一种土岩复合地层浅埋隧道的复合加固方法及复合加固结构

摘要

本发明提供一种土岩复合地层浅埋隧道的复合加固方法，依次包括地表注浆、管棚支护和超前小导管支护等步骤，本发明还提供一种土岩复合地层浅埋隧道的复合加固结构，包括地表土层、岩层以及隧道挖掘区域；所述地表上开设有注浆孔组，所述隧道挖掘区域的上方形成有围岩拱部，所述围岩拱部上穿插有多个相对于水平面倾斜布置的大口径钢管，所述隧道挖掘区域具有掌子面，且所述隧道挖掘区域设置有钢拱架，所述掌子面上设置有止浆盘，所述止浆盘上穿插有同时穿插在所述掌子面中的小口径钢管。本发明通过地表注浆，能够提升土体强度且防渗性能相对较高，利用地表注浆、管棚支护、超前小导管支护等加固措施的联合作用保证隧道开挖前后的稳定性和安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种隧道的加固方法和加固结构，尤其是一种土岩复合地层浅埋隧道的复合加固方法及复合加固结构。

背景技术

随着城市地下轨道交通的高速发展，城市隧道呈现逐年增加的趋势。对于复杂地质下城市浅埋小净距隧道，由于覆土埋深较浅，覆土地层为软弱和碎石层，存在地面动荷载较大、拱顶围岩透水性强等实际工程施工问题，需要进行加固支护。

公告号为CN203961998U的中国实用新型专利公开了一种浅埋隧道组合式初期支护结构，包括套拱段以及洞身支护段，其套拱段采用型钢钢架成型，包括多段钢拱架单元，钢拱架单元之间通过连接钢板与连接螺栓联接，而在型钢钢架的拱背位置还设置有管棚导向管；所述洞身支护段采用钢筋格栅成型，通过纵向连接筋将各榀钢筋格栅联接成一个整体，在钢筋格栅的拱背位置设置有一层长管棚，此长管棚通过精轧螺纹钢定型，其间通过锚杆锚定加固，而在钢筋格栅内侧成型有一层混凝土层，且在混凝土层与钢筋格栅之间通过钢筋网加固。该支护结构虽然在一定程度上能够对地层进行加固，但是土体的强度并没有增加，且防渗性能相对较差。

有鉴于此，本申请人对土岩复合地层浅埋隧道的复合加固方法及复合加固结构进行了深入的研究，遂有本案产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提升复杂地层强度且防渗性能相对较高的浅埋隧道的复合加固方法及复合加固结构。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种土岩复合地层浅埋隧道的复合加固方法，依次包括以下步骤：

S1，地表注浆，在准备挖掘的浅埋隧道上方的地表土层上垂直开设多个注浆孔形成注浆孔组，在所述注浆孔组中，位于所述浅埋隧道正上方的所述注浆孔的孔底位于所述浅埋隧道的轮廓线上，然后在各所述注浆孔中注入水泥浆和水玻璃混合双浆液，并采用混凝土将各所述注浆孔的口部填满捣实；

S2，管棚支护，在所述浅埋隧道的围岩拱部按从高到低的顺序穿插大口径钢管，所述大口径钢管的侧壁上开设有第一孔眼，然后将水泥浆压入所述大口径钢管，使得部分水泥浆从所述第一孔眼流出并固结在所述围岩拱部上；

S3、超前小导管支护，先喷射混凝土封闭所述浅埋隧道的掌子面并在所述掌子面上形成止浆盘，然后按从高到低的顺序在所述纸浆盘上开设多个支护孔，之后在所述支护孔中穿入小口径钢管，所述小口径钢管同时支撑在钢拱架上，所述小口径钢管的侧壁上开设有第二孔眼，然后将水泥浆压入所述小口径钢管，使得部分水泥浆从所述第二孔眼流出并固结。

