳的浅部位置，需穿越松散岩层、砂土层时，这无疑增大了开挖和支护的难度。全国范围来看，地铁普遍建在地下20米左右深处，据统计北京、天津、广州、上海4个地铁城市，建造的隧(巷)道在地下20米左右，北京五号线深度达到24米。根据土壤、地质、线路分布不同，建造地铁深度也有差异，世界上有些国家如俄罗斯、伦敦等都是地下50米左右深度。

针对隧(巷)道位于松散岩层、砂土层这种情况，且施工时会穿越松散岩土层、地面已有道路或其他建构筑物，目前一般隧(巷)道的施工只有极少部分端头部位采用明挖法，百分之九十的路线长度采用暗挖法中的钻爆法、盾构法、掘进机法、新奥法等方法。原本完成稳定的岩土层经历隧(巷)道的开挖必将改变原有的应力状态引起应力重新分布。上覆岩层及建构筑物的重量会引起隧(巷)道的变形，故必须对已开挖的隧(巷)道进行支护，同时需要对隧(巷)道与地表间的松散岩层、砂土层进行加固，这段松散散岩层、砂土层称为埋深。目前对该部分岩土体加固基本上采用注浆的方法，由于隧(巷)道埋深较浅，相对于整个地层厚度来说是一个薄薄的壳体，隧(巷)道距地表较近为了达到注浆加固的效果，一般需要较大的注浆压力，但过大的注浆压力又会引起岩土体上拱直至地表发生隆起现象，破坏地表原有的状态、引起地表道路开裂、建构筑物不均匀沉降。此时若降低注浆压力，虽可以起到控制地表隆起变形的目的，但压力太低会直接导致浆液扩散半径的减小，以至于达不到加固岩土体的效果。根据经验得浆液扩散半径一般在25cm左右，故实际施工中通常将注浆钻孔间距设计为50cm左右，以保证在有效的注浆压力下，两个注浆孔的浆液扩散半径有交叉重合现象，已达到使注浆孔之间岩土体得到充分地加固。若注浆压力降低后，不但浆液的扩散半径会减小，常规的注浆孔间距根本无法保证周围岩土体得到充分加固，导致注浆体不连续，影响浆岩土混合体的受力状态，因此，其改进和创新势在必行。

技术实现要素：

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种用于防止隧道注浆加固引起地表隆起的防护结构及隧道超前注浆方法，可有效解决防止注浆加固引起地表隆起的问题。

本发明解决的技术方案是：一种用于防止隧道注浆加固引起地表隆起的防护结构，包括位于地层表面下方的隧道本体，隧道本体正上方的地层内设置有由地表注浆形成的反向曲拱，所述反向曲拱呈向下凸起的拱形，隧道本体内轮廓的顶帮上设置有支护结构，围绕隧道本体内轮廓的顶帮，在支护结构的外侧设置有由钻孔注浆形成的正向曲拱，所述正向曲拱呈向上凸起的拱形，正向曲拱、反向曲拱以及支护结构共同形成防止超前注浆引起地表隆起的联合体支护结构。

所述支护结构为设置在隧道本体内壁上的锚杆挂网喷锚支护或钢拱架支护或以上二者构成的联合支护。

所述的反向曲拱的厚度为3-4m，正向曲拱的厚度大于2m。

所述反向曲拱沿宽度方向在水平地面的投影长度为l，作为反向曲拱的跨度，反向曲拱最低点到水平地面的深度为h，作为矢高，反向曲拱的矢跨比为△k，△k＝h/l，则△k为1/5-1/6。

所述隧道本体的竖向中心线、正向曲拱的竖向中心线以及反向曲拱的竖向中心线共线。

所述的隧道本体内轮廓的顶帮上设置有朝向隧道走向倾斜设置的超前注浆管，超前注浆管的出口位于正向曲拱和反向曲拱覆盖范围之间。

一种基于上述防护结构的防止地表隆起的隧道超前注浆方法，包括以下步骤：

a、地表钻孔注浆

隧道施工至待保护地段之前，沿隧道本体的走向，在其走向正上方具有松散岩土层的地层表面进行地表钻孔，钻孔为梅花形布置，同一行钻孔的俯视中心连线与隧道走向垂直，同一行钻孔中，位于中心的钻孔深度最大，由中心向两侧钻孔深度依次递减，且同一行钻孔下端均位于该断面所在的设计反向曲拱范围内；

