用于断层破碎带引水隧洞边顶拱塌腔支护系统及其方法

摘要

本发明公开了一种用于断层破碎带引水隧洞边顶拱塌腔支护系统及其方法，本用于断层破碎带引水隧洞边顶拱塌腔支护系统包括主拱架、副拱架、混凝土壳体结构层、初喷混凝土层和混凝土填充层，副拱架的顶端紧靠塌腔岩面，主拱架设置于塌腔区域的正下方且与副拱架连接以对其支撑，塌腔区域的岩面上喷射混凝土形成初喷混凝土层，初喷混凝土层位于塌腔表面，主拱架上成型有混凝土壳体结构层，混凝土壳体结构层和初喷混凝土层之间为混凝土填充层。本用于断层破碎带引水隧洞边顶拱塌腔支护系统，可有效地缩短施工工期，从而保证了作业人员的安全。

说明书

技术领域

本发明涉及塌方施工技术领域，尤其涉及一种用于断层破碎带引水隧洞边顶拱塌腔支护系统及方法。

背景技术

在引水隧洞掌子面掘进过程中，通过围岩状态较差洞段时，会遇到大小不同的断层破碎带及蚀变岩层，其岩层稳定性差，在施工过程中控制不当极易发生洞室变形、塌方等问题。塌方后会在钢拱架与岩壁间形成较大空腔。

现有技术在处理塌方空腔时，会设置主拱和副拱，但是，主拱和副拱之间空隙会采取分层喷射混凝土进行回填。此方法存在以下问题：

1、分层喷射喷射混凝土时，每喷一层只能喷射5到10厘米，一般空腔部位通常为1米到3米，甚至更大，因此，要喷射多层才能将空腔填满，另外，每喷一层混凝土要等当层混凝土达到一定强度后，才能进行下一层混凝土的喷设，因此，分层混凝土时喷设混凝土耗时长，一方面严重影响后面的施工，另一方面施工时间长增加施工人员的作业风险；

2、当喷射混凝土达到一定厚度时，随着喷射的混凝土厚度增加，导致总喷射层的自重增加，混凝土极容易掉落，喷射效率不高；

3、因喷射的混凝土受力状态为纯抗拉受力，混凝土抗拉强度一般只有抗压强度的1/10～1/20，层间容易形成层间环向裂缝，可能产生二次掉块、塌方、钢拱架变形等问题，给施工带来很大困难和经济损失。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种用于断层破碎带引水隧洞边顶拱塌腔支护系统及方法，旨在有效地缩短施工工期。

为实现上述目的，本发明提供一种用于断层破碎带引水隧洞边顶拱塌腔支护系统，包括主拱架、副拱架、混凝土壳体结构层、初喷混凝土层以及混凝土填充层，其中，

所述副拱架的顶端紧靠塌腔岩面，主拱架设置于塌腔区域的正下方且与副拱架连接以对其支撑，塌腔区域的岩面上喷射混凝土形成初喷混凝土层，初喷混凝土层位于塌腔表面，主拱架上成型有混凝土壳体结构层，混凝土壳体结构层和初喷混凝土层之间为混凝土填充层，混凝土填充层在初喷混凝土层和混凝土壳体结构层成型后、通过向初喷混凝土层和混凝土壳体结构层之间灌注自密实混凝土形成。

优选地，所述用于断层破碎带引水隧洞边顶拱塌腔支护系统还包括设于塌腔区域岩面上的随机锚杆，主拱架上设有钢筋网片以成型混凝土壳体结构层。

优选地，所述主拱架包括多个弧形的主支撑结构、以及沿隧道轴向设置以连接相邻两主支撑结构之间的主连接杆，所述副拱架包括多个弧形的副支撑结构、沿隧道轴向设置以连接相邻两副支撑结构的副连接杆、以及连接于主支撑结构和副支撑结构之间的斜撑。

优选地，所述初喷混凝土层为钢纤维混凝土层。

优选地，所述钢筋网片为加密钢筋网片，网孔直径小于或等于6mm。

本发明进一步提出一种基于上述用于断层破碎带引水隧洞边顶拱塌腔支护系统的支护方法，包括以下步骤：

在塌腔的岩面上初喷钢纤维混凝土，形成初喷混凝土层以进行岩面封闭；

在塌腔范围内沿引水隧洞轴线方向安装主拱架后，在主拱架上方安装副拱架，副拱架的顶端紧靠塌腔岩面；

在主拱架上安装钢筋网片，向钢筋网片上复喷混凝土进行封闭以形成混凝土壳体结构层；

在初喷混凝土层与混凝土壳体结构层之间填充自密实混凝土以形成混凝土填充层。

优选地，填充自密实混凝土以形成混凝土填充层时，在混凝土壳体结构层处预留回灌钢管和溢浆管，采用混凝土泵送入仓方式，混凝土为自密实混凝土，浇筑速度为混凝土面上升1 m/h~1.5m/h。

