一种大跨度隧道支护结构及设计方法与流程

1.本发明涉及隧道及地下工程技术领域，具体而言，涉及一种大跨度隧道支护结构及设计方法。


背景技术：

2.国内外针对特大断面隧道的支护结构设计和施工方法主要是基于新奥法的原理同时根据各隧道所处的工程概况进行的二次拓展，如今比较典型的应用于特大断面隧道的方法大都借助于原有岩体通过改变开挖方法改良土体的力学性质，将特大断面分割为几个小断面隧道施工，尽可能快的使开挖断面形成闭合结构，改善承载体的承载能力，这些方法大都存在作业空间小、大型机械难以施工、施工周期长等缺点，但是增加了施工的安全性以及围岩的稳定性。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种大跨度隧道支护结构及设计方法，以改善上述问题。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
4.本技术提供了一种大跨度隧道支护结构，包括若干个均匀分布的拱形支架,所述支架的顶端的两侧均连接有导洞,所述导洞与隧道相连通,两个所述导洞之间设有受力部,所述受力部用于承载所述隧道横向的挤压力。
5.本发明通过对隧道上方一定范围内土体施加横向荷载，增加土体粘聚力和内摩擦角，提高土体自身强度，从而减少隧道支护结构所受荷载，进行结构优化，提高拱顶覆土的竖向承载力，并消除隧道开挖引起的拱顶拉应力区。
6.综合上述提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述受力部包括对拉锚索和管棚，若干根所述对拉锚索连接在两个所述导洞之间，所述对拉锚索的下方设有所述管棚，所述管棚架设在所述支架上且在两个所述导洞之间。
7.综合上述提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，若干根所述对拉锚索穿过所述导洞的混凝土层且通过锚头固定在所述导洞的内侧壁上。
8.综合上述提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，每个所述对拉锚索的外壁上均滑动有弧形板，所述弧形板的外壁上一体成型有与对拉锚杆平行设置的延伸板，每个所述延伸板上均旋有紧固螺栓，所述对拉锚杆的外壁上均匀分布有与紧固螺栓相匹配的螺纹口。
9.综合上述提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述导洞包括第一导洞和第二导洞，所述第一导洞和第二导洞均设在所述隧道的拱形部位。
10.综合上述提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述支架为拱形支架，所述拱形支架的顶部两侧均固定连接有直角支撑杆，且两个直角支撑杆的顶端均通过支撑横杆固定连接，所述支撑横杆的顶端均通过支撑竖杆与拱形支架连接。
11.综合上述提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述支架的正下方设置有
两排埋在地面下的排水管，且排水管与导流管的底端连接。
12.一种大跨度隧道支护设计方法，如所述的大跨度隧道支护结构,包括以下步骤：
13.s1：开挖隧道两侧的导洞:采用台阶法对隧道两侧的导洞进行开挖，对所述导洞的拱部进行小导管注浆；
14.s2：在所述导洞内加设管棚:在所述导洞内，施工横向管棚，并在管棚内注浆加固管棚上方岩体；
15.s3：在相邻两个导洞之间打设对拉锚索:在相邻两个导洞之间打设多根对拉锚索，对所述对拉锚索进行张拉，并通过锚头锁定所述对拉锚索；
16.s4：开挖隧道并对所述隧道进行支护；
17.s5：隧道仰拱二衬施工。
18.综合上述提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述对拉锚索采用全长注浆加固围岩，并在所述导洞的侧壁上的锚头处喷射混凝土进行加固。
19.综合上述提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述隧道采用分部开挖法进行开挖，并对所述隧道拱顶和边墙进行初期支护。
20.本发明的有益效果为：对隧道上方岩体加固效果好,采用常规方法注浆加固地层面临着注浆加固效果不理想及注浆压力不易准确控制的缺陷，采用本文的优化方案在注浆加固的基础上增加了管棚支护以及预应力锚索的措施，由于面对松散岩体时对岩体的加固效果较好，从整体上提高了岩体的力学参数；隧道结构更加优化，受力性能有所提高，预先施工的超前导洞内通过斜撑支持管幕结构，提高了受力性能，同时这种八字形结构相较于矩形结构能更好的利用围岩的自承能力，减少作用在结构上的荷载；施工简便快捷,本设计方案中超前导洞内也进行了结构的施做，从整体上来看并未过于增加工程量，同时简化了各工序的施工难度，施工更加便捷。
