CN105781582A - 一种适用于城市敏感区的浅埋隧道新型支护结构及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于隧道及地下工程技术领域，具体涉及一种适用于城市敏感区的浅埋隧道新型支护结构及其施工方法，本发明的支护结构包括沿隧道径向由外向内依次设置的超前支护、初期支护和装配式衬砌；所述初期支护包括沿隧道纵向间隔设置的若干钢管混凝土拱架，相邻钢管混凝土拱架之间立模板浇注模筑混凝土；所述钢管混凝土拱架由可调预应力钢管灌注早强混凝土形成；本发明能够有效解决当前城市浅埋隧道施工过程中普遍存在的地表沉降过大、变形难以控制、渗漏水、衬砌开裂等问题，从而保证隧道附近地表建筑物、沿线管道以及道路交通不受地下工程施工的影响。
Description
技术领域
本发明属于隧道及地下工程技术领域，具体涉及一种适用于城市敏感区的浅埋隧道新型支护结构及其施工方法。
背景技术
随着城市建设的快速发展，各种浅埋暗挖工程越来越多，如城市地铁、大型管网等。现有的浅埋暗挖工法是在新奥法的基础上改进提出的，采用锚喷支护作为初期支护，由于喷射混凝土喷层厚度有限、最大厚度不宜超过35cm且喷射过程中回弹量较大；普通的型钢拱架属于被动支撑，只能承受围岩的松弛荷载而不能主动承载并且拱架施工过程中螺栓连接困难或者根本无法栓连，造成拱架错位，而格栅钢架由于刚度较小不能单独承载；防水板容易被喷射混凝土凹凸不平的表面以及二衬混凝土中的钢筋刺破等等。以上这些缺点导致浅埋隧道在施工过程中出现了一系列问题，如：围岩松弛引起地表沉降过大、初期支护刚度不足围岩压力传递至二次衬砌导致衬砌开裂、渗漏水等。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种适用于城市敏感区的浅埋隧道新型支护结构及其施工方法，能够有效解决当前城市浅埋隧道施工过程中普遍存在的地表沉降过大、变形难以控制、渗漏水、衬砌开裂等问题，从而保证隧道附近地表建筑物、沿线管道以及道路交通不受地下工程施工的影响。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种适用于城市敏感区的浅埋隧道新型支护结构，包括：沿隧道径向由外向内依次设置的超前支护、初期支护和装配式衬砌；所述初期支护包括沿隧道纵向间隔设置的若干钢管混凝土拱架，相邻钢管混凝土拱架之间立模板浇注模筑混凝土；所述钢管混凝土拱架由内部为空心的可调预应力钢管灌注早强混凝土形成。
进一步的，所述可调预应力钢管包括拱部钢管和多段下部钢管，拱部钢管两端与下部钢管之间设置有预调节，各段下部钢管之间通过套管连接。
进一步的，所述预调节包括呈上下结构设置的带有若干上钢筋的上连接板和带有若干下钢筋的下连接板，所述上钢筋分别与下钢筋连接固定。
进一步的，拱部钢管采用带翼缘的薄壁矩形钢管，拱部钢管翼缘预留锚杆孔施作拱部预应力锚杆；下部钢管采用不带翼缘的薄壁矩形钢管，拱脚位置的矩形钢管预留锚杆孔施作锁脚锚杆。
进一步的，所述超前支护采用沿隧道拱部轮廓线设置超前大管棚注浆预加固围岩；超前大管棚在隧道掌子面处拱顶120°范围内沿隧道周向施作，所述注浆浆液采用水泥—水玻璃双液浆。
进一步的，所述装配式衬砌采用错缝拼接的预制钢筋混凝土管片，预制钢筋混凝土管片之间通过螺栓连接拼装。
进一步的，所述预制钢筋混凝土管片之间接缝位置采用弹性橡胶密封垫密封防水。
一种适用于城市敏感区的浅埋隧道新型支护结构的施工方法包括以下步骤：
1)沿隧道拱部120°范围开挖轮廓线，施作超前大管棚，并注水泥-水玻璃双液浆预加固围岩，形成超前支护；
