本发明涉及隧洞工程安全施工，具体地指一种基于塌腔分级评估的隧洞拱顶塌腔综合治理方法。
背景技术：
1、在隧洞工程开挖施工过程中，由于缓倾软弱岩层、溶蚀溶洞、断层破碎带等不良地质原因，拱顶范围内经常出现垮塌问题，形成规模不一的塌腔，塌腔内围岩不稳定，存在继续垮塌的风险，造成施工安全隐患；并且塌腔对支护衬砌结构的整体受力性能也产生不良影响。 因此，需采取有效的方法对不同等级的塌腔进行治理。
2、目前常用的塌腔治理方法为：小规模的塌腔进行喷混凝土回填，对于较大规模的采用加强支护，封闭后灌注砂浆等材料回填。
3、但是现存的隧洞塌腔治理方法存在以下技术问题：
4、第一，发生垮塌后没有参照标准，制定的处理措施强弱不一，若塌腔回填量（厚度）过大，一方面可能使初支体系承担荷载过大，造成初支破坏，另一方面经济性不高；若塌腔回填量（厚度）过小，则存在质量安全隐患；
5、第二，当采用单一处理措施时，难以适应复杂地质条件及灾害情况；当采用不同支护措施治理时，支护结构协同性以及处置后的安全系数鲜有考虑，仅靠经验制定方案过于粗放，处置不当，可能导致支护结构破坏和二次垮塌的风险。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足之处，本发明提出一种基于塌腔分级评估的隧洞拱顶塌腔综合治理方法，解决了施工过程中对塌腔按传统经验制定治理方法的模糊性问题，使施工质量和安全得到保障，提高施工效率，且可操作性强、经济性好。
2、为达到上述目的，本发明所设计的一种基于塌腔分级评估的隧洞拱顶塌腔综合治理方法，其特别之处在于，包括如下步骤：
3、s1）测量塌腔几何参数，依据塌腔几何参数将塌腔规模分为ⅰ~iv级，ⅰ~iv级的塌腔规模依次增大；
4、s2）对塌腔采取分级治理措施；
5、ⅱ级塌腔治理的施作过程包括a对塌腔进行初喷混凝土；b在隧洞拱顶挂设钢筋网，架设型钢拱架；c在塌腔内预留混凝土回填管和排气管；d在型钢拱架外侧喷射混凝土，形成防护壳；e通过回填管回填混凝土，将塌腔回填密实，回填过程中，实时监测排气状态；f朝向塌腔方向打设系统砂浆锚杆，砂浆锚杆竖向布置，穿过塌腔区回填的混凝土锚入稳定围岩；
6、ⅲ级塌腔治理的施作过程包括a对塌腔进行初喷混凝土；b在隧洞拱顶挂设钢筋网，架设型钢拱架，且型钢拱架间距加密；c在塌腔内预留混凝土回填管和排气管；d在型钢拱架外侧喷射混凝土，形成防护壳；e通过回填管回填混凝土，将塌腔回填密实，回填过程中，实时监测排气状态；f朝向塌腔方向打设砂浆锚杆、且砂浆锚杆呈外八形，穿过塌腔区回填的混凝土锚入稳定围岩；
7、iv级塌腔治理的施作过程包括a进行反压回填处理，反压回填过程中预埋混凝土回填管、排气管；b通过回填管回填设定厚度混凝土及封闭塌腔；c塌方洞段后退一段距离处，在顶拱范围施作超前注浆大管棚；d多台阶短进尺开挖；e系统支护紧跟掌子面，挂钢筋网，架设型钢拱架，喷射混凝土；f朝向塌腔方向打设砂浆锚杆、且砂浆锚杆呈外八形，穿过塌腔区回填的混凝土锚入稳定围岩。
8、进一步地，s1）中，根据塌腔高度，将塌腔规模分为ⅰ~iv级，其中塌腔高度<0.5m时，塌腔规模为ⅰ级；塌腔高度≥0.5m且<2.5m时，塌腔规模为ⅱ级；塌腔高度≥2.5m且<5m时，塌腔规模为ⅲ级；塌腔高度＞5m时，塌腔规模为iv级。
9、进一步地，s2）中还包括ⅰ级塌腔治理，施作过程包括a对塌腔进行多层喷射混凝土回填及封闭；b在隧洞拱顶挂设钢筋网，喷射混凝土；c朝向塌腔方向布设径向系统砂浆锚杆。
10、进一步地，s2）中的ⅱ级塌腔治理，回填管管口距离塌腔腔底30~50cm；排气管布置在塌腔几何最高点，空间位置上始终高于回填管出口。
11、更进一步地，s2）中的ⅱ级塌腔治理，打设的系统砂浆锚杆直径为φ22~φ28、间排距为1.2~1.5m×1.2~1.5m、长度为l2≥max(h+2，rp+2)，其中rp为隧洞围岩塑性区半径，h为塌腔高度。
12、更进一步地，s2）中的ⅱ级塌腔治理，系统砂浆锚杆、型钢拱架、以及挂网喷射混凝土提供的支护强度需能抵抗回填混凝土产生的下滑力，并具有设定安全裕度，通过下式表示
13、kg≤fc+fs+fss+fm；
14、fc=0.7·βh·ft·um·t2；
15、fs=0.8·fyv·as；
16、fss=nss·vss；
17、vss=fsv·ass；
18、fm=nm·π·d2·fy/4；
19、式中，
20、k为塌腔回填治理后的安全系数，k取值1.5~2.0，
21、g为回填混凝土自重，
22、fc为挂网喷射混凝土抗冲切能力，
23、fs为钢筋网对抗冲切承载力的贡献，
24、fss为型钢拱架对抗冲切承载力的贡献，
