减少浅埋暗挖隧道早期沉降的快速支撑装置及施工方法

摘要

本发明公开了减少浅埋暗挖隧道早期沉降的快速支撑装置及施工方法，该减少浅埋暗挖隧道早期沉降的快速支撑装置包括拱架，所述拱架的顶部间隔设置有多个气垫。该施工方法包括如下步骤：(a)隧道开挖后测量轮廓线，计算超挖数据及位置；(b)架设拱架，拱架的顶部设置有尚未充气的气垫；(c)拱架架设完成后，对气垫进行充气，使气垫支撑围岩；(d)喷浆，对拱架喷射混凝土，使混凝土填充所述气垫以外的空间；(e)取出气垫；(f)补浆，对气垫原本所在的位置填充混凝土。如此，通过在拱架的顶部设置多个气垫，利用该些气垫为围岩提供过渡性支撑，遏制围岩的初期沉降，在喷浆工序完成前有效控制围岩初期的变形和稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及隧道工程技术领域，尤其涉及减少浅埋暗挖隧道早期沉降的快速支撑装置及施工方法。

背景技术

修建隧道工程时，如果不能有效地控制隧道围岩初期的变形和稳定性，将对隧道工程建设及其周边环境造成极其不利影响，严重者导致隧道围岩失稳破坏，危及工作者自身安全与建设的有序进行。特别是在闹市区，地下管线、地面建筑、交通等均对沉降非常敏感。修建隧道工程中台阶法是常用的一种施工方法，在台阶法中开挖上台阶时，按照开挖、架设拱架(含装网片、打设超前小导管、锁脚锚管、纵向连接筋)、喷浆三步走；开挖时不可避免会出现超挖的情况，围岩与拱架之间具有一定距离，因此需要对拱架以及拱架与围岩之间的空间进行喷浆(喷射混凝土)，通过混凝土和拱架对围岩进行支撑，以此避免围岩过渡沉降。

这是传统的做法，然而，在实际施工中，在隧道开挖后，由于架设拱架及喷浆需要一定时间，且喷混凝土常常难于密贴围岩，这样在开挖卸载后，围岩持续变形，绝大部分都是到了多个循环进尺后，喷混凝土与拱架的体系才与围岩密贴开始受力，因此无法遏制围岩初期的沉降，导致围岩的沉降量较大，而早期沉降是整个沉降的主要部分，经过三十多年的经验积累，目前已经证实，暗挖隧道的总沉降分为四大阶段：第一阶段10％(埋点前未测到的沉降)，第二阶段60％(上台阶开挖立拱喷浆)，第三阶段落底20％，第四阶段后期沉降10％，通过更快的支护来控制占总沉降60％的早期急剧沉降变形是新时代人们对环境的新的更高的要求，过去那种先沉后修复地面及相关设施的做法已经不被接受了。而且过大的沉降为隧道的稳定性带来隐患，后果严重时会引起隧道上方的地面塌陷，建筑物、管线破坏，造成巨大的人员伤亡和财产损失。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在至少在一定程度上解决上述问题，一方面提出一种减少浅埋暗挖隧道早期沉降的快速支撑装置，另一方面提出该快速支撑装置的施工方法，可以避免修建隧道工程时，难以遏制围岩初期沉降的问题。这是在对传统工艺多年应用后，基于科学的原理、经验累积的基础上，跨学科、跨专业的知识集成式整合创新，很有开拓意义。