21.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用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。
23.图1为本发明实施例提供的整体结构示意图。
24.图中标记：1、对拉锚索；2、锚头；3、管棚；4、混凝土层；5、第一导洞；6、第二导洞；7、第一隧道；8、第二隧道；9、第三隧道；10、第四隧道；11、第五隧道；12、第六隧道；13、第七隧道。
具体实施方式
25.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。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
27.现有技术中,一些科研院所、设计单位和建设单位延用特大断面隧道施工工法设计思路，在常规特大断面隧道施工工法的基础上不断创新优化，提出了一些新的隧道施工工法，例如德国慕尼黑地铁渡线段慕尼黑地铁车站，最大开挖断面176m2，宽度13.2m，高宽比最小为0.5m，采用cd及双侧壁导坑工法。英法段英法海峡分叉隧道，最大开挖断面256.7m2，宽度20.22m，高15.8m，用双侧壁导坑工法。浙江甬台温线西岔隧道，开挖断面达252m2，宽度21.2m，高15.4m，围岩为细砂、中砂及凝灰质黏土，采用中隔壁(cd)法施工采。而北京地铁复八线王府井车站埋深7m，车站长241.4m，宽32.3m，高14.22m，三拱两柱岛式站台，围岩为永定河冲洪积层，采用暗挖桩柱、导洞先行、洞中作桩、形成支护结构后开挖洞室施工。北京地铁7号线双井站为暗挖法施工，采用地下两层双柱三跨的形式，车站主体长度237.6m，标准段宽度23.1m，高度16.15m，断面面积320m2，围岩为ⅳ类砂土及粘土，采用pba工法施工。重庆轻轨二号线大坪车站采用暗挖法施工，主体开挖宽度26.3m，高度20.6m，断面面积430m2、最小埋深4m、围岩为ⅲ类泥岩、拱部结构扁平，洞跨比为0.15～0.5，首次采用“上半断面侧壁导坑法，下半断面先中槽后侧墙开挖，先拱后墙衬砌”的隧道施工新工法。沈阳地铁二号线北站暗挖段为双层三拱两柱结构，岛式站台，站台板宽13.9m，埋深6.4m，开挖宽度26.3m，高度16.95m，断面面积340m2，采用洞桩法施工。重庆轻轨三号线红旗河沟车站断面面积为730m2，采用预留十字岩梁岩柱的隧道施工新方法。
28.实施例1:
29.本发明的构思是采用横向挤压承载支护原理,通过增加横向挤压里来提高竖向的承载力，类似于搬砖夹具,当岩体横向挤压力为σn，岩体的内摩擦角为φ，岩体的粘聚力为c，则岩体竖向承载力σ
l
可按下式计算：
30.σ
l
＝σn·
tanφ+c
31.类似于夹砖工具通过施加横向荷载，使得砖之间的摩擦力变大的效果，在隧道上方可采用近似方法，通过对隧道上方一定范围内土体施加横向荷载，增加土体粘聚力和内摩擦角，提高土体自身强度，从而减少隧道支护结构所受荷载，进行结构优化。
32.并且为了提高浅埋超大跨隧道拱顶围岩的自身承载力，在隧道两侧开挖2个导洞，利用导洞施工对拉锚索。其中，隧道拱顶覆土厚度为h，地面荷载为p，拱顶覆土容重为γ，内摩擦角为φ，岩体的粘聚力为c，则锚索预应力f
p
按下式计算：
[0033][0034]
式中s为锚索水平间距，其中对锚索施加预应力就相当于在岩体横向施加挤压力，从而提高岩体的竖向承载力。
[0035]
如图1所示，本实施例提供了一种大跨度隧道支护结构，包括若干个均匀分布的拱形支架,其特征在于:支架的顶端的两侧均连接有导洞,导洞与隧道相连通,两个导洞之间设有受力部,受力部用于承载隧道横向的挤压力。
[0036]
优选地，受力部包括对拉锚索1和管棚3，若干根对拉锚索1连接在两个导洞之间，对拉锚索1的下方设有管棚3，管棚3架设在支架上且在两个导洞之间。通过根设置在隧道结构顶部锚固在超前导洞上的对拉锚索1，通过施加锚索预应力，提高拱顶覆土的压应力，从而提高拱顶覆土的竖向承载力，并消除隧道开挖引起的拱顶拉应力区。
[0037]
优选地，若干根对拉锚索1穿过导洞的混凝土层4且通过锚头2固定在导洞的内侧壁上。待强度达到设计要求后根据上述公式计算得出的锚索预应力，对对拉锚索1进行张拉，并通过锚头2锁定对拉锚索1。
[0038]
