迈式管棚处理风积砂质黄土隧道塌陷下沉侵限施工方法

摘要

本发明涉及一种黄土隧道施工方法，具体为一种迈式管棚处理风积砂质黄土隧道塌陷下沉侵限施工方法，解决现有大管棚进行施工存在施工空间较大、成本高、周期长、安全性差等问题，1）地表裂缝处理；2）洞内回填；3）确定换拱范围；4）开挖方法采用三台阶法，换拱前打设径向锚杆，待注浆加固后再逐榀拆换钢拱架，方法：a．采取挖机振动锤配合人工风镐逐榀拆除下沉侵限段初期支护，拆除后及时进行初喷封闭围岩；b.采用双层迈式锚杆施作超前支护，形成迈式管棚结构；c.架设钢拱架，上中下导拱脚打设迈式锁脚锚杆；d．按照上述步骤逐榀拆除后及时支护。施工速度快、所需空间小、操作简便、机械投入少、施工质量、安全有保证，适用范围广。

说明书

技术领域

本发明涉及一种风积砂质黄土隧道施工方法，具体为一种迈式管棚处理风积砂质黄土隧道塌陷下沉侵限施工方法。

背景技术

风积砂质黄土是砂性土为主的土，对黄土来说，就是砂质黄土，施工中这是易于发生崩塌的土质。由于构造上的直立性，其特性决定了黄土力学特性具有各向异性的特点，它与施工后掌子面的稳定有直接关系，如果施工后的围岩应力大于黄土直立方向的强度，就会造成开挖工作面的失稳，如遇湿陷性时，含水量超过一定值或者遇水后会产生很大的“沉陷”变形和承载能力的丧失。工程实践证实，隧道侧壁及底脚处的应力集中过大，要求较大的地基承载力，而黄土隧道的侧壁及底脚处承载力不足，是造成隧道塌方的重要原因之一，此外由于黄土隧道的土压力分布极不平衡，一般说，均呈马鞍形分布，而在浅埋的场合，由于不能发挥成拱作用，在这种情况下不是出现很大的松弛压力，就是出现整体下沉的现象。总之，目前在风积砂质黄土隧道施工中极易出现拱顶下沉，边墙下塌、收敛、侵限、喷射混凝土剥落，支护钢拱架扭曲变形、锁脚锚管切断，地表出现多条横、纵向裂缝等施工现象。

目前针对上述施工现象大多采用传统大管棚结构进行施工，先径向、纵向打设大管棚，在塌陷区形成一个整体的防护壳，然后整体开挖、逐榀换拱，此方法的不足之处在于大管棚每根长度为15m，较长，所需施工空间较大，所用设备庞大，租赁费用较高，施工成本高，而且洞内使用机械排污多、噪声大，对作业人员危害大， 更重要的是施工周期较长，不利于突泥的快速处理，存在安全隐患。此外，为了及时快速满足隧道开挖后支护成环施工要求，防止隧道坍塌，必须抓住最佳时间完成开挖后软弱围岩的支护成环，拱架是支护成环的重要手段，锁脚锚杆与钢拱架连接成整体加固技术是将锁脚锚杆通过钢板孔中打入，使打入后的锚管充分发挥支撑作用，对周边围岩提供较大的支护抗力，阻止围岩产生过度变形，主要作用是尽可能的限制钢拱架的刚体位移,使其尽早承担围岩变形引起的压力,保证隧道初期的稳定性。传统的锁脚锚杆打设方式为：立拱架后把锁脚锚杆紧贴拱架左右打入即可，左右锚杆用钢筋焊接，这种加固方式的缺陷在于：当围岩压力大时，锁脚锚杆和拱架还没有达到承载力极限时已经断裂，锚杆与钢拱架间没有形成整体，过早地丧失其作用，仅通过限制钢拱架位移来抵抗围岩变形，整体稳定性较差，降低了施工安全性。

