新建洞室的初期支护方法

摘要

本发明涉及一种新建洞室的初期支护方法，特别是一种应用于围岩较差地质条件下支护工程领域新建洞室的初期支护方法。本发明提供一种可以超前及时约束围岩过大变形，降低洞室超挖量，预防脱空的安全风险，并可节省支护量，节约投资的新建洞室的初期支护方法，包括以下几个步骤：a、沿洞室开挖轮廓面钻设纵向钢筋孔；b、钢筋下料；c、塞入锚固剂；d、插入纵向钢筋；e、钢筋外露部分连接固定；f、洞室开挖；g、排危；h、初期喷砼支护；i、施工系统锚杆支护；j、安装环向钢筋；k、安装钢架；l、复喷砼。本申请的支护方法可约束洞室过大变形、降低洞室超挖量、节省钢架支护量、减小喷层厚度，减少初期支护时间、降低安全风险。

说明书

技术领域

本发明涉及一种新建洞室的初期支护方法，特别是一种应用于围岩较差地质条件下支护工程领域新建洞室的初期支护方法。较差围岩是指Ⅲ级围岩、Ⅳ级围岩、Ⅵ级围岩。

背景技术

现有新建交通隧道及其他地下洞室工程开挖后需要进行初期支护，尤其围岩较差地段需要采用钢架(格栅钢架或型钢钢架)支护。现有《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)衬砌结构设计对两车道隧道及三车道隧道复合式衬砌的设计参数进行了规定。但现有技术存在以下缺点：

一、现有钢架不能适应洞室的开挖轮廓面

由于地下工程的岩(土)体节理裂隙发育情况及其他工程地质条件都存在差异(各向异性)，加之施工方法的差异，洞室开挖后难免会出现不同部位和不同程度的超挖问题，因此，洞室的实际开挖轮廓线并非为纸上画的圆顺线，而是存在不同超挖的锯齿状轮廓。

现有钢架在洞外根据设计尺寸制作好后运到洞内进行组装。在组装时，钢架不能适应超挖后的岩(土)面，不能满足钢架紧贴岩土面架设的要求，钢架只能安装在预设计的部位，从而在钢架与超挖岩(土)面之间形成大量的脱空问题。

二、钢架背后脱空很难喷填密实

现有技术要求严格控制超挖。超挖后，少量超挖采用同标号砼回填密实，大量超挖及塌方采取对应的处理方案。按照现有技术及规范要求，大量的超挖是得不到认可的，施工单位需要自己出钱来处理超挖脱空问题。另外，大量的超挖脱空处理是由工人在空气条件差且存在安全风险的洞内完成；管理人员必须在空气条件差的环境中监督施工。纵上述，由于各种原因致使钢架背后的脱空问题是普遍存在的。

三、钢架背后脱空造成安全风险

钢架是用来支护围岩的。钢架背后脱空后，脱空部分用什么支护呢？答案是，没有任何支护。大量事实证明，就是这些空腔使围岩出现应力集中、围岩松弛变形，围岩松散压力及松弛压力引起钢架支护变形，进而出现洞室变形、塌方等工程安全事故。

四、现有支护参数没有完全约束洞室的超前变形

现有技术采用的超前支护方式有超前大管棚、超前小导管、超前锚杆等。现有的超前支护只限于洞室拱部，没有考虑边墙部分的超前支护。

五、现有钢筋网支护太弱，且是被动的支护，存在技术缺陷

在洞室初期支护中，现有支护技术采用直径为6.5mm或8mm的钢筋网，现有钢筋太细，且是一种被动的支护技术，不是主动的支护技术。现有技术的钢筋网是洞室开挖后再进行铺设，也就是，等造成超挖事实后再进行支护。因此，现有支护技术是被动的，且支护较弱，存在技术缺陷。

六、现有技术没有更好地保护围岩，且钢架支护量大，不经济

等超挖后，形成过大松弛圈后，现场不得不采用增加钢架或加密钢架的形式来支护过量松弛以后的围岩。现有技术没有更好地保护围岩，是不经济的。

七、现有技术钢架间距过密，超前支护方向不好控制

现有超前支护角度一般为5°至10°。在围岩差的钢架支护地段，要求开挖后及时支护，支护紧跟开挖面。试问？支护后，在有限的空间内怎么能实现这个角度？实际施工的超前支护角度都大于要求的角度，这也是引起后续超挖问题的一个重要原因。

八、现有技术喷砼太厚，且没有完全达到设计目的

现有技术有钢架地段喷砼厚度一般为12cm至30cm。现场检查发现：洞室两侧部位超挖通常采用片石回填后再喷砼；洞室拱部采用石棉瓦或其他背景材铺设于钢架顶部作为外模，然后在外模与钢架之间喷砼。现场是按照设计量甚至更多的量进行了喷砼，浪费了大量的财力、物力和时间，最后的结果就是预埋了存在安全隐患的定时炸弹。以上问题也不能全愿施工者，现行设计规范及设计者也应该反思设计的合理性。

