双层衬砌特殊类圆形断面矿山法隧道结构及其施工方法
【专利摘要】本发明公开了一种双层衬砌特殊类圆形断面矿山法隧道结构及其施工方法，目的在于，通过类圆形断面与二次衬砌、三次衬砌的双层衬砌构造型式，以及二次衬砌达到强度要求后再拆除内部临时型钢支撑的工序要求，保证了隧道施工过程中变形可控与周边环境安全，实现了特殊要求下的矿山法隧道结构型式，所采用的技术方案为：将常规的隧道断面型式优化为类圆形断面，同时将常规的衬砌结构分为二次衬砌+三次衬砌的复合式结构，并待二次衬砌达到设计强度后再拆除内部临时型钢支撑，使得双层衬砌特殊类圆形断面矿山法隧道结构具有断面轮廓线型圆顺、受力合理、断面布置灵活且内部空间调整幅度大、支护结构体系受力可靠的优点。
【专利说明】
双层衬砌特殊类圆形断面矿山法隧道结构及其施工方法
技术领域
[0001]本发明属于隧道工程施工技术领域，具体涉及一种双层衬砌特殊类圆形断面矿山法隧道结构及其施工方法。【背景技术】
[0002]对于目前国内各大城市的轨道交通工程，随着地铁线网的不断加密，后续地铁线路建设时，受已建地铁线路与周边环境的影响，在线路走向与铺设方式、空间关系与结构型式、以及施工方法与工程措施等方面的要求更加严格。常规的马蹄形或直墙拱形矿山法隧道结构型式可能受周边既有构筑物限制没有所需的施做空间，且常规矿山法隧道衬砌施做前临时型钢支撑拆除、受力体系转变引起的沉降与变形无法得到有效控制，而类圆形矿山法隧道断面结构具有开挖轮廓相对较小的特点，施工方法具有灵活多变、适应性强、安全可靠等特点，特殊的二次衬砌+三次衬砌的双层衬砌结构型式以及二次衬砌达到强度要求后再拆除内部临时型钢支撑的工序要求，确保了隧道结构的整体稳定与周边环境安全。
【发明内容】
[0003]为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种双层衬砌特殊类圆形断面矿山法隧道结构及其施工方法，通过类圆形断面与二次衬砌、三次衬砌的双层衬砌构造，以及二次衬砌达到强度要求后再拆除内部临时型钢支撑的工序要求，保证了隧道施工过程中变形可控与周边环境安全，实现了特殊要求下的矿山法隧道结构型式。
[0004]为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为:
[0005]—种双层衬砌特殊类圆形断面矿山法隧道结构，包括由外向内依次设置的初期支护、二次衬砌和三次衬砌，所述初期支护、二次衬砌和三次衬砌构成的整体结构，其断面轮廓由上、下两段曲率半径不同的圆弧构成，两段圆弧之间通过直线段过渡连接，所述初期支护包括沿隧道环向设置的格栅钢架与喷射混凝土，格栅钢架包括钢筋主筋与纵向加强筋， 钢筋主筋与纵向加强筋相互焊接固定呈格栅状，二次衬砌的内部设有临时型钢支撑，型钢支撑与格栅钢架在相应位置处固定连接，所述二次衬砌与三次衬砌采用防水混凝土浇筑， 二次衬砌与三次衬砌之间铺设有全断面防水材料，形成典型的复合式结构。
[0006]所述每环格栅钢架包括四根呈弧形的钢筋主筋，四根钢筋主筋间固定有呈螺旋状分布的若干纵向加强筋。
[0007]所述型钢支撑包括两段弧形工字钢，一段工字钢与初期支护拱顶和拱底固定连接，另一段工字钢与初期支护拱腰固定连接。
[0008]所述两段工字钢与相应位置的钢筋主筋(7)固定连接，主要通过两块带孔钢板(6) 和螺栓实现。
