基于高地应力玄武岩大变形隧道三层初支结构的施工方法与流程

本发明属于隧道支护，具体涉及一种基于高地应力玄武岩大变形隧道三层初支结构的施工方法。

背景技术：

1、我国西南地区山高谷深，地震烈度高，区域地质构造复杂多变，不良地质发育，隧道工程建设面临多重挑战，其中以在建滇藏铁路丽香段隧道工程最为突出。丽香铁路工程区地质构造复杂，是我国大陆现今地壳构造运动最为强烈的地区。全线发生大变形的隧道共9座，大变形段落长度共约26公里，大变形地段洞身岩性以高地应力碎裂化玄武岩及炭质岩类为主。围岩最大地应力29.4兆帕，隧道初支及二衬接触压力超过2兆帕。玉龙雪山隧道及哈巴雪山隧道为高地应力玄武岩大变形，在全国以往项目中均未揭示。丽香线高地应力软岩大变形隧道修建主要存在以下工程难点：1）初支变形极为严重：最大单侧变形超过2米，钢架扭曲折断导致侵限换拱常有发生；2）连续长段落二衬开裂压溃：局部地段二衬连续压溃长度达189米，在国内外隧道施工中均属罕见；3）连续长段落仰拱隆起：局部地段仰拱连续隆起长度超过150米，最大隆起量超过1米，无相关处理经验可供借鉴。受现象级的高地应力软岩大变形不良地质影响，丽香铁路建设工期已严重滞后，严重影响沿线地区经济及社会发展。为有效解决上述工程难题，隧道施工现场前后针对多种支护措施开展试验研究，支护效果如下：1）单层刚性钢架在高地应力区存在易侵限的问题，即在高地应力区单层钢架的支护刚度不足，容易变形侵限；2）双层刚性钢架在高地应力区存在易变形掉块的问题，即在现有双层刚性钢架支护技术中，钢架采用“以刚克刚”的支护手段，用全断面大刚度来抵抗围压高地应力，局部变形后易掉块，有较大的施工安全隐患。基于上述现场试验结果，经反复对比研究，设计最终创新提出采用三层初支结构进行隧道开挖支护，并取得了较好的支护效果，保障了工程建设的顺利推进。在建川藏铁路，以及规划的新藏铁路、滇藏铁路等国家重点工程项目均面临高地应力软岩大变形不良地质问题，因此本发明可为类似工程项目提供借鉴和参考。

技术实现思路

1、本发明目的在于针对上述现有技术中存在的不足，提供一种基于高地应力玄武岩大变形隧道三层初支结构的施工方法，有效解决丽香铁路高地应力软岩大变形工程难题。

2、本发明通过如下技术方案予以实现：一种基于高地应力玄武岩大变形隧道三层初支结构的施工方法，包括直接承受围岩压力的第一层全环工字钢刚性初支、间接承受围岩压力的第二层全环工字钢刚性初支、防止开裂掉块的第三层拱墙柔性初支、主动承担围岩压力的拱墙系统锚杆及防止仰拱隆起的仰拱抗拉锚管；

3、包括如下步骤：

4、步骤一：开挖后首先设置第一层全环工字钢刚性初支（1）直接承受围岩压力；

5、步骤二：第一层全环工字钢刚性初支（1）施做后，立即打设拱墙系统锚杆（4）主动承受围岩压力并约束围岩松动圈进一步扩大；

6、步骤三：当第一层全环工字钢刚性初支（1）变形达到预留变形量的1/2~2/3时，及时设置第二层全环工字钢刚性初支（2）间接承载；

7、步骤四：当第二层全环工字钢刚性初支（2）变形达到预留变形量的1/2~2/3或表面已出现明显开裂、掉块时，及时施做第三层拱墙柔性初支（3）防止开裂掉块；

8、步骤五：当第三层拱墙柔性初支（3）施做完成后，及时施做仰拱抗拉锚管（5）避免后期仰拱隆起。

9、进一步的，所述第一层全环工字钢刚性初支采用i22b或i25b工字钢，钢架间距0.6~0.8m/榀；喷砼厚29cm~32cm；钢筋网采用φ8钢筋网，间距20×20cm；钢架纵向连接筋采用hrb400φ22或φ25螺纹钢，z字型布置，环向间距1m；钢架接头采用角钢、钢板及螺栓连接；锁脚锚管采用φ42小导管或φ60中管棚。

10、进一步的，所述第二层全环工字钢刚性初支采用i22b或i25b工字钢，钢架间距0.6~0.8m/榀；喷砼厚29cm~32cm；钢架间纵向连接筋采用hrb400φ25螺纹钢，z字型布置，环向间距1m，设于钢架内侧靠二衬侧，钢筋纵向接头相互错开，当第一层全环工字钢刚性初支变形达到预留变形量的1/2~2/3时，及时施做第二层全环工字钢刚性初支避免侵限换拱。

11、进一步的，所述第三层拱墙柔性初支采用喷射钢筋砼，厚度30cm，主筋采用hrb400φ22螺纹钢，内外双层布置；当第二层全环工字钢刚性初支变形达到预留变形量的1/2~2/3或表面已出现明显开裂、掉块时，及时施做第三层拱墙柔性初支避免掉块伤人。

12、进一步的，所述拱墙系统锚杆采用φ22砂浆锚杆或预应力树脂锚杆，不能成孔时可采用自进式锚杆，间距1m×1m，梅花型布置，锚杆单根长4.0~8.0m，长短锚杆交替布置。

