基于监控量测控制隧道初期支护变形的支护结构及施工方法与流程

本发明涉及一种支护结构，具体涉及一种基于监控量测控制隧道初期支护变形的支护结构，还涉及施工方法，属于隧道结构工程领域。

背景技术：

近年来，西南地区铁路工程建设发展如火如荼，玉磨线、大临线、丽香线等多条铁路干线相继在西南山区开工建设。受限于西南山区“山高、坡陡、谷深”的地形地貌特点，山岭隧道在铁路工程中的占比越来越大。西南山区工程地质条件复杂多变，目前铁路干线多以160km/h的客货共线为主，隧道断面大多采用“瘦高”的马蹄形断面。该类型结构断面在软弱围岩环境条件下初期支护结构力学性能较差，容易发生结构大变形，导致拱腰部位初支侵限、钢架扭曲、喷射混凝土开裂、剥落等病害问题。

对于软岩大变形的控制方法，目前业界的共识思路是“先让后抗”，所述“先让后抗”是指允许隧道有一定的变形，当变形即将侵限时，采用加强初支或二次衬砌提供更高的抵抗能力，以减少侵限导致的换拱而新增安全风险和工期风险。在此过程中，往往增加了大量的工程措施如采取增大预留变形量、增强初期支护钢架刚度、增长系统锚杆和增加锁脚锚杆数量等措施。这些措施的增加，如参数选择不当不但导致投资的大幅增加，而且由于工序的增加，工期大大延长，这是使得目前软弱大变形隧道工期滞后，投资大幅增加的原因所在。

如何优化选择增强措施控制允许变形以保障安全，且又快又好的完成开挖支护及二次衬砌施做是值得讨论及迫切需要解决的问题，研究新的支护体系及施工方法具有较大的经济意义和重要社会意义。

技术实现要素：

基于上述工程问题，我们提出一种基于监控量测控制隧道初期支护变形的支护结构及施工方法。

本发明的原理是：在软弱围岩隧道开挖临空面形成后，由于软弱围岩隧道内卸荷导致围岩向隧道内径向变形。围岩越软弱，围岩形变越大。根据这一特性，根据监测已施做初期支护的拱脚变形绝对位移，改变接头处初期支护钢架的线型，增大初期支护钢架曲率，其在软弱围岩的“压”力作用下，通过有限度的“让”向隧道内弯曲变形，其经历“让”的过程，钢架线型逐渐与原设计线型接近，待下台阶开挖后与下台阶钢架顺接，确保钢架线型圆顺，全环受力以控制大变形发展。

本发明解决技术问题的具体方案如下：

一种基于监控量测控制隧道初期支护变形的支护结构，其特征在于：包括依次连接的沿隧道上台阶设置的拱部钢架、中台阶边墙钢架和下台阶边墙钢架，隧道底部设置仰拱钢架；上台阶拱部钢架、中台阶边墙钢架及下台阶边墙钢架脚部均设置锁脚锚管，仰拱钢架设置若干系统锚杆进行锚固；中台阶边墙钢架和上台阶拱部钢架通过螺栓进行动态连接，动态连接件包括设于拱部钢架底端的滑槽连接板、设于中台阶边墙钢架上端的圆孔连接板，滑槽连接板和圆孔连接板通过螺栓连接，螺栓可沿滑槽连接板的滑槽移动。

进一步地，滑槽连接板和圆孔连接板分别通过角钢设于拱部钢架和边墙钢架上，滑槽连接板上对称分布若干滑槽，圆孔连接板对应分布有若干圆孔。

进一步地，两侧中台阶边墙钢架单侧或两侧均通过滑槽连接板和圆孔连接板与上台阶拱部钢架动态连接。

进一步地，拱部钢架、中台阶边墙钢架和下台阶边墙钢架之间均可通过滑槽连接板和圆孔连接板动态连接。

进一步地，钢架之间纵向通过I14或I16型钢构件连接，所述钢构架设于钢架的腹板上，且避开锁脚锚管。

本发明涉及的基于监控量测控制软弱围岩大变形隧道变形的隧道支护结构施工方法，包括如下步骤：

步骤（1）、将隧道分为上、中、下三个台阶开挖，开挖后初喷，施做钢筋网，架立钢架后复喷；

步骤（2）、复喷完毕后立即对已经施做的上台阶进行初期支护断面扫描，记录断面里程，作为对比分析初始依据；

步骤（3）、在后续中台阶、下台阶施工过程中，对已施做的段落进行监控量测，观测拱顶、拱腰及上、中台阶连接处的水平位移和竖向位移进行监测，得到该里程断面连接处水平位移x、及竖向位移y的变化趋势及累计值；

