一种软弱破碎炭质页岩单线隧道的大变形控制方法

摘要

本发明公开一种软弱破碎炭质页岩单线隧道的大变形控制方法，以三台阶开挖法为基础，在拱部采用小导管注浆加固围岩作为超前支护；在拱脚和边墙部位打设长锚杆并施加一定的预紧力，用于控制隧道的水平收敛；相邻钢拱架之间采用3段首尾相接的工字钢作为纵向连接件用于提高钢拱架的整体性，锁脚锚管通过定位环与钢拱架焊接在一起。本发明能够保证软弱破碎炭质页岩单线隧道初期支护结构的安全，可避免初支结构因局部受力过大而造成的钢拱架接头开裂形成纵向裂缝，减小下部台阶开挖引起的初期支护沉降位移，达到不侵限、不换拱的目的，解决软弱破碎炭质页岩单线隧道的大变形控制难题。

说明书

技术领域

本发明属于隧道工程领域，具体涉及一种软弱破碎炭质页岩单线隧道的大变形控制方法。

背景技术

炭质页岩主要由固结较弱的粘土矿物及有机质组成，在地壳运动中经过挤压、脱水、重结晶和胶结作用而形成，其节理发育，呈薄层状构造，岩质脆，岩性软弱，易风化成碎片，强度低。对于单线隧道，其断面形状多为高度大于跨度的马蹄形，在软弱破碎炭质页岩条件下，这种断面形状的初期支护结构力学性能较差，最突出的问题是沉降和收敛位移较大且水平方向为优势变形方向，容易导致拱脚和边墙范围内的钢拱架接头开裂，进而引发喷射混凝土开裂形成纵向裂缝；同时，下部台阶的开挖会导致初期支护失去支承基础而悬空，引起钢拱架和喷射混凝土的下沉；过大的水平收敛位移和下部台阶开挖造成的初期支护下沉极易造成隧道的大变形。

现有的隧道大变形控制方法，多采用“强支护”和“先让后抗”的支护思路，如增加喷射混凝土厚度、增加钢拱架刚度、减小钢拱架间距、增大预留变形量等，取得了一定的控制效果，但是软弱破碎炭质页岩单线隧道的大变形控制难题没有得到很好的解决，因而有必要结合软弱破碎炭质页岩地层的特性和单线隧道支护结构的受力特征，主要控制隧道的水平收敛位移和下部台阶开挖造成的初支下沉，研发相应的隧道大变形控制方法，达到不侵限、不换拱的目的。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供一种软弱破碎炭质页岩地层单线隧道的大变形控制方法，针对软弱破碎炭质页岩地层的特性和单线隧道支护结构的受力特征，解决其大变形控制难题。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

本方案提供一种软弱破碎炭质页岩单线隧道的大变形控制方法，包括如下步骤：

S1、在隧道拱部利用小导管注浆加固围岩作为超前支护；

S2、根据三台阶开挖法分部开挖上台阶、中台阶、下台阶以及仰拱；

S3、根据每分部开挖完成后架设钢拱架，架设完成后喷射混凝土，并分别在上台阶和中台阶的钢拱架上打设锁脚锚管以及焊接纵向连接件，在中台阶施作长锚杆；

S4、在初期支护的表面敷设防水板；

S5、利用模板台车施作二次衬砌，从而完成软弱破碎炭质页岩单线隧道的施工。

进一步地，所述步骤S1中隧道拱部中每环包括23根超前注浆小导管，所述超前注浆小导管之间沿隧道开挖轮廓线的间距为40-50cm，且所述超前注浆小导管外插角为10-15度，其中，所述超前注浆小导管单根长4-6m。

再进一步地，所述步骤S3中钢拱架由工字钢节段拼接而成，其包括钢拱架A单元、钢拱架B单元、钢拱架C单元、钢拱架D单元、钢拱架E单元以及钢拱架F单元，所述相邻工字钢节段之间通过螺栓连接。

再进一步地，所述步骤S3包括如下步骤：

S3-1、根据上台阶开挖后在上台阶架设钢拱架A单元以及钢拱架B单元，完成后喷射混凝土，并焊接纵向连接件，在上台阶的钢拱架打设2排共8根锁脚锚管；

S3-2、根据中台阶开挖后在中台阶架设钢拱架C单元，将钢拱架C单元连接到钢拱架B单元上，完成后喷射混凝土，并焊接纵向连接件，在中台阶的钢拱架上打设2排共8根锁脚锚管以及施作长锚杆；

