专利名称：上软下硬地层大跨隧道叠合承载拱结构及其施工方法
技术领域：
本发明属于隧道与地下工程设计与施工技术领域，特别是涉及一种在上软下硬复合地层中修建大跨隧道、地铁车站等大型地下结构时采用的叠合承载拱结构及其施工方法。
背景技术：
21世纪是长大隧道工程、地下空间大力开发利用的时代。随着城市建设进程的加快，对地面交通、环境影响小的地下空间越来越多地受到青睐，尤其是能满足不同功能的大断面地下空间结构更受欢迎。在山区断层破碎带区域修建大跨度交通隧道和城区修建地铁车站等大型地下结构时，受地质条件和埋深限制等因素的影响，经常会遇到隧道断面内上部为第四系土层或 者全、强风化岩层，而下部为中 微风化的坚硬岩层。在这种上软下硬的复合地层中修建大型地下结构，历来都是工程建设中的重点和难点，处置不当很容易引起诸如塌方、大变形等工程事故。对于此种地质条件下的大断面隧道，受功能影响一般不得不做成具有扁平形状的拱形结构，也就形成了下述的力学特征(I)开挖后的应力重分布变得不利；(2)底脚处的应力集中过大,要求较大的地基承载力；(3)拱顶不稳定；(4)较大的松弛地压；埋深小，成拱作用不能很好发挥；(5)支护结构的承载力相对较小。同时，由于隧道的下半断面为坚硬的岩层，岩体的强度远大于土体，隧道下半断面的施工还需采取爆破施工方法。因此，在结构型式和施工方案选择时，应立足在保证安全的前提下，兼顾施工效率和经济效益，并尽量采用快速高效措施的施工方法。对于暗挖法施工的大跨隧道与地下工程，目前常用的结构型式有单跨无柱蛋形断面、双跨单柱断面以及多跨连拱断面等。施工中主要采用交叉中隔壁(CRD)、单侧壁导坑(小隔壁法)、双侧壁导坑(眼镜法)、洞柱法分步减跨的方法。为了与相应的施工方法相适应，隧道拱部初支通常采用拱架喷射混凝土联合支护。对于连拱隧道，由于节点的连接质量和导洞破除的时间效应不好控制，施工过程中力的转换较为复杂，因此如果力学未平衡前，联拱初支易产生失稳性破坏。另外，连拱隧道拱顶防水施工困难，不易保证防水效果。因此，从使用功能和施工条件上考虑，单拱大跨隧道的结构型式更倾向于采用，所以如何提高单拱大跨结构拱部支护结构的承载能力已成为大型地下结构修建的关键。对于岩质地层的大跨隧道，传统的结构型式和施工方法均是采用设置临时支撑分步减跨的方法，此时隧道下层以及后续爆破时之前上层的支撑很难保留，严重时还会由于爆破而损坏临时支撑，结果造成安全事故。同时，考虑爆破施工的影响、出碴施工机械的采用，如何提供便利的施工空间也成了修建大跨隧道中需要着重关注的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种结构简单、承载能力强，受力和防水性能较好，施工期间能提供开阔的作业空间，施工组织方便，且使用期间可带来开敝舒适的地下空间，使用功能好等特点的上软下硬地层大跨隧道叠合承载拱结构。本发明的另一目的在于提拱一种上述叠合承载拱结构的施工方法，该工法工艺简单、操作方便，可降低施工安全风险，良好控制地层沉降，并可实现大型机械化作业，提高工效，节省工程造价。为了达到上述目的，本发明提供的上软下硬地层大跨隧道叠合承载拱结构由外层拱形初期支护、二层拱形初期支护、两条拱脚纵梁和拱形围岩加固圈构成，其中外层拱形初期支护由网构格栅钢架与喷射混凝土构筑而成，设置在隧道拱顶围岩内表面上，并且其上两侧的拱脚支撑于隧道两侧拱脚部位的围岩上；两条拱脚纵梁沿隧道的长度方向设置在隧道两侧的拱脚部位，其为钢筋混凝土结构；二层拱形初期支护设置在外层拱形初期支护的内表面上，其由型钢钢架与喷射混凝土构筑而成，并且其上两侧的拱脚分别连接在两条拱脚纵梁的顶面上；拱形围岩加固圈位于外层拱形初期支护外部的围岩内部，其由水泥浆凝 固后形成。