[0009]所述初期支护、二次衬砌和三次衬砌构成的结构断面轮廓由上、下两段圆弧组成， 两段圆弧曲率半径不同。
[0010]—种双层衬砌特殊类圆形断面矿山法隧道结构的施工方法，包括以下步骤:
[0011]1)将钢筋主筋与纵向加强筋相互固定呈弧形格栅状的格栅钢架，开挖隧道过程中及时架设格栅钢架；
[0012]2)在格栅钢架表面及时喷射混凝土，确保初期支护与隧道围岩密贴；[〇〇13]3)架设内部型钢支撑，型钢支撑与格栅钢架拱顶、拱底与拱腰处固定连接，形成整体支撑体系；[〇〇14]4)在初期支护内部，采用小模板浇筑防水混凝土形成二次衬砌；
[0015]5)待二次衬砌达到强度后拆除型钢支撑，铺设全断面防水材料，并按照先拱底后拱顶的顺序浇筑防水混凝土，拱底和拱顶的断面均浇筑呈圆弧状，且拱底和拱顶的圆弧通过直线段过度连接，形成三次衬砌，即形成双层衬砌类圆形特殊断面矿山法隧道结构。
[0016]所述步骤1)中钢筋主筋与纵向加强筋采用三级带肋钢筋。
[0017]所述步骤2)中格栅钢架上喷射的混凝土为C25混凝土。[〇〇18]所述步骤3)中型钢支撑采用材质为Q235的22a型工字钢。[〇〇19]所述二次衬砌与三次衬砌采用C35防水混凝土，所述防水材料采用EVA塑料防水板。
[0020]与现有技术相比，本发明的结构具有特殊的类圆形截面构造型式，并提出了一种二次衬砌+三次衬砌的新型双层衬砌矿山法隧道结构，丰富了现有隧道设计方法与施工工艺，拓宽了隧道设计思路。通过将常规的隧道断面型式优化为类圆形断面，同时将常规的衬砌结构分为二次衬砌+三次衬砌，并待二次衬砌达到设计强度后再拆除内部临时型钢支撑， 使得双层衬砌特殊类圆形断面矿山法隧道结构具有断面轮廓线型圆顺、受力合理、断面布置灵活且内部空间调整幅度大、支护结构体系受力可靠的优点，不但能够避免常规马蹄形或直墙拱形矿山法隧道开挖轮廓相对较大但受力性能相对较差的缺点，而且能够克服常规矿山法隧道衬砌浇筑前，内部临时支撑拆除、受力体系转换引起的拱顶沉降或变形，使隧道从开挖到最后完成的整个过程，始终处于可靠的支撑体系作用下，从根本上完善了隧道受力体系转换机制，对维持隧道自身稳定与周边环境安全具有显著的推动作用，在环境效益愈发突出的背景下，具有较高的经济效益和社会效益，在城市轨道交通、铁路、公路等工程中有广泛的应用前景。
[0021]进一步，采用四根弧形的钢筋主筋和呈螺旋状的若干纵向加强筋构成格栅钢架， 湿喷混凝土后，格栅钢架的整体抗弯刚度可提高8倍，有效提高了初期支护的承载能力，进一步提尚了本发明结构的承载性能。
[0022]更进一步，二次衬砌浇筑时，内部型钢支撑尚未拆除，在二次衬砌达到设计强度后再拆除型钢支撑，使隧道从开挖到最后完成的整个过程中，始终处于可靠的支撑体系作用下，从根本上完善了隧道受力体系转换机制，对维持隧道自身稳定与周边环境安全具有显著的推动作用，能够有效保证隧道衬砌施做期间的沉降与变形可控，周边环境安全可控。
[0023]进一步，本发明的隧道结构具有上下不等圆的类圆形断面构造型式，上、下圆弧之间通过直线段过渡，整体左右对称，具有断面轮廓线型圆顺、受力合理、断面布置灵活且内部空间调整幅度大、支护结构体系受力可靠的优点。