往钻孔内安放可重复注浆管，通过可重复注浆管进行注浆操作，使浆液与松散岩土层形成一个整体支护结构，共同组成反向曲拱；

b、隧道支护

待隧道施工至待保护地段时，先掘出隧道本体的毛断面，进行初喷混凝土并安装支护结构，最后复喷混凝土；

c、隧道钻孔注浆

复喷混凝土1天后，围绕隧道本体内轮廓的顶帮钻孔注浆形成的正向曲拱；

d、超前注浆

在反向曲拱与正向曲拱之间进行超前注浆；

e、底板浇筑

对隧道的底板进行混凝土浇筑，形成符合设计要求的隧道断面尺寸。

所述的设计反向曲拱位于隧道走向的正上方的松散岩土层内，设计反向曲拱呈向下凸起的拱形，所述反向曲拱沿宽度方向在水平地面的投影长度为l，作为反向曲拱的跨度，反向曲拱最低点到水平地面的深度为h，作为矢高，反向曲拱的矢跨比为△k，△k＝h/l，则△k为1/5-1/6；

所述可重复注浆管的下端与设计反向曲拱下端面的间距相等。

所述步骤a中注浆操作为：

可重复注浆管下端离钻孔底不超过10cm，先进行初期注浆，通过可重复注浆管往注浆孔内注入固化浆液，初期注浆采用充填注浆，注浆压力控制在小于0.5mpa，所使用注浆液为325#水泥、添加剂、水组成,其比例为1:0.08:2。

待初期注浆结束2-3h，浆液达到初凝状态，浆液与松散岩土层中的松散岩层、砂土层初步粘结成一个整体，具有一定承载强度后，进行二次注浆，二次注浆的注浆压力大于初次注浆的注浆压力，且控制在小于3mpa，采用后退分段式注浆，所使用注浆液为325#水泥、添加剂、水组成,其比例为1:0.08:2，采用后退分段式注浆厚度为3-4m，直至形成完整的反向曲拱，以达到提高松散岩土层强度的作用，通过初期注浆和二次注浆形成内部注浆加固体，内部注浆加固体与周围松散岩土层形成一个整体支护结构共同组成用于应力承载的反向曲拱。

本发明的有益效果在于，利用曲拱的空间稳定理论与常规的锚喷支护、钢拱架加喷锚支护或联合支护等被动支护形式有机结合，通过分层次、多次注浆和联合多种被动支护方式共同形成应力承载体，先后形成了反向曲拱和正向曲拱结构，改变隧(巷)道周围松散岩层、砂土层等松散岩土层的应力分布状态，将应力集中的峰值偏移出隧(巷)道的三带受力区，充分利用曲拱形状具有承载力大的特点，隔断了地层表面的动、静荷载对隧(巷)道的影响，同时也隔断了隧(巷)道超前注浆压力过大对地表道路、建构筑物的影响，分别保证了两者的相互稳定，可实现高压注浆，既控制了地层表面地面、建构筑物的变形，防治了地表的隆起，同时也充分实现了松散岩土层注浆加固的效果。通过高压注浆对松散的岩土体进行强度刚度的修复，提高了围岩的整体性和承载力，使隧(巷)道上部松散岩土体长久处于较好的稳定状态，从而可以实现对周围环境、岩土性质掌握不十分准确的情况下，通过反向曲拱的保护形成高压注浆。本发明的方法应用范围广泛，对新掘和返修隧(巷)道均适用，尤其适用于浅部隧(巷)道穿越松散岩层、砂土层的工程，本发明易形成一套完善的施工技术措施，具有方法简单，便于实施，机械化操作方便，支护效果好的特点，具有的工程推广应用价值，随着浅部地下工程的不断发展具有显著的经济效益。

附图说明

图1为本发明整体布置剖面示意图。

图2为本发明反向曲拱布置剖面示意图；

图3为超前注浆加固区布置剖面示意图；

图4为反向连续曲拱防止注浆加固引起地表隆起方法的整体平面示意图。

其中：1.地层表面；2.地表钻孔；3.可重复注浆管；4.松散岩土层；5.反向曲拱；6.超前注浆管；7.浅部注浆孔；8.隧道本体；9.隧道本体的竖向中心线；10.底板；11.正向曲拱；12.超前注浆加固区；13.锚杆；14.隧道本体的横向中心线；15.隧道本体的毛断面；16.钢拱架。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

如图1-4所示，本发明一种用于防止隧道注浆加固引起地表隆起的防护结构，包括位于地层表面1下方的隧道本体8，隧道本体8正上方的地层内设置有由地表注浆形成的反向曲拱5，所述反向曲拱5呈向下凸起的拱形，隧道本体8内轮廓的顶帮上设置有支护结构，围绕隧道本体内轮廓的顶帮，在支护结构的外侧设置有由钻孔注浆形成的正向曲拱11，所述正向曲拱11呈向上凸起的拱形，正向曲拱11、反向曲拱5以及支护结构共同形成防止超前注浆引起地表隆起的联合体支护结构。

