一种土质隧道模块化支护结构及其施工方法与流程

本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种土质隧道模块化支护结构与施工方法。

背景技术：

我国大部分地区地貌类型多样，地质条件复杂，修建山岭隧道的施工难度大，施工程序复杂，现有山岭隧道主要分为岩石隧道和土质隧道两类，目前不论是岩石隧道还是土质隧道，均采用新奥法理念进行施工，即采用爆破开挖、施做初期支护、施做防水结构和浇筑二次衬砌的方法进行，该方法很适合用来挖掘岩石隧道，但在挖掘土质隧道是往往会出现以下几点问题，主要表现为：第一、爆破扰动对土质隧道围岩的影响明显，常常造成超挖现象，同时也无法再充分利用围岩的自承能力；第二、土质隧道稳定性较差，长期变形较大，与新奥法允许围岩变形的理念不相符。目前关于土质隧道还没有较好的施工辅助装置和施工方法。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种土质隧道模块化支护结构与施工方法，能够在开挖前提供保护结构，减少设备损耗，减少施工能耗以及提升防水效果，具有安全、经济、节能和防水的特点。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种土质隧道模块化支护结构，若干节支护结构沿顶进方向相互连接构成一定长度的隧道，每一节支护结构由顶部结构、左侧结构、底部结构、右侧结构彼此连接围合而成，所述顶部结构由至少三片顶部管片相接组成；所述左侧结构至少包括一片左侧管片；所述右侧结构至少包括一片右侧管片；所述底部结构至少包括两片底部管片；所述顶部管片、左侧管片和右侧管片上均设置有穿束孔18和注浆孔19，所述注浆孔19中打入有注浆管20；所述注浆管20上设置有溢浆孔21；

