一种软岩偏压隧道衬砌支护施工方法

1.本发明涉及软岩偏压隧道施工技术领域，具体而言，涉及一种软岩偏压隧道衬砌支护施工方法。


背景技术：

2.软岩隧道施工过程中由于地形、地质因素所导致的偏压现象发生，此时作用于隧道围岩的荷载具有不对称的特点，极易引起偏压侧软岩发生剪切破坏，诱发偏压侧围岩由原有的稳定状态破坏演化至围岩变形侵限破坏。锚固和注浆是控制偏压隧道围岩开裂变形最有效的工程手段，针对隧道偏压岩层的特性，隧道掌子面岩层揭露后，应力快速释放，岩层揭露初期变形速率快，早期控制围岩的松动圈扩展以尽量维持原岩的完整性尤为重要。
3.当偏压围岩发生侵限变形时，需要进行换拱作业，人工拆除初期支护已经侵限变形的围岩，拆除侵限围岩的原则是尽量减少围岩扰动，不宜大面积作业，以防塌方和冒顶事故的发生。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种改进的针对软岩偏压隧道的衬砌支护施工方法，包括锚注联合支护和安装组合式预应力锚杆的步骤：
5.锚注联合支护步骤为：
6.隧道掌子面安装注浆小导管并注浆，进行超前预加固，小导管直径42mm，长度4～5m，在钢拱架墙脚及拱脚部位各设2～4根，将钢拱架锁住；
7.偏压侧围岩安装中空注浆锚索补强支护，锚索长10～12m，直径22mm，施工时纵环向间距为50～70cm，安装锚索预紧力不低于20t；锚索安装后使用早强注浆料及时将围岩若干层组合成整体厚层，将节理发育的岩体串联在一起，阻止岩块沿裂隙面滑移，从而在隧道围岩周边形成一定厚度的承载环；
8.锚注联合支护步骤之后进行安装组合式预应力锚杆的步骤，具体为：
9.采用具有前锚后注功能的组合式预应力锚杆支护，利用锚杆钻机进行锚杆快速安装，预紧力不低于10t，一次锚固到位；锚杆支护纵环向布置间距为0.5～0.7m，锚杆安装后使用早强注浆料及时充填加固。
10.具体的，该施工方法还包括：
11.(1)隧道开挖、光面爆破
12.采用三台阶开挖法；多个台阶同时打眼爆破；
13.(2)初喷作业
14.采用喷
‑
网
‑
喷的方法，开挖后先对岩面进行初喷，喷c30喷射混凝土，厚度不小于200mm，厚度以全面覆盖并能形成一个相对平整的平面封闭围岩为准；然后铺金属网片，采用φ8mm钢筋焊接而成，网片尺寸为1000
×
2000mm，网格尺寸100
×
100mm，网片搭接100～200mm，网与网之间钩扣联结，连接点间距不大于200mm，最后复喷混凝土；
15.(3)钢拱架安装
16.安装h175型钢拱架，环向间距为0.6～0.8m；纵向连接采用φ22钢筋；
17.(4)锚注联合支护
18.隧道掌子面安装注浆小导管并注浆，进行超前预加固，小导管直径42mm，长度4～5m，在钢拱架墙脚及拱脚部位各设2～4根，将钢拱架锁住；
19.偏压侧围岩安装中空注浆锚索补强支护，锚索长10～12m，直径22mm，施工时纵环向间距为50～70cm，安装锚索预紧力不低于20t；锚索安装后使用早强注浆料及时将围岩若干层组合成整体厚层，将节理发育的岩体串联在一起，阻止岩块沿裂隙面滑移，从而在隧道围岩周边形成一定厚度的承载环；
20.(5)锚注联合支护步骤之后进行安装组合式预应力锚杆的步骤，具体为：
21.采用具有前锚后注功能的组合式预应力锚杆支护，利用锚杆钻机进行锚杆快速安装，预紧力不低于10t，一次锚固到位；锚杆支护纵环向布置间距为0.5～0.7m，锚杆安装后使用早强注浆料及时充填加固。
22.(6)预埋rpc注浆管
23.在拱顶和偏压侧围岩处预埋rpc高强注浆管，直径φ36mm；rpc注浆管作为衬砌脱空预控处理的有效手段，预埋时不注浆，二衬浇筑后及时注浆；
