一种穿越不良地质隧道套桥地下结构及施工方法与流程

本发明属于隧道工程技术领域，适用于岩溶地区溶洞、地下暗河、软弱地基隧道工程。

背景技术：

中国喀斯特地貌分布之广泛，类型之多，为世界所罕见。随着铁路、公路的蓬勃发展，不可避免的将要在岩溶地区修建隧道工程，据调查研究我国正在岩溶地区修建并将继续修建大量的铁路隧道和公路隧道。在岩溶地区隧道修建过程中，不可避免的遇到地下洞穴室的悬空（即溶洞）、地下暗河、软弱地层等地质灾害问题，尤其是隧道穿越富水充填溶洞时，这类隧道经常围岩软弱破碎，地质条件极差，给工程施工和运营带来极大的危害。目前对于暗挖隧道基础的处理方法较多，常采用板梁跨越、换填等方法，板梁跨越受距离的限制；对于较大溶洞的充填会造成资源的浪费，软弱地层换填对深度适用性差。此外，隧道结构的排水系统是否通畅也对结构的安全起着相当重要的作用，现有的隧道排水系统，大多数排水管道都是隐蔽工程，施工质量难以保证，在隧道的施工中难免会挤压排水管道，造成排水的不通畅。隧道路面车辆的行驶会带来动荷载以及尾气二氧化碳的排放，如果隧道不够封闭，则二氧化碳会加快对围岩的溶解速度，进一步影响着隧道的稳定性。此外，当隧道穿越岩溶地区，隧道周围地下水很丰富，围岩本身强度低、稳定性差，围岩应力只能作用支护结构上，无法有效的释放或传递。因此，现有的支护结构尚不足以应对这些极不利情况，往往会造成隧道的大变形、沉降量大等问题，甚至导致隧道坍塌破坏。所以工程界希望有一种结构稳定、变形小、可以跨越不良地质的新型隧道支护结构。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种穿越不良地质隧道套桥地下结构及施工方法，来解决隧道跨越溶洞、地下暗河，仰拱隆起、围岩稳定性差、遇到软弱地层沉降大的问题。

本发明是一种穿越不良地质隧道套桥地下结构及施工方法，穿越不良地质隧道套桥地下结构由初次衬砌体系、套桥结构和二次衬砌13组成；初次衬砌体系包括第一类支承桩1、异径连接器2、地梁3、钢管拱架4和管片5；套桥结构包括第二类支承桩6、盖梁7、橡胶垫8和箱梁仰拱9；位于隧道两侧拱脚处的第一类支承桩1由螺旋钢桩10内加入钢筋骨架并注浆而成，沿隧道掘进方向间隔布置；钢管拱架4是由环向和纵向钢管相互正交贯通构成的空间网格结构；管片5为预制的弧形片状钢筋混凝土结构，在内表面设有与钢管拱架4相匹配的纵、横向凹槽11，纵、横向凹槽11交点与管片5内表面中心点重合，且内表面四周留有螺孔12，用螺栓穿过螺孔12将其它管片5连接成为整体；将管片5通过凹槽11嵌套在钢管拱架4上，钢管拱架4下端插入异径连接器2一端，异径连接器2另一端通过螺纹内套于第一类支承桩1顶部端口，在第一类支承桩1、异径连接器2和钢管拱架4连接处沿隧道纵向浇筑地梁3，形成初次衬砌体系；第二类支承桩6由螺旋钢桩10内注浆而成，位于开挖断面两侧地梁3之间，并在桩顶现浇盖梁7，盖梁7上铺一层橡胶垫8，吊装箱梁仰拱9至橡胶垫8上形成套桥结构；初次衬砌体系与套桥结构通过箱梁仰拱9和两侧地梁3各自预留的钢筋浇筑连接成整体；在钢管拱架4内侧施工二次衬砌13，并将二次衬砌13底端与箱梁仰拱9上侧预留钢筋现浇连接，形成穿越不良地质隧道套桥地下结构。

一种穿越不良地质隧道套桥地下结构的施工方法，其施工步骤为：

（1）制作钢管拱架4构件：根据设计要求确定环向钢管、纵向钢管的尺寸和数量；

（2）预制管片5：在工厂预制圆弧形的管片5，其尺寸与钢管拱架4环向和纵向间距相同，管片5内侧还预留与钢管拱架4相配合的半圆形凹槽11，纵、横向凹槽11交点应与管片5内表面中心点重合，同时，四周也预留螺孔12，用于管片5之间的连接；