九、现有技术还没有更好地解决介于采用钢架支护过强，不采用钢架支护则容易塌方的一些工程地质条件下的合理支护方式

综上，现有技术中还没有一种可以及时约束围岩过大变形，没有彻底解决钢架喷砼后脱空的问题，没有一种更好地节省支护量，节约投资，并可以规避原有支护技术安全风险的新建洞室的初期支护方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以及时约束围岩过大变形，解决钢架喷砼后脱空问题，既节省支护量，又节约投资，并可以规避原有支护技术安全风险的新建洞室的初期支护方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的新建洞室的初期支护方法，包括以下几个步骤：

a、在洞室开挖前，沿洞室开挖轮廓面且超前掌子面钻设纵向钢筋孔；

b、在钢筋安装现场下料并制作成实际需要长度的钢筋；

c、向钢筋孔内塞入3～5节湿润后的锚固剂；

d、沿钻好的钢筋孔插入纵向钢筋；

e、钢筋外露部分与系统锚杆端部，或钢架，或上环外漏钢筋绑扎或点焊连接固定；

f、洞室开挖；

g、排危；

h、沿洞室开挖轮廓进行初期喷砼支护；

i、施工系统锚杆支护；

j、安装环向钢筋，将纵向钢筋1与环向钢筋2连接形成紧贴洞开挖轮廓的初喷砼面的钢筋网7；

k、安装钢架；

l、复喷砼至设计支护厚度；

m、进入下一施工循环。下一施工循环或为开挖及后续施工(开挖后施工g～l项工序)；或为a～e项工序施工。

进一步的是，所述钢筋采用直径为12mm～32mm的螺纹钢筋。

进一步的是，所述环向钢筋与所述纵向钢筋之间采用绑扎或点焊连接。

进一步的是，h步骤中及l步骤中喷砼标号不低于C20。

进一步的是，a步骤中利用手风钻在所布置的纵向钢筋孔位置钻眼，钻研后清孔,钻孔长度根据实际工程地质情况、超前支护设计参数、单循环开挖进尺和开挖后围岩的稳定情况确定，其长度范围为1m至6m。

进一步的是，其中纵向钢筋和环向钢筋的安装方法为：把制作好的纵向钢筋插入纵向钢筋孔，钢筋外露部分与已经开挖并进行了初期支护的钢筋、锚杆和钢架作为固定物体，或绑扎或点焊连接，纵向钢筋安装好后，紧贴已经安装的纵向钢筋或初期喷砼面铺设环向钢筋。若纵向钢筋外漏，则环向钢筋与纵向钢筋之间采用绑扎及点焊连接；若初期喷砼封闭了纵向钢筋，则沿洞室开挖面设单根长30～50cm，直径为12mm，环向及纵向间距为100cm的螺纹插筋作为环向钢筋的固定物，环向钢筋与插筋间采用绑扎或点焊连接固定。

进一步的是，开挖后的钢筋之间必须采用绑扎或点焊连接，并与已经支护且外露的钢筋、原有的小角度超前支护末端、系统锚杆末端及钢架焊接连接。

进一步的是，a步骤中利用手风钻在所布置的纵向钢筋孔位置钻眼，钻眼后清孔,钻孔长度根据实际工程地质情况、超前支护设计参数、单循环开挖进尺和开挖后围岩的稳定情况确定，其长度范围为1m至6m。

进一步的是，初期喷砼的厚度为4cm。

进一步的是，纵向钢筋的直径比环向钢筋大一个型号，形成钢筋网的网格间距范围为10cm至50cm。

进一步的是，超前纵向钢筋采用锚固剂锚入岩体，锚固剂设置位置位于超前纵向钢筋孔底部；

进一步的是，超前纵向钢筋的纵向搭接长度不小于100cm。

本发明的有益效果是：本发明的支护方法采将钢筋直接运到作业面，根据现场实际需要切割，搬运，焊接。钢筋能根据实际开挖的轮廓面和实际需要进行现场下料(现场截断成实际需要长度的钢筋)，下料后的钢筋不但搬运、安装轻便，而且能紧贴岩面及时安装，及时支护，及时约束围岩过大变形。洞室开挖后，先对开挖岩土轮廓面初喷砼封闭，然后紧贴初喷砼面设钢筋网，然后复喷砼至设计厚度，不存在脱空的问题。通过超前支护和及时支护，减少了超挖量，最大程度地保护了围岩，降低了围岩的松动圈，优化节约了钢架支护量，并降低了喷层厚度，减少了支护时间，加快了施工进度，从多方面节约了工程投资。