[0024]本发明的施工方法中在初期支护内设置的格栅钢架、二次衬砌、三次衬砌、以及二次衬砌内设置的临时的型钢支撑，涉及的钢材、防水混凝土、防水材料，以及初支喷混与二次衬砌浇筑所用的机械设备等均为常规材料、设备，其相应尺寸为常规类型，便于加工制造;且临时型钢支撑的布置方式、纵向间距可根据隧道开挖工序相应调整，同时可根据需要决定是否对临时型钢支撑进行挂网、喷混封闭处理。通过类圆形断面与二次衬砌+三次衬砌的双层衬砌构造，以及二次衬砌达到强度要求后再拆除内部临时型钢支撑的工序要求，可在一定程度上保证隧道施工过程中变形可控与周边环境安全，实现了特殊要求下的矿山法隧道结构型式。【附图说明】
[0025]图1为本发明隧道结构的结构示意图；
[0026]图2为型钢支撑的布置示意图；
[0027]图3为型钢支撑与格栅钢架的连接位置A处的示意图；
[0028]图4为型钢支撑与格栅钢架的连接位置A处沿A-A方向的示意图；[〇〇29]其中，卜初期支护、2-二次衬砌、3-三次衬砌、4-格栅钢架、5-型钢支撑、6-带孔钢板、7-钢筋主筋、8-纵向加强筋、9- 24孔洞、1 〇-直线段。【具体实施方式】
[0030]下面结合具体的实施例和说明书附图对本发明作进一步的解释说明。[0031 ]参见图1，本发明的结构包括由外向内依次设置的初期支护1、二次衬砌2和三次衬砌3，初期支护1、二次衬砌2和三次衬砌3构成的结构断面轮廓，主要包括曲率半径不同的上、下两段圆弧，两段圆弧之间通过直线段10过渡连接，初期支护1包括环向布置的格栅钢架4与喷射混凝土，格栅钢架4包括钢筋主筋7与纵向加强筋8,钢筋主筋7与纵向加强筋8相互固定呈格栅状，每环格栅钢架4包括四根呈弧形的钢筋主筋7,四根钢筋主筋7间固定有呈螺旋状分布的若干纵向加强筋8。参见图2,二次衬砌2的内部设有临时的型钢支撑5,型钢支撑5与格栅钢架4固定连接，型钢支撑5包括两段弧形工字钢，一段工字钢与初期支护1拱顶和拱底固定连接，另一段工字钢与初期支护1拱腰固定连接。参见图3和图4,两段工字钢与相应位置处的钢筋主筋7固连，型钢与钢筋主筋7的固定连接主要通过两块带孔钢板6和螺栓实现。二次衬砌2与三次衬砌3采用防水混凝土浇筑，二次衬砌2与三次衬砌3之间铺设有全断面防水材料。[〇〇32]本发明的施工方法，包括以下步骤:[〇〇33]1)将钢筋主筋7与纵向加强筋8相互固定呈弧形格栅状的格栅钢架4,隧道开挖过程中及时架设格栅钢架4,钢筋主筋7与纵向加强筋8采用三级带肋钢筋；[〇〇34]2)在格栅钢架4表面及时湿射C25混凝土，形成初期支护1;[〇〇35]3)架设内部临时型钢支撑5,型钢支撑5采用材质为Q235的22a型工字钢，型钢支撑5与格栅钢架4相应位置固定连接，实现整体支撑体系；[〇〇36]4)在初期支护1内部采用小模板浇筑C35防水混凝土形成二次衬砌2;
[0037]5)待二次衬砌2达到设计强度后拆除型钢支撑5,铺设全断面防水材料，并按照先拱底后拱顶的顺序浇筑C35防水混凝土，拱底和拱顶的断面均浇筑呈圆弧状，且拱底和拱顶的圆弧通过直线段过度连接，形成三次衬砌3,即形成双层衬砌类圆形特殊断面矿山法隧道结构。
[0038]本发明的隧道结构，具有上下不等圆弧的类圆形断面构造型式，上、下圆弧之间通过直线段过渡，整体左右对称，具体曲率半径大小与实施范围，可根据结构功能与内部空间使用要求确定，同时特殊的二次衬砌+三次衬砌的双层衬砌构造型式、二次衬砌达到设计强度后再拆除内部型钢支撑的工序要求，可有效保证隧道衬砌施做期间的受力体系的整体稳定，周边环境安全可控。
