一种超扁平洞室中岩柱支护结构及施工方法与流程

本发明涉及建筑结构技术领域，尤其涉及一种超扁平洞室中岩柱支护结构及施工方法。

背景技术：

近年来国内外正在大规模修建地下储油库、地下隧道、水电站主厂房等，岩体力学逐渐成为隧道及地下工程研究的重点。国内外建成和在建的典型超大跨度洞室主要有：挪威格乔维克城滑冰场、八达岭长城站等。京张高铁八达岭长城站是亚洲规模最大的山岭地下火车站，也是国内埋深及提升高度最大的高速铁路地下站，八达岭长城站两端渡线段单洞开挖跨度达32.7m，是目前国内已知单拱跨度最大的暗挖铁路隧道，车站大厅的跨度达到45m。

为满足日益增长的地下空间使用需求，大跨洞库、大跨公路铁路隧道建设也将会越来越多。但目前针对大跨度、超扁平洞室的研究及工程经验都存在不足，对其所适用的地层条件也有待进一步研究。按照现有的设计理念及土建施工技术，暗挖洞室能够实现的最大跨度为10m～20m；如果进一步增大洞室跨度，一般做法是加强初支及二衬，同时增设梁柱体系支撑，以传递拱顶荷载并控制结构变形，同时实现“减跨”的功能。但是增设的梁柱体系又切割了洞室空间，无法实现大跨大断面空间的使用要求。尤其对于矢跨比较小的扁平无柱洞室，随着跨度在量级上的增大，“crd法”、“新奥法”等传统设计方法及理念已经不能满足设计要求，无法为此提供借鉴与指导。大跨度、超扁平无柱洞室如何改进设计理念，如何进行合理有效支护，如何安全高效施工，成为亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种超扁平洞室中岩柱支护结构及施工方法，通过在施工阶段预留中岩柱支护结构，与导洞上方局域承载拱联合作用，达到围岩整体受力体系的平稳转换，分步封闭围岩天然承载拱，实现了超扁平洞室安全高效施工。

为实现上述目的，本发明的一种超扁平洞室中岩柱支护结构及施工方法的具体技术方案为：

一种超扁平洞室中岩柱支护结构，包括：径向系统锚索支护结构，设置有多个锚索，锚索由两侧已开挖导洞向预留的中岩柱的上方倾斜打设；径向系统锚杆支护结构，设置有多个锚杆，锚杆间隔设置在相邻的锚索之间；锚杆，横向设置在中岩柱中，中导洞、边导洞开挖支护完成后形成局域承载拱，拆除中岩柱后围岩分步封闭天然承载拱。

一种超扁平洞室中岩柱支护结构的施工方法，包括以下步骤：步骤一，对洞室断面进行分区，分出中导洞、上导洞、下导洞和下层预留核心岩土，通过中导洞、上导洞、下导洞形成中岩柱；步骤二，依次开挖中导洞、上层边导洞和下层边导洞，安装径向系统锚索支护结构和径向系统锚杆支护结构；步骤三，由两侧已开挖中导洞、上层边导洞向中岩柱上方打设倾斜锚索，对中岩柱上方围岩进行预加固；向中岩柱打设横向对拉锚杆进行加固，并向锚杆施加预加力；步骤四，拆除中岩柱，并同时安装径向系统锚杆支护结构；步骤五，拆除下层预留核心岩土。

本发明的一种超扁平洞室中岩柱支护结构及施工方法的优点在于：

1)超扁平洞室中岩柱支护结构及施工方法，通过施工阶段预留中岩柱的临时支护作用，达到围岩整体受力体系的平稳转换，围岩天然承载拱最终分步封闭，承担全部外荷载；本发明通过创新设计理念，改进施工方法，实现超扁平洞室的安全高效施工，洞室跨度可达30m～80m；

2)实现了大跨无柱超扁平洞室的大空间成洞，可为特定工业设施及民用设施量身定做断面净空，具有较好的社会效益和极佳的可推广性；

3)为超扁平洞室提供了一种安全高效施工方法，极大降低施工风险，有效控制围岩变形，具有较高的安全性；

4)充分利用围岩自承载能力，围岩作为天然承载拱承担全部荷载，大幅减少支护材料，降低工程造价，具有较好的经济性；

5)施工方法工序明确，各部位施工互不干扰，可实现大型机械化作业，施工效率高，具有较好的可实施性；

6)提出通过预留中岩柱实现围岩天然承载拱分步封闭的先进理念，大幅提升了本领域超扁平洞室设计施工水平，使原创设计理论向前迈出坚实一步；

7)根据洞室规模及矢跨比对洞室断面进行合理分区；中导洞及边导洞开挖后及时进行锚杆+锚索系统支护，充分利用锚杆+锚索对岩石块体的悬吊作用及挤压加固拱作用，降低岩石块体间滑移松动，增强岩体整体性能，导洞上方围岩形成局域承载拱，拱端搭接在预留中岩柱上，与预留中岩柱共同形成施工阶段临时支护结构体系，此阶段围岩释放部分应力，变形逐渐稳定；中岩柱拆除后及时跟进系统锚杆+锚索，形成新的局域承载拱；各段局域承载拱逐渐串联封闭，形成统一整体承载拱，通过施工阶段预留中岩柱的临时支护作用，达到围岩整体受力体系的平稳转换，围岩天然承载拱最终分步封闭，承担全部外荷载。