步骤（4）、根据上述得到的监测数据，确定断面拱顶、拱腰及连接处的绝对坐标，

并对比同一里程断面先后两次断面扫描数据，确定各部位位移；

步骤（5）、根据上台阶顶部、拱部钢架底部连接处及上台阶中部的三点监测数据绘制第一圆半径及圆心，将所绘制圆的圆心移动至原设计圆心位置，对比两圆弧增量即为该段预留变形量增量δ1；

根据上台阶与中台阶一侧连接处、中台阶与下台阶连接处以及中台阶中点确定第二圆半径及圆心，重复上述步骤，所述增量即为该段预留变形量增量δ2；

步骤（6）、定义合理预留变形量为δt，δt=初始变形Δ+max{δ1、δ2}+10，单位cm；其中，初始变形Δ为未被监测到的隧道开挖卸荷后既已发生的变形，通过数值计算位移反分析得到；

步骤（7）、根据所述合理预留变形量，进行钢架制作，并组装得到隧道支护结构，包括根据监控量测调整后的隧道上台阶设置的拱部钢架、两侧设置的中台阶边墙钢架和下台阶钢架，以及仰拱钢架；

其中，施工完成上台阶后，初喷射混凝土后及时架立拱部钢架并施做锁脚锚管，拱部钢架脚部采用滑槽式连接板；开挖中台阶后，初喷射混凝土后及时架立中台阶边墙钢架，使中台阶边墙钢架顶部的圆孔连接板与上台阶拱部钢架底端滑槽式连接板对齐，插入螺栓，调整中台阶钢架位置，保证上下钢架轴线顺直，紧固螺帽；滑槽空隙中，插入废钢筋焊满；开挖下台阶及仰拱，及时施做仰拱钢架，尽早封闭成环；仰拱钢架下设置系统锚杆，与仰拱钢架相连。

进一步地，步骤（7）中，还包括施做超前支护，超前支护为小导管或中管棚，施做超前支护后，注水泥-水玻璃双液浆。

进一步地，超前支护的保护下，按照调整后的钢架轮廓线进行上台阶边墙开挖，施做初喷混凝土及钢筋网，架立上台阶钢架并在钢架脚部垫方木板。

进一步地，截取I14或I16型钢构件，将两榀钢架的钢架腹板连接。

进一步地，将锁脚锚管设于钢架上，锁脚锚管内注水泥-水玻璃双液浆。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明采用三点法确定初支钢架轴线半径调整量，通过改变拱墙部位钢架接头形式，采用新型滑槽式连接板接头，可有效保证初期支护钢架圆顺性、受力的合理性及支护结构的整体稳定性，实现动态支护功能。通过采用新型滑槽连接板可有效避免软弱围岩中隧道由于变形大而造成的初期支护钢架接口张开、扭曲甚至破坏导致的钢架失效现象，使大变形控制在允许范围，为软弱围岩大变形隧道预留变形量确定提供有效方法。