[0039]二次衬砌2与三次衬砌3均采用C35防水混凝土浇筑，二次衬砌2与三次衬砌3之间全断面铺设防水材料，同时二次衬砌2内部设有临时型钢支撑5，二次衬砌2外部设有初期支护1，初期支护与二次衬砌间不做防水要求。初期支护主要由钢筋主筋7与纵向加强筋8按要求焊接、绑扎成格栅钢架4，随后再按要求喷射混凝土形成，型钢支撑5与格栅钢架4的连接， 主要通过两块带孔钢板6实现，带孔钢板6开孔尺寸为巾24孔洞9。格栅钢架4采用三级钢，型钢支撑5与带孔钢板6均采用Q235钢材，喷射混凝土 8采用C25早强混凝土，防水材料采用EVA 塑料防水板。格栅钢架4与型钢支撑5纵向间距一般可取0.5m，与隧道纵向开挖步距相同。
[0040]本发明隧道结构主要通过上下不等半径圆弧构造、与二次衬砌+三次衬砌的双层衬砌构造型式，满足特定环境下的结构功能与内部空间使用要求，施工的具体包括以下步骤:
[0041]步骤一:根据矿山法隧道施工要求，在隧道两侧布置一定数量的降水井与水位观察孔，降水井的间距按沿隧道纵向15m左右考虑可根据地层渗透性做适当调整，隧道两侧分别布置一排，进行降水施工，确保地下水位在隧道结构底板以下约lm，降水中需严格控制出砂率，控制降水引起的地层损失；
[0042]步骤二:根据构筑物沉降控制与周边环境控制要求，进行隧道开挖前的地层预加固处理；[〇〇43]步骤三:根据设计要求，将钢筋主筋7与纵向加强筋8按一定弧度要求弯曲加工，再通过焊接、绑扎形成格栅钢架4,以三级钢为主，局部绑扎采用二级钢，钢筋焊接采用E50系列焊条；
[0044]步骤四:按工法要求进行隧道开挖，并及时架设格栅钢架4，喷射混凝土后形成初期支护1，初期支护1与围岩应尽量密贴，格栅钢架4接头需牢固焊接，喷射混凝土需按要求进行湿喷；
[0045]步骤五:在初期支护1形成后，按要求在隧道拱顶、拱底与拱腰相应位置钢筋主筋7 上焊接带孔钢板6，并通过螺栓将两块带孔钢板6连接成一个整体；
[0046]步骤六:按隧道断面型式与开挖工艺，按规定弧度要求加工型钢支撑5，型钢支撑5 的弧度需与隧道断面型式匹配，并根据开挖进度及时架设型钢支撑5,型钢支撑5与钢板6间需进行可靠焊接，采用E43系列焊条；
[0047]步骤七:在不拆除型钢支撑5的前提下，在初期支护1内部利用小模板进行二次衬砌2的浇筑，采用C35防水混凝土，小模板需根据隧道内部型钢支撑5的位置进行调整，在型钢支撑5与初期支护1连接部位预留孔洞；
[0048]步骤八:二次衬砌2达到规定强度后，全断面割除型钢支撑5，并用水泥砂浆将二次衬砌2表面抹平处理，随后全断面铺设防水材料，将隧道三次衬砌分成上下两部分浇筑，按照先拱底后拱顶的原则，先浇筑拱底部分，后浇筑拱顶部分，下圆与上圆间采用直线段10过渡，确保结构表面平顺，形成三次衬砌3,完成双层衬砌类圆形特殊断面矿山法隧道结构的施工。
