一种隧洞大截面超挖衬砌支护及自主卸压装置及施工方法与流程

本方法涉及一种利用超挖来缩短隧洞从开挖到变形稳定的时间的方法，主要适用于隧洞,巷道等缩短工期等领域。

背景技术：

隧洞的开挖伴随着复杂且漫长的支护过程，隧洞开挖支护这个过程极为漫长，隧洞一般从开挖到变形稳定需要3-5年时间，若围岩变形产生的应力过大导致一衬被破坏，则需要进行修护，不仅可能造成人员伤亡而且延长了工期。

在隧道实际修建过程所遇到的诸多问题里，最棘手的就是隧道在软弱围岩中开挖后因围岩蠕变造成的大变形问题，隧洞开挖后其破坏的根源就是开挖后围岩蠕变量过大，支护结构强度小难以抵抗巨大的地应力作用导致支护结构乃至二衬变形破坏严重，从而造成了一系列导致经济损失甚至威胁施工安全的变形破坏。另外，隧道开挖后因围岩蠕变产生的大变形易导致围岩失稳，幸使及时发现安全隐患的问题所在，也会因围岩变形产生的一系列施工问题导致施工设计变更，进而影响施工的进度以至于最后投资追加无法估量。

针对软岩隧洞存在的工程问题，目前许多学者在软岩蠕变机理和软岩隧洞的支护方式进行了大量的研究，但少有从隧道预变形腔体及超挖填充卸除流质充填物来保护隧洞整体的结构填充支护方面进行研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种隧洞大截面超挖衬砌支护及自主卸压装置及施工方法，针对软岩隧洞存在软岩蠕变量大、变形时间长，衬砌施加后导致支护结构破坏、钢拱架应力及配筋衬砌钢筋轴力不均匀、施工的成本高等问题，通过在隧洞开挖后超前开挖形成开挖槽，在预变形腔体及超前开挖槽内填充流质充填物，并自主设计自动卸压装置及时快速卸除围岩荷载，随着围岩荷载的增大通过卸载装置自动卸除流质充填物，卸除围岩荷载，分散掉一部分围岩产生的应力，从而对后续的二次衬砌钢拱架及混凝土结构层形成一种保护，一定程度上减少了二次衬砌的破坏程度，具有较大的工程应用前景和市场价值。

该装置的工作的原理为更好的卸除隧洞开挖后围岩变形的应力，在隧洞开挖超前开挖槽，在超前开挖槽和预留变形量内充填流质充填物，其充填物在隧洞变形前期可提供指定支护力f，利用其流动性均化卸除部分围岩应力荷载，随着围岩变形荷载的增大，会挤压超前开挖槽中的流质填充物，砂体流动从而使得卸压板上的蝶形弹簧产生的弹力p1小于围岩变形荷载p2使得卸压板受力不平衡，卸压板此刻倾斜与超前开挖槽口形成张角β形成大截面卸压口，流质填充物从缝隙中流出，使得围岩应力荷载快速卸除，在卸载过程中可折叠钢结构由于卸压板受力被拉伸拉着卸压板保证卸压板不会失稳侧翻。

随着填充物砂体卸出，围岩变形荷载p2同时减小到p3，此时弹力p1≥p3，卸压板回缩将超前开挖槽完全盖住保证砂体不在卸出，同时可折叠钢结构被压缩到原位，待到围岩继续变形产生较大荷载时重复上述受力过程，直至围岩变形稳定。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种隧洞大截面超挖衬砌支护及自主卸压装置，它包括围岩，所述围岩的内部设置有初次衬砌，所述围岩的受力较大区域且位于初次衬砌的内部开挖有超前开挖槽，在沿着隧洞纵深方向开挖有多个超前开挖区域；在初次衬砌的外表面设置有二次衬砌，所述初次衬砌和二次衬砌之间预留有预变形腔体；所述超前开挖槽内部填充有流质填充物；所述预变形腔体内部通过土工布包裹流质填充物进行填充；所述超前开挖槽的开口位置安装有用于自动卸压的大断面自主卸压结构。

所述大断面自主卸压结构包括卸压板，所述卸压板封堵在超前开挖槽的开口位置，在卸压板的另一端面固定有对称布置的铰支座，所述铰支座通过可折叠钢结构与二衬钢拱架上的铰支座铰接相连，所述二衬钢拱架设置在二次衬砌的内部，所述卸压板和二衬钢拱架之间通过固定座连接有弹簧。