2)在超前大管棚支护的保护下进行上台阶Ⅰ的开挖并预留核心土Ⅱ，每次开挖进尺为1倍可调预应力钢管间距；施作可调预应力钢管：架设上台阶Ⅰ拱部的可调预应力钢管，在拱部的可调预应力钢管两端安装预调节施加预应力，通过在拱部钢管翼缘上预留锚杆孔安装预应力锚杆，通过在拱脚处钢管预留锚杆孔安装锁脚锚杆；向可调预应力钢管内灌注早强混凝土；在可调预应力钢管之间挂模板浇注早强混凝土形成模筑混凝土；
3)开挖中部核心土Ⅱ；
4)开挖下台阶左侧Ⅲ，每次开挖进尺控制在1～2倍可调预应力钢管间距，然后施做下台阶左侧Ⅲ部分的可调预应力钢管，并与上台阶Ⅰ部分的可调预应力钢管通过套管连接；通过可调预应力钢管上预留注浆孔灌注早强混凝土，可调预应力钢管之间挂模板浇注早强混凝土，形成模筑混凝土；
5)开挖下台阶右侧Ⅳ，施工步骤同下台阶左侧Ⅲ；
6)待模筑混凝土达到设计强度80％以上拆除模板，紧跟施作装配式衬砌：拼装预制钢筋混凝土管片，相邻预制钢筋混凝土管片接缝位置错缝连接，接缝位置预先粘贴弹性橡胶密封垫；预制钢筋混凝土管片之间通过螺栓连接。
进一步的，所述预调节包括呈上下结构设置的带有若干上钢筋的上连接板和带有若干下钢筋的下连接板；施加预调节的步骤为：用千斤顶顶住上连接板和下连接板，然后操作千斤顶改变上、下连接板的距离，调节好后将上钢筋和下钢筋焊接，撤走千斤顶。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：通过钢管混凝土拱架主动承担荷载，利用可调预应力钢管能有效防止围岩松弛，严格控制地表沉降；用模筑混凝土替代喷射混凝土解决了喷射混凝土喷层厚度有限、初期支护刚度不足的问题；通过采用装配式衬砌，能够有效解决施工阶段以及后期运营过程中渗漏水的问题。
进一步的，通过设置预调节，给拱部钢管施加预应力，使钢管主动承担荷载，防止围岩松弛，严格控制地表沉降。
进一步的，通过设置预制钢筋混凝土管片之间接缝位置采用弹性橡胶密封垫密封防水，取消专门的防水层，防水效果可靠，可有效解决隧道渗漏水问题；管片工厂化预制，质量可靠，施工进度快，造价低。
附图说明
图1是本发明的隧道支护结构纵断面示意图。
图2是本发明的隧道支护结构Ⅰ-Ⅰ剖视图。
图3是本发明的隧道支护结构Ⅱ-Ⅱ剖视图。
图4是预调节示意图。
图5是钢管截面示意图，(a)是拱部钢管截面，(b)是拱部以下钢管截面。
图6是本发明的隧道施工方法横断面示意图。
图7是本发明的隧道施工方法纵断面示意图。
其中：1为超前大管棚；2为可调预应力钢管，201为矩形钢管，202为钢管翼缘；3为套管；4为预调节，401为上连接板，402为下连接板，403为千斤顶，404为上钢筋，405为下钢筋；5为灌注混凝土，6为预应力锚杆，7为锁脚锚杆，8为模筑混凝土，9为预制钢筋混凝土管片；10为弹性橡胶密封垫。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
参见图1-3，本发明提供的适用于城市敏感区的浅埋隧道新型支护结构，包括沿隧道径向由外向内依次设置的超前支护、初期支护和装配式衬砌；所述初期支护包括沿隧道纵向间隔设置的若干钢管混凝土拱架，相邻钢管混凝土拱架之间浇注模筑混凝土8；所述钢管混凝土拱架由空心结构的可调预应力钢管灌注早强混凝土形成，空心钢管质量轻，施工方便，灌注混凝土后形成的钢管混凝土结构结合了钢管强度高、延展性好和混凝土抗压强度高的优点，组合结构具有较高的承载力。可调预应力钢管2包括拱部钢管和多段下部钢管，拱部钢管两端与下部钢管之间设置有预调节4，各段下部钢管之间通过套管3连接，套管连接施工方便、简单。参见图5，拱部钢管采用带翼缘202的薄壁矩形钢管201，拱部钢管翼缘202预留锚杆孔施作拱部预应力锚杆6，拱部带翼缘钢管封闭开挖裸露的围岩表面，预应力锚杆进一步锚固钢管、加固拱部围岩，提高围岩承载能力；下部钢管采用不带翼缘的薄壁矩形钢管，拱脚位置的矩形钢管预留锚杆孔施作锁脚锚杆7，锁脚锚杆将拱脚钢管锚固于围岩中，防止下台阶开挖过程中拱部整体下沉。