为保证使用效果，所述支护结构为设置在隧道本体8内壁上的锚杆挂网喷锚支护13或钢拱架支护16或以上二者构成的联合支护。

所述的反向曲拱5的厚度为3-4m，正向曲拱11的厚度大于2m。

所述反向曲拱5沿宽度方向在水平地面的投影长度为l，作为反向曲拱的跨度，反向曲拱5最低点到水平地面的深度为h，作为矢高，反向曲拱的矢跨比为△k，△k＝h/l，则△k为1/5-1/6。

若地层表面不水平时，水平地面的基准取最低点。

所述正向曲拱11和反向曲拱5的间距大于2m，由于地下空间隧道的埋深不同，反向曲拱拱顶(最低点)距正向曲拱拱顶(最高点)的距离根据实际情况进行选择，在正、反两个曲拱的保护下，在其中间夹层进行高压注浆达到加固围岩体的作用，达到围岩体与注浆体协同受力的效果。

所述隧道本体8的竖向中心线9、正向曲拱11的竖向中心线以及反向曲拱5的竖向中心线共线。

所述的隧道本体8内轮廓的顶帮上设置有朝向隧道走向倾斜设置的超前注浆管6，超前注浆管6的出口位于正向曲拱11和反向曲拱5覆盖范围之间。

超前注浆管6按照现有规范进行布置即可，一般按照相对应隧道走向向外倾斜30°-60°布设，间距一般控制在0.5m左右，遇特殊地质情况可适当调整钻孔角度和间距，该技术为现有技术。具体为：在隧(巷)道内的顶帮打一定深度的注浆孔安装注浆管进行中深孔注浆作业，形成内部注浆加固体，在反向连续曲拱5和正向曲拱11的保护下，可适当提高中深孔超前注浆的注浆压力，一般控制在8mpa以下，所使用注浆液为425#水泥、添加剂、水组成,其比例为1:0.08:2。

隧道本体8内轮廓的顶帮是由上部的圆弧形部分和连接在圆弧形部分两端下部竖直边部分组成的。

一种上述防护结构的防止地表隆起的隧道超前注浆方法，包括以下步骤：

a、地表钻孔注浆

隧道施工至待保护地段之前，先对地层表面因施工需要迁移的临时设施进行转移，在合适位置布置注浆站，为后续的反向曲拱注浆做好准备，沿隧道本体的走向，在其走向正上方具有松散岩土层4的地层表面进行地表钻孔2，钻孔的直径以稍大于注浆管直径为宜，钻孔为梅花形布置，同一行钻孔的俯视中心连线与隧道走向垂直，同一行钻孔中，位于中心的钻孔深度最大，由中心向两侧钻孔深度依次递减，且同一行钻孔下端均位于该断面所在的设计反向曲拱范围内；

所述地表钻孔2的间距为0.4-0.6m；

往钻孔内安放可重复注浆管3，可重复注浆管选用硬质弹性好的塑料管(pvc管)，可重复注浆管底端密封，管壁上每隔一段距离(如15-20cm)钻有一圈出浆小孔，每圈等距设置一定数量的出浆小孔(如3-4个)，且各个可重复注浆管上出浆小孔的相对高度相同，以使浆液在注浆孔周围能均匀等效扩散。

通过可重复注浆管3进行注浆操作，使浆液与松散岩土层4形成一个整体支护结构，共同组成反向曲拱5；

b、隧道支护

待隧道施工至待保护地段时，先掘出隧道本体的毛断面15，进行初喷混凝土并安装支护结构，最后复喷混凝土；

具体方法为：待隧道施工至待保护地段时，先掘出隧道本体的毛断面15，立即进行初喷混凝土，初喷混凝土厚度一般为20-30mm，然后根据周围岩土层的特性和强度等级对开挖的隧(巷)道进行锚杆挂网喷锚支护13、钢拱架支护16或二者联合支护形成支护结构，最后复喷混凝土，厚度一般为80-100mm，复喷完成后要对欠挖的部位进行人工处理，对超挖的部位进行填平，并将外漏的锚杆、锚索端头进行适当处理，最后对整个隧(巷)道进行找平处理，以保证整个隧(巷)道断面的形状大小符合设计。

c、隧道钻孔注浆

复喷混凝土1天后，围绕隧道本体内轮廓的顶帮钻孔注浆形成的正向曲拱11；

具体方法为：复喷混凝土结束1天后，在隧(巷)道顶帮打深度2m以下的浅部注浆孔7，然后安装注浆管进行注浆，注浆压力一般控制在5mpa以下，所使用注浆液为425#水泥、添加剂、水组成,其比例为1:0.08:2，围绕隧(巷)道顶帮形状形成正向曲拱11，使其与支护结构共同形成联合体支护结构。