24.(7)施做缓冲层
25.偏压侧围岩初支面与模筑衬砌之间施做一层高分子聚酯缓冲层材料，厚度200mm；高分子聚酯缓冲层材料具有轻质、低弹模、延性好的特点，可以实现吸收围岩应力，协调整体变形，显著减轻模筑衬砌过早受力。
26.(8)完成衬砌支护。
27.(9)完成衬砌支护后如果出现初期支护侵限现象时，需要进行换拱作业，具体的方法步骤为：
28.(9
‑
1)架设临时支护；
29.(9
‑
2)冲击锤松动；
30.(9
‑
3)切割侵限围岩位置的rpc高强注浆管；
31.(9
‑
4)切割拆卸侵限部位的锚杆；
32.(9
‑
5)人工凿净侵限围岩；
33.(9
‑
6)更换钢拱架。
34.除了上述方法外，本发明还提供了一种组合式预应力锚杆，具体包括锚固段和锚杆段；
35.所述锚固段的端部设置有螺纹连接段；所述螺纹连接段与锚杆段螺纹连接；锚杆段的内丝方向与组合式预应力锚杆安装时旋转的方向相反；
36.所述锚固段内部为实心钢筋、外部为树脂锚固剂层；
37.所述锚杆段与所述锚固段相连的一端设置返浆孔，所述返浆孔有若干个，若干个返浆孔交错排列。
38.所述组合式预应力锚杆还包括垫板和固定螺母。
39.所述锚杆段与所述锚固段相连的一端淬火后进行500～650℃的回火处理。
40.本发明还提供了一种rpc注浆管，具体包括若干个沿注浆管长度方向设置的箍筋
以及若干个纵向拉结钢丝，通过rpc混凝土将箍筋和纵向拉结钢丝包埋固定；rpc注浆管的壁上设置若干个贯穿的注浆管返浆孔。
41.本发明提供的锚注工艺，实现有效支护的同时，注浆材料渗透到围岩裂隙中，硬化后快速早强，保证围岩固结效果。经木寨岭软岩隧道现场应用，有效控制软岩偏压隧道掌子面开挖后初期的“早期大变形围岩应力释放层”的完整性和稳定性。本发明有效起到加固侵限侧岩层的作用，具有良好的扩散性且早强速度快。本发明提供的预应力早强锚注技术，及时发挥锚固作用，抑制了围岩渐进破坏过程，从而减小围岩塑性区；加长了支护体系的有效锚固长度，减小围岩与初支接触压力，改善隧道支护的受力状况，大幅减少了隧道初支侵限的比例。
附图说明
42.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
43.而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
44.图1为前锚后注组合式预应力锚杆结构示意图；
45.图2为二衬浇筑后隧道内结构示意图；其中a为h175型钢拱架，b为组合式预应力锚杆，c为中空注浆锚索，d为rpc注浆管；
46.图3为rpc注浆管结构示意图，其中11为箍筋、12为rpc混凝土、13为纵向拉结钢丝、14为注浆管返浆孔，上图为下图注浆管的剖视图、下图为注浆管的结构示意图。
具体实施方式
47.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
48.实施例1
49.一种前锚后注组合式预应力锚杆，包括锚固段3、锚杆段7、垫板8和固定螺母9
50.所述锚固段3的端部设置有螺纹连接段5；所述螺纹连接段5与锚杆段7螺纹连接；锚杆段7的内丝方向与组合式预应力锚杆安装时旋转的方向相反；
51.所述锚固段3内部为实心钢筋1、外部为树脂锚固剂层2；
52.所述锚杆段7与所述锚固段3相连的一端设置返浆孔4，所述返浆孔4有若干个，若干个返浆孔4交错排列。交错排列的返浆孔4在注浆时可以实现注浆料的均匀填充。返浆孔4的直径为10
‑
12mm的圆孔。