所述卸压板采用钢板材料预制而成，其截面尺寸与超前开挖槽的开口尺寸保持相同。

所述可折叠钢结构由多根短钢片通过活动铰接支座相互铰接相连。

所述二衬钢拱架的内端面焊接固定有多个挂钩，二衬钢拱架的钢板面的顶角位置也焊接有安装可折叠钢结构的铰支座；所述二衬钢拱架上开设有用于注入流质填充物的预留孔，在二衬钢拱架的下端预留有用于卸沙或者注浆的注浆孔。

所述预变形腔体的间隙为20~40cm。

所述流质填充物采用砂、碎屑物、小粒径碎石或陶粒。

所述待围岩变形稳定后，通过注浆孔利用高压注浆，混凝土与填充物混合将超前开挖槽和预留变形量区封闭。

采用任意一项隧洞大截面超挖衬砌支护及自主卸压装置的施工方法，其特征在于它包括以下步骤：

step1：超前开挖槽的选取：利用flac3d软件建立隧洞模型对其进行围岩开挖卸荷后隧洞受力模拟，在工程中隧洞初次开挖并做好初次衬砌后对围岩受力较大的区域进行超挖，形成长宽高分别为a、b、c的超前开挖槽，在沿隧洞纵深方向形成多个超前开挖区域，对其进行简单支护并清理掉超前开挖槽中的碎石；

step2：初次衬砌施工：在隧洞开挖及超前开挖槽完成后，将隧洞开挖层碎石清理干净，利用钻孔设备钻孔，插入锚杆，浇筑完成后在锚杆上挂设柔性铁丝网，喷射混凝土养护形成初次衬砌；

step3：卸压板的制作：选取硬度足够大的钢板，将其尺寸加工成与超前开挖槽的槽口配合使用的卸压板，在其与二衬钢拱架相对面形心位置安装两个固定座，并在其四个角分别安装铰支座；

step4：弹簧安装：在卸压板及二衬钢拱架形心位置的固定座内部焊接挂钩，并将弹簧安装在二衬钢拱架与卸压板的固定座内部的挂钩上，采用数值模拟计算出各个位置的受力，所采用的可根据实际工程更换劲度系数不同的弹簧；

step5：可折叠钢结构安装：在卸压板及二衬钢拱架的四个角上分别焊接绞支座，预制刚度较大的短钢片，各个钢片之间用活动铰接支座铰接形成活动铰接支座，可折叠伸缩，通过可折叠钢结构将大断面自主卸压结构安装焊接在二衬钢拱架上，使得卸压板和二衬钢拱架衬砌结构固定在一起形成整体；

step6：流质填充物填充：在隧洞围岩的超前开挖槽内直接充填颗粒级配较好的流质填充物，对于预变形腔体部位用土工布包裹流质填充物将其固定在初衬锚杆上，并用卸压板阻挡槽口；

step7：二衬钢拱架的安装：根据隧洞形状及大小预制二衬钢拱架，对于隧洞顶部所对应的二衬钢拱架上要开设若干预留孔，二衬钢拱架下端预留注浆孔，在距离初衬20-40cm的位置安装二衬钢拱架及大断面自主卸压结构形成衬砌整体结构；

step8：卸压过程：其流质填充物在隧洞蠕变变形前期可提供指定支护力f，利用其流动性均化卸除部分围岩应力荷载，保证二衬钢拱架，随着围岩变形荷载的增大，会挤压超前开挖槽中的流质填充物，流质填充物流动从而使得卸压板上的弹簧产生的弹力p1小于围岩变形荷载p2使得卸压板受力不平衡，卸压板此刻倾斜与超前开挖槽口形成张角β形成大截面卸压口，流质填充物从缝隙中流出，使得围岩应力荷载快速卸除，在卸载过程中可折叠钢结构由于卸压板受力被拉伸拉着卸压板保证卸压板不会失稳侧翻；

step9：蝶形弹簧回位：随着填充物砂体卸出，围岩变形荷载p2同时减小到p3，此时弹力p1≥p3，卸压板回缩将超前开挖槽完全盖住保证砂体不在卸出，同时可折叠钢结构被压缩到原位，待到围岩继续变形产生较大荷载时重复上述受力过程，直至围岩变形稳定；

step10：混凝土砂浆封闭处理：待围岩变形稳定后，通过注浆孔利用高压注浆，混凝土与填充物混合将超前开挖槽和预留变形量区封闭。

本发明有如下有益效果：

1、本发明针对软岩隧洞存在软岩蠕变量大、变形时间长，衬砌施加后导致支护结构破坏、钢拱架应力及配筋衬砌钢筋轴力不均匀、施工的成本高等问题，提出一种可高效解决上述问题的隧洞大截面超挖衬砌支护的装置及方法。