[0049] 施工中:[〇〇5〇] 钢筋主筋7与纵向加强筋8均采用三级钢，直径25mm，即￠25,每环格栅钢架4包含4 根钢筋主筋7与25根纵向加强筋8。格栅钢架4架设后湿喷C25混凝土，形成的初期支护1应确保与隧道围岩密贴。[〇〇51 ] 型钢支撑5采用Q235钢，型号:工22a，带孔钢板6也采用Q235钢，尺寸:250mm X 250mmX10mm，格栅钢架5与型钢支撑6通过两块带孔钢板6实现连接，带孔钢板6间通过穿入小24孔内的直径22mm螺栓进行连接，带孔钢板6尺寸与开孔尺寸等可根据具体荷载大小进行调整。[〇〇52]二次衬砌2采用C35防水混凝土，期间不拆除初期支护1内部临时型钢支撑5,无法架设模板台车，因此需采用小模板进行施工，小模板需在型钢支撑5与格栅钢架4连接处开孔，具体开孔位置与开孔尺寸可根据格栅钢架4型号、架设情况相应调整。[〇〇53]三次衬砌3采用C35防水混凝土，施工前拆除二次衬砌2内部的临时型钢支撑5,同时需在二次衬砌2达到设计强度的80%后进行，二次衬砌2拆除后需采用水泥砂浆抹平处理，随后全断面铺设防水材料，按照从下往上的原则浇筑混凝土。[〇〇54]要从理论上找出能适应任意断面型式要求的隧道结构，既能满足结构安全与周边环境可控，也能满足结构内部空间使用要求，而且还需符合常规施工工艺要求的矿山法隧道结构型式及其施工方法，在现有的理论水平与施工技术条件下，仍有相当大的难度，因为矿山法隧道结构轮廓必须尽量圆顺以满足受力要求，尽量减小结构沉降与变形，但圆形断面在满足隧道内部各类限界要求方面具有明显的劣势，同时矿山法隧道在内部临时支撑拆除时，必然会引起受力体系的转变与应力的重分配，进而对周边地层的扰动与环境的影响在一定程度上是不可避免的。而且隧道工程保护要求除了自身因素外，还需要考虑到周边环境的不同要求，尤其在临近既有地铁车站与隧道、地下商业综合体、以及医院、学校与实验室等重点保护对象的情况下，目前的矿山法隧道结构设计与施工，仍需按照“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”十八字方针的基本原则进行。
[0055]本发明“双层衬砌特殊类圆形断面矿山法隧道结构”主要指上小下大类圆形隧道断面型式，以及二次衬砌+三次衬砌的双层衬砌构造型式，具有断面布置灵活、内部空间调整幅度大、支护结构体系受力可靠且转变灵活以及能适应各类环境要求的特点。既避免了常规马蹄形或直墙拱形矿山法隧道开挖轮廓相对较大但受力性能相对较差的缺点，又解决了常规工艺条件下型钢支撑拆除阶段，柔性格栅钢架与初期支护应力重分配引起的沉降与变形。可以实现当城市地铁线网已初具规模、轨道交通走廊已经占据了城市主干道下方主要空间情况下，地下工程仍能采用双层衬砌特殊类圆形断面矿山法隧道这一常规手段实施的目的，具有较高的经济效益和社会效益，在城市轨道交通、铁路、公路等工程中有广泛的应用前景。
[0056]本发明通过双层衬砌特殊类圆形断面矿山法隧道结构的上下不等圆断面型式，二次衬砌+三次衬砌的特殊衬砌构造型式，以及二次衬砌的提前承载效应，不但可满足隧道断面轮廓圆顺与受力要求，而且可避免隧道内临时型钢支撑拆除与受力体系转换期间的应力释放及其沉降变形，实现了隧道断面形式与受力体系的改善。[〇〇57]本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
【主权项】