本发明一方面的技术方案是这样实现的：

一种减少浅埋暗挖隧道早期沉降的快速支撑装置，包括拱架，所述拱架的顶部间隔设置有多个气垫。

作为所述减少浅埋暗挖隧道早期沉降的快速支撑装置的进一步可选方案，所述气垫充满气后呈梯形体状。

作为所述减少浅埋暗挖隧道早期沉降的快速支撑装置的进一步可选方案，每一所述气垫上设有充气支管，所有的充气支管与一充气总管连通。

作为所述减少浅埋暗挖隧道早期沉降的快速支撑装置的进一步可选方案，所述拱架为格栅钢架或型钢钢架。

作为所述减少浅埋暗挖隧道早期沉降的快速支撑装置的进一步可选方案，所述气垫通过绑带固定在所述拱架上。

作为所述减少浅埋暗挖隧道早期沉降的快速支撑装置的进一步可选方案，所述拱架内设有由钢板围设而成的卡槽，所述卡槽开口向上，所述气垫置于所述卡槽内。

本发明另一方面的技术方案是这样实现的：

一种减少浅埋暗挖隧道早期沉降的快速支撑装置的施工方法，包括如下步骤：

(a)隧道开挖后测量轮廓线，计算超挖数据及位置；

(b)架设拱架，拱架的顶部设置有尚未充气的气垫；

(c)拱架架设完成后，立即对气垫进行充气，使气垫支撑围岩；

(d)喷浆，对拱架喷射混凝土，使混凝土填充所述气垫以外的空间；

(e)取出气垫；

(f)补浆，对气垫原本所在的位置填充混凝土。

作为所述减少浅埋暗挖隧道早期沉降的快速支撑装置的施工方法的进一步可选方案，在步骤(b)中，施工人员根据隧道开挖的超挖情况，当一个气垫的高度不足以支撑围岩时，在该气垫上叠加气垫。

作为所述减少浅埋暗挖隧道早期沉降的快速支撑装置的施工方法的进一步可选方案，在步骤(e)中，对气垫进行放气，然后将放气后的气垫抽出。

作为所述减少浅埋暗挖隧道早期沉降的快速支撑装置的施工方法的进一步可选方案，在依次的两个循环当中，在上一循环中完成步骤(a)到步骤(d)后，然后开始下一循环的开挖支护，待该下一循环完成步骤(a)到步骤(c)后，返回该上一循环中进行步骤(e)和步骤(f)，依次循环施工。

本发明的有益效果有：通过在拱架的顶部设置多个气垫，利用该些气垫为围岩提供过渡性支撑，遏制围岩的初期沉降，在喷浆工序完成前有效控制围岩初期的变形和稳定性。另外，控制早期沉降变形，需要的支撑力也较于变形后更小，可以最大限度调动围岩自身的承载力。用气垫辅助，尽快支撑围岩，有四两拨千斤的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种减少浅埋暗挖隧道早期沉降的快速支撑装置的结构示意图；

图2为多个气垫之间的连接示意图；

图3为所述卡槽的结构示意图；

图4为隧道开挖后架设拱架(拱架上的气垫未充气)的结构示意图；

图5为图4的气垫充气后的结构示意图；

图6为对图5喷浆后的结构示意图；

图7为对图6补浆完成后的结构示意图；

图8为对隧道施工的纵向剖面图。

其中，1、拱架；11、卡槽；2、气垫；21、充气支管；22、充气总管。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

参考图1，示出了一种减少浅埋暗挖隧道早期沉降的快速支撑装置，包括拱架1，所述拱架1的顶部间隔设置有多个气垫2。其中，所述拱架1可为格栅钢架或型钢钢架。

具体而言，在修建隧道工程时，利用台阶法开挖上台阶中，开挖工序包括开挖上台阶，然后清理泥土；清理泥土耗时1小时左右，架设拱架工序耗时1.5小时左右，喷浆工序耗时2.5小时左右；如此，在开挖后，施工顺利的情况下也需要约5小时才能完成对围岩的支撑，导致围岩的沉降量较大，为隧道的稳定性带来隐患；而采用该快速支撑装置后，可以在架设拱架后对气垫2充气，气垫2快速成型，迅速为围岩提供支撑；相比起原有的施工方法，能够提前2-3小时为围岩提供支撑，遏制围岩初期的沉降，在喷浆工序完成前有效控制围岩初期的变形和稳定性；避免隧道围岩失稳破坏。

需要说明的是，整个沉降总体分四个阶段：第一阶段10％(埋点前未测到的沉降)，第二阶段60％(上台阶开挖立拱喷浆时的早期沉降)，第三阶段落底20％，第四阶段后期沉降10％；按照行业内控早期变形理论，是需要让开挖轮廓线与拱架之间密贴形成拱架尽早受力状态；而本发明利用该快速支撑装置来控制占总沉降60％的早期急剧沉降变形，通过用气快速填充，缩短了封闭时间。

