一种超大跨度桩基托梁承载拱形隧道复合衬砌结构及其施工方法
【专利摘要】一种超大跨度桩基托梁承载拱形隧道复合衬砌结构及其施工方法，该结构受力明确，施工方便，可有效解决复杂地质条件下超大跨度隧道拱脚位移不易控制导致拱部结构沉降过大引起衬砌开裂的问题，以确保隧道施工和运营的稳定及安全性。包括由内而外设置的超前支护结构、初期支护结构和二次衬砌结构。拱部初期支护结构、拱部二次衬砌结构的左侧拱脚支承于左侧托梁上且与之连接，右侧拱脚则支承于右侧托梁上且与之连接；左侧托梁、右侧托梁下分别沿隧道延伸方向间隔设置左侧桩基、右侧桩基，左侧桩基、右侧桩基的上端分别与左侧托梁、右侧托梁固结，下端则位于地基稳定岩土层内。
【专利说明】
一种超大跨度桩基托梁承载拱形隧道复合衬砌结构及其施工方法
技术领域
[0001]本发明涉及隧道开挖支护，特别涉及一种超大跨度粧基托梁承载拱形隧道复合衬砌结构及其施工方法，适用于超大跨度隧道，尤其适用于复杂地质条件下上覆荷载大、地层沉降控制较为严格的超大跨度隧道。
【背景技术】
[0002]进入二十一世纪后我国铁路建设高速发展，随着西南山区高速铁路的快速和大规模修建，由于受曲线半径大、地形地质条件复杂、环保要求高等多种因素的制约，铁路沿线部分地段设站条件极为困难。因此，为提高艰险山区修建高速铁路选线、设站的自由度，使得山区车站布置型式更为灵活、车站功能更易得到保证，三线、四线甚至更大跨度的车站隧道的修建将愈来愈多。
[0003]目前，铁路单、双线隧道及公路隧道其开挖的基本方法有主要有:全断面法、台阶法、上下导坑法、上导坑法、中隔壁法、交叉中隔壁法及双侧壁导坑法等。而采用上述施工方法，均是施作初期支护后施作二次衬砌，最后形成曲墙带仰拱(底板)的复合衬砌结构。但对于跨度达到20?35m甚至更大跨度的隧道，尤其当围岩地层较为软弱破碎时，若采用上述开挖施工方法及衬砌结构形式非常困难。由于开挖跨度大，围岩荷载较普通双线隧道大的多，采用传统的衬砌结构和开挖方式，开挖后拱脚下沉大，拱顶变形不宜控制，甚至导致衬砌开裂、失稳，造成坍塌事故。施工安全、工期进度均不能得到有效保证。因此，对超大跨度隧道，为了保证确保施工安全，提高施工质量，必须采用合理衬砌结构及开挖施工方法。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是提供了一种超大跨度粧基托梁承载拱形隧道复合衬砌结构，该结构受力明确，施工方便，可有效解决复杂地质条件下超大跨度隧道拱脚位移不易控制导致拱部结构沉降过大引起衬砌开裂的问题，以确保隧道施工和运营的稳定及安全性。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下:
[0006]本发明的一种超大跨度粧基托梁承载拱形隧道复合衬砌结构，包括由内而外设置的超前支护结构、初期支护结构和二次衬砌结构，其特征是:所述二次衬砌结构包括拱部二次衬砌结构和仰部二次衬砌结构，所述初期支护结构包括拱部初期支护结构、左侧边墙初期支护结构、右侧边墙初期支护结构和仰拱初期支护结构;拱部初期支护结构、拱部二次衬砌结构的左侧拱脚支承于左侧托梁上且与之连接，右侧拱脚则支承于右侧托梁上且与之连接;左侧托梁、右侧托梁下分别沿隧道延伸方向间隔设置左侧粧基、右侧粧基，左侧粧基、右侧粧基的上端分别与左侧托梁、右侧托梁固结，下端则位于地基稳定岩土层内。
[0007]在上述技术方案中，所述拱部二次衬砌结构、左侧边墙初期支护结构和右侧边墙初期支护结构靠隧道侧设置防排水系统，防排水系统外设置拱墙铺装层。
[0008]本发明所要解决的另一技术问题提供一种上述超大跨度粧基托梁承载拱形隧道复合衬砌结构的施工方法，该方法包括如下步骤:
[0009]①开挖拱部左侧导洞，开挖后立即施作相应的拱部左侧初期支护和拱部左侧临时支护，并施工沿隧道纵向间隔布设的左侧粧基，于粧顶浇筑左侧托梁；