发明内容

本发明为了解决现有风积砂质黄土隧道塌陷下沉侵限采用传统大管棚进行施工，存在所需施工空间较大、施工成本高、周期长以及钢拱架和锁脚锚杆加固连接结构整体稳定性较差、施工安全性差等问题，提供一种迈式管棚处理风积砂质黄土隧道塌陷下沉侵限施工方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种迈式管棚处理风积砂质黄土隧道塌陷下沉侵限施工方法，包括以下步骤：1）地表裂缝处理，首先沿裂缝开挖沟槽，再以30cm左右的间距对裂缝直接灌注水泥浆，灌浆后，裂缝地面采用水泥砂浆抹面，做成圆弧状；2）洞内回填，初期支护下沉侵限段回填洞渣，拱部1.5m高范围采用喷射混凝土回填密实；3）根据隧道下沉侵限情况，结合净空测量数据，确定换拱范围；4）开挖方法采用三台阶法，换拱前打设径向锚杆，采用迈式锚杆，环向×纵向间距为100×40cm，梅花形布置，锚杆内注水泥浆，待注浆加固后再逐榀拆换下沉侵限段钢拱架，具体方法如下：a．采取挖机振动锤配合人工风镐逐榀拆除下沉侵限段初期支护，拆除后及时进行初喷封闭围岩；b.施作超前支护，采用双层迈式锚杆，沿隧道断面180°范围布设，每层环向间距为15～25cm，纵向搭接不少于2.5m，仰角控制在10°～15°，锚杆内注水泥浆，形成迈式管棚结构；c.架设钢拱架，钢拱架间距与原施工钢拱架间距相同，上导、中导、下导拱脚打设迈式锁脚锚杆，锚杆内注水泥浆，相邻钢拱架之间采用槽钢连接，环向间距50～70cm，及时喷射混凝土封闭；d．按照上述步骤逐榀拆除后及时支护，每置换一榀，重复以上工序，直到换拱完成。所述三台阶开挖法为本领域公知技术，是隧道开挖常用的方法。

为了最大限度限制钢拱架的刚体位移,使其尽早承担围岩变形引起的压力,保证隧道初期的稳定性，所述钢拱架上、并且靠贴围岩一侧间隔固定有定位钢板，每个定位钢板两端分别开有位于钢拱架两侧的定位孔，打入围岩的迈式锁脚锚杆贯穿于定位孔内，位于钢拱架两侧的迈式锁脚锚杆露出端采用环形连接件连接并与钢拱架卡固。所述定位钢板的数量及间隔距离可根据施工现场需求确定。

为了进一步优化钢拱架与锁脚锚杆的加固结构，完善其设计，所述迈式锁脚锚杆打入端为马蹄形，更有利于将迈式锁脚锚杆打入围岩中，减少阻力；迈式锁脚锚杆与水平方向的夹角为15～20°，定位钢板上的定位孔为纵向椭圆形孔，由于迈式锁脚锚杆是斜向打入钢拱架两侧的围岩中，所以定位孔为纵向椭圆形孔；所述环形连接件是由两根直勾钢筋活动连接而成的环形结构，可调整间距，以方便施工作业。 

采用本发明所述的施工方法，迈式管棚加固前，首先对塌陷体进行预注浆，将裂缝用水泥浆压浆注满，然后采取挖机振动锤配合人工风镐凿除下沉支护喷锚体，对下沉钢拱架、锚管、网片用氧焊切割，不能使用爆破凿除，减少振动对变形土体的扰动。每次按一榀拱架置换，开挖轮廓成型后支立钢拱架，开始逐节打设迈式超前锚杆管棚，长度、间距按设计布置，锚杆内及时注浆，形成管棚加固，每置换一榀，重复以上工序，直到换拱完成。使迈式管棚作为纵向支撑、钢拱架作为横向环形支撑，在棚管中注浆，待浆液硬化后围岩体得到预加固，形成迈式管棚加固体，承受塌陷下沉侵限土体压力和约束变形。而且采用钢拱架与锁脚锚杆加固新工艺，通过定位孔、定位钢板及环形连接件使钢拱架与锁脚锚管固定更加牢固，形成整体，极限承载能力进一步提高，使打入后的锁脚锚管充分发挥支撑作用，对周边围岩提供较大的支护抗力，阻止围岩产生过度变形，尽可能的限制钢拱架的刚体位移，使其尽早承担围岩变形引起的压力，保证隧道初期的稳定性，尤其适合铁路、公路软弱、黄土围岩隧道钢拱架锁脚锚管的加固连接。

与现有技术相比，本发明所述施工方法施工速度快、所需空间小、实用性强、施工工艺操作简便、机械投入少、适用范围广，而且施工质量、安全有保证，该工法比大管棚施工洞内使用机械排污少，噪声小，可减少机械尾气排放，对作业人员危害小，给施工创造了良好环保效益，该方法适用铁路风积砂质黄土隧道塌陷、下沉、侵限及换拱处理，适合狭窄空间作业和抢险施工，有效控制隧道塌方，也可用于公路、水工隧道施工。