所述的外层拱形初期支护的两侧拱脚处分别设有两根向外侧斜下方倾斜的压浆钢管，压浆钢管的长度为4. O 5. 0m。所述的拱脚纵梁中预埋有沿上下方向设置的注浆钢管。所述的拱形围岩加固圈的厚度为3. Om0所述的外层拱形初期支护和二层拱形初期支护中钢架的连接节点相互错开。所述的拱脚纵梁和外层拱形初期支护的拱脚底面与水平面之间的夹角大于等于30。。本发明提供的上软下硬地层大跨隧道叠合承载拱结构的施工方法包括按顺序进行的下列步骤I)首先在待开挖的单拱大跨隧道的掌子面上两个侧导坑拱圈外侧边缘部位施做一排侧导坑超前支护，以形成部分超前支护；2)采用台阶法对侧导坑拱部地层进行开挖，开挖完成后及时施做由网构格栅钢架与喷射混凝土构筑而成的侧导坑拱部外层初期支护，以形成部分外层拱形初期支护，继续开挖侧导坑下部地层，直至形成两个侧导坑，在此过程中在侧导坑的内侧边缘及时设置由型钢钢架与喷射混凝土构筑而成的临时竖撑和临时横撑；3)在每个侧导坑的拱脚部位设置向外侧斜下方倾斜的压浆钢管并从上往下注浆；4)对中导坑拱圈外侧边缘部位施做一排中导坑超前支护，以形成其余部位的超前支护；5)采用台阶法对中导坑拱部地层进行开挖，开挖完成后及时施做由网构格栅钢架与喷射混凝土构筑而成的中导坑拱部外层初期支护，以形成其余部位的外层拱形初期支护，继续开挖中导坑下部地层，直至形成中导坑；6)在隧道的两个拱脚部位沿隧道的长度方向设置两条钢筋混凝土结构的拱脚纵梁，拱脚纵梁由多段组成，并在拱脚纵梁中预埋沿上下方向设置的注浆钢管，待拱脚纵梁的混凝土达到设计强度后利用注浆钢管从上往下进行注浆；7)待监控量测数据显示外层拱形初期支护及围岩变形稳定时，分段拆除临时竖撑和临时横撑，然后在外层拱形初期支护的内表面上施作由型钢钢架与喷射混凝土构筑而成的二层拱形初期支护，并将二层拱形初期支护的底脚设于拱脚纵梁之上，之后对外层拱形初期支护和二层拱形初期支护之间的空间进行初支背后注浆；8)沿径向在二层拱形初期支护上设置多根注浆花管并从内向外压注水泥浆，由此形成拱部围岩加固圈，即可形成所述的叠合承载拱结构。所述的步骤8)中注浆花管的长度为3. O 3. 5m，注浆花管之间的间距为I. O
I.5m，注浆压力为O. 5 O. 8Mpa。本发明提供的上软下硬地层大跨隧道叠合承载拱结构可用作跨度大于20m的隧道和地铁车站等大型地下结构的拱部初期支护，在此叠合承载拱结构保护下，再完成隧道 下部开挖及主体结构浇筑。与传统的大跨隧道和地铁车站采用的连拱结构，施工采用PBA法、中洞法和侧洞法等相比，本发明具有以下优点(I)根据浅埋暗挖大跨隧道的修建理念，初期支护要强，承受全部围岩压力和施工荷载。本发明采用单拱结构，结构简单且受力性能好；采用的外层初期支护、二层初期支护、拱脚纵梁和拱形围岩加固圈形成叠合承载拱结构，大大提高了结构的承载能力，保证施工和结构安全；(2)本发明采用强支护的理念，设置扩大的拱脚纵梁，同时注浆改善拱部围岩形成加固圈，良好地控制了地层变形，可有效减少地面沉降，降低隧道施工对周边环境(建筑物、构筑物、管线等)的影响，尤其适合城市等对环境控制保护要求高的地段；(3)本发明采用的叠合承载拱结构，拱部为单跨大拱组成，避免了连拱隧道V型节点处防水施工处理困难、经常出现渗漏水的质量通病，可以取得很好的防水性能；(4)岩质地层中一般需采用爆破施工，PBA法的上下导洞、边桩及中柱施工环境恶劣，且增加了不必要的工程量；而中洞法和侧洞法均需设置大量的临时支撑，爆破条件下很难保护和保留，且可能引发安全事故。