一种适用于碎裂状岩体隧道初支快速换拱的施工方法

本发明涉及隧道工程技术领域，具体涉及一种适用于碎裂状岩体隧道初支快速换拱的施工方法。

背景技术：

随着西部大开发战略的快速推进，我国西部山区兴建了一大批交通隧道。穿越复杂地层施工时，大量隧道出现了围岩大变形，引发隧道初支结构侵入隧道设计限界，导致隧道净空无法满足要求，为此需要进行换拱处理。碎裂状岩体的节理裂隙极为发育，结构面间距小于0.2m、一般在3组以上，分离体较多，整体强度低，受软弱面控制，相比于一般软弱围岩，在施工扰动作用下，更容易发生大变形，对隧道施工和结构受力极为不利。碎裂状岩体往往是造成施工期隧道大变形灾害、初支侵限的主要原因。

换拱施工是解决初期支护变形过大侵入隧道限界问题的重要方法，需要对侵限范围内的围岩和初期支护进行拆除，并重新开挖围岩至设计轮廓，并且考虑一定的预留变形量，然后重新施作初期支护。一般换拱施工为减小换拱的施工安全风险，将每榀钢架分成多个单元，每次施工仅对即将拆换单元进行局部爆破、凿除，然后逐个更换。采用此种方法换拱施工，无法对围岩进行有效保护，施工安全难以保障，同时，施工程序琐碎复杂，施工效率低下，导致工期延长，增加施工成本。因此，在隧道换拱施工的过程中，如何实现快速、安全更换侵限的初期支护，兼顾施工安全和换拱效率，成为广大工程人员密切关注的问题。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种适用于碎裂状岩体隧道初支快速换拱的施工方法，主要应用于隧道穿越碎裂状岩体地层隧道发生大变形的换拱施工。通过对换拱段落拱墙进行注浆加固，辅以超前套拱支护，保证换拱施工过程安全进行，一次性拆除整榀钢架，快速重新施作初期支护，支护及时封闭成环，大大提升了换拱施工效率；具备安全性能高、经济性好和可操作性强等优点，适用于碎裂状岩体隧道初支大变形侵限、拱墙部分全局拆换的换拱施工。

为达到上述目的，本发明提供的上述一种适用于碎裂状岩体隧道初支快速换拱的施工方法，包括步骤：

步骤一、初挖，采用台阶法开挖至富水软弱围岩地段；

步骤二、开挖上台阶，快速施做喷射混凝土，利用钻机在开挖面两侧设计的拱脚处进行超前钻孔；

步骤三、设置上台阶小导管，将小导管送入步骤二中的钻孔中，并对小导管进行注浆作业，每根小导管的砂浆与围岩凝结形成稳定结构，在开挖面两侧形成第一大拱脚；

步骤四、完成上部支护，利用步骤三形成的第一大拱脚架设钢架和第一锁脚锚管，形成完整的上部支护体系；

步骤五、开挖下台阶，利用钻机在下台阶两侧设计的拱脚处进行超前钻孔，进行超前地质预报；

步骤六、设置下台阶小导管，将小导管送入步骤五中的钻孔中，并对小导管进行注浆作业，每根小导管的砂浆与围岩凝结形成稳定结构，在下台阶两侧形成第二大拱脚；

步骤七、完成下部支护，利用步骤六形成的第二大拱脚，选择架设钢架以及第二锁脚锚管和钢筋网施做，形成完整的下部支护体系；

步骤八、开挖仰拱部分，利用步骤六形成的第二大拱脚，施做仰拱支护并进行仰拱回填。

优选的，具体注浆实施方式为：

采用钢花管注浆加固，钢花管交错布置；注浆材料采用水泥浆，具体注浆压力根据现场试验确定，应避免注浆压力过大导致初支变形加剧；注浆过程中应遵循以下原则：

注浆压力逐步升高，注浆压力达到设计终压值并稳定持续10min以上；注浆量与设计注浆量接近，注浆结束时进浆量在20～30l/min以下；注浆加固完成后，设置2～3个检查孔对注浆效果进行检查，确保加固后围岩已基本稳定、密实，否则应进行补注注浆。

进一步地，所述钢花管有若干根，若干根钢花管之间的间距按纵向0.8m，环向1.0m交错布置。

进一步地，所述水泥浆的水灰比为1：0.8，注浆压力为0.3～0.5mpa。

进一步地，所述钢花管为钢花管，长度为4.5m。

优选的，施作超前套拱的方式为：

超前套拱与侵限初支前端之间有间隔距离，既不影响拆除施工，也可保障注浆加固效果；沿隧道纵向设置至少2榀超前套拱，相邻超前套拱之间通过钢筋纵向连接，增强超前套拱的整体性能；超前套拱之间具有间距，间距大小根据现场情况斟酌确定；施作超前套拱时，使其与侵限初支紧密贴合，充分发挥超前套拱的承载能力。