优选地，每个对拉锚索1的外壁上均滑动有弧形板，弧形板的外壁上一体成型有与对拉锚杆平行设置的延伸板，每个延伸板上均旋有紧固螺栓，对拉锚杆的外壁上均匀分布有与紧固螺栓相匹配的螺纹口。预应力对拉锚索1的外壁上固定有承载板，螺纹口开设在承载板上，对拉锚索1安装后，通过滑弧形板与岩体应力圈接触，并旋入紧固螺栓与承载板连接进行弧形板的固定，通过设置弧形板增大与岩体应力圈之间的接触面积，增加对拉锚杆的稳定性。
[0039]
优选地，导洞包括第一导洞5和第二导洞6，第一导洞5和第二导洞6均设在隧道的拱形部位，导洞为超前小导洞。
[0040]
优选地，支架为拱形支架，拱形支架的顶部两侧均固定连接有直角支撑杆，且两个直角支撑杆的顶端均通过支撑横杆固定连接，支撑横杆的顶端均通过支撑竖杆与拱形支架连接。使得装置能够起到更好的支撑隧道顶部的效果，同时能够尽可能的增大隧道内的剩余空间，使得施工的范围更大，能够在避免影响施工的前提下，提升装置的支护效果。
[0041]
优选地，支架的正下方设置有两排埋在地面下的排水管，且排水管与导流管的底端连接。
[0042]
实施例2:
[0043]
本实施例提供了一种大跨度隧道支护设计方法，包括以下步骤：
[0044]
s1：开挖隧道两侧的导洞:采用台阶法对隧道两侧的导洞进行开挖，对导洞的拱部进行小导管注浆；开挖隧道两侧的超前导洞。根据隧道埋深和隧道断面尺寸，确定小导洞开挖位置，当地层条件较差时，可采用台阶法开挖，边开挖边进行支护结构的施做，由于小导洞中锚索以及管棚3位置处需要开孔，这对导洞自身结构的稳定性有很大的影响，为确保小导洞的稳定性，需要在小导洞拱部进行小导管注浆加固，并加强施工过程中的监控量测，及时进行施工反馈。
[0045]
s2：在导洞内加设管棚3:在导洞内，施工横向管棚3，并在管棚3内注浆加固管棚3上方岩体；超前小导洞内，施工横向管棚3，并注浆加固围岩。待小导洞强度达到设计要求后，在小导洞内隧道结构顶板上方预施加管棚3位置处开口，顶进管棚3结构，并且在管棚3内注浆加固管棚3上方岩体，提高岩体的强度。管棚3下方用斜撑撑住，防止受力过大导致管棚3偏移及结构的破坏。
[0046]
s3：在相邻两个导洞之间打设对拉锚索1:在相邻两个导洞之间打设多根对拉锚索1，对对拉锚索1进行张拉，并通过锚头2锁定对拉锚索1；隧道对拉锚锁支护体系,包括多根
设置在相邻导洞之间的对拉锚索1,在超前导洞内，施工对拉锚索1，锚索采用全长注浆加固围岩，施做后将超前导洞开口处喷射混凝土进行加固，待强度达到设计要求后根据上述公式计算得出的锚索预应力，对锚索进行张拉，并通过钢锚头2锁定锚索。
[0047]
s4：开挖隧道并对隧道进行支护；在上部结构施工完成后即可进行隧道位置处土体开挖及支护结构的施做。开挖方法采用分部开挖法进行，首先开挖第一隧道7和第二隧道8，同时施工隧道拱顶初期支护；在上部开挖完成及拱顶初期支护的保护下，进行中部两边的第三隧道9和第四隧道10的土体的开挖，同时施工隧道边墙初期支护；完成后进行中间部分第五隧道11的开挖；待上部土体开挖及初期支护结构施做完成后进行下部第六隧道12和第七隧道13开挖，施工隧道仰拱。
[0048]
s5：待初期支护施做全部完成后即可进行结构防水层及二次衬砌结构的施做。
[0049]
优选地，对拉锚索1采用全长注浆加固围岩，并在导洞的侧壁上的锚头2处喷射混凝土进行加固。
[0050]
优选地，隧道采用分部开挖法进行开挖，并对隧道拱顶和边墙进行初期支护。
[0051]
综上所述，本发明是由隧道横向挤压承载支护结构由对拉锚索1、管棚3、注浆和喷射混凝土构成；首先施工隧道两侧的超前导洞，在导洞内施工对拉锚索1和横向管棚3，利用对拉锚索1孔和管棚3对拱顶覆土进行注浆，提高拱顶覆土的粘聚力和内摩擦角；通过多根设置在隧道结构顶部锚固在超前导洞上的锚索，通过施加锚索预应力，提高拱顶覆土的压应力，从而提高拱顶覆土的竖向承载力，并消除隧道开挖引起的拱顶拉应力区，使得预先施工的超前导洞内通过斜撑支持管幕结构，提高了受力性能，同时这种八字形结构相较于矩形结构能更好的利用围岩的自承能力，减少作用在结构上的荷载，进行了结构的施做，从整体上来看并未过于增加工程量，同时简化了各工序的施工难度，施工更加便捷。
[0052]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0053]
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0054]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。
[0055]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。