本发明的叠合承载拱结构应用于岩质地层大跨隧道和地铁车站时，在叠合拱施工形成后，在其保护下分层进行隧道下部的开挖，取消了临时支撑，施工期间能提供开阔的作业空间，施工环境好，施工工艺简单，施工操作和组织方便；(5)本发明的叠合承载拱结构为隧道下层施工提供了开敝空间，可实现大型机械化作业，爆破施工条件下提高工效明显，同时无废弃工程，节省工期和工程造价；(6)采用本发明的叠合承载拱结构，隧道为单拱无柱结构，使用期间可带来开敝舒适的地下空间，便于隧道内使用空间布置，可以获得良好的景观效果和使用功能。
图I为本发明提供的上软下硬地层大跨隧道叠合承载拱结构示意图；图2为本发明提供的叠合承载拱结构施工中侧导坑施工过程示意图；图3为本发明提供的叠合承载拱结构施工中导坑施工过程示意图；图4为本发明提供的叠合承载拱结构施工中拱脚纵梁施工过程示意图；图5为本发明提供的叠合承载拱结构施工中二层拱形初期支护施工过程示意图；图6为本发明提供的叠合承载拱结构施工中拱形围岩加固圈施工过程示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明提供的上软下硬地层大跨隧道叠合承载拱结构及其施工方法进行详细说明。如图I-图6所示，本发明提供的上软下硬地层大跨隧道叠合承载拱结构由外层拱形初期支护2、二层拱形初期支护6、两条拱脚纵梁4和拱形围岩加固圈7构成，其中外层拱形初期支护2由网构格栅钢架与喷射混凝土构筑而成，设置在隧道拱顶围岩内表面上，并且其上两侧的拱脚支撑于隧道两侧拱脚部位的围岩上；两条拱脚纵梁4沿隧道的长度方向设置在隧道两侧的拱脚部位，其为钢筋混凝土结构；二层拱形初期支护6设置在外层拱形初期支护2的内表面上，其由型钢钢架与喷射混凝土构筑而成，并且其上两侧的拱脚分别连接在两条拱脚纵梁4的顶面上；拱形围岩加固圈7位于外层拱形初期支护2外部的围岩内部，其由水泥浆凝固后形成。所述的外层拱形初期支护2的两侧拱脚处分别设有两根向外侧斜下方倾斜的压 浆钢管3，用于加固隧道拱脚部位的地基。所述的拱脚纵梁4中预埋有沿上下方向设置的注浆钢管5，用于加固拱脚纵梁4底部地基。所述的拱形围岩加固圈7的厚度为3. 0m。所述的外层拱形初期支护2和二层拱形初期支护6中钢架的连接节点相互错开。所述的拱脚纵梁4和外层拱形初期支护2的拱脚底面与水平面之间的夹角大于等于30°，这样可使叠合承载拱结构传力合理，从而减少拱脚向下传递的竖向力分量。如图I-图6所示，本发明提供的上软下硬地层大跨隧道叠合承载拱结构施工方法包括按顺序进行的下列步骤I)首先在待开挖的单拱大跨隧道的掌子面上两个侧导坑9拱圈外侧边缘部位施做一排侧导坑超前支护，以形成部分超前支护1，可根据地层情况采用超前锚杆、超强注浆小导管或管棚支护方式；2)采用台阶法对侧导坑9拱部地层进行开挖，上下台阶错开距离5 10m，并在每个台阶处设置锁脚锚杆以固定侧导坑超前支护，控制下沉变形，施工中采用弱爆破，并应严格控制进尺和爆破震速，开挖完成后及时施做由网构格栅钢架与喷射混凝土构筑而成的侧导坑拱部外层初期支护，以形成部分外层拱形初期支护2，继续开挖侧导坑9下部地层，直至形成两个侧导坑9，在此过程中在侧导坑9的内侧边缘及时设置由型钢钢架与喷射混凝土构筑而成的临时竖撑8和临时横撑10，可根据地层情况设置若干个临时横撑10 ；3)在每个侧导坑9的拱脚部位设置2根4m长的向外侧斜下方倾斜的压浆钢管3并从上往下注浆，以加固隧道拱脚部位的地基；4)对中导坑11拱圈外侧边缘部位施做一排中导坑超前支护，以形成其余部位的超前支护I ;5)采用台阶法对中导坑11拱部地层进行开挖，在此过程中预留核心岩柱分步施工，并与侧导坑9错开距离15 20m，上部宜采用非爆破方法开挖，开挖完成后及时施做由网构格栅钢架与喷射混凝土构筑而成的中导坑拱部外层初期支护，以形成其余部位的外层拱形初期支护2，继续开挖中导坑11下部地层，直至形成中导坑11 ；