1.一种双层衬砌特殊类圆形断面矿山法隧道结构，其特征在于，包括沿隧道径向方向 由外向内依次设置的初期支护(1 )、二次衬砌(2)和三次衬砌(3 )，所述初期支护(1 )、二次衬 砌(2)和三次衬砌(3)构成的隧道结构的断面包括上、下两段圆弧，两段圆弧之间通过直线 段过渡连接，所述初期支护(1)包括环向布置的格栅钢架(4)与喷射混凝土，格栅钢架(4)包 括钢筋主筋(7)与纵向加强筋(8)，钢筋主筋(7)与纵向加强筋(8)相互固定呈格栅状，二次 衬砌(2)的内部设有型钢支撑(5 )，型钢支撑(5)与格栅钢架(4)固定连接，所述二次衬砌(2) 与三次衬砌(3)采用防水混凝土浇筑，二次衬砌(2)与三次衬砌(3)之间铺设有全断面防水 材料。2.根据权利要1所述的一种双层衬砌特殊类圆形断面矿山法隧道结构，其特征在于，所 述每环格栅钢架(4)包括四根呈弧形的钢筋主筋(7)，四根钢筋主筋(7)间固定有呈螺旋状 分布的若干纵向加强筋(8)。3.根据权利要求2所述的一种双层衬砌特殊类圆形断面矿山法隧道结构，其特征在于， 所述型钢支撑(5)包括两根弧形工字钢，一根工字钢与初期支护(1)的拱顶和拱底固定连 接，另一根工字钢与初期支护(1)的拱腰固定连接。4.根据权利要求3所述的一种双层衬砌特殊类圆形断面矿山法隧道结构，其特征在于， 所述两根工字钢与相应位置的钢筋主筋(7)通过两块带孔钢板(6)和螺栓固定连接。5.根据权利要求1所述的一种双层衬砌特殊类圆形断面矿山法隧道结构，其特征在于， 所述初期支护(1)、二次衬砌(2)和三次衬砌(3)构成的整体结构的断面轮廓的上、下两段圆 弧的曲率半径不同。6.—种双层衬砌特殊类圆形断面矿山法隧道结构的施工方法，其特征在于，包括以下 步骤:1)将钢筋主筋(7)与纵向加强筋(8)相互固定呈弧形格栅状的格栅钢架(4)，并在开挖 隧道时及时架设格栅钢架(4);2)在格栅钢架(4)表面及时湿喷混凝土，并与隧道围岩密贴形成初期支护(1);3)架设弧形的型钢支撑(5)，型钢支撑(5)与格栅钢架(4)的拱顶、拱底和拱腰处固定连 接，与初期支护(1)形成整体支撑体系；4)在初期支护(1)内部采用小模板浇筑防水混凝土形成二次衬砌(2);5)待二次衬砌(2)达到硬化强度后拆除型钢支撑(5)，在全断面铺设防水材料，并按照 先拱底后拱顶的顺序浇筑防水混凝土，拱底和拱顶的断面均浇筑呈圆弧状，且拱底和拱顶 间通过直线段过度，形成三次衬砌(3)，即形成双层衬砌类圆形特殊断面矿山法隧道结构。7.根据权利要求6所述的一种双层衬砌特殊类圆形断面矿山法隧道结构的施工方法， 其特征在于，所述步骤1)中钢筋主筋(7)与纵向加强筋(8)采用三级带肋钢筋。8.根据权利要求6所述的一种双层衬砌特殊类圆形断面矿山法隧道结构的施工方法， 其特征在于，所述步骤2)中格栅钢架(4)上喷射的混凝土为C25混凝土。9.根据权利要求6所述的一种双层衬砌特殊类圆形断面矿山法隧道结构的施工方法， 其特征在于，所述步骤3)中型钢支撑(5)采用材质为Q235的22a型工字钢。10.根据权利要求6所述的一种双层衬砌特殊类圆形断面矿山法隧道结构的施工方法， 其特征在于，所述二次衬砌(2)与三次衬砌(3)采用C35防水混凝土，防水材料为EVA塑料防 水板。
【文档编号】E21D11/10GK106014456SQ201610585497
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月22日
【发明人】张莎莎, 戴志仁, 张 林, 周强, 常春普
【申请人】长安大学