第一节支护结构的管片，其长度两两不相同，也不与其后连接的第二节支护结构的管片的长度相同，第二节支护结构的管片之后的每节管片与第二节支护结构的管片的长度都相同。

所述顶部管片之间，左侧管片之间，右侧管片之间，底部管片之间或它们相互之间的连接都采用企口缝连接。

所述穿束孔18内穿有预应力筋22。

所述注浆管20与注浆孔19之间设有橡胶密封圈23。

在相邻的任意所述管片之间均设有橡胶密封垫24。

采用一种土质隧道模块化支护结构进行施工的方法，包括以下步骤：

步骤一：

1.1根据设计，制作顶部管片、左侧管片、右侧管片和底部管片；

1.2在预定隧道开挖面前方设置反力墙，在反力墙上设置千斤顶底座，在千斤顶底座上设置千斤顶；

1.3在预定隧道开挖面和反力墙之间沿预定顶进方向设置导轨；

步骤二：

2.1沿第一顶部导轨将第一顶部刀头1顶入预定的隧道顶部；

2.2将第一节第一顶部管片8沿第一顶部导轨顶进到预定位置，并与第一顶部刀头1前后相连；

2.3开挖对应区域的土体，并设置第一节第一支撑15；

步骤三：

3.1沿第二顶部导轨将第二顶部刀头2顶入预定位置，所述第二顶部导轨设置在第一顶部导轨一侧，所述第二顶部刀头2与所述第一顶部刀头1一侧相接；

3.2将第一节第二顶部管片9沿第二顶部导轨顶进到预定位置，并与第二顶部刀头2前后相连；

3.3开挖对应区域的土体，并设置第一节第二支撑16；

步骤四：

4.1沿第三顶部导轨将第三顶部刀头3顶入预定位置，所述第三顶部导轨设置在第一顶部导轨另一侧，所述第三顶部刀头3与所述第一顶部刀头1另一侧相接；

4.2将第一节第三顶部管片10沿第三顶部导轨顶进到预定位置，并与第三顶部刀头3前后相连；

4.3开挖对应区域的土体，并设置第一节第三支撑17；

步骤五：

按照以上步骤二到步骤四的规律重复进行，直到将剩余顶部刀头和顶部管片打入土体，并开挖对应土体设置对应支护；

步骤六：

6.1将第一左侧刀头4沿第一左侧导轨顶入预定位置，所述第一左侧导轨设置在相邻顶部导轨的一侧，所述第一左侧刀头4与相邻顶部刀头一侧相接；

6.2将第一节第一左侧管片11沿第一左侧导轨顶进到预定位置，并与第一左侧刀头4前后相连；

6.3将第一右侧刀头5沿第一右侧导轨顶入预定位置，所述第一右侧导轨设置在相邻顶部导轨另一侧，所述第一右侧刀头5与相邻顶部刀头另一侧相接；

6.4将第一节第一右侧管片12沿第一右侧导轨顶进到预定位置，并与第一右侧刀头5前后相连；

步骤七：

按照步骤六的规律重复进行，直到将剩余左侧刀头和右侧刀头以及左侧管片和右侧管片打入土体；

步骤八：

8.1将第一底部刀头6沿第一底部导轨顶入预定位置，所述第一底部导轨设置在相邻左侧导轨一侧，所述第一底部刀头6与相邻左侧刀头4一侧相接；

8.2将第一节第一底部管片13沿第一底部导轨顶进到预定位置，并与第一底部刀头6前后相连；

8.3将第二底部刀头7沿第二底部导轨顶入预定位置，所述第二底部导轨设置在相邻右侧导轨一侧，所述第二底部刀头7与相邻右侧刀头5一侧相接；

8.4将第一节第二底部管片14沿第二底部导轨顶进到预定位置，并与第二底部刀头7前后相连；

步骤九：

按照步骤八的规律重复进行，直到将剩余底部刀头和底部管片打入土体；

步骤十：

拆除开挖顶部土体后，根据管片设置的对应支撑结构，再将其余土体挖出，此时所有金属刀头与第一节管片全部打入预定位置，完成第一节支护结构的施工；

步骤十一：

按照步骤二到步骤十中的规律重复进行第二节支护结构、第三节支护结构的施工，直到达到预定隧道长度；所不同的是，在以后的施工中，不需要预先打入金属刀头；

步骤十二：

达到预定隧道长度后，在所有管片的穿束孔18中穿过预应力筋22，进行穿束张拉，检查连接强度合格后进行灌浆、封锚。

步骤十三：

在所有顶部管片、左侧管片、右侧管片和底部管片的注浆孔19处嵌入橡胶止水圈23；然后插入注浆管20，通过设置在注浆管20上的溢浆孔21对围岩进行注浆，然后封堵注浆管20。

所述第一顶部刀头1沿顶进方向的前端设置有刃状刀头，所述第一顶部刀头1沿顶进方向的后端设置有企口缝，所述第一顶部刀头1垂直于顶进方向的两侧设置有企口缝与相邻刀头相接，其余刀头均按照此原则设计。

所述第一节第一顶部管片8沿顶进方向的前端设置有企口缝与第一顶部刀头1相接，所述第一节第一顶部管片8沿顶进方向的后端设置有企口缝与第二节第一顶部管片相接，所述第一节第一顶部管片8垂直于顶进方向的两侧设置有企口缝与相邻管片相接，其余管片均按照此原则设计。

本发明的有益效果是：相比传统方法开挖之后再给围岩注浆，应用本发明在开挖前就可以提供有足够强度的保护结构；采用管片逐节顶进的施工方法，可以减少每次顶进时管片与土层之间的摩擦力，使千斤顶能够提供充足的推进力，从而减少千斤顶设备的损耗，减少了能耗；刀头设计简单，可重复利用；在预制管片的连接上采用企口缝拼接，并且由于管片的长短不一，可以避免十字拼缝，还通过设置橡胶止水垫和橡胶止水圈，大大提升了支护结构的防水效果；环向预制管片的约束力部分靠围土提供，减少了钢筋使用，节约了施工材料；因而本发明方法具有安全、高效和节约的特点。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明预制管片结构示意图。

图3是本发明企口缝处局部放大图。

图4是本发明注浆孔处局部放大图。

图5是本发明施工顺序示意图。

图6是本发明刀头的结构示意图。

图中：1、第一顶部刀头；2、第二顶部刀头；3、第三顶部刀头；4、第一左侧刀头；5、第一右侧刀头；6、第一底部刀头；7、第二底部刀头；8、第一节第一顶部管片；9、第一节第二顶部管片；10、第一节第三顶部管片；11、第一节第一左侧管片；12、第一节第一右侧管片；13、第一节第一底部管片；14、第一节第二底部管片；15、第一节第一支撑；16、第一节第二支撑；17、第一节第三支撑；18、穿束孔；19、注浆孔；20、注浆管；21、溢浆孔；22、预应力筋；23、橡胶密封圈；24、橡胶密封垫。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步描述。

参见图1和图2，一种土质隧道模块化支护结构，若干节支护结构沿顶进方向相互连接构成一定长度的隧道，每一节支护结构由顶部结构、左侧结构、底部结构、右侧结构彼此连接围合而成，具体地，所述顶部结构由至少三片顶部管片相接组成；所述顶部结构一侧与左侧结构的另一侧相接，左侧结构的一侧与底部结构的另一侧相接；所述左侧结构至少包括一片左侧管片；所述顶部结构的另一侧与所述右侧结构的一侧相接，所述右侧结构的另一侧与底部结构的一侧相连；所述右侧结构至少包括一片右侧管片；所述底部结构至少包括两片底部管片。

参见图3和图4，所述顶部管片、左侧管片和右侧管片上均设置有穿束孔18和注浆孔19，所述穿束孔内34穿有预应力筋22，所述注浆管20与注浆孔19之间设有橡胶止水圈39密封。

参见图1，第一节支护结构的管片，其长度两两不相同，也不与其后连接的第二节支护结构的管片的长度相同，第二节支护结构的管片之后的每节管片与第二节支护结构的管片的长度都相同。