作为本发明的一种改进，在步骤S1中，在各所述注浆孔中注入水泥浆和水玻璃混合双浆液前，先在各所述注浆孔中穿插注浆管，所述注浆管的下端封口，所述注浆管外套设有止浆塞，且所述注浆管的侧壁位于所述止浆塞下方的位置处开设有多个溢浆孔，在各所述注浆孔中注入水泥浆和水玻璃混合双浆液时，采用先低压慢渗后高压注浆的方式向所述注浆管注浆。

作为本发明的一种改进，在步骤1中，在各所述注浆孔中注入水泥浆和水玻璃混合双浆液时，采用间隔交替注浆。

作为本发明的一种改进，在隧道开挖之后还进行了以下步骤：

S4、初期支护，对所述浅埋隧道的围岩进行喷锚支护，所述喷锚支护所采用的锚杆为中空注浆锚杆和砂浆锚杆。

作为本发明的一种改进，在步骤S4中，采用湿式喷射混凝土对围岩进行初喷，钢筋网在初喷混凝土的厚度达到3-5cm后铺挂，使其与喷射混凝土形成一体。

一种土岩复合地层浅埋隧道的复合加固结构，包括地表土层、位于所述地表土层下方的岩层以及同时位于所述地表土层和所述岩层上的隧道挖掘区域；

所述地表上开设有注浆孔组，所述注浆孔组包括多个分别竖直布置的注浆孔，位于所述隧道挖掘区域正上方的所述注浆孔的孔底位于所述隧道挖掘区域的轮廓线上，其他所述注浆孔的孔底位于所述地表层和所述岩层之间的分界线，各所述注浆孔中填充有水泥浆和水玻璃混合双浆液；

所述隧道挖掘区域的上方形成有围岩拱部，所述围岩拱部上穿插有多个相对于水平面倾斜布置的大口径钢管，所述大口径钢管的侧壁上开设有第一孔眼，且所述大口径钢管内填充有水泥浆；

所述隧道挖掘区域具有掌子面，且所述隧道挖掘区域设置有钢拱架，所述钢拱架通过锁脚锚杆固定，所述掌子面上设置有止浆盘，所述止浆盘上穿插有同时穿插在所述掌子面中的小口径钢管，所述小口径钢管同时支撑在钢拱架上，所述小口径钢管的侧壁上开设有第二孔眼，且所述小口径钢管内填充有水泥浆。

作为本发明的一种改进，各所述注浆孔中穿插有注浆管，所述注浆管的下端封口，所述注浆管外套设有止浆塞，且所述注浆管的侧壁位于所述止浆塞下方的位置处开设有多个溢浆孔，所述水泥浆和水玻璃混合双浆液填充在所述注浆管和所述注浆孔之间位于所述注浆塞下方的位置处以及所述注浆管内。

作为本发明的一种改进，所述止浆塞为止浆膜袋。

作为本发明的一种改进，在所述隧道挖掘区域的横截面上，以所述隧道挖掘区域的轮廓的中心线与所述隧道挖掘区域的隧道下部轮廓线之间的交点为原点，做两个以所述隧道挖掘区域的轮廓的中心线为中心对称的射线，当两个所述射线之间的夹角为60°时，所述围岩拱部与两个所述射线之间所形成的区域对应的区域为所述大口径钢管的布设范围，当两个所述射线之间的夹角为120°时，所述止浆盘与两个所述射线之间所形成的区域对应的区域为所述小口径钢管的布设范围。

采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

1、本发明在管棚支护的基础上，通过地表注浆，能够提升土体强度且防渗性能相对较高，利用地表注浆、管棚支护、超前小导管支护等加固措施的联合作用保证了隧道开挖前后的稳定性和安全性。