d、超前注浆

在反向曲拱5与正向曲拱11之间的超前注浆加固区12进行超前注浆加固；

具体方法为：在隧(巷)道内的顶帮打一定深度的注浆孔并安装超前注浆管6进行中深孔注浆作业，形成内部注浆加固体，超前注浆管6的出口位于正向曲拱11和反向曲拱5覆盖范围之间，在反向曲拱5和正向曲拱11的保护下，可适当提高中深孔超前注浆6的注浆压力，一般控制在8mpa以下，所使用注浆液为425#水泥、添加剂、水组成,其比例为1:0.08:2，超前注浆管间距一般控制在0.5m左右，遇特殊地质情况可适当调整注浆孔钻孔角度和间距。

e、底板浇筑

对隧道的底板10进行混凝土浇筑，形成符合设计要求的隧道断面尺寸。

所述的设计反向曲拱位于隧道走向的正上方的松散岩土层4内，设计反向曲拱呈向下凸起的拱形，所述反向曲拱5沿宽度方向在水平地面的投影长度为l，作为反向曲拱的跨度，反向曲拱5最低点到水平地面的深度为h，作为矢高，反向曲拱的矢跨比为△k，△k＝h/l，则△k为1/5-1/6；

所述可重复注浆管3的下端与设计反向曲拱下端面的间距相等。

地表钻孔深度的确定方法有以下两种：

a、地面反向连续曲拱注浆属于地表层注浆，钻孔深度一般在6-7m，具体深度视松散岩层、砂土层构成的松散岩土层的厚度或隧(巷)道距地表的距离而定，再根据选取的δk，可计算出l；

b、实际中待保护建构筑物的宽度是容易测量的，则l就易确定，选择合适的δk后，则注浆孔深度h就能计算得到，但必须满足正向曲拱11和反向曲拱5的间距大于2m的要求。

所述步骤a中注浆操作为：

可重复注浆管下端离钻孔底不超过10cm，先进行初期注浆，通过可重复注浆管往注浆孔内注入固化浆液，初期注浆采用充填注浆，注浆压力控制在小于0.5mpa(防止注浆压力过大破坏反向曲拱5的形状，影响整体松散岩土层的承载力)，所使用注浆液为325#水泥、添加剂、水组成,其比例为1:0.08:2。

待初期注浆结束2-3h，浆液达到初凝状态，浆液与松散岩土层(4)中的松散岩层、砂土层初步粘结成一个整体，具有一定承载强度后，进行二次注浆，二次注浆的注浆压力大于初次注浆的注浆压力，且控制在小于3mpa，采用后退分段式注浆，所使用注浆液为325#水泥、添加剂、水组成,其比例为1:0.08:2，采用后退分段式注浆厚度为3-4m，直至形成完整的反向曲拱5，以达到提高松散岩土层强度的作用，注浆完毕后，应用水冲洗注浆管，清除管内残留浆液，通过初期注浆和二次注浆形成内部注浆加固体，内部注浆加固体与周围松散岩土层形成一个整体支护结构共同组成用于应力承载的反向曲拱5。

所述后退分段式注浆为现有技术，简单来说就是首次注浆完成后提起注浆管一定距离，比如20-30cm，进行二次注浆，二次注浆完成后再次将注浆管提起20-30cm进行三次注浆，如此反复，直到注浆厚度达到3-4m。

由上述情况可以清楚的看出，本发明利用曲拱的空间稳定理论与常规的锚喷支护、钢拱架加喷锚支护或联合支护等被动支护形式有机结合，通过分层次、多次注浆和联合多种被动支护方式共同形成应力承载体，先后形成了反向曲拱和正向曲拱结构，改变隧(巷)道周围松散岩层、砂土层等松散岩土层的应力分布状态，将应力集中的峰值偏移出隧(巷)道的三带受力区，充分利用曲拱形状具有承载力大的特点，隔断了地层表面的动、静荷载对隧(巷)道的影响，同时也隔断了隧(巷)道超前注浆压力过大对地表道路、建构筑物的影响，分别保证了两者的相互稳定，可实现高压注浆，既控制了地层表面地面、建构筑物的变形，防治了地表的隆起，同时也充分实现了松散岩土层注浆加固的效果。通过高压注浆对松散的岩土体进行强度刚度的修复，提高了围岩的整体性和承载力，使隧(巷)道上部松散岩土体长久处于较好的稳定状态，从而可以实现对周围环境、岩土性质掌握不十分准确的情况下，通过反向曲拱的保护形成高压注浆。本发明的方法应用范围广泛，对新掘和返修隧(巷)道均适用，尤其适用于浅部隧(巷)道穿越松散岩层、砂土层的工程，本发明易形成一套完善的施工技术措施，具有方法简单，便于实施，机械化操作方便，支护效果好的特点，具有的工程推广应用价值，随着浅部地下工程的不断发展具有显著的经济效益。

申请人要额外指出的是，以上所述仅是对本发明一般实施步骤的叙述，并不是对本发明作任何形式下的限制，故凡依托本发明的理论依据和技术实质对上述施工步骤进行的任何修改与变形，均属于本发明的保护的范围。