超大变断面隧道超前支护结构的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种超大变断面隧道超前支护结构，包括由待挖掘的主洞和待挖掘的侧洞组成的隧道断面，所述待挖掘的侧洞位于待挖掘的主洞的两侧，待挖掘的主洞拱顶沿隧道开挖轮廓线外排列有两层高压水平旋喷桩，两层旋喷桩之间内嵌有超前长管棚，待挖掘的侧洞拱顶沿隧道开挖轮廓线外排列有一层高压水平旋喷桩，待挖掘的侧洞与待挖掘的主洞之间的拱脚沿隧道开挖轮廓线外设置有多根高压水平旋喷桩，待挖掘的主洞的掌子面拱部沿隧道开挖方向设置有多个高压水平旋喷桩。本发明确保在特别软弱围岩中开挖超大变断面隧道的安全性，减少临时支撑的使用，增加作业自由度，加快施工进度。
【专利说明】超大变断面隧道超前支护结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及山岭隧道施工领域，具体涉及一种超大变断面隧道超前支护结构。
【背景技术】
[0002]在隧道施工时，如果围岩完全不能自稳，施工是不可能的。自稳时间与围岩性质和隧道一次开挖跨度有关，围岩越差，一次开挖跨度越大，自稳时间越短，以致于开挖后缺少足够时间进行支护施工。超前支护正是为解决这一问题而发展起来的。根据地质工程环境、隧道开挖断面及施工工法等条件，超前支护又有多种不同形式，其中包括超前管棚、掌子面喷混凝土(正面喷混凝土)、掌子面锚杆(正面锚杆)、钢插板超前支护、冻结法、水平高压旋喷法、预衬砌、超前深孔帷幕注浆等等。对于特别软弱围岩中修建跨度达到20?30m的特大跨度隧道，若简单采用上述某一种超前支护形式，则会由于未考虑不同部位，不同施工工法而出现走极端，要么安全不能保证，要么某些部位过于保守。因此，为了确保超前支护的安全、经济、有效，有必要优化超前支护形式的交叉使用，非均衡设置各部位支护强度和刚度，有效提高各部超前支护结构利用率，另一方面也为简化临时支撑形式，优化开挖工序，加快施工进度提供条件。
【发明内容】
[0003]针对上述技术问题，本发明提供了一种超大变断面隧道超前支护结构，确保在特别软弱围岩中开挖超大变断面隧道的安全性，同时减少临时支撑的使用，增加作业自由度，加快施工进度。
[0004]本发明提供了一种超大变断面隧道超前支护结构，包括由待挖掘的主洞的围岩，待挖掘的主洞拱顶处围岩沿隧道开挖轮廓线外排列有沿隧道纵向方向布置的两层高压水平旋喷粧，两层旋喷粧之间内嵌有沿隧道纵向方向布置的超前长管棚，待挖掘的主洞的掌子面拱部沿隧道开挖方向设置有多个沿隧道纵向方向布置的高压水平旋喷粧，待挖掘的主洞的掌子面核心土沿隧道开挖方向设置有多个超前玻纤锚管。
[0005]本发明还包括位于待挖掘主洞两侧的待挖掘的侧洞的围岩，待挖掘的侧洞拱顶处围岩沿隧道开挖轮廓线外排列有一层沿隧道纵向方向布置的高压水平旋喷粧，待挖掘的侧洞与待挖掘的主洞之间的拱脚处围岩沿隧道开挖轮廓线外设置有多根沿隧道纵向方向布置的高压水平旋喷粧。
[0006]所述待挖掘的侧洞拱顶外侧的相邻高压水平旋喷粧的咬合处设置有超前小导管。
[0007]所述待挖掘的主洞拱顶外侧的相邻高压水平旋喷粧的咬合处设置有超前小导管。
[0008]所述位于待挖掘的主洞掌子面拱部的多个高压水平旋喷粧沿隧道开挖方向上分为多层，每层高压水平旋喷粧均为环形布置。
[0009]所述位于待挖掘的主洞掌子面核心土的多个超前玻纤锚管沿隧道开挖方向分为多层，相邻两层的超前玻纤锚管为错落设置。
[0010]本发明联合使用多种超前支护形式，全方位多部位实施，刚性柔性相结合。本发明纵横向支护体系，软硬兼施，既充分发挥了各自的结合支护力学特点，又能很好的协同工作，取得良好的整体预支护效果。其中，纵向支护主要以位于待挖掘的主洞拱顶轮廓线外侧的刚性超前长管棚为主，其特点是纵向刚度大、具有纵向悬臂梁(纵抬梁)和支护棚架的预支护效应，形成纵向空间效应，为下部开挖创造了洞顶纵向稳定支护体系；横向支护主要以待挖掘的主洞拱顶轮廓线外侧的多层横向分布的柔性旋喷粧为主，旋喷施作方便、相互咬合成环，从而形成横向柔性拱，能有效承担上部压力并通过大拱座传递给周围岩层，同时能有效阻隔洞顶汇水下渗以防软化围岩。