2、针对覆土埋深较浅等问题，对地表采用双液高压注浆，提升了拱顶周围土体的强度与防渗级别，同时减小了隧道上部荷载对隧道结构的影响。

3、超前支护和初期支护通过相互焊接和喷射混凝土形成一个整体，严格控制了围岩开挖过程中围岩的沉降量，充分发挥了隧道围岩的初期自承能力，避免了开挖扰动引起的坍塌。

4、整个复合注浆加固措施有效控制了隧道上部荷载对隧道围岩与结构的影响，提升了隧道结构的稳定性。

附图说明

图1为实施例中复合加固结构的截面示意图；

图2为实施例中地表注浆的截面示意图；

图3为实施例中注浆孔和注浆管之间的配合结构示意图；

图4为实施例中大口径钢管的布设结构示意图；

图5为实施例中大口径钢管的连接结构示意图；

图6为实施例中小口径钢管的布设结构示意图；

图7为实施例中小口径钢管的连接结构示意图；

图中标示对应如下：

10-地表土层； 11-注浆孔；

12-注浆管； 13-止浆塞；

14-溢浆孔； 15-大口径钢管；

16-小口径钢管； 20-岩层；

30-隧道挖掘区域； 31-隧道上部轮廓线；

32-隧道下部轮廓线； 50-锁脚锚杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，并参考图2-图7所示，本实施例提供一种土岩复合地层浅埋隧道的复合加固结构，包括地表土层10、位于地表土层10下方的岩层20以及同时位于地表土层10和岩层20上的隧道挖掘区域30，其中，隧道挖掘区域30被挖空之后形成浅埋隧道，该浅埋隧道的侧壁所在的位置则构成隧道挖掘区域30的轮廓，从隧道挖掘区域30的横截面上看，隧道挖掘区域30的轮廓线包括呈拱形的隧道上部轮廓线31以及呈U形的隧道下部轮廓线32，隧道上部轮廓线31位于隧道下部轮廓线32的上方，且隧道上部轮廓线31的两端分别与隧道下部轮廓线32的两端一对一连接在一起，形成闭环线，当然，隧道上部轮廓线31和隧道下部轮廓线32的具体形状也可以根据实际需要进行调整。隧道挖掘区域30的上方形成有围岩拱部，围岩拱部的定义与常规的隧道施工中的定义相同，从隧道挖掘区域30的横截面上看，围岩拱部位于隧道上部轮廓线31上方且与隧道上部轮廓线31直接接触的位置处，属于地表土层10的一部分。此外，隧道挖掘区域30具有掌子面，掌子面又称礃子面，其具体定义与坑道施工中定义相同，为开挖坑道不断向前推进的竖向工作面；隧道挖掘区域30还设置有多个沿隧道挖掘区域30中的已挖掘区域的深度方向依次布置的钢拱架(图中未示出)，钢拱架通过锁脚锚杆50固定，上述挖掘区域30、围岩拱部、掌子面以及钢拱架的结构及其相对位置关系都与常规的隧道施工中的结构相同，并非本实施例的重点，此处不再详述。

地表土层10上开设有注浆孔组，注浆孔组包括多个按梅花形布孔的方式布置且分别竖直布置的注浆孔11，即注浆孔11呈多排布置，相邻两排上的各注浆孔11错位布置形成梅花形，同一排上的相邻两个注浆孔11之间的孔距为1.5m，隧道挖掘区域30在地表土层10上端面的投影位于注浆孔组的布设范围内，且注浆孔组两侧与隧道挖掘区域30对应的侧面之间的间距都大于2.0m，具体的，注浆孔组的布设范围为隧道支轮廓线外2.0m；位于隧道挖掘区域30正上方的注浆孔11的孔底位于隧道挖掘区域30的隧道上部轮廓线31下方0.5m的位置处，其他注浆孔11的孔底位于地表土层10和岩层20之间的分界线。