6)在隧道的两个拱脚部位沿隧道的长度方向设置两条钢筋混凝土结构的拱脚纵梁4，拱脚纵梁4由多段组成，每段拱脚纵梁4的长度约10m，并在拱脚纵梁4中预埋沿上下方向设置的注浆钢管5，待拱脚纵梁4的混凝土达到设计强度后利用注浆钢管5从上往下进行注浆，以填充拱脚纵梁4的底部空隙，从而加固拱脚纵梁4的底部围岩；7)待监控量测数据显示外层拱形初期支护2及围岩变形稳定时，分段拆除临时竖撑8和临时横撑10，拆除步距控制在2榀拱架间距之内，然后在外层拱形初期支护2的内表面上施作由型钢钢架与喷射混凝土构筑而成的二层拱形初期支护6，以进行加强，并将二层拱形初期支护6的底脚设于拱脚纵梁4之上，二层拱形初期支护6中的型钢通过拱脚纵梁4上预埋的钢板焊接固定，喷射混凝土施工完成后，对外层拱形初期支护2和二层拱形初期支护6之间的空间进行初支背后注浆；8)沿径向在二层拱形初期支护6上设置多根注浆花管并从内向外压注水泥浆，以 加固隧道拱部围岩，由此形成拱部围岩加固圈7 ;注浆花管的长度为3. O 3. 5m，注浆花管之间的间距为I. O I. 5m，注浆压力为O. 5 O. 8MPa，采用全孔一次性注浆方式，注浆结束后，应对注浆效果进行取芯检测，若注浆填充不密实，再进行补充注浆，最终即可形成所述的叠合承载拱结构。本发明叠合承载拱结构及施工方法适用于上软下硬地层大跨断面地铁车站或隧道等地下空间的施工，施工中应严格控制开挖进尺长度和拆除支撑长度，弱爆破，加强拱顶和纵梁沉降监测。施做拱脚纵梁前，应认真做好拱脚围岩加固，确保地基承载力满足要求。以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
权利要求
1.一种上软下硬地层大跨隧道叠合承载拱结构，其特征在于所述的叠合承载拱结构由外层拱形初期支护(2)、ニ层拱形初期支护(6)、两条拱脚纵梁(4)和拱形围岩加固圈(7)构成，其中外层拱形初期支护(2)由网构格栅钢架与喷射混凝土构筑而成，设置在隧道拱顶围岩内表面上，并且其上两侧的拱脚支撑于隧道两侧拱脚部位的围岩上；两条拱脚纵梁(4)沿隧道的长度方向设置在隧道两侧的拱脚部位，其为钢筋混凝土结构；ニ层拱形初期支护(6)设置在外层拱形初期支护(2)的内表面上，其由型钢钢架与喷射混凝土构筑而成，并且其上两侧的拱脚分别连接在两条拱脚纵梁(4)的顶面上；拱形围岩加固圈(7)位于外层拱形初期支护(2)外部的围岩内部，其由水泥浆凝固后形成。
2.根据权利要求I所述的上软下硬地层大跨隧道叠合承载拱结构，其特征在于所述的外层拱形初期支护(2)的两侧拱脚处分别设有两根向外侧斜下方倾斜的压浆钢管(3)，压浆钢管(3)的长度为4. O 5. Om。
3.根据权利要求I所述的上软下硬地层大跨隧道叠合承载拱结构，其特征在于所述的拱脚纵梁(4)中预埋有沿上下方向设置的注浆钢管(5)。
4.根据权利要求I所述的上软下硬地层大跨隧道叠合承载拱结构，其特征在于所述的拱形围岩加固圈(7)的厚度为3.0m。