附图说明

图1是本发明的洞室横断面示意图；

图2是本发明的发洞室纵断面示意图；

图3是本发明的衬砌钢筋网示意图；

图中零部件、部位及编号：纵向钢筋1、环向钢筋2、钢架3、超前钢筋4、喷砼支护5、系统锚杆6、钢筋网7。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，为解决上述技术问题，本发明采用的新建洞室的初期支护方法，包括以下几个步骤：

1、新建洞室的初期支护方法，其特征在于：包括以下几个步骤：

a、在洞室开挖前，沿洞室开挖轮廓面且超前掌子面钻设纵向钢筋1孔；

b、在钢筋安装现场下料并制作成实际需要长度的钢筋；

c、向钢筋孔内塞入3～5节湿润后的锚固剂；

d、沿钻好的钢筋孔插入超前纵向钢筋；

e、钢筋外露部分与系统锚杆端部，或钢架，或上环外漏钢筋绑扎或点焊连接固定；

f、洞室开挖；

g、排危；

h、沿洞室开挖轮廓进行初期喷砼支护；

i、施工系统锚杆支护；

j、安装环向钢筋，将纵向钢筋1与环向钢筋2连接形成紧贴洞开挖轮廓的初喷砼面的钢筋网7；

k、安装钢架；

l、复喷砼至设计支护厚度；

m、进入下一施工循环。下一施工循环或为开挖及后续施工(开挖后施工g～l项工序)；或为a～e项工序施工。采用本发明的支护方法后可以根据实际工程地质条件及网喷后洞室的变形情况，试验确定是否采用钢架3支护及确定钢架3型号和钢架3间距。可根据新奥法原理做好洞室变形观测工作，洞内变形观测点位布置、观测方法、测量频次及围岩稳定情况判断等均利用现有的技术，采用本技术后，可优化取消钢架3或增大钢架3间距，一般钢架3间距不小于80cm。本技术对开挖围岩做到及时支护后，可优化取消或增大钢架3间距，即使是围岩最差、且有钢架3支护的地段，最后1榀钢架3离掌子面的最小距离可以达到100cm，从而为较小角度的超前支护提供了更大的作业空间，有利于小角度的超前支护施工。

本发明的支护方法采用直径为12mm至32mm的钢筋作为支护材料。钢筋可以直接运到作业面，根据现场实际需要切割，搬运，焊接。钢筋能根据实际开挖的轮廓面和实际需要进行现场下料截断，下料后的钢筋不但搬运、安装轻便，而且能紧贴岩土面及时安装，及时支护，及时约束围岩过大变形。洞室开挖后先对开挖岩土轮廓面初喷4cm砼封闭开挖轮廓面，然后紧贴初喷砼面设钢筋网7，然后复喷砼至设计厚度，不存在脱空的问题。通过超前支护和及时支护，减少了超挖量，最大程度的保护了围岩，降低了围岩的松动圈，优化节约了钢架3支护量并降低了喷层厚度，减少了支护时间，加快了施工进度，从多方面节约了工程投资。

本申请的支护方法采用钢筋网7紧贴开挖轮廓面进行支护围岩，不但规避了隧道脱空没有支护的安全风险，而且采用本技术可进行超前支护，超前约束隧道变形，减少了洞室超挖量，并能及时对已经开挖的岩土体适应开挖轮廓面进行支护和在支护时间上取得绝对的优势，在围岩出现过大变形前对围岩进行约束，减小岩土体的松动圈，做到最大程度地保护围岩，并充分利用围岩的自承能力，节省支护量，节约投资，较好地规避了原有支护技术的安全风险。

现有技术中，有钢架3地段喷砼厚度为12cm～30cm，支护后存在钢架3脱空的安全风险。而采用本申请的方法喷砼厚度为8cm～15cm，能节约50％左右的喷砼量，且紧贴岩面的及时支护规避了脱空的安全风险，主动约束了围岩过大变形，做到了对围岩的最大保护，充分利用了围岩的自承能力，并做到了有效支护。

现有技术还没有更好地解决介于采用钢架3支护过强，不采用钢架3支护则容易塌方的一些工程地质条件的合理的支护方式。岩石地质条件下，对于局部围岩破碎，或切割成块体构造，由于局部切割体滑动或掉块松动而诱发洞室塌方的支护，这种地质条件是介于采用钢架3支护过强，不采用钢架3支护过弱的两难支护条件。利用本技术，根据实际工程地质条件在需要支护的部位布设钢筋网7，局部加长或加密系统锚杆6，并使锚杆端部弯制成直角弯钩，且和钢筋网7焊接连接，然后喷砼，完成有效支护。