各注浆孔11中填充有水泥浆和水玻璃混合双浆液；具体的，如图1-图3所示，各注浆孔11中穿插有注浆管12，注浆管12的下端封口(即用堵头堵住)，注浆管12外套设有止浆塞13，在本实施例中止浆塞13为止浆膜袋，注浆管12的侧壁位于止浆塞13下方的位置处开设有多个溢浆孔14，水泥浆和水玻璃混合双浆液填充在注浆管12和注浆孔11之间位于注浆塞13下方的位置处以及注浆管12内，而注浆管12和注浆孔11之间位于注浆塞13上方的位置处则填充混凝土，该混凝土最好为速凝混凝土。

如图1-图7所示，围岩拱部上穿插有多个相对于水平面倾斜布置的大口径钢管15，具体的倾斜角度以及大口径钢管15的布设位置需要根据实际地质条件进行确定。需要说明的是，此处的大口径与下文将会提及的小口径是相对应的，仅仅是为了区分两个钢管之间的相对口径大小，即此处的钢管15的口径大于下文将会提及的下口径钢管16的口径，并不指代实际的钢管口径，具体的口径可以根据实际需要确定，在本实施例中，大口径钢管15的口径为φ108mm，大口径钢管15相对于水平面的倾斜角度为1°-2°。此外，大口径钢管15的侧壁上开设有第一孔眼，且大口径钢管内填充有水泥浆。

掌子面上设置有止浆盘，止浆盘上穿插有同时穿插在掌子面中的小口径钢管16，小口径钢管同时支撑在钢拱架上，同样的，小口径钢管16的侧壁上开设有第二孔眼，且小口径钢管16内填充有水泥浆。

优选的，在隧道挖掘区域30的横截面上，以隧道挖掘区域30的轮廓的中心线与隧道挖掘区域30的隧道下部轮廓线之间的交点为原点，做两个以隧道挖掘区域30的轮廓的中心线为中心对称的射线(该射线为虚拟的线，实际并不存在)，当两个射线之间的夹角为60°时，围岩拱部与两个射线之间所形成的区域对应的区域为大口径钢管15的布设范围，当两个射线之间的夹角为120°时，止浆盘与两个射线之间所形成的区域对应的区域为小口径钢管16的布设范围。

本实施例还提供了一种可实现上述复合加固结构的浅埋隧道的复合加固方法，该方法的施工对象为城市小净距浅埋隧道，拱顶为第四系黏性土、碎石土分布，隧道围岩分级为V级，隧道单洞跨度大，隧道沿线覆土浅，土层自稳性差，开挖易坍塌；隧道断面位于软弱黄土层和碎石地层，隧道具有高透水性；隧道上方地下管线(如排水管、电缆管等)较多；地面交通频动载大、荷载大对土体的重复扰动开挖易坍塌。

参考图1-图7，本实施例提供的方法包括以下依次进行的步骤：

S1，地表注浆，在准备挖掘的浅埋隧道上方的地表上采用梅花形布孔的方式按照隔排跳孔的顺序垂直开设多个注浆孔11形成注浆孔组，在注浆孔组中，位于浅埋隧道正上方的注浆孔11的孔底位于浅埋隧道的隧道上部轮廓线31下方，其他注浆孔11的孔底位于土岩分界线，此处的土岩分界线即为地表土层10和岩层20之间的分界线，其位置需要在地表注浆之前预先勘探。具体的，先采用洛阳铲掏孔，掏孔深度深于地下管线底部以下1m，以避免破坏地下管线，后采用潜孔钻机进钻孔，钻孔位置与地下管线净距不少于1m，钻孔深度均为地面到隧道的隧道上部轮廓线以下0.5m，钻孔范围为初支轮廓线外2.0m、地表上表面至土岩分界线。注浆孔11的直径为φ90mm，同一排注浆孔中相邻两个注浆孔11之间的间距为400mm。