S3-3、根据下台阶开挖后在下台阶架设钢拱架D单元，将钢拱架D单元连接到钢拱架C单元上，完成后喷射混凝土；

S3-4、根据仰拱开挖后在仰拱架设钢拱架E单元和F单元，完成后喷射混凝土，从而完成对上台阶、中台阶、下台阶以及仰拱的施工。

再进一步地，所述纵向连接件焊接在相邻工字钢的腹板上。

再进一步地，所述纵向连接件与所述钢拱架之间呈45度夹角，且所述纵向连接件单侧为3段首尾相接的工字钢，其中，2段工字钢沿隧道开挖方向朝下倾斜，1段工字钢逆隧道开挖方向朝下倾斜，并位于3段首尾相接的工字钢的中间位置。

再进一步地，所述步骤S3中锁脚锚管通过定位环与钢拱架连接，且所述锁脚锚管穿过定位环并与定位环焊接，其中，所述定位环焊接在钢拱架两侧的翼缘上。

再进一步地，所述步骤S3中长锚杆为恒阻大变形锚杆，且布设于隧道边墙和拱墙处。

再进一步地，所述长锚杆的长度L表达式如下：

所述长锚杆的长度L表达式如下：

L＝T+l_min

式中，L为长锚杆的的长度，T为松动圈厚度，l_min为最小锚固长度，R₁为最大松动圈半径，R₀为隧道当量半径，a为隧道水平跨度，b为隧道垂直高度，λ为侧压力系统，H为隧道埋深，γ为围岩容重，c为围岩内聚力，为围岩内摩擦角，k为安全系数，P为锚杆的轴向拉力设计值，d为锚杆半径，τ为平均剪应力。

本发明的有益效果：

(1)本发明基于软弱破碎炭质页岩地层的特点和单线隧道支护结构的受力特征，适用于软弱破碎炭质页岩条件下、高度大于跨度的单线隧道，在自重应力场作用下，这种隧道断面形式边墙部位的围岩塑性区深度远大于顶拱部位和仰拱部位；所述大变形控制方法以三台阶开挖法为基础，在拱部采用小导管注浆加固围岩作为超前支护；在拱脚和边墙部位打设长锚杆并施加一定的预紧力，用于控制隧道的水平收敛；相邻钢拱架之间采用3段首尾相接的工字钢作为纵向连接件用于提高钢拱架的整体性，锁脚锚管通过定位环与钢拱架焊接在一起，用于减小下部台阶开挖时的初期支护沉降位移；

(2)本发明中采用的长锚杆为恒阻大变形锚杆，保证锚杆有较大的变形量以适应围岩的变形而锚杆不破损，始终提供足够的支护阻力，且长锚杆仅布设在隧道边墙和拱脚部位，取消拱部的锚杆，即布置在隧道收敛变形的优势方向，减少锚杆的数量，节约成本；

(3)本发明中相邻钢拱架之间的单侧采用3段首尾相接的工字钢，有效地保证相邻两组纵向连接件的连接位置均匀分布，从而分散受力位置，同时提高钢拱架的整体性；

(4)本发明中锁脚锚管通过定位环与钢拱架焊接在一起，用于减小下部台阶开挖时的初期支护沉降位移，提高了稳定性。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为本发明软弱破碎围岩大变形隧道支护体系的示意图。

图3为自重应力场作用下的围岩塑性区分布图。

图4为本发明中钢拱架分段示意图。

图5为本发明中钢拱架纵向连接件示意图。

图6为本发明中锁脚锚管与钢拱架连接示意图。

其中，1-喷射混凝土，2-钢拱架，3-长锚杆，4-超前注浆小导管，5-锁脚锚管，6-钢拱架A单元，7-钢拱架B单元，8-钢拱架C单元，9-钢拱架D单元，10-钢拱架E单元，11-钢拱架F单元，12-纵向连接件，13-定位环。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例

本发明公开了一种软弱破碎炭质页岩单线隧道的大变形控制方法，所述大变形控制方法适用于软弱破碎炭质页岩条件下、高度大于跨度的单线隧道，如图3所示，在自重应力场作用下，这种隧道断面形式边墙部位的围岩塑性区深度远大于顶拱部位和仰拱部位；所述大变形控制方法以三台阶开挖法为基础，在拱部采用小导管注浆加固围岩作为超前支护；在拱脚和边墙部位打设长锚杆并施加一定的预紧力，用于控制隧道的水平收敛；相邻钢拱架之间采用3段首尾相接的工字钢作为纵向连接件用于提高钢拱架的整体性，锁脚锚管通过定位环与钢拱架焊接在一起，用于减小下部台阶开挖时的初期支护沉降位移。