此外，本支护技术可根据需要进行全断面支护，克服了原有技术洞室边墙部位没有超前支护的缺陷。

所述环向钢筋2与所述纵向钢筋1之间采用绑扎或点焊连接。钢筋网7喷砼保护层厚度、钢筋焊接连接方式均按照现有施工技术规范要求施工。

h步骤中及l步骤中喷砼标号不低于C20。

a步骤中利用手风钻在所布置的纵向钢筋1孔位置钻眼，钻眼后，安装钢筋前清孔,钻孔长度根据实际工程地质情况、超前支护设计参数、单循环开挖进尺和开挖后围岩的稳定情况确定，其长度范围为1m至6m。洞室开挖轮廓面超前纵向锚杆孔可作为中空孔，不装药，省去了周边眼和炸药，提高了光面爆破的效果，更好地保护了围岩。

其中纵向钢筋1和环向钢筋2的安装方法为：把制作好的纵向钢筋1插入纵向钢筋1孔，钢筋外露部分与已经开挖并进行了初期支护的钢筋、锚杆或钢架3焊接连接，纵向钢筋1安装好后，紧贴已经安装的纵向钢筋1铺设环向钢筋2，环向钢筋2与纵向钢筋1之间采用绑扎及点焊连接，或者先安装环向钢筋2，再安装纵向钢筋1，环向钢筋2与上环超前钢筋4绑扎或点焊连接或者据现场需要使纵向筋及环向筋根交错连接，固定。

开挖后的钢筋之间必须采用绑扎或点焊连接，并与已经支护且外露的钢筋、原有的小角度超前支护末端、系统锚杆6末端及钢架3点焊连接。

a步骤中利用手风钻在所布置的纵向钢筋1孔位置钻眼，钻眼后清孔,钻孔长度根据实际工程地质情况、超前支护设计参数、单循环开挖进尺和开挖后围岩的稳定情况确定，其长度范围为1m至6m。在洞室开挖前，沿洞室开挖轮廓面，根据纵向钢筋1的环向间距布眼，钻眼位置采用红油漆标记，按照隧道纵坡及隧道走向控制钻眼方向，利用手风钻钻眼，钻眼后清孔采用风枪吹除孔内石粉及石渣，清孔干净，清孔后钢筋能顺利插入孔内即可。超前钻孔长度根据实际工程地质情况、超前支护设计参数、单循环开挖进尺和开挖后围岩的稳定情况确定，一般超前钻孔长度为1m至6m。在洞室开挖前，沿洞室开挖轮廓面，根据纵向钢筋1的环向间距布眼，利用风枪钻眼后，然后把纵向钢筋1插入眼内，纵向钢筋岩石端采用锚固剂锚固岩体，纵向钢筋钢筋外露端与已经开挖并支护的锚杆、钢筋网7、钢架3及喷砼支护5体系和加固的洞室围岩有效连接。这样做到了超前主动约束围岩过大变形的作用。

纵向钢筋1的直径比环向钢筋2大一个型号，形成钢筋网7的网格间距范围为10cm至50cm。

此外，对于已经按照没有考虑钢架3支护，且没有采用本技术支护的洞室开挖后发现局部围岩破碎，如果采用钢架3支护则支护过强，不采用钢架3支护，如果按照原有的锚喷支护技术不能满足支护要求的，可以采用本技术支护。

支护方法为：先初喷4cm厚砼封闭岩面，然后根据实际需要在围岩差的区域向周围围岩较好的区域搭接长度不小于2m，紧贴初喷砼面铺设直径为12mm～32mm、网格间距为10cm～50cm的钢筋网7，并根据实际需要加密或加长原有锚杆，锚杆末端弯制成长度为8cm～10cm的弯钩，或在锚杆端部焊接成弯钩，使锚杆弯钩与铺设的钢筋网7焊接或绑扎连接牢固，然后复喷砼至设计喷砼厚度即可。喷砼厚度为8cm～15cm。有钢架支护地段喷砼包裹钢架，喷砼纵向呈波浪形。(钢架间距不小于100cm。)喷砼纵向呈波浪形有以下几个好处：1、有效减少喷砼量，节约投资。2、喷砼有效约束了钢架的不利变形，使钢架充分受力，充分支护围岩。3、喷砼包裹钢架，提高钢架支护的耐久性，有利于结构安全。4、少侵占二次衬砌空间，较好地解决了初期支护与二次衬砌在空间利用方面的矛盾。

采用本申请的方法可约束洞室过大变形、降低洞室超挖量、节省钢架支护量、减小喷层厚度、提高洞室超前支护设置方向的可操作性，提高了支护的适应性，从而达到减少初期支护时间、降低钢架支护背后脱空的安全风险，并节约工程投资。

超前纵向钢筋采用锚固剂锚入岩体，锚固剂设置位置位于孔底部。

超前纵向钢筋的纵向搭接长度不小于100cm。