2、本发明创新性的在实际隧洞工程中利用超前开挖，在预留变形量层和超前开挖区域填充流质充填物作为缓冲层，该缓冲层既能给围岩提供变形的空间又能通过缓冲层自身的强度消耗一部分围岩的应力，对二衬支护结构起到保护作用，从而使二衬支护效果达到最佳。

3、本发明将传统支护和让压支护结合在一起，既最大的发挥传统支护结构的支护效果，也巧妙的运用卸压装置快速卸除隧洞围岩产生的荷载。

4、本发明所提出的自动卸压装置可根据具体受力进行自动反馈，及时自动卸除围岩变形产生的荷载。

5、本发明填充的流质充填物及超前开挖槽中形成类真空结构，在一定程度上阻挡地震波的传播，保证隧洞的稳定性。

6、本发明可使二村钢拱架结构内部桁架大幅简化，不仅使受力更加简单而且节省了材料，可大幅缩短初衬和二衬之间的施工工期，使得二衬结构受力更加均匀，大幅降低隧洞衬砌支护钢筋用量及成本，安全可靠，方便便捷，为隧洞支护提供新的方法与技术，具有较大的工程应用前景和实用价值。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明隧洞初次衬砌支护整体示意图。

图2为本发明大截面超挖衬砌支护整体示意图。

图3该本发明隧洞大截面超挖自主卸压装置示意详图。

图4为本发明涉及的自主卸压装置工作示意详图。

图5为无流质充填衬砌及超挖支护隧洞二衬支护结构受力示意详图。

图6为填充流质充填衬砌及超挖支护初始阶段隧洞二衬支护结构受力示意详图。

图7为填充流质充填衬砌及超挖支护工作阶段隧洞二衬支护结构受力示意详图。

图中：围岩1，初次衬砌2、超前开挖槽3、超前开挖区域4、大断面自主卸压结构5、卸压板6、弹簧7、固定座8、铰支座9、可折叠钢结构10、活动铰接支座11、流质填充物12、二衬钢拱架13、二次衬砌14、预变形腔体15、注浆孔16、预留孔17、挂钩18。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

参见图1-7，一种隧洞大截面超挖衬砌支护及自主卸压装置，它包括围岩1，所述围岩1的内部设置有初次衬砌2，所述围岩1的受力较大区域且位于初次衬砌2的内部开挖有超前开挖槽3，在沿着隧洞纵深方向开挖有多个超前开挖区域4；在初次衬砌2的外表面设置有二次衬砌14，所述初次衬砌2和二次衬砌14之间预留有预变形腔体15；所述超前开挖槽3内部填充有流质填充物12；所述预变形腔体15内部通过土工布包裹流质填充物12进行填充；所述超前开挖槽3的开口位置安装有用于自动卸压的大断面自主卸压结构5。通过上述结构，在预留变形量及超前开挖槽内填充流质充填物，并自主设计大断面自主卸压结构5及时快速卸除围岩荷载，随着围岩荷载的增大通过卸载装置自动卸除流质充填物，卸除围岩荷载，分散掉一部分围岩产生的应力，从而对后续的二次衬砌钢拱架及混凝土结构层形成一种保护，一定程度上减少了二次衬砌的破坏程度，具有较大的工程应用前景和市场价值。

进一步的，所述大断面自主卸压结构5包括卸压板6，所述卸压板6封堵在超前开挖槽3的开口位置，在卸压板6的另一端面固定有对称布置的铰支座9，所述铰支座9通过可折叠钢结构10与二衬钢拱架13上的铰支座9铰接相连，所述二衬钢拱架13设置在二次衬砌14的内部，所述卸压板6和二衬钢拱架13之间通过固定座8连接有弹簧7。

进一步的，所述卸压板6采用钢板材料预制而成，其截面尺寸与超前开挖槽3的开口尺寸保持相同。通过上述的尺寸保证了能够对超前开挖槽3进行有效的封堵。

进一步的，所述可折叠钢结构10由多根短钢片通过活动铰接支座11相互铰接相连。通过上述的可折叠钢结构10将卸压板6和二衬钢拱架13衬砌结构固定在一起形成整体。

进一步的，所述二衬钢拱架13的内端面焊接固定有多个挂钩18，二衬钢拱架13的钢板面的顶角位置也焊接有安装可折叠钢结构10的铰支座9；所述二衬钢拱架13上开设有用于注入流质填充物的预留孔17，在二衬钢拱架13的下端预留有用于卸沙或者注浆的注浆孔16。