（3）预制箱梁仰拱9：按设计尺寸预制箱梁仰拱9，箱梁仰拱9的内截面为梯形空心，在竖直段距离顶面50~60mm范围内预留钢筋，用于与地梁3相连，顶面距离边界70~80mm范围内通长预留钢筋，用于与二次衬砌13相连；

（4）制作螺旋钻头14、标准节钢管15和尾节钢管16：根据设计图纸制作标准节钢管15，并且在标准节钢管15两端分别制作内、外螺纹，在其侧壁开设梅花型布置的出浆孔17；制作壁厚与标准节钢管15相同的螺旋钻头14，螺旋钻头14一端做成锥形，另一端制作与标准节钢管15相配套的内螺纹，外侧开设出浆孔17并焊接连续的螺旋叶片；制作尾节钢管16，尾节钢管16除侧壁不开设出浆孔17外，其余特征均与标准节钢管15相同；

（5）制作异径连接器2：选择两节直径不同圆柱钢管和圆形钢板，其中一节钢管直径与尾节钢管16的直径相同，且一节钢管带有与尾节钢管16相配合的外螺纹；并且另一节钢管内直径与钢管拱架4外直径一致，将两节钢管对拼焊接在圆形钢板上，完成异径连接器2的制作；

（6）隧道断面开挖和施工第一类支承桩1：开挖隧道，做临时支护，按设计要求测量放线，定出拱脚处第一类支承桩1的位置，并确定其所需要标准节钢管15和尾节钢管16的数量；将螺旋钻头14、标准节钢管15与尾节钢管16连接成为螺旋钢桩10，选择合适钻机，将螺旋钢桩10钻入稳定土层；向钻入土层中的螺旋钢桩10内放入钢筋骨架，并压力注入混凝土，完成第一类支承桩1施工；在第一类支承桩1顶端通过螺纹安装异径连接器2；以同样方法施工下一断面的第一类支承桩1，形成第一个施工标段；

（7）管片5与钢管拱架4施工：以临时支护辅助管片5安装施工，首先装配隧道下部两侧的管片5，再装配两侧上部，最后装配拱顶，通过螺栓将相邻管片5连接成为整体；将环向钢管嵌套在管片5的凹槽11内，下端插入与第一类支承桩1顶端螺纹连接的异径连接器2内，并焊接，按相同方法施工下一个环向钢管，环向钢管之间由纵向钢管贯通焊接；以同样方法完成第一标段内所有的管片5与钢管拱架4施工；

（8）施工地梁3：测量放线定出地梁3位置，支模板，绑扎钢筋，浇筑混凝土，完成第一标段内地梁3施工；施工时，地梁3内侧距离顶面50~60mm需要预留钢筋，按设计要求在地梁3与钢管拱架4相交处预留排水沟18的位置；

（9）施工第二类支承桩6：按设计位置测量放线，定出第二类支承桩6的位置，并确定其所需要标准节钢管15和尾节钢管16的数量；将螺旋钻头14、标准节钢管15与尾节钢管16连接成为螺旋钢桩10，选择合适钻机，将螺旋钢桩10钻入稳定土层；向钻入土层中的螺旋钢桩10压力注入混凝土，完成该断面第二类支承桩6施工；以同样方法施工第一标段内的所有第二类支承桩6；

（10）现浇盖梁7：测量放线定出盖梁7的位置，按设计标高支模板，布置钢筋，浇筑混凝土，当盖梁7支座混凝土强度达到80%以上，清理盖梁7上表面，铺装橡胶垫8；

（11）施工箱梁仰拱9：把事先预制好的箱梁仰拱9吊装至设计位置，并将箱梁仰拱9两侧预留钢筋分别与地梁3预留钢筋焊接，浇筑混凝土，从而将箱梁仰拱9与地梁3相连成为整体；

