一種大斷面暗挖隧道豎向預應力鋼管支撐結構及施工工藝的製作方法

2023-05-04 21:18:26

一種大斷面暗挖隧道豎向預應力鋼管支撐結構及施工工藝的製作方法
【專利摘要】本發明公布了一種大斷面暗挖隧道豎向預應力鋼管支撐結構及施工工藝，先施工下部小導洞，施作條形基礎；然後施工上部小導洞，在上部小導洞人工挖孔形成豎向通道，安裝豎向鋼管支撐，鋼管支撐底端設置活絡端，支撐在條形基礎上，鋼管支撐頂端設置固定端，支撐於拱部工字鋼型鋼縱梁上；上部小導洞、下部小導洞、以及豎向通道形成臨空面，降低爆破對鋼管支撐的不利影響；拱部快速形成可靠初期支護和剛度較大的豎向支撐，開挖過程中根據信息監測結果，施加預應力，對拱部變形進行主動控制。本發明的技術方案既能有效控制拱頂沉降、降低爆破振速、保護臨時支撐、保證施工安全的目的，又具有縮短工期和費用經濟的優點。
【專利說明】一種大斷面暗挖隧道豎向預應力鋼管支撐結構及施工工藝

【技術領域】
[0001]本發明涉隧道挖掘施工領域，具體是指一種大斷面暗挖隧道豎向預應力鋼管支撐結構及施工工藝。

【背景技術】
[0002]目前，軟弱圍巖大斷面隧道大多採用雙側壁導坑法施工，如圖1所示的施工步序:步驟一，左側上部導坑①開挖，初期支護；步驟二，左側下部導坑②開挖，初期支護；步驟三，右側上部導坑③開挖，初期支護；步驟四，右側下部導坑④開挖，初期支護；步驟五，中間上部導坑⑤開挖，初期支護；步驟六，中間下部導坑⑥開挖，初期支護；步驟七，拆除支撐，敷設仰拱防水層，澆築仰拱混凝土⑦；步驟八，敷設防水層，澆築隧道拱、牆二次襯砌及內部結構⑧。
[0003]上述的雙側壁導坑法施工中，中隔壁大多採用工字鋼+噴射砼形成，側壁為弧形，剛度小，支撐點未撐在拱頂變形最大處，即拱頂中心處，拱部變形大；側壁僅能被動受力，無法施加預應力，對變形進行主動控制；開挖過程中，拱頂圍巖應力狀態發生多次改變有可能引起最終較大的變形量；仰拱施工和拱牆施工均需拆除中隔壁，縱向拆撐段長度大，安全性差；側壁緊貼巖土面，爆破對側壁的破壞難以避免，存在較大安全隱患。


【發明內容】

[0004]本發明的目的在於提供一種大斷面暗挖隧道豎向預應力鋼管支撐結構及施工工藝，解決現有技術中存在的安全性差的問題，達到提高施工安全性、加快進度、縮短工期的目的。
[0005]本發明的目的通過下述技術方案實現:
一種大斷面暗挖隧道豎向預應力鋼管支撐結構，其特徵在於:包括開設在仰拱中心處的下部小導洞、開設在下部小導洞正上方的上部小導洞、以及連通上部小導洞與下部小導洞的豎向通道，在所述的下部小導洞設置有條形基礎，在上部小導洞頂部形成拱部初期支護層，還包括穿過豎向通道的鋼管支撐，鋼管支撐的頂端為固定端且通過型鋼縱梁作用在拱部初期支護層上，鋼管支撐底部為活絡端並安裝在條形基礎上。本發明的支護結構用於大斷面的暗挖隧道，上部小導洞和下部小導洞位於整個隧道斷面的中心線上，在下部小導洞底部燒築形成的條形基礎作為整個豎向支撐系統的受力基礎和安裝臺座，通過豎向開挖的豎向通道將上部小導洞和下部小導洞連通，並作為鋼管支撐的安裝空間，鋼管支撐穿過人工挖孔並頂在型鋼縱梁的下方，鋼管支撐頂端為固定端，與型鋼縱梁固定連接，其底部為活絡端，坐落於條形基礎上，活絡端設置千斤頂施加預應力，通過鋼管支撐、型鋼縱梁傳遞給隧道拱頂。