进一步地，所述超前套拱之间的间距为0.5～1.0m。

进一步地，所述超前套拱采用i18型钢钢架。

进一步地，所述预留变形量为0～20cm。

优选的，所述新初支主要包括钢架、钢筋网、锁脚锚杆，在钢架两端均打设锁脚锚杆，钢架之间具有间距；钢筋网与钢架连接，设置好钢筋网后喷射混凝土闭合新初支。

相比现有的技术，本发明具有以下技术效果：

1、本发明通过对换拱段落拱墙进行注浆加固，辅以超前套拱支护，保证换拱施工过程安全进行；

2、本发明一次性拆除整榀钢架，快速重新施作初期支护，支护及时封闭成环，大大提升了换拱施工效率；

3、本发明适用于碎裂状岩体隧道初支大变形侵限、拱墙部分全局拆换的换拱施工；

4、本发明具备安全性能高、经济性好和可操作性强等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为实施例的换拱横断面结构示意图；

图2为实施例的换拱纵断面结构示意图；

图3为实施例的换拱施工流程图；

图标：1—注浆区、2—无换拱段、3—已换拱段、4—待换拱段、5-注浆孔、6-围岩、7-钢花管、8-超前套拱、9-侵限初支、10-原初支、11-锁脚锚杆。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例

一种适用于碎裂状岩体隧道初支快速换拱的施工方法，包括步骤：

步骤一、确定侵限范围及侵限程度，施工单位组织现场测量技术人员，通过断面扫描仪或其他监控量测设备，对隧道初期支护变形较大段落内的拱顶沉降和收敛监测点进行精确测试，根据测量结果分析，确定初期支护的侵限范围，明确各部分具体的侵限程度；

步骤二、初支侵限段拱墙径向注浆，假定换拱段仰拱及填充已全部实施完成，隧底未侵限，仅拱墙部分需要拆换处理。在确定隧道侵限段范围及侵限程度后、拆除侵限结构物之前，需要对换拱全段拱墙处的围岩进行一次性注浆加固，以提高碎裂岩体的整体的稳定性，防止拆除施工时垮塌、溜塌。采用钢花管7径向对侵限段的拱墙注浆；

步骤三、施作超前套拱8，通过钢花管7径向对侵限段的拱墙注浆达到设计强度后，在开始拆除侵限初支9之前，在待换拱段4施作超前套拱8进行局部加强，防止由拆除施工引起局部掉块、坍塌；

步骤四、拆除侵限初支9及其周边围岩，在完成步骤三后，综合考虑原初支10钢架间距，配合使用局部弱爆破、破碎锤破除和人工切割的等方法进行全断面快速拆除施工，对侵限初支9及其周边围岩进行拆除，每次仅拆除一榀钢架，拆除施工过程中，通过测量、放样拆除至设计轮廓，并预留变形量；

步骤五、重新施作初期支护结构，在步骤四完成后及时重新进行初期支护施工，更换上新的初支；

步骤六、拆除超前套拱8，在完成上一榀的侵限结构的拆换施工后，待初支喷射混凝土强度达到设计强度的90％以上时，可对超前套拱8进行拆除，排除超前套拱8对下一榀拱架拆换施工的影响，同时根据需要对下一榀施作超前套拱8；

步骤七、完成拆换施工，循环步骤三至步骤六，对需要更换的榀进行逐榀拆换，直至完成全段换拱施工；

在隧道完成换拱区域布置观测点，从步骤一开始至步骤七结束，整个过程中监测隧道特征位置的拱顶的沉降和收敛，监测频率为每天2～3次，并将换拱初支的变形监测结果向施工技术人员及时反馈。

具体注浆实施方式为：

采用钢花管7注浆加固，钢花管7交错布置；注浆材料采用水泥浆，具体注浆压力根据现场试验确定，应避免注浆压力过大导致初支变形加剧；注浆过程中应遵循以下原则：

注浆压力逐步升高，注浆压力达到设计终压值并稳定持续10min以上；注浆量与设计注浆量接近，注浆结束时进浆量在20～30l/min以下；注浆加固完成后，设置2～3个检查孔对注浆效果进行检查，确保加固后围岩已基本稳定、密实，否则应进行补注注浆。

钢花管7有若干根，若干根钢花管7之间的间距按纵向0.8m，环向1.0m交错布置。

水泥浆的水灰比为1：0.8，注浆压力为0.3～0.5mpa。

钢花管7为钢花管7，长度为4.5m。

施作超前套拱8的方式为：

超前套拱8与侵限初支9前端之间有间隔距离，所述超前套拱与侵限初支前端间距为0.5～0.8m，既不影响拆除施工，也可保障注浆加固效果；沿隧道纵向设置至少2榀超前套拱8，相邻超前套拱8之间通过钢筋纵向连接，增强超前套拱8的整体性能；超前套拱8之间具有间距，间距大小根据现场情况斟酌确定；施作超前套拱8时，使其与侵限初支9紧密贴合，充分发挥超前套拱8的承载能力。

超前套拱8之间的间距为0.5～0.8m。

超前套拱8采用i18型钢钢架。

预留变形量为0～20cm。

新初支主要包括钢架、钢筋网、锁脚锚杆11，在钢架两端均打设锁脚锚杆11，钢架之间具有间距；钢筋网与钢架连接，设置好钢筋网后喷射混凝土闭合新初支，新初支钢架为i22b型钢钢架，间距0.8m，钢筋网采用热轧光圆钢筋制作，锁脚锚杆管为钢管，长度为4.5m。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。