[0010]②沿隧道纵向滞后拱部左侧导洞掌子面一定距离开挖拱部右侧导洞，开挖后立即施作相应的拱部右侧初期支护和拱部右侧临时支护，并施工沿隧道纵向间隔布设的右侧粧基，于粧顶浇筑右侧托梁；
[0011]③开挖拱部核心土上台阶，开挖后立即施作相应的拱部中间初期支护；
[0012]④灌筑拱部二次衬砌结构；
[0013]⑤开挖拱部核心土下台阶，并拆除相应的拱部左侧临时支护和拱部右侧临时支护；
[0014]⑥分台阶开挖下部核心土一部、下部核心土二部和下部核心土三部，待下部核心土三部开挖后施作仰拱初期支护结构；
[0015]⑦施作仰拱二次衬砌结构；
[0016]⑧待仰拱二次衬砌结构砼初凝后灌筑仰拱填充层至设计高度并修建中心水沟；
[0017]⑨铺设防排水系统后一次性模筑拱墙铺装层；
[0018]⑩施工侧沟及电缆沟槽等附属工程。
[0019]重复上述步骤①?⑩若干次，直至隧道该工法设计段落全长开挖完工。
[0020]本发明具有如下有益效果:
[0021]1、首先施作拱部两侧小导洞，于导洞内施作业两侧粧基托梁，将粧基托梁作为拱部初期支护结构和拱部二次衬砌结构的承载基础，有效地解决了超大跨度隧道施工中拱部支护易下沉变形的问题。
[0022]2、与传统施工方法相比，在拱部二次施作前不需拆除拱部临时竖撑，待二衬达到设计强度后，再拆除拱部临时竖撑，消除传统施工方法拆除撑前后支护结构受力转换可能造成的塌方风险，同时突破了传统软岩隧道施工中拆撑步长、跳拆等限制，提高拆撑安全度及灵活性。
[0023]3、拱部围岩竖向荷载通过拱部支护结构由粧基托梁结构传至基底围岩，仰拱不承受由拱墙结构传来的围岩竖向荷载，因此仰拱曲率半径可根据基底围岩情况尽量放大，甚至采用底板结构，可以大大减小开挖工程量。
【附图说明】
[0024]本说明书包括如下十五幅附图:
[0025]图1为本发明一种超大跨度粧基托梁承载拱形隧道复合衬砌结构示意图。
[0026]图2是图1中A局部的放大图。
[0027]图3为本发明一种超大跨度粧基托梁承载拱形隧道复合衬砌的施工方法的施工工序正面不意图O
[0028]图4?图12为本发明一种超大跨度粧基托梁承载拱形隧道复合衬砌施工方法的施工步骤分解示意图。
[0029]图中示构件、部位名称及所对应的标记:拱部左侧导洞I，拱部右侧导洞2，拱部核心土上台阶3a，拱部核心土下台阶3b，下部核心土一部4a，下部核心土二部4b，下部核心土三部4c;左侧粧基5a，右侧粧基5b，左侧托梁6a，右侧托梁6b，拱部二次衬砌结构7、拱墙铺装层8、仰拱二次衬砌结构9、仰拱填充层10;拱部初期支护结构20，拱部左侧初期支护20a、拱部右侧初期支护20b、拱部中间初期支护20c;拱部喷射混凝土层201，拱部左侧喷射混凝土层201a、拱部右侧喷射混凝土层201b、拱部中间喷射混凝土层201c;拱部钢架202，拱部左侧钢架202a、拱部右侧钢架202b、拱部中间钢架202c;拱部系统锚杆203，拱部左侧系统锚杆203a、拱部右侧系统锚杆203b、拱部中间系统锚杆203c;边墙初期支护21，左侧边墙初期支护结构21 a、右侧边墙初期支护结构21 b;边墙喷射混凝土层211，左侧边墙喷射混凝土层21 la、右侧边墙喷射混凝土层21 Ib ；边墙系统锚杆212，左侧边墙系统锚杆212a、右侧边墙系统锚杆212b;仰拱初期支护结构22;拱部左侧临时支护40a，拱部右侧临时支护40b，临时喷射混凝土 401a、401b，临时钢架402a、402b ；防排水系统50。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
[0031]参照图1，本发明的一种超大跨度粧基托梁承载拱形隧道复合衬砌结构，包括由内而外设置的超前支护结构、初期支护结构和二次衬砌结构。所述二次衬砌结构包括拱部二次衬砌结构7和仰部二次衬砌结构9，所述初期支护结构包括拱部初期支护结构20、左侧边墙初期支护结构21a、右侧边墙初期支护结构21b和仰拱初期支护结构22;拱部初期支护结构20、拱部二次衬砌结构7的左侧拱脚支承于左侧托梁6a上且与之连接，右侧拱脚则支承于右侧托梁6b上且与之连接;左侧托梁6a、右侧托梁6b下分别沿隧道延伸方向间隔设置左侧粧基5a、右侧粧基5b，左侧粧基5a、右侧粧基5b的上端分别与左侧托梁6a、右侧托梁6b固结，下端则位于地基稳定岩土层内。