[0006]在所述條形基礎下還設置有用於加固基礎的樹根樁。在地基承載力不滿足受力要求的情況下，在條形基礎下設置有用於加固地基的樹根樁，在條形基礎施工前，在下部小導洞內先施工樹根樁來進行地基加固，以提高地基承載力。
[0007]在所述下部小導洞側壁和頂部澆築有下部初期支護層；在上部小導洞側壁澆築有上部初期支護層。為了提高施工的安全性，當巖土較為鬆散時，需要在上部小導洞的側壁噴射混凝土形成上導洞支護層，在下部小導洞側壁和頂部噴射混凝土形成下導洞支護層，以此來提高安全性能。
[0008]還包括安裝在上部小導洞頂部的錨杆，錨杆的底部連接形成U形構件將型鋼縱梁固定在上部小導洞的頂部。在型鋼縱梁的兩側分別設置錨杆，錨杆釘入到隧道頂部的巖土中固定，其底部連接形成U字型結構，U字型結構的底部支撐在型鋼縱梁的底部，給型鋼縱梁向上的拉力。
[0009]在所述的豎向通道側壁上噴射有混凝土形成護壁。護壁的結構可以保持豎向通道的暢通，避免豎向通道側壁垮塌。
[0010]一種大斷面暗挖隧道豎向預應力鋼管支撐的施工工藝，按照如下步驟依次進行:
(a)施工仰拱中心處下部小導洞，初期支護，在下部小導洞側壁和頂部進行澆築形成下部初期支護層，在下部小導洞底部安裝條形基礎；
(b)施工拱部中心處上部小導洞，初期支護，在上部小導洞側壁進行澆築形成上部初期支護層，在上部小導洞頂部形成拱部初期支護層，在上部小導洞頂部安裝錨杆，安裝型鋼縱梁，用錨杆將型鋼縱梁懸掛固定在上部小導洞的拱部；
(C)施工豎向通道，並在豎向通道內安裝鋼管支撐，在鋼管支撐的頂端固定安裝固定端並頂在型鋼縱梁上，鋼管支撐的底部為活絡端並安裝在條形基礎上，採用千斤頂通過鋼管支撐、型鋼縱梁向隧道頂部施加預應力；
Cd)導坑左上部開挖，初期支護和臨時仰拱，同時施工型鋼橫撐；
Ce)導坑右上部開挖，初期支護和臨時仰拱，同時施工型鋼橫撐；
Cf)導坑左下部開挖，初期支護，施工型鋼連梁；
(g)導坑右下部開挖，初期支護；
(h)鋪設仰拱防水層，澆築條形基礎左、右兩側的側仰拱混凝土，形成整體仰拱；
(i)拆除鋼管支撐、型鋼橫撐、以及拱部型鋼縱梁，敷設拱牆防水層，澆築隧道拱、牆的二次襯砌及內部結構。
[0011]本發明的支護結構應用於大斷面暗挖隧道的施工工程中，設計思路是:先施工下部小導洞，施作條形基礎；然後施工上部小導洞，在上部小導洞人工挖孔形成豎向通道，安裝豎向鋼管支撐，鋼管支撐底端設置活絡端，支撐在條形基礎上，鋼管支撐頂端設置固定端，支撐於拱部工字鋼型鋼縱梁上；上部小導洞、下部小導洞、以及豎向通道形成臨空面，降低爆破對鋼管支撐的不利影響；拱部快速形成可靠初期支護和剛度較大的豎向支撐，開挖過程中根據信息監測結果，施加預應力，對拱部變形進行主動控制，相對於現有技術而言，完全克服了現有技術中需要多次進行支護的問題，先採用小導洞開挖，初始沉降小；鋼管撐提前落底，無需在開挖過程接長中隔壁逐步落底，且鋼管支撐在拱部初支中心處，二次沉降小；豎向鋼管支撐可施加預應力，對拱部變形進行主動控制；超前導洞先行，形成有效臨空面，有利於降低爆破振速，減小爆破對鋼管撐的破壞影響；拱部有提前落底的豎向鋼管支撐，拱部圍巖應力狀態穩定，進尺可加大，施工進度提高，工期縮短；仰拱施工時無需拆除鋼管支撐，縱向拆撐段長度短，安全性高，既能有效控制拱頂沉降、降低爆破振速、保護臨時支撐、保證施工安全的目的，又具有縮短工期和費用經濟的優點。