附图说明

图1为本发明所述地表裂缝顶部处理图；

图2为本发明所述洞内回填纵断面图；

图3为本发明所述迈式管棚结构示意图；

图4为本发明所述钢拱架纵向连接示意图；

图5为本发明所述径向锚杆支护示意图；

图6为本发明所述钢拱架与迈式锁脚锚杆连接正面结构示意图；

图7为本发明所述钢拱架与迈式锁脚锚杆连接侧面结构示意图；

图8为本发明所述环形连接件的结构示意图；

图中：1-钢拱架；2-迈式锁脚锚杆；3-定位钢板；4-定位孔；5-环形连接件；6-地表裂缝；7-径向锚杆；8-双层迈式锚杆；9-钢拱架；10-槽钢；11-初期支护；12-回填洞渣；13-喷射混凝土；14-上台阶；15-中台阶；16-下台阶；17-地面线。

具体实施方式

迈式管棚处理风积砂质黄土隧道塌陷下沉侵限施工方法，包括以下步骤：

1）地表裂缝6处理，为防止地表水下渗，软化土体，需对地表裂缝进行灌浆处理：首先沿裂缝开挖沟槽，再以30cm左右的间距采用漏斗自重法对裂缝直接灌注1:1的水泥浆，待水泥浆灌满凝固后，再移位进行补灌。当灌注量较大时，应停止灌注，待灌进的水泥浆凝固后重新进行灌浆。灌浆后，裂缝地面采用水泥砂浆抹面，做成圆弧状，防止雨水浸入，如图1所示。

2）洞内回填，初期支护11下沉侵限段回填洞渣12，拱部1.5m高范围采用C25喷射混凝土13回填密实，如图2所示；

3）根据隧道下沉侵限情况，结合净空测量数据，确定换拱范围；

4）开挖方法采用三台阶法，首先对回填体正面进行加固处理，采用φ42×3.5mm钢管，间距为1.0×1.0m，梅花形布置，长4m，每开挖3m打设一次，注水泥浆加固，换拱前打设径向锚杆7，采用迈式锚杆，环向×纵向间距为100×40cm，梅花形布置，如图5所示，锚杆内注水泥浆，待注浆加固后再逐榀拆换下沉侵限段钢拱架，具体方法如下：

a．采取挖机振动锤配合人工风镐逐榀凿除下沉侵限段初期支护，拆除后及时进行初喷封闭围岩；

b.施作超前支护，采用双层迈式锚杆8，沿隧道断面180°范围布设，每层环向间距为15～25cm，纵向搭接不少于2.5m，仰角控制在10°～15°，锚杆内注水泥浆，形成迈式管棚结构，如图3所示；

c.架设钢拱架9，钢拱架间距与原施工钢拱架间距相同，上导、中导、下导拱脚打设迈式锁脚锚杆，锚杆内注水泥浆，相邻钢拱架之间采用槽钢10连接，环向间距50～70cm，如图4所示，及时喷射混凝土封闭；

d．按照上述步骤逐榀拆除后及时支护，每置换一榀，重复以上工序，直到换拱完成。

此外，施工中，钢拱架与锁脚锚杆采用以下方法加固连接，如图6、7所示，钢拱架1上、并且靠贴围岩一侧间隔固定有定位钢板3，每个定位钢板两端分别开有位于钢拱架两侧的定位孔4，打入围岩的锁脚锚管2贯穿于定位孔4内，位于钢拱架两侧的锁脚锚管露出端采用环形连接件5连接并与钢拱架1卡固，如图8所示，环形连接件5是由两根直勾钢筋连接成环型而成，为方便施工作业，可调整间距。锁脚锚管2打入端为马蹄形，锁脚锚管2与水平方向的夹角为15～20°，定位钢板3上的定位孔4为纵向椭圆形孔。具体制作时，钢拱架1支立后将定位钢板焊在钢拱架靠贴围岩端，锁脚锚管长度不小于3.5～4m，用Φ42mm小导管加工而成，打入端用切割机切成马蹄形，加固连接时锁脚锚管用YT-28风枪打入，锁脚锚管露出端头用环形件连接堆焊满，连接环形件由Φ22mm钢筋弯曲而成。定位钢板是由上下两块组成，间距15cm，每块长45cm、宽25cm、厚16mm；锁脚锚管长度为3.5～4m，用风枪打设时要有一定的角度，一般控制在15～20°，共打设4根；定位孔的孔径为50mm，用氧气割成椭圆形（或钻床打孔），长控制在13cm范围，钢拱架下端连接端与中导或下导拱架连接板，预留连接螺栓孔。