53.所述锚杆段7在制备时，在与所述锚固段3相连的一端淬火后进行500
‑
650℃的回火处理。这种处理可以使钢的性能、材质得到很大程度的调整，既提高了强度，又保持了材料的韧性，还改善了材料的切削加工性，以此保证连接段不是杆体受力薄弱部位。
54.树脂锚固剂层的材料选用山东云浩支护材料有限公司生产的ck超快型树脂锚固
剂。
55.实施例2
56.一种软岩偏压隧道衬砌支护施工方法，包括锚注联合支护和安装组合式预应力锚杆的步骤：
57.(1)隧道开挖、光面爆破
58.采用三台阶开挖法；多个台阶同时打眼爆破；
59.(2)初喷作业
60.采用喷
‑
网
‑
喷的方法，开挖后先对岩面进行初喷，喷c30喷射混凝土，厚度不小于200mm，厚度以全面覆盖并能形成一个相对平整的平面封闭围岩为准；然后铺金属网片，采用φ8mm钢筋焊接而成，网片尺寸为1000
×
2000mm，网格尺寸100
×
100mm，网片搭接100～200mm，网与网之间钩扣联结，连接点间距不大于200mm，最后复喷c30喷射混凝土；
61.(3)钢拱架安装
62.安装h175型钢拱架，环向间距为0.6～0.8m；纵向连接采用φ22钢筋；
63.(4)锚注联合支护步骤为：
64.隧道掌子面安装注浆小导管并注浆，进行超前预加固，小导管直径42mm，长度4～5m，在钢拱架墙脚及拱脚部位各设2～4根，将钢拱架锁住；
65.偏压侧围岩安装中空注浆锚索补强支护，锚索长10～12m，直径22mm，施工时纵环向间距为50～70cm，安装锚索并使用早强注浆料将围岩若干层组合成整体厚层，将节理发育的岩体串联在一起，阻止岩块沿裂隙面滑移，从而在洞室周边形成一定厚度的承载环；
66.(5)安装组合式预应力锚杆
67.采用具有前锚后注功能的组合式预应力锚杆支护，利用锚杆钻机进行锚杆快速安装，预紧力不低于10t，一次锚固到位；锚杆支护纵环向布置间距为0.5～0.7m，锚杆安装后使用早强注浆料及时充填加固。
68.(6)预埋rpc注浆管
69.在拱顶和偏压侧围岩处预埋rpc注浆管，直径φ36mm；rpc注浆管作为衬砌脱空预控处理的有效手段，预埋时不注浆，二衬浇筑后及时注浆。
70.软岩偏压隧道初衬和二衬之间易发生脱空现象的位置主要有两处，分别是拱顶和偏压侧围岩，隧道二衬混凝土浇筑工序为自拱脚向上浇筑至拱顶，隧道衬砌拱顶不密实是常见的质量通病；而软岩隧道施工过程中由于地形、地质因素极易引起偏压侧软岩发生剪切破坏，隧道偏压侧围岩初期支护变形大、易开裂变形，诱发偏压侧围岩由原有的稳定状态破坏演化至围岩变形侵限破坏，因此应在这两处位置预埋rpc高强注浆管。
71.(7)施做缓冲层
72.偏压侧围岩初支面与模筑衬砌之间施做一层高分子聚酯缓冲层材料，厚度200mm；缓冲层“预留变形、让压缓冲”的新思路，实现了“刚柔结合”的支护新型式，实现了吸收围岩应力、协调整体变形、显著减轻模筑衬砌过早受力的情况。所述缓冲层选用山东华迪建筑科技有限公司生产的hd
‑
hc高分子聚酯材料，具有轻质、低弹模、延性好的特点，可以实现吸收围岩应力，协调整体变形，显著减轻模筑衬砌过早受力。
73.(8)完成衬砌支护。
74.本实施例中的注浆料选用山东华迪建筑科技有限公司生产的hdl缓凝型早强注浆
料。早强注浆料的水灰比：0.4:1，注浆压力：初压0.5～1.0mpa，终压1.5mpa。
75.实施例3
76.完成衬砌支护后如果出现初期支护侵限现象时，则需要进行换拱作业，本发明提供了一种软岩偏压隧道衬砌支护施工后换拱作业方法，
77.具体的方法步骤为：
78.(10
‑
1)架设临时支护；