然后在各注浆孔11中注入水泥浆和水玻璃混合双浆液，并采用混凝土将各注浆孔11的口部填满捣实；优选的，在各注浆孔11中注入水泥浆和水玻璃混合双浆液前，先在各注浆孔11中穿插注浆管12，注浆管12为钢管，其外径为φ42mm，其外径小于注浆孔11的内径，注浆管12的下端封口，注浆管12外套设有止浆塞13(本实施例中以止浆膜袋作为止浆塞13)，止浆塞13固定在对应的注浆管12上，且止浆塞13的轴向长度不少于1m，其底端面和地下管线的底部之间的间距不少于2m。注浆管12的侧壁位于止浆塞13下方的位置处开设有多个溢浆孔14，在各注浆孔11中注入水泥浆和水玻璃混合双浆液时，采用先低压慢渗后高压注浆的方式向注浆管11注浆(此处的低压和高压指的是两者的相对压力，并非具体压力)，这样有助于水泥浆和水玻璃混合双浆液经溢浆孔14渗透到地表土层10对地表土层10进行加固，同时使得注浆孔11的口部的混凝土具有足够的凝结时间，避免水泥浆和水玻璃混合双浆液在高压作用下从注浆孔11喷出，具体的注浆压力可以根据实际需要选择，通常在0.3-0.8MpA的范围内选择。在各注浆孔11中注入水泥浆和水玻璃混合双浆液时，采用间隔交替注浆，即连续两次注浆的注浆孔11不相邻。

上述步骤保证了加固效果的可靠性；注浆范围和压力可控，采用先低压慢渗后高压注浆的原理进行注浆对拱顶围岩软弱和碎石地层起到良好的预加固和防渗效果。

S2，管棚支护，在浅埋隧道的围岩拱部按从高到低的顺序穿插大口径钢管15(即管棚钢管)，大口径钢管15的侧壁上开设有第一孔眼，将水泥浆压入大口径钢管15，使得部分水泥浆从第一孔眼流出并固结在围岩拱部上。具体的，采用φ108mm管棚钢管代替钻杆的原理顶进管棚钢管，选用管棚钻机由高孔位向低孔位的顺序按照一定的倾角将作为管棚钢管的大口径钢管15钻入围岩拱部，钻孔外插角1°-2°为宜，大口径钢管15的布设范围依据具体地质条件进行确定，本实施例中能为分布于围岩拱部60°范围。大口径钢管15可由多个管段拼接形成，钻孔应先打有孔管段(即开始有第一孔眼的管段)，注浆后打无孔管段。管头焊成圆锥形，便于入孔，钢管接头用丝扣联接，大口径钢管15最先穿入围岩拱部的一端需要密封处理。大口径钢管15在插进后，钢管口端与围岩拱部对应位置所形成的孔的孔口周壁用水泥密封。注浆时用高压把水泥浆液压入大口径钢管内，浆液通过第一孔眼压注入孔壁的缝隙内，固结附近岩层。将各大口径钢管15按其梅花形布孔的排列顺序依次编号，其中编号为奇数的为“单”号孔，编号为偶数的为“双”号孔，注浆采用先灌注“单”号孔，待1至2天固结后，再灌注“双”号孔。

S3、超前小导管支护，需要说明的是，此处的超前指的是小导管支护步骤在初期支护步骤之前进行，此处的小导管中的小指的是本步骤中所采用的导管的外径小于管棚钢管的外径。本步骤具体为，先喷射混凝土封闭浅埋隧道的掌子面并在掌子面上形成5～10cm厚的止浆盘，然后采用钻机按从高到低的顺序采用梅花形布孔的方式在纸浆盘上开设多个支护孔，布孔范围以断面中心为轴线成120°扇形分布。之后在支护孔中穿入小口径钢管16(即导管)，小口径钢管16同时支撑在钢拱架上，小口径钢管16的侧壁上开设有多个第二孔眼，然后将水泥浆压入小口径钢管16，使得部分水泥浆从第二孔眼流出并固结。具体的，小口径钢管16采用外径为φ50mm的热轧无缝钢花管，壁厚3.5mm，第二孔眼的孔径6mm，间距15cm并呈梅花形排列，小口径钢管16的前段20cm制作成蒜瓣状锥形，尾端一定范围内(具体范围可以根据实际急需要确定)不钻第二孔眼以便作为止浆段。小口径钢管16双层设置，纵距240cm，环向间距35cm，倾角分别为10°和30°，分布于围岩拱部120°范围。施工时，将小口径钢管16用凿岩机直接从钢拱架上部和/或中部打入，外露20cm支撑于开挖面后方的钢拱架上，与钢架焊接牢固共同组成预支护体系；之后采用注浆泵压注水泥浆，注浆后支护孔要堵塞密实。