如图1-图2所示，本发明提供的一种软弱破碎炭质页岩单线隧道的大变形控制方法，其实现步骤如下：

S1、在隧道拱部利用小导管注浆加固围岩作为超前支护；

S2、根据三台阶开挖法分部开挖上台阶、中台阶、下台阶以及仰拱；

S3、根据每分部开挖完成后架设钢拱架，架设完成后喷射混凝土，并分别在上台阶和中台阶的钢拱架上打设锁脚锚管以及焊接纵向连接件，在中台阶施作长锚杆，其实现步骤如下：

S3-1、根据上台阶开挖后在上台阶架设钢拱架A单元以及钢拱架B单元，完成后喷射混凝土，并焊接纵向连接件，在上台阶的钢拱架打设2排共8根锁脚锚管；

S3-2、根据中台阶开挖后在中台阶架设钢拱架C单元，将钢拱架C单元连接到钢拱架B单元上，完成后喷射混凝土，并焊接纵向连接件，在中台阶的钢拱架上打设2排共8根锁脚锚管以及施作长锚杆；

S3-3、根据下台阶开挖后在下台阶架设钢拱架D单元，将钢拱架D单元连接到钢拱架C单元上，完成后喷射混凝土；

S3-4、根据仰拱开挖后在仰拱架设钢拱架E单元和F单元，完成后喷射混凝土，从而完成对上台阶、中台阶、下台阶以及仰拱的施工；

S4、在初期支护的表面敷设防水板；

S5、利用模板台车施作二次衬砌，从而完成软弱破碎炭质页岩单线隧道的施工。

本实施例中，采用的长锚杆3为恒阻大变形锚杆，保证锚杆有较大的变形量以适应围岩的变形而锚杆不破损，始终提供足够的支护阻力，长锚杆3打设后立即施加一定的预紧力以控制围岩的松动，长锚杆3仅布设在隧道边墙和拱脚部位，取消拱部的锚杆，即布置在隧道收敛变形的优势方向，还可减少锚杆的数量，锚杆长度应该超过松动圈范围进入稳固围岩一定长度以保证锚固效果，其长度可以根据围岩松动圈厚度和最小锚固长度来计算，具体计算过程如下：

所述长锚杆的长度L表达式如下：

L＝T+l_min

式中，L为长锚杆的的长度，T为松动圈厚度，l_min为最小锚固长度，R₁为最大松动圈半径，R₀为隧道当量半径，a为隧道水平跨度，b为隧道垂直高度，λ为侧压力系统，H为隧道埋深，γ为围岩容重，c为围岩内聚力，为围岩内摩擦角，k为安全系数，P为锚杆的轴向拉力设计值，d为锚杆半径，τ为平均剪应力；施工过程中可以在此基础上适当加长，锚杆长度一般在7m以上。

本实施例中，根据隧道拱部利用小导管2注浆加固围岩作为超前支护；根据三台阶开挖法分部开挖上台阶、中台阶、下台阶以及仰拱；根据每分部开挖完成后架设钢拱架2，架设完成后喷射混凝土1，并分别在上台阶和中台阶的钢拱架2上打设锁脚锚管5以及焊接纵向连接件12，在中台阶施作长锚杆3；将初期支护的表面敷设防水板；利用模板台车施作二次衬砌，完成软弱破碎炭质页岩单线隧道的施工。围岩支护一般分为初期支护和二次衬砌，二次衬砌一般是混凝土或钢筋混凝土结构，在二次衬砌施作之前，刚开挖之后立即进行的支护形式称之为初期支护，其一般有喷射混凝土、喷射混凝土加锚杆、喷射混凝土锚杆与钢架联合支护等形式。如图4所示，采用的钢拱架2由工字钢节段拼装而成，包括钢拱架A单元6、钢拱架B单元7、钢拱架C单元8、钢拱架D单元9、钢拱架E单元10和钢拱架F单元11，相邻工字钢之间通过螺栓连接；如图5所示，相邻钢拱架2之间的纵向连接件12为工字钢，焊接在工字钢腹板上，设置在隧道两侧用于连接相邻钢拱架B单元7和钢拱架C单元8，钢拱架B单元7之间的纵向连接件12位于上台阶，钢拱架C单元8之间的纵向连接件12位于中台阶；纵向连接件12与钢拱架2之间的夹角为45度，相邻钢拱架2之间的单侧为3段首尾相接的工字钢，其中，2段工字钢顺着开挖方向朝下倾斜，1段工字钢逆着开挖方向朝下倾斜且处于中间位置，保证相邻两组纵向连接件12的连接位置均匀分布，从而分散受力位置，同时提高钢拱架2的整体性；如图6所示，锁脚锚管5通过定位环13与钢拱架2连接在一起，定位环13焊接在钢拱架2两侧翼缘上，锁脚锚管5穿过定位环13并焊接到定位环13上，确保锁脚锚管5的打设角度。

本发明所述的大变形控制方法能够保证软弱破碎炭质页岩单线隧道初期支护结构的安全，可避免初支结构因局部受力过大而造成的钢拱架接头开裂形成纵向裂缝，减小下部台阶开挖引起的初期支护沉降位移，达到不侵限、不换拱的目的，解决软弱破碎炭质页岩单线隧道的大变形控制难题。