附图说明

图1为本发明支护系统的隧道上台阶钢架调整示意图；

图2为本发明支护系统的隧道中台阶钢架调整示意图；

图3为本发明支护系统的隧道仰拱锚杆的结构示意图；

图4为本发明支护系统的第一连接件的结构示意图；

图5为本发明支护系统的第一连接件的俯视图；

图6为本发明支护系统的第一连接件的仰视图；

图7为本发明支护系统的钢架纵向连接的结构示意图；

图中各标号为：1-上台阶；2-中台阶；3-下台阶；4-拱部钢架；5-第一连接件；5.1-滑槽连接板；5.2-圆孔连接板；5.3-角钢；5.4-钢构件；6-第一锁脚锚管；r1-原设计第一圆半径；r1’-第一圆半径；7-第二锁脚锚管；8-中台阶边墙钢架；9-第二连接件；10-第一中点；r2-原设计第二圆半径；r2’-第二圆半径；11-下台阶边墙钢架；12-仰拱锚杆；13-仰拱钢架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是对本发明一部分实例，而不是全部的实例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1-3所示，本实施例的监控量测控制变形的隧道支护结构，包括沿隧道上台阶1设置的拱部钢架4、沿中台阶2设置的中台阶边墙钢架8和沿下台阶3设置的下台阶边墙钢架11，钢架之间采用螺栓连接，拱部钢架4上设有第一锁脚锚管6，中台阶边墙钢架8和下台阶边墙钢架11上设有第二锁脚锚管7，其中一个中台阶边墙钢架8通过第一连接件5与拱部钢架4连接，如图3所示，隧道底部设置仰拱钢架13，仰拱钢架13由仰拱锚杆12连接。

如图4所示，第一连接件5包括设于拱部钢架4末端的滑槽连接板5.1、设于中台阶边墙钢架8一端的圆孔连接板5.2，滑槽连接板5.1和圆孔连接板5.2分别通过角钢5.3设于拱部钢架4和中台阶边墙钢架8上，如图5-6所示，滑槽连接板5.1上对称分布4个滑槽，圆孔连接板5.2对应分布有4个圆孔，两者可通过常规的螺栓等方式连接，滑槽起到限位作用，能使得圆孔沿滑槽发生一定的移动即可，如此动态连接固定上下两段钢架，是控制隧道软岩大变形的关键。其余的钢架之间可以按照常规方式连接。

如图7所示，两榀钢架纵向之间通过I14或I16型钢构件5.4连接，钢构件5.4设于钢架的腹板上，且避开锁脚锚管。

钢架材料为Q235b的工字钢如I18、I20b、I22b及I25b，但不限于上述型号，也包括H型钢。滑槽连接板可采用Q235b钢板、槽钢等设置长方形连接孔的连接板，通过调整螺栓连接位置以保证钢架连接圆顺，受力合理，避免出现因连接板孔位不对应导致无法采用螺栓连接的情况。

在软弱围岩大变形地段隧道开挖过程中，当围岩及初支钢架径向变形较大时，可根据实时监控量测数据，采用三点法确定原设计钢架轴线半径调整量，通过采用滑槽连接板5.1及钢构件5.4改变初支钢架接头形式，加强钢架之间的连接效果，保证初期支护钢架的圆顺性及整体稳定性，实现动态支护功能。

控制拱脚收敛，进而控制边墙局部收敛过大导致的侵限。本领域技术人员知晓，本实施例不局限于马蹄形隧道，还可以用于三心圆、四心圆及五心圆等形状隧道。

基于上述支护结构，本实施例在保证施工安全及控制变形思路指导下，将隧道分为上中下三个台阶开挖，充分利用新奥法施工岩体自身的承载能力及抵抗变形能力，通过改变初期支护轮廓，利用监控量测数据，将控制变形和保证初期支护充分受力结合起来。

本实施例的监控量测控制软弱围岩大变形隧道变形的方法，具体包括如下步骤：

步骤（1）、如图1所示，将隧道分为上、中、下三个台阶开挖，开挖后初喷，施做钢筋网，架立钢架后复喷；

步骤（2）、复喷完毕后立即对已经施做的上台阶进行初期支护断面扫描，记录断面里程，作为对比分析初始依据；

步骤（3）、在后续中台阶、下台阶施工过程中，对已施做的段落进行监控量测，观测拱顶、拱腰及上、中台阶连接处的水平位移和竖向位移进行监测，得到该里程断面连接板处水平位移x、及竖向位移y的变化趋势及累计值；二次衬砌施做之前，再次对初期支护段落进行断面扫描；在软弱围岩大变形地段隧道开挖过程中，当围岩及初支钢架径向变形较大时，可利用实时监控量测数据。