（12）施工二次衬砌13：按设计要求进行钢筋网的绑扎，与箱梁仰拱9上侧预留的钢筋绑扎成整体，模筑砼，完成第一标段二次衬砌13的施工；

（13）按照施工步骤（6）~（12）的方法继续施工下一标段，直至形成完整的支护结构。

本发明的有益效果：与现有的隧道支护结构相比这种地下结构具有以下优点：（1）该结构是一种全新的隧道结构，第一类支承桩、管片、钢管拱架和地梁组成衬砌体系，这种衬砌结构刚度大，可以有效的抵抗围岩体的变形；由第二类支承桩、盖梁和箱梁仰拱构成了套桥结构，具有桥梁结构跨越能力，可以跨越溶洞、地下暗河、软弱地基等不良地质；初次衬砌体系与套桥结构通过箱梁仰拱与两侧地梁各自预留的钢筋现浇连接成整体，因此该结构具有整体性强、承载力大、封闭性好等特点；（2）第一类支承桩通过异径连接器与空间网格形的钢管拱架相连接，并向第一类支承桩内放入钢筋骨架压力注入密实的混凝土，这种组合结构承载力高、变形小，利用外侧的管片可以把港道周围的地下水排出洞外，减小了作用隧道上的静水压力；（3）二次衬砌和箱梁仰拱形成一个圆形的封闭环，圆形截面结构受力合理，承载能力强，是理想的几何承载体；（4）箱梁仰拱、管片为工厂预制较传统的隧道施工可缩短工期，箱梁仰拱中间为梯形空心可以部署隧道的附属设施，节省隧道建筑空间；（5）在盖梁上表面设置橡胶垫，橡胶垫具有隔振功能，可以弱化由于车辆的行驶带来的振动，从而增加隧道的抗振能力；（6）螺旋钢桩内压力注入混凝土，混凝土浆液通过侧壁上的出浆孔可以把周围岩体加固，桩周围较小的溶洞填实，增加隧道的整体稳定性。

附图说明

图1、图3为本发明结构示意图，图2为图1结构a-a向剖面图，图4管片示意图，图5为箱梁仰拱示意图，图6为盖梁示意图，图7为螺旋钢桩示意图，图8是标准节钢管的结构图，图9为螺旋钻头的结构图，图10是尾节钢管的结构图，图11是异径连接器的结构示意图。附图标记及对应名称为：第一类支承桩1、异径连接器2、地梁3、钢管拱架4、管片5、第二类支承桩6、盖梁7、橡胶垫8、箱梁仰拱9、螺旋钢桩10、凹槽11、螺孔12、二次衬砌13、螺旋钻头14、标准节钢管15、尾节钢管16、出浆孔17、排水沟18、楔体凹槽19。

具体实施方式

本发明运用的技术原理：（1）支护原理：第一类支承桩下端打入稳定土层，通过异径连接器与钢管拱架相连，并向第一类支承桩内放入钢筋骨架压力注入混凝土，地梁连接纵向的第一类支承桩，管片嵌套在钢管拱架上表面，形成一个初次衬砌体系；由箱梁仰拱、盖梁、第二类支承桩构成套桥结构；衬砌体系与套桥结构通过箱梁仰拱与两侧地梁各自预留的钢筋浇筑连接成整体，这种组合结构刚度大、整体性好，可以有效的承载、传递围岩压力，释放静水压力；（2）桥梁跨越原理：本结构是隧道支护结构和桥梁结构相结合的一种新的隧道结构，主要运用桥梁结构跨越能力强，当隧道遇到溶洞、地下暗河、软弱地基层等不良地质，提供一种隧道地基处理的方法；（3）地基处理原理：结构下部的支承桩侧壁开有出浆孔，混凝土浆液通过出浆孔渗入桩周围的岩体裂隙之中，使裂隙的岩体胶固在一起，增加岩体地基的承载能力。

下面结合附图及具体实施实例对本发明进一步说明，所举实例只用于解释本发明并非仅限于本实例。在阅读本发明后，凡在本发明原理所做的等同替换、修改都属于本发明的保护范围。

如图1~图11所示，穿越不良地质隧道套桥地下结构由初次衬砌体系、套桥结构和二次衬砌13组成；初次衬砌体系包括第一类支承桩1、异径连接器2、地梁3、钢管拱架4和管片5；套桥结构包括第二类支承桩6、盖梁7、橡胶垫8和箱梁仰拱9；位于隧道两侧拱脚处的第一类支承桩1由螺旋钢桩10内加入钢筋骨架并注浆而成，沿隧道掘进方向间隔布置；钢管拱架4是由环向和纵向钢管相互正交贯通构成的空间网格结构；管片5为预制的弧形片状钢筋混凝土结构，在内表面设有与钢管拱架4相匹配的纵、横向凹槽11，纵、横向凹槽11交点与管片5内表面中心点重合，且内表面四周留有螺孔12，用螺栓穿过螺孔12将其它管片5连接成为整体；将管片5通过凹槽11嵌套在钢管拱架4上，钢管拱架4下端插入异径连接器2一端，异径连接器2另一端通过螺纹内套于第一类支承桩1顶部端口，在第一类支承桩1、异径连接器2和钢管拱架4连接处沿隧道纵向浇筑地梁3，形成初次衬砌体系；第二类支承桩6位于开挖断面两侧地梁3之间，并在桩顶现浇盖梁7，盖梁7上铺一层橡胶垫8，吊装箱梁仰拱9至橡胶垫8上形成套桥结构；初次衬砌体系与套桥结构通过箱梁仰拱9和两侧地梁3各自预留的钢筋浇筑连接成整体；在钢管拱架4内侧施工二次衬砌13，并将二次衬砌13底端与箱梁仰拱9上侧预留钢筋现浇连接，形成一种穿越不良地质隧道套桥地下结构。