上述方案具体的，所述气垫2充满气后的形状可以为下大上小的梯形体；其中将其设置为梯形体可便于在气垫上叠放气垫；按照现有常规拱架1的尺寸形状，以及一般的超挖情况，可以灵活设置所述气垫的尺寸；本实施例中提供A型和B型两种尺寸的气垫，其中A型气垫的底面的长宽为30cm×20cm，高度为50cm；而B型气垫的底面的长宽为30cm×20cm，高度为20cm；A型和B型区别在于高度不同；当只利用A型气垫施工时，若超挖情况大于A型的高度；可将A型和B型组合施工，通过将B型叠放在A型上，有效支撑拱架与开挖轮廓间的空隙。

上述方案具体的，为了进一步加快对围岩进行支撑，参考图2，每一所述气垫2上设有充气支管21，所有的充气支管21与一充气总管22连通。如此，通过所述充气总管22为拱架1上所有的气垫2进行充气，充气速度快，使气垫2快速成型。其中，还可以在所述充气支管21或/和所述充气总管22上设置气阀，用以控制对所有气垫2或特定气垫2进行放气。

上述方案具体的，所述气垫2可以通过绑带固定在所述拱架1上；也可以参考图3，在所述拱架1上设置卡槽11，所述卡槽11由钢板或钢筋围设而成，具有向上的开口，利用所述卡槽11装载所述气垫2，避免气垫2从所述拱架1上掉落；理所当然的，还能够采用其他结构将气垫2固定在所述拱架1上，只要确保所述气垫2的位置稳定，不会从所述拱架1上掉落，能够为围岩提供良好支撑即可。

该减少浅埋暗挖隧道早期沉降的快速支撑装置的施工方法，包括如下步骤：

步骤(a)，隧道开挖后测量轮廓线，计算超挖数据及位置；

参考图4，步骤(b)，架设拱架1，拱架1的顶部设置有尚未充气的气垫2；其中，在步骤(b)中，施工人员可根据隧道开挖的超挖数据及位置，将气垫设置在拱架上适当的位置，当一个气垫2的高度不足以支撑围岩时，在该气垫2上叠加气垫2。换而言之，若气垫2的高度为50cm，而某些位置的超挖情况大于50cm，可以在该些位置叠放两个甚至两个以上气垫2，根据实际情况而定。理所当然的，在架设拱架1时，需要对拱架1的拱脚进行良好支撑，确保所述拱架1不会下陷。

参考图5，步骤(c)，拱架1架设完成后，对气垫2进行充气，使气垫2支撑围岩；

参考图6，步骤(d)，喷浆，对拱架1喷射混凝土，使混凝土填充所述气垫2以外的空间；在步骤(d)中，由于气垫的存在，既减少了首次喷混凝土量，加快了成环封闭时间，又减轻了拱架支护的自重。

步骤(e)，取出气垫2；在步骤(e)中，对气垫2进行放气，然后将放气后的气垫2抽出。

参考图7，步骤(f)，补浆，对气垫2原本所在的位置填充混凝土。

如此，通过在拱架1的顶部设置多个气垫2，利用该些气垫2为围岩提供过渡性支撑，遏制围岩的初期沉降，在喷浆工序完成前有效控制围岩初期的变形和稳定性。

参考图8，在修建隧道工程时，按一定距离分段推进，每次开挖支护为一循环，而为加快隧道工程的修建，在依次的两个循环当中，在上一循环中完成步骤(a)到步骤(d)后，然后开始下一循环的开挖支护，待该下一循环完成步骤(a)到步骤(c)后，返回该上一循环中进行步骤(e)和步骤(f)，依次循环施工。如此，能够为上一循环中步骤(d)中的混凝土提供凝固时间，且为上一循环中步骤(f)的补浆和下一循环中步骤(d)的喷浆提供同步进行的条件。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。