参见图4，所述预调节4包括呈上下结构设置的带有若干上钢筋404的上连接板401和带有若干下钢筋405的下连接板402，所述上钢筋404分别与下钢筋405连接固定。通过预调节给拱部钢管施加预应力，使钢管主动承担荷载，防止围岩松弛，严格控制地表沉降。
超前支护采用沿隧道拱部轮廓线设置超前大管棚1注浆预加固掌子面前方围岩，提高围岩自承能力；超前大管棚1在隧道掌子面处拱顶120°范围内沿隧道周向施作，所述注浆浆液采用水泥—水玻璃双液浆，双液浆具有较高的结石率和较快的凝结速度，超前支护后可快速开挖，加快施工进度。
所述装配式衬砌采用错缝拼接的预制钢筋混凝土管片9，预制钢筋混凝土管片可工厂化批量生产，质量可靠，预制钢筋混凝土管片9之间通过螺栓连接拼装。所述预制钢筋混凝土管片9之间接缝位置采用弹性橡胶密封垫密封防水，防水效果好，取消专门的防水层。
参见图6、7，本发明提供的适用于城市敏感区的浅埋隧道新型支护结构的施工方法，将开挖断面分成上、下台阶，上、下台阶错台开挖，前后距离控制在3-5m，上台阶开挖预留核心土，下台阶左、右两侧交错开挖，具体包括以下步骤：
1)沿隧道拱部120°范围开挖轮廓线，施作超前大管棚1，并注水泥-水玻璃双液浆预加固围岩，形成超前支护；
2)在超前大管棚1支护的保护下进行上台阶Ⅰ的开挖并预留核心土Ⅱ，核心土可有效减小掌子面前方的超前变形，上台阶Ⅰ部每次开挖进尺为1倍带翼缘钢管宽度，即可调预应力钢管2的间距；施作可调预应力钢管2：架设上台阶Ⅰ拱部的可调预应力钢管2，在拱部的可调预应力钢管2两端安装预调节4施加预应力，预调节4包括呈上下结构设置的带有若干上钢筋404的上连接板401和带有若干下钢筋405的下连接板402；施加预调节4的步骤为：用千斤顶403顶住上连接板401和下连接板402，然后操作千斤顶403改变上、下连接板的距离，调节好后将上钢筋404和下钢筋405焊接，撤走千斤顶403；通过在拱部钢管翼缘202上预留锚杆孔安装预应力锚杆6，预应力锚杆可进一步锚固拱部钢管、加固拱部围岩，提高围岩承载能力；通过在拱脚处钢管预留锚杆孔安装锁脚锚杆7，将拱脚钢管锚固于围岩中，防止下台阶开挖过程中拱部整体下沉；向可调预应力钢管2内灌注早强混凝土5形成钢管混凝土拱架，钢管混凝土结构具有较大的塑性变形能力和较高的承载力；在可调预应力钢管2之间挂模板浇注早强混凝土形成模筑混凝土8；
3)开挖中部核心土Ⅱ；
4)开挖下台阶左侧Ⅲ，每次开挖进尺控制在1～2倍可调预应力钢管2间距，然后施做下台阶左侧Ⅲ部分的可调预应力钢管2，并与上台阶Ⅰ部分的可调预应力钢管2通过套管3连接；通过可调预应力钢管2上预留注浆孔灌注早强混凝土5，可调预应力钢管2之间挂模板浇注早强混凝土，形成模筑混凝土8；
5)开挖下台阶右侧Ⅳ，施工步骤同下台阶左侧Ⅲ；
6)待模筑混凝土8达到设计强度80％以上可拆除模板，紧跟施作装配式衬砌：拼装预制钢筋混凝土管片9，相邻预制钢筋混凝土管片9接缝位置错缝连接，接缝位置预先粘贴弹性橡胶密封垫；预制钢筋混凝土管片9之间通过螺栓连接。
Claims (9)
1.一种适用于城市敏感区的浅埋隧道新型支护结构，其特征在于，包括沿隧道径向由外向内依次设置的超前支护、初期支护和装配式衬砌；所述初期支护包括沿隧道纵向间隔设置的若干钢管混凝土拱架，相邻钢管混凝土拱架之间立模板浇注模筑混凝土(8)；所述钢管混凝土拱架由内部为空心的可调预应力钢管(2)灌注早强混凝土(5)形成。