13、进一步的，所述仰拱抗拉锚管采用φ76钢花管，间距1m×1m，梅花型布置，每根长10m，每延米9根；当第三层拱墙柔性初支施做完成后，及时施做仰拱抗拉锚管避免后期仰拱隆起，为保证抗拉效果，仰拱抗拉锚管设置锚头，并与初支钢架或二衬主筋牢固连接。

14、本发明的有益效果为：

15、本发明为一种基于高地应力玄武岩大变形隧道三层初支结构的施工方法，基于“抗放结合”处理原则，第一层刚性初支变形达到预留变形量的1/2~2/3时，及时设置第二层工字钢刚性初支，可提供足够刚度避免初支钢架侵限换拱；当第二层初支变形达到预留变形量的1/2~2/3或表面已出现明显开裂、掉块时，及时施做第三层柔性初支可避免掉块，保证施工安全；当第三层柔性初支施做完成后，及时施做仰拱抗拉锚管避免后期仰拱隆起。采用本发明所述新型支护结构及施工技术，有效保障了丽香铁路高地应力玄武岩大变形隧道支护效果。可为类似工程地质条件的在建川藏铁路，以及规划的新藏铁路、滇藏铁路等国家重点工程项目提供借鉴和参考。

技术特征：

1.一种基于高地应力玄武岩大变形隧道三层初支结构的施工方法，初支结构包括直接承受围岩压力的第一层全环工字钢刚性初支（1）、间接承受围岩压力的第二层全环工字钢刚性初支（2）、防止开裂掉块的第三层拱墙柔性初支（3）、主动承担围岩压力的拱墙系统锚杆（4）及防止仰拱隆起的仰拱抗拉锚管（5），其特征在于，施工方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于高地应力玄武岩大变形隧道三层初支结构的施工方法，其特征在于：所述第一层全环工字钢刚性初支（1）采用i22b或i25b工字钢，钢架间距0.6~0.8m/榀；喷砼厚29cm~32cm；钢筋网采用φ8钢筋网，间距20×20cm；钢架纵向连接筋采用hrb400φ22或φ25螺纹钢，z字型布置，环向间距1m；钢架接头采用角钢、钢板及螺栓连接；锁脚锚管采用φ42小导管或φ60中管棚。

3.根据权利要求1所述的基于高地应力玄武岩大变形隧道三层初支结构的施工方法，其特征在于：所述第二层全环工字钢刚性初支（2）采用i22b或i25b工字钢，钢架间距0.6~0.8m/榀；喷砼厚29cm~32cm；钢架间纵向连接筋采用hrb400φ25螺纹钢，z字型布置，环向间距1m，设于钢架内侧靠二衬侧，钢筋纵向接头相互错开，当第一层全环工字钢刚性初支（1）变形达到预留变形量的1/2~2/3时，及时施做第二层全环工字钢刚性初支（2）避免侵限换拱。

4.根据权利要求1所述的基于高地应力玄武岩大变形隧道三层初支结构的施工方法，其特征在于：所述第三层拱墙柔性初支（3）采用喷射钢筋砼，厚度30cm，主筋采用hrb400φ22螺纹钢，内外双层布置；当第二层全环工字钢刚性初支（2）变形达到预留变形量的1/2~2/3或表面已出现明显开裂、掉块时，及时施做第三层拱墙柔性初支（3）避免掉块伤人。

5.根据权利要求1所述的基于高地应力玄武岩大变形隧道三层初支结构的施工方法，其特征在于：所述拱墙系统锚杆（4）采用φ22砂浆锚杆或预应力树脂锚杆，不能成孔时可采用自进式锚杆，间距1m×1m，梅花型布置，锚杆单根长4.0~8.0m，长短锚杆交替布置。

6.根据权利要求1所述的基于高地应力玄武岩大变形隧道三层初支结构的施工方法，其特征在于：所述仰拱抗拉锚管（5）采用φ76钢花管，间距1m×1m，梅花型布置，每根长10m，每延米9根；当第三层拱墙柔性初支（3）施做完成后，及时施做仰拱抗拉锚管（5）避免后期仰拱隆起，为保证抗拉效果，仰拱抗拉锚管（5）设置锚头，并与初支钢架或二衬主筋牢固连接。

技术总结
本发明公开了一种基于高地应力玄武岩大变形隧道三层初支结构的施工方法，包括直接承受围岩压力的第一层全环工字钢刚性初支、间接承受围岩压力的第二层全环工字钢刚性初支、防止开裂掉块的第三层拱墙喷射钢筋砼柔性初支、主动承担围岩压力的拱墙系统锚杆及防止仰拱隆起的抗拉锚管。本发明基于围岩大变形“抗放结合”的处理原则，提出隧道开挖后首先设置第一层工字钢刚性初支直接承载，打设拱墙系统锚杆主动承载并约束围岩松动圈进一步扩大；然后设置第二层工字钢刚性初支间接承载，最后设置第三层柔性初支防止开裂掉块，及设置仰拱抗拉锚管避免隆起，确保高地应力玄武岩大变形隧道变形可控，杜绝初支拆换。

技术研发人员：李贵民,袁云洪,丁文云,杨进京,郭永发,张海波,杨昌宇,杨翔,郑刚强,贾聂宇驰,姚彪,罗云飞,殷洪波,罗胜利,肖勇刚,伍容兵,刘璐,贾奎,李永贵,张赢
受保护的技术使用者：中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15