本发明纵向刚性抄起大管棚和横向柔性双层旋喷粧巧妙结合，能有效发挥各自的支护力学特性，也有效克服看单独支护的受力缺陷，两者协同工作，刚柔相济、互为补充，能更好的适应复杂地层环境，形成良好的预支护效果，满足了复杂受力条件下超大断面施工开挖的稳定要求。本发明在充分考虑大断面分步施工特点的基础上，提出了多层次的预支护措施，其中洞口采用了纵横向刚柔结合的“大管棚+旋喷粧”立体预支护结构；待挖掘的侧洞拱顶轮廓线外采用了旋喷粧辅以超前小导管的超前支护方式；待挖掘的主洞施工时拱部的双层旋喷粧局部补充施作超前小导管；掌子面拱部施水平旋喷粧，掌子面核心土采用玻纤锚管实现超前预加固，充分考虑了后续破除的便利性，有效控制掌子面挤出变形(即沿隧道轴向的纵向位移)。本发明实现了整体和局部的有机结合，在不同的空间段和时间段协同工作，一方面加固了围岩、控制了下步开挖的围岩变形，同时由于洞顶和掌子面稳定性大大增加，可有效减少临时支撑的使用，增加开挖自由度，方便大型机械作业，有利于合理加快施工进度。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本发明示意图
[0012]其中，1-待挖掘的主洞，2-待挖掘的侧洞，3-旋喷粧，4-长管棚，5-掌子面拱部，6-核心土，7-玻纤锚管。
【具体实施方式】
[0013]下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步说明:
[0014]本发明提供了一种超大变断面隧道超前支护结构，包括由待挖掘的主洞I和待挖掘的侧洞2组成的隧道断面，所述待挖掘的侧洞2位于待挖掘的主洞I的两侧，待挖掘的主洞I拱顶处围岩沿隧道开挖轮廓线外排列有两层沿隧道纵向方向布置的高压水平旋喷粧3，两层旋喷粧3之间内嵌有沿隧道纵向方向布置的超前长管棚4，待挖掘的侧洞2拱顶处围岩沿隧道开挖轮廓线外排列有沿隧道纵向方向布置的一层高压水平旋喷粧3，待挖掘的侧洞2与待挖掘的主洞I之间的拱脚处围岩沿隧道开挖轮廓线外设置有多根沿隧道纵向方向布置的高压水平旋喷粧3，所述待挖掘的侧洞2拱顶外侧的相邻高压水平旋喷粧3的咬合处设置有超前小导管。待挖掘的主洞I拱顶设置双层水平高压旋喷粧3，在两层之间内嵌超前长管棚4，通过两者的联合使用，增加支护刚度，提高纵向梁作用。同时在待挖掘的主洞I和待挖掘的测洞之间的拱脚处增设旋喷粧3，形成大拱脚，增大拱脚承载能力，防止拱部超前支护结构整体下沉。所述待挖掘的主洞I拱顶外侧的相邻高压水平旋喷粧3的绞合处设置有超前小导管。待挖掘的侧洞2洞顶采用单层水平高压旋喷粧3，施工时可根据围岩自稳条件和待挖掘的侧洞2大小可灵活选用是否加密旋喷粧3，使相邻粧加固区出现叠加。具体实施例中，待挖掘的主洞I拱顶设置的双层旋喷粧3直径为500mm，环向相邻粧中心距40cm，内、夕卜层旋喷粧3中心距40cm，内层靠近隧道侧旋喷粧3中心距开挖外轮廓46cm ;超前长管棚4采用Φ 180mm钢花管，壁厚10mm，环向相邻管中心距40cm，管中心距开挖外轮廓64cm。待挖掘的侧洞2洞顶采用单层Φ 500mm水平高压旋喷粧3，且密排布置，相邻旋喷粧3之间未出现交叠，即相邻旋喷粧3中心距500mm。位于待挖掘的主洞拱顶轮廓线外侧的刚性超前长管棚作为纵向支护其特点是纵向刚度大、具有纵向悬臂梁(纵抬梁)和支护棚架的预支护效应，形成纵向空间效应，为下部开挖创造了洞顶纵向稳定支护体系；待挖掘的主洞拱顶轮廓线外侧的多层横向分布的柔性旋喷粧作为横向支护，旋喷施作方便、相互咬合成环，从而形成横向柔性拱，能有效承担上部压力并通过大拱座传递给周围岩层，同时能有效阻隔洞顶汇水下渗以防软化围岩。
[0015]上述技术方案中，待挖掘的主洞I的掌子面拱部5沿隧道开挖方向设置有多个高压水平旋喷粧3。掌子面拱部5采用水平高压旋喷粧3形式进行超前预加固，有效控制掌子面挤出变形。所述位于待挖掘的主洞I掌子面拱部5的多个高压水平旋喷粧3沿隧道开挖方向上分为多层，每层高压水平旋喷粧3均为环形布置。具体实施例中，掌子面拱部5的水平高压旋喷粧3采用三层环形布置，旋喷粧3直径选用500_，第一层靠近隧道壁环向相邻粧中心距150cm，第二、三层环向相邻粧中心距120cm ;第一层旋喷粧3中心距衬砌结构内壁85cm，相邻两层之间粧中心距均为150cm。