[0012]在所述步驟(a)中，在下部小導洞底部安裝條形基礎之前，先施工樹根樁進行基礎加固。在地基強度不夠的區域，其承載能力不足，可以通過預先施工樹根樁來進行基礎加固，提聞條狀基礎承臺的承受:能力。
[0013]在進行步驟(C)施工豎向通道時，在豎向通道的側壁噴射混凝土形成護壁。護壁的結構可以保持豎向通道的暢通，避免豎向通道側壁垮塌。
[0014]在步驟(d)導坑左上部開挖時，對鋼管支撐與型鋼橫撐同一豎向平面內的連接節點處設置加勁肋和連接型鋼橫撐的接頭。
[0015]在步驟(f)導坑左下部開挖時，初期支護，鋼管支撐兩側沿隧道縱向設置型鋼連梁，作為相鄰鋼管支撐之間的加強連接構件和型鋼橫撐的中間支座。
[0016]本發明與現有技術相比，具有如下的優點和有益效果:在隧道的挖掘過程中，只需要一次支護，先採用小導洞開挖，初始沉降小；鋼管支撐提前落底，無需在開挖過程接長中隔壁逐步落底，且鋼管支撐在拱部初期支護中心處，支撐剛度大，開挖過程中發生二次沉降小；豎向鋼管支撐可施加預應力，對拱部變形進行主動控制；超前導洞先行，形成有效臨空面，有利於降低爆破振速，減小爆破對鋼管撐的破壞影響；拱部有提前落底的豎向鋼管支撐，拱部圍巖應力狀態穩定，進尺可加大，施工進度提高，工期縮短；仰拱施工時無需拆除鋼管支撐，縱向拆撐段長度短，安全性高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]此處所說明的附圖用來提供對本發明實施例的進一步理解，構成本申請的一部分，並不構成對本發明實施例的限定。在附圖中:
圖1為現有技術中雙側壁導坑法施工部位順序剖面圖；
圖2為本發明支護結構示意圖；
圖3為本發明應用於大斷面暗挖隧道施工過程中步驟(a)的示意圖；
圖4為本發明應用於大斷面暗挖隧道施工過程中步驟(b)的示意圖；
圖5為本發明應用於大斷面暗挖隧道施工過程中步驟(c)的示意圖；
圖6為本發明應用於大斷面暗挖隧道施工過程中步驟(d)的示意圖；
圖7為本發明應用於大斷面暗挖隧道施工過程中步驟(e)的示意圖；
圖8為本發明應用於大斷面暗挖隧道施工過程中步驟(f)的示意圖；
圖9為本發明應用於大斷面暗挖隧道施工過程中步驟(g)的示意圖；
圖10為本發明應用於大斷面暗挖隧道施工過程中步驟(h)的示意圖；
圖11為本發明應用於大斷面暗挖隧道施工過程中步驟(i)的示意圖。
[0018]附圖中標記及相應的零部件名稱:
1-下部小導洞，2-上部小導洞，3-豎向通道，4-條形基礎，5-拱部初期支護層，6-鋼管支撐，7-型鋼縱梁，8-樹根樁，9-下部初期支護層，10-上部初期支護層，11-錨杆，12-護壁，13-仰拱防水層，14-仰拱，15-拱牆防水層，16- 二次襯砌及內部結構，17-型鋼橫撐，18-型鋼連梁。

【具體實施方式】
[0019]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合實施例和附圖，對本發明作進一步的詳細說明，本發明的示意性實施方式及其說明僅用於解釋本發明，並不作為對本發明的限定。
實施例
[0020]以西安地鐵某區間停車線隧道工程為例，該工程的長度為222.3米，橫截面高度為10.4米,寬度為13.5米,拱頂覆土 8.4m,拱頂土層為飽和軟黃土,拱頂有汙水管、雨水管和燃氣管線，對沉降控制要求高。如按照現有技術中的施工工藝，如圖1所示的雙側壁導坑法施工，