进一步的，所述预变形腔体15的间隙为20~40cm。通过软件模拟仿真，采用上述的间隙能够达到最佳的缓冲卸压效果。

进一步的，所述流质填充物12采用砂、碎屑物、小粒径碎石或陶粒。通过采用上述的材料，可保证其很好的流动性，进而起到卸压或者缓冲的目的。

实施例2：

采用任意一项隧洞大截面超挖衬砌支护及自主卸压装置的施工方法，其特征在于它包括以下步骤：

step1：超前开挖槽的选取：利用flac3d软件建立隧洞模型对其进行围岩开挖卸荷后隧洞受力模拟，在工程中隧洞初次开挖并做好初次衬砌2后对围岩1受力较大的区域进行超挖，形成长宽高分别为a、b、c的超前开挖槽3，在沿隧洞纵深方向形成多个超前开挖区域4，对其进行简单支护并清理掉超前开挖槽3中的碎石；

step2：初次衬砌施工：在隧洞开挖及超前开挖槽3完成后，将隧洞开挖层碎石清理干净，利用钻孔设备钻孔，插入锚杆，浇筑完成后在锚杆上挂设柔性铁丝网，喷射混凝土养护形成初次衬砌2；

step3：卸压板的制作：选取硬度足够大的钢板，将其尺寸加工成与超前开挖槽3的槽口配合使用的卸压板6，在其与二衬钢拱架13相对面形心位置安装两个固定座8，并在其四个角分别安装铰支座9；

step4：弹簧7安装：在卸压板6及二衬钢拱架13形心位置的固定座内部焊接挂钩18，并将弹簧安装在二衬钢拱架13与卸压板6的固定座内部的挂钩18上，采用数值模拟计算出各个位置的受力，所采用的7可根据实际工程更换劲度系数不同的弹簧；

step5：可折叠钢结构10安装：在卸压板6及二衬钢拱架13的四个角上分别焊接绞支座，预制刚度较大的短钢片，各个钢片之间用活动铰接支座11铰接形成活动铰接支座，可折叠伸缩，通过可折叠钢结构10将大断面自主卸压结构安装焊接在二衬钢拱架上，使得卸压板和二衬钢拱架衬砌结构固定在一起形成整体；

step6：流质填充物填充：在隧洞围岩的超前开挖槽3内直接充填颗粒级配较好的流质填充物12，对于预变形腔体15部位用土工布包裹流质填充物12将其固定在初衬锚杆上，并用卸压板阻挡槽口；

step7：二衬钢拱架13的安装：根据隧洞形状及大小预制二衬钢拱架13，对于隧洞顶部所对应的二衬钢拱架13上要开设若干预留孔17，二衬钢拱架13下端预留注浆孔16，在距离初衬20-40cm的位置安装二衬钢拱架13及大断面自主卸压结构5形成衬砌整体结构；

step8：卸压过程：其流质填充物12在隧洞蠕变变形前期可提供指定支护力f，利用其流动性均化卸除部分围岩应力荷载，保证二衬钢拱架13，随着围岩变形荷载的增大，会挤压超前开挖槽3中的流质填充物12，流质填充物12流动从而使得卸压板上的弹簧7产生的弹力p1小于围岩变形荷载p2使得卸压板受力不平衡，卸压板此刻倾斜与超前开挖槽口形成张角β形成大截面卸压口，流质填充物12从缝隙中流出，使得围岩应力荷载快速卸除，在卸载过程中可折叠钢结构10由于卸压板6受力被拉伸拉着卸压板保证卸压板不会失稳侧翻；

step9：蝶形弹簧回位：随着填充物砂体卸出，围岩变形荷载p2同时减小到p3，此时弹力p1≥p3，卸压板回缩将超前开挖槽完全盖住保证砂体不在卸出，同时可折叠钢结构被压缩到原位，待到围岩继续变形产生较大荷载时重复上述受力过程，直至围岩变形稳定；

step10：混凝土砂浆封闭处理：待围岩变形稳定后，通过注浆孔利用高压注浆，混凝土与填充物混合将超前开挖槽和预留变形量区封闭。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。