附图说明

图1为本发明中开挖中导洞的施工步序图；

图2为本发明中开挖边导洞(预留中岩柱)的施工步序图；

图3为本发明的中岩柱拆除的施工步序图；

图4为本发明的中岩柱全部拆除的施工步序图；

图5为本发明的超扁平洞室开挖完成的施工步序图；

图6a为本发明中岩柱开挖方案的平面示意图一；

图6b为本发明中岩柱开挖方案的平面示意图二；

图6c为本发明中岩柱开挖方案的平面示意图三；

图6d为本发明中岩柱开挖方案的平面示意图四。

图中：11、第一中导洞；12、第二中导洞；21、第一上层边导洞21；22、第二上层边导洞；31、第一下层边导洞；32、第二下层边导洞；41、第一中岩柱；42、第二中岩柱；43、第三中岩柱；51、局域承载拱；52、拆除中岩柱后围岩分步封闭天然承载拱；6、下层预留核心岩土，7、径向系统锚索支护结构，8、径向系统锚杆支护结构，9、锚索，10、锚杆。

具体实施方式

为了更好的了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的一种超扁平洞室中岩柱支护结构及施工方法做进一步详细的描述。

如图1至图6d所示，其示为本发明的一种超扁平洞室中岩柱支护结构及施工方法，支护结构包括径向系统锚索支护结构7、径向系统锚杆支护结构8、锚索9、锚杆10，径向系统锚索支护结构7设置有多个锚索9，锚索9由两侧已开挖导洞(中导洞1)向预留中岩柱4的上方倾斜打设；径向系统锚杆支护结构8设置有多个锚杆，锚杆间隔设置在相邻的锚索9之间；横向锚杆10对拉设置在中岩柱4中；在中导洞、上层边导洞、下层边导洞开挖支护完成后形成局域承载拱51，拆除中岩柱4后围岩分步封闭天然承载拱52。

其中，径向系统锚杆支护结构8中锚杆的长度为3m～10m，相邻的锚杆的环向、纵向间距为1m～3m。此外，径向系统锚索支护结构7中的锚索9的长度为15m～35m，相邻的锚索9的环向、纵向间距为4m～8m，预加力1000kn～2500kn。

本发明的超扁平洞室矢跨比小于1，跨度可达30m～80m，超扁平洞室适用于侧压力系数为1～3的ii～iv级硬岩地层。本发明以应用于超扁平洞室所处iii级花岗岩地层为例，侧压力系数为2.0，场址无承压水。洞室呈椭圆形，跨度为58m，最大高度14.5m，矢跨比0.25，纵向长度125m。洞室范围内存在6条贯通裂隙，与洞室轴线基本正交，裂隙倾角60°～90°，均为陡倾角裂隙。

本发明还公开了一种超扁平洞室中岩柱支护结构施工方法，包括以下步骤：

步骤一，对洞室断面进行分区，分出中导洞、上导洞、下导洞和下层预留核心岩土，通过中导洞、上导洞、下导洞形成中岩柱。

具体来说，根据洞室规模及矢跨比对洞室断面进行合理分区，将中导洞分为包括位于左右两侧的第一中导洞11和第二中导洞12；将上层边导洞分为包括位于左右两侧的第一上层边导洞21、第二上层边导洞22；下层边导洞位于上层边导洞的底部，分为包括分别位于第一上层边导洞21、第二上层边导洞22底部的第一下层边导洞31、第二下层边导洞32，且中导洞、上导洞、下导洞的宽度均为8～12m(优选10m)。

此外，中岩柱的个数根据洞室跨度确定，本发明中优选设置有至少一组。具体来说，将中岩柱分为包括第一中岩柱41、第二中岩柱42和第三中岩柱43，第一中岩柱41位于第一中导洞11与第一上层边导洞22之间，第二中岩柱42位于第一中导洞11和第二中导洞12之间，第三中岩柱43位于第二中导洞12和第二上层边导洞22之间，本发明中的中岩柱的宽度均为3～10m(优选6m)。

此外，下层预留核心岩土6位于左右两侧的下层边导洞之间，且位于中导洞的底部，宽度为36m～40m(优选38m)，高度为7～9m(优选8m)，断面总宽度为56m～60m(优选58m)。

步骤二，如图1所示，先开挖中导洞、上层边导洞，然后开挖下层边导洞。

具体来说，爆破开挖第一中导洞11和第二中导洞12，然后依次开挖左右两侧的第一上层边导洞21、第二上层边导洞22，各掌子面纵向间距大于10m，严格控制爆破震速。

然后，如图2所示，开挖下层边导洞。

具体来说，将第一中导洞11、第二中导洞12和第一上层边导洞21、第二上层边导洞22区域全部开挖完成后，依次开挖位于左右两侧的第一下层边导洞31、第二下层边导洞32，此时形成通过第一中岩柱41、第二中岩柱42、第三中岩柱43支撑并分隔出的四组平行导洞。