[0032]拱部初期支护结构20、二次衬砌结构不用落底，直接支撑在下部粧基托梁结构上，拱部围岩竖向荷载通过拱部支护结构由粧基托梁结构传至基底围岩，仰拱不承受由拱墙结构传来的围岩竖向荷载，因此仰拱曲率半径可根据基底围岩情况尽量放大，甚至采用底板结构，可以大大减小开挖工程量。而左侧边墙初期支护结构21a、右侧边墙初期支护结构21b仅是用于封闭并稳定托梁与粧基间的围岩，左侧边墙初期支护结构21a、右侧边墙初期支护结构21b与拱部初期支护结构20不相连接，也没有受力上的联系，这一点与现有隧道结构中的全环初期支护结构不同。
[0033]参照图1和图2，所述拱部二次衬砌结构7、左侧边墙初期支护结构21a和右侧边墙初期支护结构21b外设置防排水系统50，防排水系统50外设置三次衬砌结构8，仰部二次衬砌结构9以上设置仰拱填充层10。
[0034]参照图2，所述拱部初期支护结构20包括覆盖拱部围岩的拱部喷射混凝土层201和沿隧道开挖方向间隔布设且埋设于拱部喷射混凝土层201内的拱部钢架202，以及沿拱部梅花形布置的系统锚杆203。相邻两榀拱部钢架202间由环向间隔设置的纵向连接筋连接;所述拱部喷射混凝土层201内加设钢筋网。
[0035]参照图3，所述左侧边墙初期支护结构21a包括覆盖相邻两左侧粧基5a之间的边墙围岩的左侧边墙喷射混凝土层211a，以及沿左侧边墙面梅花形布置的左侧边墙系统锚杆212a。所述右侧边墙初期支护结构21b包括覆盖相邻两右侧粧基5b之间的边墙围岩的右侧边墙喷射混凝土层211b，以及沿右侧边墙面梅花形布置的右侧边墙系统锚杆212b。所述左侧边墙喷射混凝土层211a及右侧边墙喷射混凝土层211b内加设环向钢筋网。
[0036]参照图3至图12，本发明的一种超大跨度粧基托梁承载拱形隧道复合衬砌结构的施工方法，包括如下步骤:
[0037]①开挖左侧拱部导洞I，开挖后立即施作相应的左侧拱部初期支护20a和左侧拱部临时支护40a，并施工沿隧道纵向间隔布设的左侧粧基5a，于粧顶浇筑左侧托梁6a;
[0038]②沿隧道纵向滞后左侧拱部导洞I掌子面一定距离开挖右侧拱部导洞2，开挖后立即施作相应的右侧拱部初期支护20b和右侧拱部临时支护40b，并施工沿隧道纵向间隔布设的右侧粧基5b，于粧顶饶筑右侧托梁6b ；
[0039]③开挖拱部核心土上台阶3a，开挖后立即施作相应的中间拱部初期支护20c;
[0040]④灌筑拱部二次衬砌结构7;
[0041]⑤开挖拱部核心土下台阶3b，并拆除相应的左侧拱部临时支护40a和右侧拱部临时支护40b;
[0042]⑥分台阶开挖下部核心土一部4a、下部核心土二部4b和下部核心土三部4c，待下部核心土二部4c开挖后施作仰拱初期支护结构22;
[0043]⑦施作仰部二次衬砌结构9;
[0044]⑧待仰部二次衬砌结构9砼初凝后灌筑仰拱填充层10至设计高度并修建中心水沟；
[0045]⑨铺设防排水系统50后一次性模筑三次衬砌结构8;
[0046]⑩施工侧沟及电缆沟槽等附属工程。
[0047]重复上述步骤①?⑩若干次，直至隧道该工法设计段落全长开挖完工。
[0048]首先施作拱部两侧小导洞，于导洞内施作业两侧粧基托梁，将粧基托梁作为拱部初期支护结构和拱部二次衬砌结构的承载基础，有效地解决了超大跨度隧道施工中拱部支护易下沉变形的问题。与传统施工方法相比，在拱部二次施作前不需拆除拱部临时竖撑，待二衬达到设计强度后，再拆除拱部临时竖撑，消除传统施工方法拆除撑前后支护结构受力转换可能造成的塌方风险，同时突破了传统软岩隧道施工中拆撑步长、跳拆等限制，提高拆撑安全度及灵活性。