如图1~图3所示，第一类支承桩1长8~10m，沿隧道掘进方向2~3m间隔布置；第二类支承桩6长7~9m，横向间距为2~3m，纵向间距2~3m。

如图7、图8、图9、图10所示，螺旋钢桩10由螺旋钻头14、标准节钢管15和尾节钢管16三部分组成；其中标准节钢管15一端带有内螺纹，另一端带有与内螺纹相配套的外螺纹，钢管直径为500~1000mm，壁厚8~12mm，长1.0~1.5m，侧壁梅花型布置直径为30~50mm的出浆孔17；螺旋钻头14直径、壁厚均与标准节钢管15相同，长度500~800mm，一端呈锥形，另一端带有与标准节钢管15外螺纹相配套的内螺纹，螺旋钻头14上还分布有与标准节钢管15相同的出浆孔17，并且外侧壁焊接有连续的螺旋叶片；尾节钢管16长度为1~1.5m，除侧壁不开设出浆孔17外，其余特征均与标准节钢管15相同；螺旋钻头14、标准节钢管15与尾节钢管16依次通过相配套的螺纹相连形成螺旋钢桩10。

如图1~图3所示，钢管拱架4中的环向钢管是由三分之二圆弧形钢管和竖直钢管构成，竖直钢管焊接在圆弧钢管下端口，所用钢管直径为100~150mm，壁厚3~5mm，钢管环向与纵向间距均为1.0~1.5m，竖直段长度为0.2~0.4m。

如图1、图3、图4所示，管片5是由透水混凝土和内侧不透水混凝土浇筑而成，管片5曲率与钢管拱架4曲率一致，外侧透水混凝土厚30~50mm，内侧不透水混凝土厚120~150mm，尺寸与钢管拱架4的环向和纵向间距相同，管片5内侧还预留有与钢管拱架4相配合的半圆形凹槽11，纵、横向凹槽11交点与管片5内表面中心点重合；管片5内表面四周设有楔体凹槽19，楔体凹槽19高70~80mm，底边宽70~80mm，距离管片5边为100~120mm；螺孔12为弧形，其直径30~40mm，螺孔12一端口位于楔体凹槽19内侧梯形截面上，另一端口从管片5侧面穿出，螺孔12距离管片5内表面50~60mm。

如图11所示，异径连接器2由两节长度为0.2~0.4m、直径不同的圆柱钢管对拼焊接在圆形钢板上；一节钢管直径与尾节钢管16的直径相同，并且带有与尾节钢管16相配合的外螺纹；另一节钢管内直径大小与钢管拱架4环向钢管外直径一致；圆形钢板直径大于尾节钢管16直径10~20mm。

如图1~图3所示，地梁3为混凝土现浇而成的长方体构筑物，高1.0~1.5m，宽1.0~1.3m，与钢管拱架4相交处设有半圆形排水沟18，其直径为120~150mm。

如图1、图2、图3、图5所示，箱梁仰拱9为工厂预制的钢筋混凝土结构，长5~10m，高0.8~1.8m；箱梁仰拱9上顶边宽5~10m，两侧顶部设有0.3~0.6m的竖直段，下底边为圆弧形；箱梁仰拱9内截面为梯形空心，在竖直段距离顶面50~60mm范围内通长预留水平方向的钢筋，顶面距离边界70~80mm范围内通长预留竖直方向的钢筋。

如图1、图2、图3、图6所示，盖梁7为现浇而成的钢筋混凝土结构，其上表面为内凹的圆弧面，曲率与箱梁仰拱9下表面曲率一致。

如图1~图11所示，一种穿越不良地质隧道套桥地下结构的施工方法，其施工步骤为：

（1）制作钢管拱架4构件：钢管拱架4所用钢管直径为100~150mm，壁厚为3~5mm，钢管环向与纵向间距均为1.0~1.5m，竖直段钢管与环向钢管焊接连接；

（2）预制管片5：在工厂预制厚度为100~150mm，尺寸与钢管拱架4环向和纵向间距相同的管片5，并在其内侧预留与钢管拱架4相配合的半圆形凹槽11，纵、横向凹槽11交点与管片5内表面中心点重合，四周也预留螺孔12，用于管片5之间的连接；