步骤（4）、根据上述得到的监测数据，确定断面拱顶、拱腰及连接处的绝对坐标，并对比同一里程断面先后两次断面扫描数据，确定各部位位移；

步骤（5）、根据上台阶顶部、拱部钢架底部连接板处及上台阶中部第一中点10的三点监测数据绘制第一圆半径及圆心，将所绘制圆的圆心移动至原设计圆心位置，对比两圆弧增量即为该段预留变形量增量δ1；

如图2所示，根据上台阶与中台阶一侧连接板处、中台阶与下台阶连接处以及中台阶中点确定第二圆半径及圆心，重复上述步骤，所述增量即为该段预留变形量增量δ2；

步骤（6）、定义合理预留变形量为δt，δt=初始变形Δ+max{δ1、δ2}+10，单位cm；其中，初始变形Δ为未被监测到的隧道开挖卸荷后既已发生的变形，通过数值计算位移反分析得到；

步骤（7）、根据所述合理预留变形量，进行钢架和连接件的制作，确定连接件的滑槽和孔的尺寸，并组装得到本实施例的隧道支护结构，包括根据监控量测调整后的隧道上台阶设置的拱部钢架、两侧设置的中台阶边墙钢架和下台阶钢架，以及仰拱钢架。

其中，施工完成上台阶后，初喷射混凝土后及时架立拱部钢架并施做锁脚锚管，拱部钢架脚部采用滑槽式连接板。开挖中台阶后，初喷射混凝土后及时架立中台阶边墙钢架，使中台阶边墙钢架顶部的圆孔连接板与上台阶拱部钢架底端滑槽式连接板对齐，插入螺栓，调整中台阶钢架位置，保证上下钢架轴线顺直，紧固螺帽。滑槽空隙中，插入废钢筋焊满。开挖下台阶及仰拱，及时施做仰拱钢架，尽早封闭成环。仰拱钢架下设置系统锚杆，与仰拱钢架相连。

其中，步骤（7）中，还需要施做超前支护，根据掌子面的稳定情况，调整超前支护的类型、间距及长度。超前支护类型可选小导管（Φ42）、中管棚（Φ60或Φ76）；超前支护长度为钢架间距的整数倍加富余长度，并取整米长度。施做超前支护后，注水泥-水玻璃双液浆，以固结掌子面前方岩体。在超前支护的保护下，按照调整后的钢架轮廓线进行上台阶边墙开挖，及时施做初喷混凝土及钢筋网。架立上台阶钢架并在钢架脚部垫厚10cm，宽50cm，长50cm的方木板，以增大受力面积并提供可供钢架脚部变形的平面。

为增加钢架整体性，增加钢架跨度。可现场截取I14或I16型钢构件，连接两榀钢架，焊接于钢架腹板上，如图7所示，环向间距2m，避开锁脚锚管位置。

施工锁脚锚管时，锁脚锚管与钢架连接牢固以控制变形。锁脚锚管内注水泥-水玻璃双液浆，对周围软弱围岩进行加固。

另外，中台阶开挖时，上台阶已发生变形，钢架发生收敛。根据变形程度，中台阶开挖后，拱部钢架和中台阶边墙钢架通过第一连接件连接，保证钢架轴线的圆顺，受力合理。

仰拱开挖后清理虚碴并及时进行底部初期支护钢架施工，尽早成环。每榀型钢下钻设Φ20钻孔，深1.5m。打设长2m的Φ22螺纹钢筋，即仰拱锚杆8，间距1m，所述螺纹钢筋交错于钢架两侧布置，并与仰拱钢架焊接牢固，拉住仰拱钢架，抑制软岩隧道仰拱底鼓及上浮。

实施例2

如图2所示，针对隧道两侧都会发生变形的情形，本实施例中，两侧中台阶边墙钢架8均通过滑槽连接板5.1和圆孔连接板5.2与上台阶拱部钢架4连接，其余与实施例1相同。

实施例3

拱部钢架4、中台阶边墙钢架8之间通过第一连接件5连接，两侧中台阶边墙钢架8和下台阶边墙钢架11之间通过第二连接件9连接，第一连接件5和第二连接件9结构相同，均通过滑槽连接板5.1和圆孔连接板5.2动态连接，其余与实施例1相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。