步驟一，左側上部導坑①開挖，初期支護；
步驟二，左側下部導坑②開挖，初期支護；
步驟三，右側上部導坑③開挖，初期支護；
步驟四，右側下部導坑④開挖，初期支護；
步驟五，中間上部導坑⑤開挖，初期支護；
步驟六，中間下部導坑⑥開挖，初期支護；
步驟七，拆除支撐，敷設仰拱防水層，澆築仰拱混凝土⑦；
步驟八，敷設防水層，澆築隧道拱、牆二次襯砌及內部結構⑧。
[0021]經測算，工程總費用約3177萬，工期約15個月，根據有限元分析，地表最大沉降為28mm,管線最大變形15mm。
[0022]而實際施工過程中，改變了其施工工藝，將本發明的支護結構應用於該工程，按照如下步驟施工:
如圖3所示的步驟:(a)施工仰拱中心處下部小導洞1，初期支護，在下部小導洞I側壁和頂部進行澆築形成下部初期支護層9，在下部小導洞I底部先施工樹根樁8進行基礎加固，然後在下部小導洞I底部安裝條形基礎4 ;
如圖4所示的步驟:(b)施工拱部中心處上部小導洞2，初期支護，在上部小導洞2側壁進行澆築形成上部初期支護層10，在上部小導洞2頂部形成拱部初期支護層5，在上部小導洞2頂部安裝錨杆11，安裝型鋼縱梁7，用錨杆11將型鋼縱梁7懸掛固定在上部小導洞2的拱部；
如圖5所示的步驟:(c)施工豎向通道3，在豎向通道3的側壁噴射混凝土形成護壁12，並在豎向通道3內安裝鋼管支撐6，在鋼管支撐6的頂端固定安裝固定端並頂在型鋼縱梁7上，鋼管支撐6的底部為活絡端並安裝在條形基礎4上，採用千斤頂通過鋼管支撐6、型鋼縱梁7向隧道頂部施加預應力；
如圖6所示的步驟:(d)導坑左上部開挖，初期支護和臨時仰拱，同時施工型鋼橫撐17，型鋼橫撐17與鋼管支撐6在同一豎向平面內時，在鋼管支撐6與型鋼橫撐17連接節點處設置加勁肋和連接型鋼橫撐17的接頭；
如圖7所示的步驟:(e)導坑右上部開挖，初期支護和臨時仰拱，同時施工型鋼橫撐
17 ；
如圖8所示的步驟:(f)導坑左下部開挖，初期支護，在鋼管支撐6兩側沿隧道縱向設置型鋼連梁18，作為相鄰鋼管支撐6之間的加強連接構件和型鋼橫撐17的中間支座；
如圖9所示的步驟:(g)導坑右下部開挖，初期支護； 如圖10所示的步驟:(h)鋪設仰拱防水層13，澆築條形基礎4左、右兩側的側仰拱混凝土，形成整體仰拱14 ；
如圖11所示的步驟:(i)拆除鋼管支撐6、型鋼橫撐12、以及拱部型鋼縱梁7，敷設拱牆防水層15，澆築隧道拱、牆的二次襯砌及內部結構16。
[0023]經測算，採用本發明方案施工，工程總費用約2926萬，工期約13個月，根據有限元分析，通過施加預應力，施工過程中，地表和管線甚至可實現零沉降；在實際施工過程中，沒有塌方事故，各項安全監測指標均符合安全要求，具有明顯的進步。
[0024]以上所述的【具體實施方式】，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的【具體實施方式】而已，並不用於限定本發明的保護範圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種大斷面暗挖隧道豎向預應力鋼管支撐結構，其特徵在於:包括開設在仰拱中心處的下部小導洞(I)、開設在下部小導洞(I)正上方的上部小導洞(2)、以及連通上部小導洞(2)與下部小導洞(I)的豎向通道(3)，在所述的下部小導洞(I)設置有條形基礎(4)，在上部小導洞(2)頂部形成拱部初期支護層(5)，還包括穿過豎向通道(3)的鋼管支撐(6)，鋼管支撐(6)的頂端為固定端且通過型鋼縱梁(7)作用在拱部初期支護層(5)上，鋼管支撐(6)的底部為活絡端並安裝在條形基礎(4)上。