2.根据权利要求1所述的适用于城市敏感区的浅埋隧道新型支护结构，其特征在于，所述可调预应力钢管(2)包括拱部钢管和多段下部钢管，拱部钢管两端与下部钢管之间设置有预调节(4)，各段下部钢管之间通过套管(3)连接。
3.根据权利要求2所述的适用于城市敏感区的浅埋隧道新型支护结构，其特征在于，所述预调节(4)包括呈上下结构设置的带有若干上钢筋(404)的上连接板(401)和带有若干下钢筋(405)的下连接板(402)，所述上钢筋(404)分别与下钢筋(405)连接固定。
4.根据权利要求2所述的适用于城市敏感区的浅埋隧道新型支护结构，其特征在于，拱部钢管采用带翼缘(202)的薄壁矩形钢管(201)，拱部钢管翼缘(202)预留锚杆孔施作拱部预应力锚杆(6)；下部钢管采用不带翼缘的薄壁矩形钢管(201)，拱脚位置的矩形钢管(201)预留锚杆孔施作锁脚锚杆(7)。
5.根据权利要求1所述的适用于城市敏感区的浅埋隧道新型支护结构，其特征在于，所述超前支护采用沿隧道拱部轮廓线设置超前大管棚(1)注浆预加固围岩；超前大管棚(1)在隧道掌子面处拱顶120°范围内沿隧道周向施作，所述注浆浆液采用水泥—水玻璃双液浆。
6.根据权利要求1所述的适用于城市敏感区的浅埋隧道新型支护结构，其特征在于，所述装配式衬砌采用错缝拼接的预制钢筋混凝土管片(9)，预制钢筋混凝土管片(9)之间通过螺栓连接拼装。
7.根据权利要求6所述的适用于城市敏感区的浅埋隧道新型支护结构，其特征在于，所述预制钢筋混凝土管片(9)之间接缝位置采用弹性橡胶密封垫密封防水。
8.一种适用于城市敏感区的浅埋隧道新型支护结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)沿隧道拱部120°范围开挖轮廓线，施作超前大管棚(1)，并注水泥-水玻璃双液浆预加固围岩，形成超前支护；
2)在超前大管棚(1)支护的保护下进行上台阶Ⅰ的开挖并预留核心土Ⅱ，每次开挖进尺为1倍可调预应力钢管(2)间距；施作可调预应力钢管(2)：架设上台阶Ⅰ拱部的可调预应力钢管(2)，在拱部的可调预应力钢管(2)两端安装预调节(4)施加预应力，通过在拱部钢管翼缘(202)上预留锚杆孔安装预应力锚杆(6)，通过在拱脚处钢管预留锚杆孔安装锁脚锚杆(7)；向可调预应力钢管(2)内灌注早强混凝土(5)；在可调预应力钢管(2)之间挂模板浇注早强混凝土形成模筑混凝土(8)；
3)开挖中部核心土Ⅱ；
4)开挖下台阶左侧Ⅲ，每次开挖进尺控制在1～2倍可调预应力钢管(2)间距，然后施做下台阶左侧Ⅲ部分的可调预应力钢管(2)，并与上台阶Ⅰ部分的可调预应力钢管(2)通过套管(3)连接；通过可调预应力钢管(2)上预留注浆孔灌注早强混凝土(5)，可调预应力钢管(2)之间挂模板浇注早强混凝土，形成模筑混凝土(8)；
5)开挖下台阶右侧Ⅳ，施工步骤同下台阶左侧Ⅲ；
6)待模筑混凝土(8)达到设计强度80％以上拆除模板，紧跟施作装配式衬砌：拼装预制钢筋混凝土管片(9)，相邻预制钢筋混凝土管片(9)接缝位置错缝连接，接缝位置预先粘贴弹性橡胶密封垫；预制钢筋混凝土管片(9)之间通过螺栓连接。
9.根据权利要求8所述的适用于城市敏感区的浅埋隧道新型支护结构的施工方法，其特征在于，所述预调节(4)包括呈上下结构设置的带有若干上钢筋(404)的上连接板(401)和带有若干下钢筋(405)的下连接板(402)；施加预调节(4)的步骤为：用千斤顶(403)顶住上连接板(401)和下连接板(402)，然后操作千斤顶(403)改变上、下连接板的距离，调节好后将上钢筋(404)和下钢筋(405)焊接，撤走千斤顶(403)。
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