25、fm为系统砂浆锚杆提供的承载力贡献，
26、βh为喷射混凝土截面高度影响系数，
27、ft为喷射混凝土抗拉强度设计值，
28、um为塌腔出露开挖设计轮廓线的周边长度，
29、fyv为钢筋网抗拉强度，
30、as为钢筋网面积，
31、nss为冲切破坏锥体内的型钢榀数，
32、vss为单根型钢抗剪承载力，
33、fsv为抗剪强度，
34、ass为单根型钢截面积，
35、nm为冲切破坏锥体内的锚杆根数，
36、fy为抗拉强度设计值，
37、d为砂浆锚杆直径。
38、进一步地，s2）中的ⅲ级塌腔治理，砂浆锚杆直径为φ22~φ28、间排距1.0~1.2m×1.0~1.2m，砂浆锚杆长度根据腔体深度确定，要求锚入稳定围岩不小于2m。
39、更进一步地，s2）中的ⅲ级塌腔治理，外八形砂浆锚杆、加密布置的型钢拱架、以及挂网喷射混凝土提供的支护强度需能抵抗回填混凝土产生的下滑力，并具有设定安全裕度，通过下式表示，
40、kg≤fc+fs+fss+fm；
41、fc=0.7·βh·ft·um·t2；
42、fs=0.8·fyv·as；
43、fss=nss·vss；
44、vss=fsv·ass；
45、fm=nm·π·d2·fy·cosα/4；
46、式中，
47、k为塌腔回填治理后的安全系数，k取值1.5~2.0，
48、g为回填混凝土自重，
49、fc为挂网喷射混凝土抗冲切能力，
50、fs为钢筋网对抗冲切承载力的贡献，
51、fss为型钢拱架对抗冲切承载力的贡献，
52、fm为外八形砂浆锚杆提供的承载力贡献，
53、βh为喷射混凝土截面高度影响系数，
54、ft为喷射混凝土抗拉强度设计值，
55、um为塌腔出露开挖设计轮廓线的周边长度，
56、fyv为钢筋网抗拉强度，
57、as为钢筋网面积，
58、nss为冲切破坏锥体内的型钢榀数，
59、vss为单根型钢抗剪承载力，
60、fsv为抗剪强度，
61、ass为单根型钢截面积，
62、nm为冲切破坏锥体内的锚杆根数，
63、fy为抗拉强度设计值，
64、d为砂浆锚杆直径，
65、α为外八形砂浆锚杆与竖直方向的夹角。
66、进一步地，s2）中的iv级塌腔治理，回填管从回填掌子面向斜上方布置，管口距离腔底50~100cm；排气管从回填掌子面向斜上方布置，空间位置上始终高于回填管出口。
67、更进一步地，s2）中的iv级塌腔治理，超前注浆大管棚、外八形砂浆锚杆、加密布置的型钢拱架、以及挂网喷射混凝土提供的支护强度需能抵抗回填混凝土产生的下滑力，并具有设定安全裕度，通过下式表示，
68、kg≤fc+fs+fss+fm+fg；
69、fc=0.7·βh·ft·um·t2；
70、fs=0.8·fyv·as；
71、fss=nss·vss；
72、vss=fsv·ass；
73、fm=nm·π·d2·fy·cosα/4；
74、fg=ng·vg；
75、vg= fsv·(π·(dg2-(dg-2tg)2/4+ag)；
76、式中，
77、k为塌腔回填治理后的安全系数，k取值1.5~2.0，
78、g为回填混凝土自重，
79、fc为挂网喷射混凝土抗冲切能力，
80、fs为钢筋网对抗冲切承载力的贡献，
81、fss为型钢拱架对抗冲切承载力的贡献，
82、fm为外八形砂浆锚杆提供的承载力贡献，
83、fg为超前注浆大管棚提供的承载力贡献，
84、βh为喷射混凝土截面高度影响系数，
85、ft为喷射混凝土抗拉强度设计值，
86、um为塌腔出露开挖设计轮廓线的周边长度，
87、fyv为钢筋网抗拉强度，
88、as为钢筋网面积，
89、nss为冲切破坏锥体内的型钢榀数，
90、vss为单根型钢抗剪承载力，
91、fsv为抗剪强度，
92、ass为单根型钢截面积，
93、nm为冲切破坏锥体内的锚杆根数，
94、fy为抗拉强度设计值，
95、d为砂浆锚杆直径，
96、α为外八形砂浆锚杆与竖直方向的夹角，
97、ng为塌腔范围内的管棚根数，
98、vg为单根管棚抗剪承载力，
99、dg为管棚外径，
100、tg为管棚壁厚，
101、ag为钢筋束截面面积。
102、本发明的优点在于：
103、1、本发明通过建立塌腔规模分级标准，再针对不同级别采取差异化组合治理方案，并给出了不同级别塌腔治理方案的安全系数计算方法，该方法能定量化高效处理隧洞工程开挖过程中，由于缓倾软弱岩层、溶蚀溶洞、破碎带或断层等不良地质原因导致的拱顶范围出现的垮塌问题；
104、2、本发明基于塌腔分级评估的隧洞拱顶塌腔综合治理方法，提供一种四级分类治理方法，解决了按照传统经验治理塌腔的模糊性问题，使施工质量、安全得到保障，提高施工效率，且可操作性强、经济性好。