2.根據權利要求1所述的一種大斷面暗挖隧道豎向預應力鋼管支撐結構，其特徵在於:在所述條形基礎(4)下還設置有用於加固基礎的樹根樁(8)。
3.根據權利要求1所述的一種大斷面暗挖隧道豎向預應力鋼管支撐結構，其特徵在於:在所述下部小導洞(I)側壁和頂部澆築有下部初期支護層(9);在上部小導洞(2)側壁澆築有上部初期支護層(10)。
4.根據權利要求1所述的一種大斷面暗挖隧道豎向預應力鋼管支撐結構，其特徵在於:還包括安裝在上部小導洞(2)頂部的錨杆(11)，錨杆(11)的底部連接形成U形構件將型鋼縱梁(7)固定在上部小導洞(2)的頂部。
5.根據權利要求1至4中任意一項所述的一種大斷面暗挖隧道豎向預應力鋼管支撐結構，其特徵在於:在所述的豎向通道(3)側壁上噴射有混凝土形成護壁(12)。
6.一種大斷面暗挖隧道豎向預應力鋼管支撐的施工工藝，其特徵在於，按照如下步驟依次進行: Ca)施工仰拱中心處下部小導洞(I )，初期支護，在下部小導洞(I)側壁和頂部進行澆築形成下部初期支護層(9)，在下部小導洞(I)底部安裝條形基礎(4)； (b)施工拱部中心處上部小導洞(2)，初期支護，在上部小導洞(2)側壁進行澆築形成上部初期支護層(10)，在上部小導洞(2)頂部形成拱部初期支護層(5)，在上部小導洞(2)頂部安裝錨杆(11)，安裝型鋼縱梁(7)，用錨杆(11)將型鋼縱梁(7)懸掛固定在上部小導洞(2)的拱部； (c)施工豎向通道(3)，並在豎向通道(3)內安裝鋼管支撐(6)，在鋼管支撐(6)的頂端固定安裝固定端並頂在型鋼縱梁(7)上，鋼管支撐(6)的底部為活絡端並安裝在條形基礎(4)上，採用千斤頂通過鋼管支撐(6)、型鋼縱梁(7)向隧道頂部施加預應力； Cd)導坑左上部開挖，初期支護和臨時仰拱，同時施工型鋼橫撐(17)； (e)導坑右上部開挖，初期支護和臨時仰拱，同時施工型鋼橫撐(17); Cf)導坑左下部開挖，初期支護，施工型鋼連梁(18)； (g)導坑右下部開挖，初期支護； (h)鋪設仰拱防水層(13)，澆築條形基礎(4)左、右兩側的側仰拱混凝土，形成整體仰拱(14)； (i)拆除鋼管支撐(6)、型鋼橫撐(12)、以及拱部型鋼縱梁(7)，敷設拱牆防水層(15)，澆築隧道拱、牆的二次襯砌及內部結構(16)。
7.根據權利要求6所述的一種大斷面暗挖隧道豎向預應力鋼管支撐的施工工藝，其特徵在於:在所述步驟(a)中，在下部小導洞(I)底部安裝條形基礎(4)之前，先施工樹根樁(8)進彳丁基礎加固。
8.根據權利要求6或7所述的一種大斷面暗挖隧道豎向預應力鋼管支撐的施工工藝，其特徵在於:在進行步驟(C)施工豎向通道(3)時，在豎向通道(3)的側壁噴射混凝土形成護壁(12)。
【文檔編號】E21D11/10GK104453948SQ201410711292
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月1日 優先權日:2014年12月1日
【發明者】劉建偉, 盧致強 申請人:中鐵隆工程集團有限公司