S4、初期支护，采用两级台阶法进行挖掘，在隧道开挖之后，立即对浅埋隧道的围岩进行喷锚支护，喷锚支护所采用的锚杆为中空注浆锚杆和砂浆锚杆。采用湿式喷射混凝土对围岩进行初喷，钢筋网在初喷混凝土的厚度达到3-5cm后铺挂，使其与喷射混凝土形成一体。具体的，隧道开挖后立即对围岩进行喷锚支护，锚杆采用φ25mm的中空注浆锚杆和φ22mm的砂浆锚杆，注浆完成后待水泥浆体的强度达到要求后安装垫板和紧固螺帽，采用湿式喷射混凝土施工，钢筋网在初喷混凝土3-5cm以后铺挂，使其与喷射混凝土形成一体，钢筋网绑扎固定于先期施工锚杆之上，再把钢筋片焊接成网，网片搭接长度为1-2个网格。隧道底部开挖完成后，底部初期支护及时跟进，将钢架全环封闭在洞内，并用螺栓连接成整体，接着将拱脚与锁脚锚管50焊接成一体形成加强支承，或者拱脚采用纵向托梁和φ108mm的锁脚锚管50注浆进行加强支承；锁脚锚管50穿过上下台阶的岩层和土层交界面进行注浆。在安设过程中当钢架和初喷混凝土之间有较大间隙，应每隔2m用混凝土预制块楔紧，钢架背后用喷混凝土填充密实。为增强钢架的整体稳定性，将钢架与锚杆焊接在一起，钢架纵向采用钢管连接，环向间距1m。

优选的，完成上述步骤之后，还可以进行以下步骤：

S5、中岩柱注浆加固：在后行洞开挖前，在先行洞使用潜孔钻机自上而下逐层钻孔，钻孔沿中岩柱分两排梅花型均匀布置，钻孔角度10°-15°，间距40cm。采用止浆膜袋作为止浆塞，注浆管为φ42mm、厚5mm的无缝钢花管，间距20cm钻孔，孔直径6mm，顶端封闭。采取隔孔混合双液注浆的方式进行注浆，止浆膜袋以上的钢管与钻孔之间空隙同样用双液浆填充。对中岩墙注浆加固充分发挥中岩柱承载力的同时大大降低了小净距隧道施工期间的风险。

本实施例提供的复合加固方法，严格控制围岩开挖过程中的围岩沉降量；充分发挥了隧道围岩的初期自承能力；并在此基础上，减小主干道车辆荷载对隧道结构的影响，保证隧道开挖前后地表管线的完整性，隧道开挖前后地表管线不发生破坏。采用喷锚和钢拱架对隧道围岩进行及时的初期支护，二者之间通过焊接和喷射混凝土加强了支护结构的整体性，充分发挥了隧道围岩的初期自承能力；为充分发挥钢拱架对围岩的支承作用，对钢拱架的拱脚采取锁脚锚管50注浆加固，锁脚锚管50穿过上下台阶的岩层和土层，加强了上下地层的整体性和稳定性，有效减小了围岩的变形。整个复合注浆加固方法获得极好的社会经济效益。

上面结合附图对本发明做了详细的说明，但是本发明的实施方式并不仅限于上述实施方式，本领域技术人员根据现有技术可以对本发明做出各种变形，这些都属于本发明的保护范围。