参见图3，所述顶部管片之间，左侧管片之间，右侧管片之间，底部管片之间或它们相互之间的连接都采用企口缝连接。

参见图4，在相邻的任意管片之间均设有橡胶密封垫24。

参见图5，采用一种土质隧道模块化支护结构进行施工的方法，包括以下步骤：

步骤一：

1.1根据设计，制作顶部管片、左侧管片、右侧管片和底部管片；

1.2在预定隧道开挖面前方设置反力墙，在反力墙上设置千斤顶底座，在千斤顶底座上设置千斤顶；

1.3在预定隧道开挖面和反力墙之间沿预定顶进方向设置导轨；

步骤二：

2.1沿第一顶部导轨将第一顶部刀头1顶入预定的隧道顶部；

2.2将第一节第一顶部管片8沿第一顶部导轨顶进到预定位置，并与第一顶部刀头1前后相连；

2.3开挖对应区域的土体，并设置第一节第一支撑15；

步骤三：

3.1沿第二顶部导轨将第二顶部刀头2顶入预定位置，所述第二顶部导轨设置在第一顶部导轨一侧，所述第二顶部刀头2与所述第一顶部刀头1一侧相接；

3.2将第一节第二顶部管片9沿第二顶部导轨顶进到预定位置，并与第二顶部刀头2前后相连；

3.3开挖对应区域的土体，并设置第一节第二支撑16；

步骤四：

4.1沿第三顶部导轨将第三顶部刀头3顶入预定位置，所述第三顶部导轨设置在第一顶部导轨另一侧，所述第三顶部刀头3与所述第一顶部刀头1另一侧相接；

4.2将第一节第三顶部管片10沿第三顶部导轨顶进到预定位置，并与第三顶部刀头3前后相连；

4.3开挖对应区域的土体，并设置第一节第三支撑17；

步骤五：

5.1将第一左侧刀头4沿第一左侧导轨顶入预定位置，所述第一左侧导轨设置在相邻顶部导轨的一侧，所述第一左侧刀头4与相邻顶部刀头一侧相接；

5.2将第一节第一左侧管片11沿第一左侧导轨顶进到预定位置，并与第一左侧刀头4前后相连；

5.3将第一右侧刀头5沿第一右侧导轨顶入预定位置，所述第一右侧导轨设置在相邻顶部导轨另一侧，所述第一右侧刀头5与相邻顶部刀头另一侧相接；

5.4将第一节第一右侧管片12沿第一右侧导轨顶进到预定位置，并与第一右侧刀头5前后相连；

步骤六：

6.1将第一底部刀头6沿第一底部导轨顶入预定位置，所述第一底部导轨设置在相邻左侧导轨一侧，所述第一底部刀头6与相邻左侧刀头4一侧相接；

6.2将第一节第一底部管片13沿第一底部导轨顶进到预定位置，并与第一底部刀头6前后相连；

6.3将第二底部刀头7沿第二底部导轨顶入预定位置，所述第二底部导轨设置在相邻右侧导轨一侧，所述第二底部刀头7与相邻右侧刀头5一侧相接；

6.4将第一节第二底部管片14沿第二底部导轨顶进到预定位置，并与第二底部刀头7前后相连；

步骤七：

拆除开挖顶部土体后，根据管片设置的对应支撑结构，再将其余土体挖出，此时所有金属刀头与第一节管片全部打入预定位置，完成第一节支护结构的施工；

步骤八：

按照步骤二到步骤七中的规律重复进行第二节支护结构、第三节支护结构的施工，直到达到预定隧道长度；所不同的是，在以后的施工中，不需要预先打入金属刀头；

步骤八：

达到预定隧道长度后，在所有管片的穿束孔18中穿过预应力筋22，进行穿束张拉，检查连接强度合格后进行灌浆、封锚。

步骤九：

在所有顶部管片、左侧管片、右侧管片和底部管片的注浆孔19处嵌入橡胶止水圈23；然后插入注浆管20，通过设置在注浆管20上的溢浆孔21对围岩进行注浆，然后封堵注浆管20。

参见图6和图3，所述第一顶部刀头1沿顶进方向的前端设置有刃状刀头，所述第一顶部刀头1沿顶进方向的后端设置有企口缝，所述第一顶部刀头1垂直于顶进方向的两侧设置有企口缝与相邻刀头相接，其余刀头均按照此原则设计；所述第一节第一顶部管片8沿顶进方向的前端设置有企口缝与第一顶部刀头1相接，所述第一节第一顶部管片8沿顶进方向的后端设置有企口缝与第二节第一顶部管片相接，所述第一节第一顶部管片8垂直于顶进方向的两侧设置有企口缝与相邻管片相接，其余管片均按照此原则设计。

本发明的工作原理是，通过反力墙千斤顶和导轨分别将金属刀头、第一节管片、第二节管片和第若干节管片依次打入，在顶入管片的同时，使用核心留土开挖法逐步掘进，直到达到预设隧道长度；达到隧道预设长度后用预应力筋22穿过穿束孔18将同一顶进方向上两块相邻的管片连接在一起，再给注浆孔19内设置橡胶密封圈23，然后把注浆管20打进设有橡胶密封圈的注浆孔19内，给注浆管20注浆，浆液从注浆孔19的溢流孔流出到围岩中，凝固后形成强有力的支撑结构。