结合以下工程实例对本发明所述方法作进一步说明：

工程概况

由申请人承建的新建大准至朔黄铁路联络线，准池铁路朔州隧道施工工期只有574天，工期紧，安全风险大，进口段有579m的砂质黄土围岩，Dk128+832～Dk128+856浅埋偏压风积砂质黄土段，拱顶以上覆盖厚28～30m，如图2所示，在施工到Dk128+856上导初期支护完成24小时后，2012年3月13日出现塌陷、下沉；中导Dk128+832～Dk128+849喷射混凝土剥落，变形且下塌、侵限；下导Dk128+832～Dk128+841.6开裂、变形且下沉。地表出现多条横、纵向裂缝，范围超前，最大裂缝宽度12cm。经围岩量测记录，拱顶最大下沉89cm（Dk128+848）13/3，最小下沉62cm（Dk128+828）；边墙最大下塌104cm、收敛、侵限5.1cm（Dk128+844左侧），右侧Dk128+848边墙下沉80cm、收敛、侵限1.2cm。支护钢拱架扭曲变形，锁脚锚管切断，有冒顶前兆。

施工方法：

1）地表裂缝6处理，为防止地表水下渗，软化土体，需对地表裂缝进行灌浆处理：首先沿裂缝开挖沟槽，再以30cm左右的间距采用漏斗自重法对裂缝直接灌注1:1的水泥浆，待水泥浆灌满凝固后，再移位进行补灌。当灌注量较大时，应停止灌注，待灌进的水泥浆凝固后重新进行灌浆。灌浆后，裂缝地面采用水泥砂浆抹面，做成圆弧状，防止雨水浸入，如图1所示。

2）洞内回填

DK128+828～DK128+856初期支护开裂变形侵限段，回填洞渣，拱部1.5m高范围采用C25喷射混凝土回填密实，如图2所示；

3）处理步骤

首先对回填体正面进行加固处理，采用φ42×3.5mm钢管，间距为1.0×1.0m，梅花形布置，长4m，每开挖3m打设一次，注水泥浆加固。打设径向锚杆7，采用迈式锚杆，环向×纵向间距为100×40cm，梅花形布置，注水泥浆加固后方可进行换拱，具体处理方法如下：

⑴ DK128+830～DK128+832已施工仰拱段

针对该段已施作完仰拱，结合净空测量数据，上中导侵限，换拱范围为上中导，下导不拆换，首先借助防水板台架搭设操作平台，

①采取人工风镐拆除DK128+830～DK128+830.4段上中导初期支护，拆除后及时进行初喷封闭围岩；

②施作超前支护：采用双层R5L1自进式锚杆，长7.5m，180°范围布设，每层环向间距20cm，纵向搭接不少于2.5m，仰角控制在10°～15°，注水泥浆；

③架设第一、二榀I25a型钢钢拱架，钢拱架间距为40cm（同原施工钢拱架间距），中导拱脚设在未拆除初期支护上，与未拆除钢拱架焊接牢固，上中导拱脚打设R51L自进式锁脚锚杆共20根，长6m，其中上导12根，中导8根，注水泥浆；φ8钢筋网，网格尺寸20×20cm；钢拱架之间采用［12.6槽钢连接，环向间距60cm；中导部位设径向锚杆，采用R51L自进式锚杆，长7.5m，间距为100×40cm（环向×纵向），梅花形布置，尾端与钢拱架连接牢固，注水泥浆；C25喷射混凝土厚35cm。

⑵ DK128+832～DK128+841.6段

针对该段已施工情况，结合净空测量数据，上中导侵限，但下导钢拱架已扭曲变形，换拱范围为上中下导。开挖方法采用三台阶法，首先拆换上台阶钢拱架，中下导部位打设径向锚杆，采用R51L自进式锚杆，间距为100×40cm（环向×纵向），中导部位锚杆长7.5m，下导部位锚杆长6m，梅花形布置，注水泥浆。待注浆后加固后在逐榀拆换中下导钢拱架，

①施作超前支护：采用双层R51L自进式锚杆，长7.5m，180°范围布设，每层环向间距20cm，纵向搭接不少于2.5m，仰角控制在10°～15°，注水泥浆。

②采取挖机振动锤配合人工风镐逐榀拆除DK128+832～DK128+841.6段上中下导初期支护，拆除后及时进行初喷封闭围岩。

③架设I25a型钢钢拱架，钢拱架间距为40cm（同原施工钢拱架间距），上中下导拱脚打设R51L自进式锁脚锚杆共28根，长6m，其中上导12根，中导8根，下导8根，注水泥浆；φ8钢筋网，网格尺寸20×20cm；钢拱架之间采用［12.6槽钢连接，环向间距60cm；C25喷射混凝土厚35cm。