（3）预制箱梁仰拱9：预制长度为5~10m、高0.8~1.8m的箱梁仰拱9，其上顶边宽为5~10m，两侧为0.3~0.6m的竖直段，下底边为圆弧形；箱梁仰拱9内截面为梯形空心，在竖直段距离顶面50~60mm范围内预留钢筋，用于与地梁3相连，顶面距离边界70~80mm范围内通长预留钢筋，用于与二次衬砌13相连；

（4）制作螺旋钻头14、标准节钢管15和尾节钢管16：制作直径为500~1000mm、壁厚8~12mm、长1~1.5m的标准节钢管15，并且在标准节钢管15两端分别制作内、外螺纹，在其侧壁开设孔径为30~50mm、梅花型布置的出浆孔17；制作长度为500~800mm、直径、壁厚均与标准节钢管15相同的螺旋钻头14，螺旋钻头14一端做成锥形，另一端制作与标准节钢管15相配套的内螺纹，外侧开设出浆孔17并焊接连续的螺旋叶片；制作长度为1~1.5m的尾节钢管16，尾节钢管16除侧壁不开设出浆孔17外，其余特征均与标准节钢管15相同；

（5）制作异径连接器2：选择两节长度为0.2~0.4m的圆柱钢管和直径大于尾节钢管16直径10~20mm的圆形钢板，其中一节钢管直径与尾节钢管16的直径相同，且一端带有与尾节钢管16相配合的外螺纹；另一节钢管外直径与钢管拱架4外直径一致，将两节钢管对拼焊接在圆形钢板上，完成异径连接器2的制作；

（6）隧道断面开挖和施工第一类支承桩1：开挖隧道，做临时支护，按设计要求测量放线，定出第一类支承桩1的位置，并确定支承桩1所需要标准节钢管15和尾节钢管16的数量；将螺旋钻头14、标准节钢管15与尾节钢管16连接成为螺旋钢桩10，选择合适钻机，将螺旋钢桩10钻入稳定土层；向钻入土层中的螺旋钢桩10内放入钢筋骨架，并压力注入混凝土，完成第一类支承桩1施工；在第一类支承桩1顶端通过螺纹安装异径连接器2；以同样方法施工下一断面的第一类支承桩1，形成第一个施工标段；

（7）管片5与钢管拱架4施工：以临时支护辅助管片5安装施工，首先装配隧道下部两侧的管片5，再装配两侧上部，最后装配拱顶，通过螺栓将相邻管片5连接成为整体；将环向钢管嵌套在管片5的凹槽11内，下端插入与第一类支承桩1顶端螺纹连接的异径连接器2内，并焊接，按相同方法施工下一个环向钢管，环向钢管之间由纵向钢管贯通焊接；以同样方法完成第一标段内所有的管片5与钢管拱架4施工；

（8）施工地梁3：测量放线定出地梁3位置，支模板，绑扎钢筋，浇筑混凝土，完成第一标段内地梁3施工；施工时，地梁3内侧距离顶面50~60mm需要预留钢筋，按设计要求在地梁3与钢管拱架4相交处预留排水沟18的位置；

（9）施工第二类支承桩6：按设计位置测量放线，定出第二类支承桩6的位置，并确定其所需要标准节钢管15和尾节钢管16的数量；将螺旋钻头14、标准节钢管15与尾节钢管16连接成为螺旋钢桩10，选择合适钻机，将螺旋钢桩10钻入稳定土层；向钻入土层中的螺旋钢桩10压力注入混凝土，完成该断面第二类支承桩6施工；以同样方法施工第一标段内的所有第二类支承桩6；

（10）现浇盖梁7：测量放线定出盖梁7的位置，按设计标高支模板，布置钢筋，浇筑混凝土，当盖梁7混凝土强度达到80%以上，清理盖梁7上表面，铺装橡胶垫8；

（11）施工箱梁仰拱9：把事先预制好的箱梁仰拱9吊装至设计位置，并将箱梁仰拱9两侧预留钢筋分别与地梁3预留钢筋焊接，浇筑混凝土，从而将箱梁仰拱9与地梁3相连成为整体；

（12）施工二次衬砌13：按设计要求进行钢筋网的绑扎，与箱梁仰拱9上侧预留的钢筋绑扎成整体，模筑砼，完成第一标段二次衬砌13的施工；

（13）按照施工步骤（6）~（12）的方法继续施工下一标段，直至形成完整的支护结构。