[0016]上述技术方案中，待挖掘的主洞I的掌子面核心土 6沿隧道开挖方向设置有多个超前玻纤锚管7。掌子面核心土 6采用超前玻纤锚管7，由于拱部土体的开挖卸荷、拱部支护结构的保护、以及核心土 6相比拱部围岩有所改善，因此采用玻纤锚管7代替水平高压旋喷形式，且由于采用玻璃纤维材料，方便后续开挖破除。所述位于待挖掘的主洞I掌子面核心土 6的多个超前玻纤锚管7沿隧道开挖方向分为多层，相邻两层的超前玻纤锚管7为错落设置。具体实施例中，掌子面核心土 6的超前玻纤锚管7为6层水平梅花形布置，锚管直径选用32mm，上下层中心距150cm，同一层相邻锚管中心距150cm ;上下相邻层错位布置，投影到同一层相邻管中心距为75cm。
[0017]本发明实现了整体和局部的有机结合，在不同的空间段和时间段协同工作，一方面加固了围岩、控制了下步开挖的围岩变形，同时由于洞顶和掌子面稳定性大大增加，可有效减少临时支撑的使用，增加开挖自由度，方便大型机械作业，有利于合理加快施工进度。施工时，可先完成掌子面核心土的超前玻纤锚管的施工锚喷，保证掌子面在旋喷过程中的稳定性。然后按照“先周边、后掌子面”顺序进行旋喷施工，周边按照每次间隔一孔，孔位从下到上左、右交替进行。跳跃式成粧，两边强度平衡，可以减少因钻杆偏移造成粧间咬合率低的问题。后施工的旋喷粧必须在相邻粧超过初凝时间，达到一定强度时才能开钻，确保相邻粧相互咬合。双层旋喷预加固结构应先施工外层旋喷粧，后施工内层旋喷粧。旋喷粧施作完成后，在两层高压水平旋喷粧之间打设超前长管棚并注浆，形成水平旋喷与大管棚复合隧道预支护结构。待挖掘的侧洞拱顶外侧的相邻高压水平旋喷粧的咬合处和待挖掘的主洞拱顶外侧的相邻高压水平旋喷粧的咬合处间隙可施作超前小导管并注浆，超前小导管将粧串联成整体受力，实现旋喷粧的整体加固。
[0018]显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
[0019]本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
【权利要求】
1.一种超大变断面隧道超前支护结构，包括待挖掘的主洞(I)的围岩，其特征在于待挖掘的主洞(I)拱顶处围岩沿隧道开挖轮廓线外排列有沿隧道纵向方向布置的两层高压水平旋喷粧(3)，两层旋喷粧(3)之间内嵌有沿隧道纵向方向布置的超前长管棚(4)，待挖掘的主洞(I)的掌子面拱部(5)沿隧道开挖方向设置有多个沿隧道纵向方向布置的高压水平旋喷粧(3)，待挖掘的主洞(I)的掌子面核心土(6)沿隧道开挖方向设置有多个超前玻纤销管(7)。
2.根据权利要求1所述的超大变断面隧道超前支护结构，其特征在于还包括位于待挖掘主洞两侧的待挖掘的侧洞(2)的围岩，待挖掘的侧洞(2)拱顶处围岩沿隧道开挖轮廓线外排列有一层沿隧道纵向方向布置的高压水平旋喷粧(3)，待挖掘的侧洞(2)与待挖掘的主洞(I)之间的拱脚处围岩沿隧道开挖轮廓线外设置有多根沿隧道纵向方向布置的高压水平旋喷粧(3)。
3.根据权利要求2所述的超大变断面隧道超前支护结构，其特征在于待挖掘的侧洞(2)拱顶外侧的相邻高压水平旋喷粧(3)的咬合处设置有超前小导管。
4.根据权利要求1所述的超大变断面隧道超前支护结构，其特征在于待挖掘的主洞(I)拱顶外侧的相邻高压水平旋喷粧(3)的咬合处设置有超前小导管。
5.根据权利要求1所述的超大变断面隧道超前支护结构，其特征在于位于待挖掘的主洞(I)掌子面拱部(5)的多个高压水平旋喷粧(3)沿隧道开挖方向分为多层，每层高压水平旋喷粧(3)均为环形布置。
6.根据权利要求1所述的超大变断面隧道超前支护结构，其特征在于位于待挖掘的主洞(I)掌子面核心土 ￠)的多个超前玻纤锚管(7)沿隧道开挖方向分为多层，相邻两层的超前玻纤锚管(7)为错落设置。
【文档编号】E21D11/10GK104500100SQ201410777849
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月15日 优先权日:2014年12月15日
【发明者】江胜林, 龚彦峰, 徐向东, 李树鹏, 张俊儒, 焦齐柱, 隗建波, 颜志伟, 孙文昊, 郭海满, 洪军, 陈利杰 申请人:中铁第四勘察设计院集团有限公司