④同上步骤逐榀拆除后及时支护。

⑶ DK128+841.6～DK128+849段

针对该段已施工情况，结合净空测量数据，换拱范围为上中导，下导未开挖，开挖方法采用三台阶法，首先拆换上台阶钢拱架，中下台阶部位打设径向锚杆，采用R51L自进式锚杆，间距为100×40cm（环向×纵向），中导部位锚杆长7.5m，下导部位锚杆长6m，梅花形布置，注水泥浆。待注浆后加固后再逐榀拆换中下导钢拱架。

①采取人工风镐逐榀拆除DK128+841.6～DK128+849段上中导初期支护，拆除后及时进行初喷封闭围岩；

②施作超前支护：采用双层R51L自进式锚杆，长7.5m，180°范围布设，每层环向间距20cm，纵向搭接不少于2.5m，仰角控制在10°～15°，注水泥浆；

③架设I25a型钢钢拱架，钢拱架间距为40cm（同原施工钢拱架间距），上中下导拱脚打设R51L自进式锁脚锚杆共28根，长6m，其中上导12根，中导8根，下导8根，注水泥浆；φ8钢筋网，网格尺寸20×20cm；钢拱架之间采用［12.6槽钢连接，环向间距60cm；C25喷射混凝土厚35cm。

④同上步骤逐榀拆除后及时支护。

⑷DK128+849～DK128+856段

针对该段已施工情况，结合净空测量数据，换拱范围为上导，中下导未开挖，开挖方法采用三台阶法，首先在上台阶拱脚部位打设径向锚杆，采用R51L自进式锚杆，间距为100×40cm（环向×纵向），长7.5m，梅花形布置，注水泥浆。待注浆后加固后在逐榀拆换上导钢拱架。

①采取挖机振动锤配合人工风镐逐榀拆除DK128+849～DK128+856段上导初期支护，拆除后及时进行初喷封闭围岩。中下导支护及时跟进；

②施作超前支护：采用双层R51L自进式锚杆，长7.5m，180°范围布设，每层环向间距20cm，纵向搭接不少于2.5m，仰角控制在10°～15°，注水泥浆；

③架设I25a型钢钢拱架，钢拱架间距为40cm（同原施工钢拱架间距），上中下导拱脚打设R51L自进式锁脚锚杆共28根，长6m，其中上导12根，中导8根，下导8根，注水泥浆；中下台阶部位打设径向锚杆，采用R51L自进式锚杆，间距为100×40cm（环向×纵向），中导部位锚杆长7.5m，下导部位锚杆长6m，梅花形布置，注水泥浆。φ8钢筋网，网格尺寸20×20cm；钢拱架之间采用［12.6槽钢连接，环向间距60cm；C25喷射混凝土厚35cm。

④同上步骤逐榀拆除后及时支护。

有益效果：

1）社会效益

该方法适用铁路风积砂质黄土隧道塌陷、下沉、侵限及换拱处理，有效控制隧道塌方，也可用于公路、水工隧道，实用性强，施工工艺操作简便、机械投入少，适用范围广，技术可靠，具有很大的优越性，易推广使用；

该方法施工质量、安全有保证，对环境污染小，无毒，文明施工程度高,效果良好，受到建设单位、监理、设计单位的一致好评，为企业赢得了荣誉，也为今后黄土隧道类似工程施工积累了经验，社会效益显著。

2）经济效益

准池铁路朔州隧道进口Dk128+832～Dk128+856浅埋偏压风积砂质黄土段换拱采用迈式管棚施工。经济效益比选，仅拱部范围，大管棚方案：φ108钢管 60根×12m/根×300元/m=21.6万元，机械费租赁每月18万，24m处理需要打设3次大管棚才可通过，21.6万元×3=64.8万元，需要施工60多天,机械费36万元，共计100.8万元。本发明所述迈式锚杆管棚拱部：双层打设5次，84根R51L自进式锚杆×2层×5次=840根,840根×7.5m/根×60元/m=37.8万元，机械费18万元，节约机械材料费45万元，仅施工28天即可完成,节约机械、工天，节约工天30天，节约人工费40多万元。

该方法施工速度快，经济、安全、环保。施工中成功应用了该方法，有效地解决工期压力。该隧道要求工期只有574天。

3）环保效益

该方法比大管棚施工洞内使用机械排污少，噪声小，可减少机械尾气排放，对作业人员危害小，给施工创造了良好环保效益。