【主权项】
1.一种超大跨度粧基托梁承载拱形隧道复合衬砌结构，包括由内而外设置的超前支护结构、初期支护结构和二次衬砌结构，其特征是:所述二次衬砌结构包括拱部二次衬砌结构(7)和仰部二次衬砌结构(9)，所述初期支护结构包括拱部初期支护结构(20)、左侧边墙初期支护结构(21a)、右侧边墙初期支护结构(21b)和仰拱初期支护结构(22);拱部初期支护结构(20)、拱部二次衬砌结构(7)的左侧拱脚支承于左侧托梁(6a)上且与之连接，右侧拱脚则支承于右侧托梁(6b)上且与之连接;左侧托梁(6a)、右侧托梁(6b)下分别沿隧道延伸方向间隔设置左侧粧基(5a)、右侧粧基(5b)，左侧粧基(5a)、右侧粧基(5b)的上端分别与左侧托梁(6a)、右侧托梁(6b)固结，下端则位于地基稳定岩土层内。2.如权利要求1所述一种超大跨度粧基托梁承载拱形隧道复合衬砌结构，其特征是:所述拱部二次衬砌结构(7)、左侧边墙初期支护结构(21a)和右侧边墙初期支护结构(21b)靠隧道侧设置防排水系统(50)，防排水系统(50)外设置拱墙铺装层(8)。3.如权利要求2所述一种超大跨度粧基托梁承载拱形隧道复合衬砌结构，其特征是:所述拱部初期支护结构(20)包括覆盖拱部围岩的拱部喷射混凝土层(201)和沿隧道开挖方向间隔布设且埋设于拱部喷射混凝土层(201)内的拱部钢架(202)，以及沿拱部梅花形布置的拱部系统锚杆(203)。相邻两榀拱部钢架(202)间由环向间隔设置的纵向连接筋连接;所述拱部喷射混凝土层(201)内加设钢筋网。4.如权利要求2所述一种超大跨度粧基托梁承载拱形隧道复合衬砌结构，其特征是:所述左侧边墙初期支护结构(2 Ia)包括覆盖相邻两左侧粧基(5a)之间的边墙围岩的左侧边墙喷射混凝土层(211a)，以及沿左侧边墙面梅花形布置的左侧边墙系统锚杆(212a);所述右侧边墙初期支护结构(21b)包括覆盖相邻两右侧粧基(5b)之间的边墙围岩的右侧边墙喷射混凝土层(211b)，以及沿右侧边墙面梅花形布置的右侧边墙系统锚杆(212b)。所述左侧边墙喷射混凝土层(211a)及右侧边墙喷射混凝土层(211b)内加设环向钢筋网。5.如权利要求1至4任意一项所述一种超大跨度粧基托梁承载拱形隧道复合衬砌结构的施工方法，包括如下步骤: ①开挖拱部左侧导洞(I)，开挖后立即施作相应的拱部左侧初期支护(20a)和拱部左侧临时支护(40a)，并施工沿隧道纵向间隔布设的左侧粧基(5a)，于粧顶浇筑左侧托梁(6a); ②沿隧道纵向滞后左侧拱部导洞(I)掌子面一定距离开挖拱部右侧导洞(2)，开挖后立即施作相应的拱部右侧初期支护(20b)和拱部右侧临时支护(40b)，并施工沿隧道纵向间隔布设的右侧粧基(5b)，于粧顶浇筑右侧托梁(6b); ③开挖拱部核心土上台阶(3a)，开挖后立即施作相应的拱部中间初期支护(20c); ④灌筑拱部二次衬砌结构(7); ⑤开挖拱部核心土下台阶(3b)，并拆除相应的拱部左侧临时支护(40a)和拱部右侧临时支护(40b); ⑥分台阶开挖下部核心土一部(4a)、下部核心土二部(4b)和下部核心土三部(4c)，待下部核心土三部(4c)开挖后施作仰拱初期支护结构(22); ⑦施作仰拱二次衬砌结构(9); ⑧待仰拱二次衬砌结构(9)砼初凝后灌筑仰拱填充层(10)至设计高度，并修建中心水沟； ⑨铺设防排水系统(50)后一次性模筑拱墙铺装层(8);⑩施工侧沟及电缆沟槽等附属工程。重复上述步骤①?⑩若干次，直至隧道该工法设计段落全长开挖完工。
【文档编号】E21D11/00GK106050262SQ201610573815
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月20日
【发明人】卿伟宸, 朱勇, 林本涛, 高杨, 陶伟明, 郑伟, 黄华, 张慧琳, 张磊, 王若晨, 郑尚峰, 曾琦, 曾宏飞, 孟祥磊
【申请人】中铁二院工程集团有限责任公司