79.(10
‑
2)冲击锤松动；
80.(10
‑
3)切割侵限围岩位置的rpc高强注浆管；
81.(10
‑
4)切割拆卸侵限部位的锚杆；
82.(10
‑
5)人工凿净侵限围岩；
83.(10
‑
6)更换钢拱架。
84.应用实例1
85.木寨岭铁路隧道洞身共发育11个断裂带，最大断层带宽约1km，断层破碎带数量多、地质条件复杂、高地应力软岩偏压变形是主要工程难点，施工风险极高。采用传统的支护体系软岩核心区最大变形量达4306mm，平均变形量达1500mm～2000mm，木寨岭隧道属于典型的软岩偏压隧道，是国内目前为止变形控制难度最高的隧道之一。围岩主要为中风化炭质板岩，薄层碎裂状结构，隧址区穿越多个断层破碎带；斜井隧洞偏压侧围岩主要位于隧道走向左侧，施工过程中多次出现因大变形而发生初期支护侵限现象。隧道掌子面开挖后变形速度快，拆换钢拱架比例高。
86.原有支护工艺：初期支护为单层结构，钢拱架型号为h150型。掌子面安装高强锁脚锚杆进行超前预加固，采用直径φ25mm的锁脚锚杆，长度4m，在钢拱架墙脚及拱脚部位各设2根；系统锚杆采用普通中空锚杆，长度3.5m，注浆材料为硅酸盐水泥，前期支护强度很低，控制围岩早期变形效果差，不适用于软岩偏压隧道支护，原有注浆材料为硅酸盐水泥，前期强度很低，1d实测抗压强度仅为2～3mpa，抗折强度几乎为0，注浆加固效果较差，对于有效控制围岩的变形效果不理想。普通硅酸盐水泥在碳质板岩中的扩散性差，施工过程出现偏压围岩侵限变形时，注浆材料还没有足够的强度抵抗围岩变形。
87.优化后支护工艺：安装h175型钢拱架，环向间距为0.6m；纵向连接采用φ22钢筋；隧道掌子面安装直径φ42mm的注浆小导管，长度5m，在钢拱架墙脚及拱脚部位各设4根，将钢拱架锁住；偏压侧围岩安装无粘结中空注浆锚索补强支护，锚索长10m，直径22mm，施工时纵环向间距为60cm；系统锚杆采用实施例1中的具有前锚后注功能的组合式预应力锚杆支护，利用锚杆钻机进行锚杆快速安装，预紧力10t，一次锚固到位；锚杆支护纵环向布置间距为0.6m；注浆材料选用山东华迪建筑科技有限公司生产的hdl缓凝型早强注浆料，水灰比：0.4:1，注浆压力：初压0.5mpa，终压1.5mpa；注浆材料凝结时间满足作业要求，早强效果好，8h强度可达到14mpa，24h抗压强度可达到25mpa，24h抗折强度实测值3mpa，材料凝结后微膨胀不收缩。经现场实测压力泌水率大幅降低，仅为普通硅酸盐水泥注浆材料的1/3，细度模数较硅酸盐普通水泥更低、易扩散，注浆加固效果大幅提高。在拱顶和偏压侧围岩处预埋rpc注浆管，长度0.6～0.8m，直径φ36mm；偏压侧围岩初支面与模筑衬砌之间施做一层高分子聚酯缓冲层材料，厚度200mm；完成初衬支护。
88.优化后的支护工艺偏压侧围岩变形量大幅降低，有效控制偏压侧围岩变形，隧道
围岩结构安全得到保证。
89.应用实例2
90.兰渝铁路木寨岭隧道属于典型软岩偏压围岩隧道，施工过程中既要保证快速封闭又要保证不坍塌，因此施工采用三台阶开挖法，短台阶、小进尺、紧封闭施工。支护体系使用应用实例1中的优化后支护工艺进行，该方法及时发挥锚固作用，抑制了围岩渐进破坏过程，从而减小围岩塑性区；加长了支护体系的有效锚固长度，减小围岩与初支接触压力，改善隧道支护的受力状况，大幅减少了隧道初支侵限的比例。
91.需要说明的是，本发明中的养护装置和养护方法原理相同，相关之处可以相互参照。
92.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。