5.根据权利要求I所述的上软下硬地层大跨隧道叠合承载拱结构，其特征在于所述的外层拱形初期支护(2)和ニ层拱形初期支护(6)中钢架的连接节点相互错开。
6.根据权利要求I所述的上软下硬地层大跨隧道叠合承载拱结构，其特征在于所述的拱脚纵梁(4)和外层拱形初期支护(2)的拱脚底面与水平面之间的夹角大于等于30°。
7.—种如权利要求I所述的上软下硬地层大跨隧道叠合承载拱结构的施工方法，其特征在于所述的施工方法包括按顺序进行的下列步骤 1)首先在待开挖的单拱大跨隧道的掌子面上两个侧导坑(9)拱圏外侧边缘部位施做ー排侧导坑超前支护，以形成部分超前支护(I); 2)采用台阶法对侧导坑(9)拱部地层进行开挖，开挖完成后及时施做由网构格栅钢架与喷射混凝土构筑而成的侧导坑拱部外层初期支护，以形成部分外层拱形初期支护(2)，继续开挖侧导坑(9)下部地层，直至形成两个侧导坑(9)，在此过程中在侧导坑(9)的内侧边缘及时设置由型钢钢架与喷射混凝土构筑而成的临时竖撑(8)和临时横撑(10)； 3)在每个侧导坑(9)的拱脚部位设置向外侧斜下方倾斜的压浆钢管(3)并从上往下注浆； 4)对中导坑(11)拱圏外侧边缘部位施做ー排中导坑超前支护，以形成其余部位的超前支护⑴； 5)采用台阶法对中导坑(11)拱部地层进行开挖，开挖完成后及时施做由网构格栅钢架与喷射混凝土构筑而成的中导坑拱部外层初期支护，以形成其余部位的外层拱形初期支护(2)，继续开挖中导坑(11)下部地层，直至形成中导坑(11)； 6)在隧道的两个拱脚部位沿隧道的长度方向设置两条钢筋混凝土结构的拱脚纵梁(4)，拱脚纵梁(4)由多段组成，并在拱脚纵梁(4)中预埋沿上下方向设置的注浆钢管(5)，待拱脚纵梁(4)的混凝土达到设计强度后利用注浆钢管(5)从上往下进行注浆； 7)待监控量测数据显示外层拱形初期支护(2)及围岩变形稳定时，分段拆除临时竖撑(8)和临时横撑(10)，然后在外层拱形初期支护(2)的内表面上施作由型钢钢架与喷射混凝土构筑而成的ニ层拱形初期支护(6)，并将ニ层拱形初期支护(6)的底脚设于拱脚纵梁(4)之上，之后对外层拱形初期支护(2)和ニ层拱形初期支护(6)之间的空间进行初支背后注浆； 8)沿径向在ニ层拱形初期支护(6)上设置多根注浆花管并从内向外压注水泥浆，由此形成拱部围岩加固圈(7)，即可形成所述的叠合承载拱结构。
8.根据权利要求7所述的上软下硬地层大跨隧道叠合承载拱结构的施工方法，其特征在于所述的步骤8)中注浆花管的长度为3. O 3. 5m，注浆花管之间的间距为I. O I. 5m,注浆压カ为0. 5 0. 8Mpa。
全文摘要
一种上软下硬地层大跨隧道叠合承载拱结构及其施工方法。拱结构由外层拱形初期支护、二层拱形初期支护、两条拱脚纵梁和拱形围岩加固圈构成，其中二层拱形初期支护、外层拱形初期支护和拱形围岩加固圈从内至外依次叠合在隧道拱顶部位，具有结构简单、承载能力强，受力和防水性能较好，施工期间能提供开阔的作业空间，施工组织方便，且使用期间可带来开敝舒适的地下空间，使用功能好等特点。施工方法具有工艺简单、操作方便，可降低施工安全风险，良好控制地层沉降，并可实现大型机械化作业，提高工效，节省工程造价等特点。
文档编号E21D13/00GK102758642SQ20121024880
公开日2012年10月31日 申请日期2012年7月16日 优先权日2012年7月16日
发明者任玉瑾, 宋仪, 宋超业, 张先锋, 张美琴, 彭柳松, 徐福东, 李国清, 杨超峰, 熊田芳, 王宁, 许俊峰 申请人:中铁隧道勘测设计院有限公司, 中铁隧道集团有限公司