同时，在中导洞、上层边导洞和下层边导洞的导洞开挖过程中，及时安装径向系统锚索支护结构7和径向系统锚杆支护结构8组合进行支护。

其中，径向系统锚索支护结构7的长度为15m～35m(优选20m)，环向、纵向间距为4～8m(优选6m)，预加力1000kn～2500kn(优选1200kn)；径向系统锚杆支护结构8的长度为3m～10m(优选6m)，环向、纵向间距1m～3m(优选1.5m)，采用普通砂浆锚杆。导洞开挖过程中岩体释放部分应力，同时充分利用围岩自承载能力，通过系统锚索7和系统锚杆8组合支护形式，以使围岩形成局域承载拱5。

步骤三，由两侧已开挖的中导洞、上层边导洞向中岩柱的上方打设倾斜的锚索9，以对中岩柱上方围岩进行预加固，串联悬吊围岩中可能出现的关键块体，形成后期中岩柱拆除时的“保护伞”。同时，向中岩柱打设横向对拉锚杆10加固，向锚杆10施加90～110kn(优选100kn)的预加力，改善中岩柱的受力状态，增强中岩柱环向整体性能。

具体来说，本发明中需要向第一中岩柱41、第二中岩柱42和第三中岩柱43打设横向对拉锚杆10进行加固。

步骤四，拆除中岩柱，并同时安装径向系统锚杆支护结构8。

具体来说，如图6c所示，由洞室前、后端头开辟工作面，首先从左右两侧向中间逐段拆除第二中岩柱42，对第二中岩柱42每段拆除的长度为4m～6m(优选5m)，在第二中岩柱42拆除过程中加强监控量测，围岩变形稳定后方可继续拆除，洞室围岩由横向受力状态逐渐转变为空间受力状态，严禁粗犷爆破及大规模拆除；如图6d所示，然后依次对拆第一中岩柱41、第三中岩柱42，第一中岩柱41与第三中岩柱42对拆的拆除面的纵向间距大于15m。

同时，及时施做中岩柱的拆除段上方的径向系统锚杆支护结构8。通过及时加固中岩柱上方围岩，加固体与局域承载拱5实现“无缝衔接”，封闭围岩天然承载拱52，洞室外圈形成围岩的环向自承载拱结构。

其中，径向系统锚杆支护结构8中锚杆的长度为3m～10m(优选6m)，环向、纵向间距1m～3m(优选1.5m)，采用普通砂浆锚杆。

步骤五，拆除下层预留核心岩土6，至此，洞室开挖完成。

通过上述步骤，本发明通过在施工阶段预留中岩柱支护结构，与导洞上方局域承载拱的联合作用，达到围岩整体受力体系的平稳转换，分步封闭围岩天然承载拱，实现了超扁平洞室安全高效施工。

本发明的一种超扁平洞室中岩柱支护结构及施工方法，通过施工阶段预留中岩柱的临时支护作用，达到围岩整体受力体系的平稳转换，围岩天然承载拱最终分步封闭，承担全部外荷载；本发明通过创新设计理念，改进施工方法，实现超扁平洞室的安全高效施工，洞室跨度可达30m～80m；实现了大跨无柱超扁平洞室的大空间成洞，可为特定工业设施及民用设施量身定做断面净空，具有较好的社会效益和极佳的可推广性；为超扁平洞室提供了一种安全高效施工方法，极大降低施工风险，有效控制围岩变形，具有较高的安全性；充分利用围岩自承载能力，围岩作为天然承载拱承担全部荷载，大幅减少支护材料，降低工程造价，具有较好的经济性；施工方法工序明确，各部位施工互不干扰，可实现大型机械化作业，施工效率高，具有较好的可实施性；提出通过预留中岩柱实现围岩天然承载拱分步封闭的先进理念，大幅提升了本领域超扁平洞室设计施工水平，使原创设计理论向前迈出坚实一步；根据洞室规模及矢跨比对洞室断面进行合理分区；中导洞及边导洞开挖后及时进行锚杆+锚索系统支护，充分利用锚杆+锚索对岩石块体的悬吊作用及挤压加固拱作用，降低岩石块体间滑移松动，增强岩体整体性能，导洞上方围岩形成局域承载拱，拱端搭接在预留中岩柱上，与预留中岩柱共同形成施工阶段临时支护结构体系，此阶段围岩释放部分应力，变形逐渐稳定；中岩柱拆除后及时跟进系统锚杆+锚索，形成新的局域承载拱；各段局域承载拱逐渐串联封闭，形成统一整体承载拱，通过施工阶段预留中岩柱的临时支护作用，达到围岩整体受力体系的平稳转换，围岩天然承载拱最终分步封闭，承担全部外荷载。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。