优选地，向钢筋网片上复喷混凝土进行封闭以形成混凝土壳体结构层时，喷射厚度为5~10cm，形成表面无孔眼的混凝土壳体结构层。

优选地，在塌腔的岩面上初喷钢纤维混凝土时，初喷钢纤维混凝土厚度控制在3~5cm，以保证塌腔初期稳定性。

优选地，所述在塌腔的岩面上初喷钢纤维混凝土，形成初喷混凝土层以进行岩面封闭的步骤之后还包括：

在边顶拱塌腔内施作随机锚杆。

本发明提出的用于断层破碎带引水隧洞边顶拱塌腔支护系统，通过向初喷混凝土层和初喷混凝土层之间填充自密实混凝土形成混凝土填充层，能够在处理塌方空腔时，有效避免因喷射混凝土层过厚导致的喷射时间过长、喷射效率不高和易产生环向裂缝等问题的发生（填充混凝土填充层相对于喷射形成厚厚的混凝土层，其施工效率可大大提升），一方面保证了隧洞内结构的稳定，另一方面保证了施工安全，对于塌方事故来说，时间就是生命，在有限的时间最快的施工保护了施工人员的安全。因该支护系统的施工方法速度快，作业效率高，在降低工程施工难度的同时，有效降低工程造价，缩短施工工期，迅速及时的解决隧洞塌方问题，从而克服现有技术的不足，具有广阔的推广应用前景。另外，本支护系统因为是灌注形成混凝土填充层而不是喷射多层形成整个混凝土结构，相对于现有技术，本支护系统的结构更加稳定，不容易产生二次掉块、塌方、钢拱架变形等问题。

附图说明

图1为本发明用于断层破碎带引水隧洞边顶拱塌腔支护系统的断面图；

图2为本发明用于断层破碎带引水隧洞边顶拱塌腔支护系统的平面图；

图3为本发明用于断层破碎带引水隧洞边顶拱塌腔支护系统的支护方法的流程示意图。

图中，1.初喷混凝土层，2.随机锚杆，3.主拱架，4.主连接杆，5.副拱架，6.副连接杆，7. 混凝土壳体结构层，8. 混凝土填充层。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，并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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明提出一种用于断层破碎带引水隧洞边顶拱塌腔支护系统。

参照图1和图2，本优选实施例中，一种用于断层破碎带引水隧洞边顶拱塌腔支护系统，包括主拱架3、副拱架5、混凝土壳体结构层7、初喷混凝土层1以及混凝土填充层8，其中，

副拱架5的顶端紧靠塌腔岩面，主拱架3设置于塌腔区域的正下方且与副拱架5连接以对其支撑，塌腔区域的岩面上喷射混凝土形成初喷混凝土层1，初喷混凝土层1位于塌腔表面，主拱架3上成型有混凝土壳体结构层7，混凝土壳体结构层7和初喷混凝土层1之间为混凝土填充层8，混凝土填充层8在初喷混凝土层1和混凝土壳体结构层7成型后、通过向初喷混凝土层1和混凝土壳体结构层7之间灌注自密实混凝土形成。

进一步地，本用于断层破碎带引水隧洞边顶拱塌腔支护系统还包括设于塌腔区域岩面上的随机锚杆2，主拱架3上设有钢筋网片以成型混凝土壳体结构层7，从而使混凝土壳体结构层7的施工过程简单方便。另外，通过设置随机锚杆2，以保证空腔部位岩体稳定性。

具体地，本实施例中，主拱架3包括多个弧形的主支撑结构、以及沿隧道轴向设置以连接相邻两主支撑结构之间的主连接杆4，副拱架5包括多个弧形的副支撑结构、沿隧道轴向设置以连接相邻两副支撑结构的副连接杆6、以及连接于主支撑结构和副支撑结构之间的斜撑。采用这种结构的主拱架3和副拱架5，从而大大地提高了本支护系统的结构稳定性，减少了二次塌方的风险。

具体地，初喷混凝土层1为钢纤维混凝土层。钢纤维混凝土对比普通混凝土，具有更高的抗批拉强度，防止空腔内持续塌方，为后续支护工作提供稳定安全的工作面。

具体的，钢筋网片的网孔直径小于或等于6mm。钢筋网片通过加密处理，能保证复喷混凝土有更好的附着性，快速形成混凝土壳体结构层。

本用于断层破碎带引水隧洞边顶拱塌腔支护系统的施工方法如下。

第一步、开挖断层破碎带引水隧洞，形成开挖洞体轮廓，在洞体的边顶拱出现有塌腔，在塌腔的岩面上初喷钢纤维混凝土，进行岩面封闭；

第二步、在边顶拱塌腔内施作随机锚杆2；

第三步、在塌腔范围内沿引水隧洞轴线方向安装主拱架3，在主拱架3腹部焊接型钢（即主连接杆4）进行加强连接；

第四步、在主拱架3顶部安装三角支撑体系的副拱架5，同一断面上相邻两根副拱增加斜撑以连接牢固，副拱架5间沿隧洞径向设置若干型钢（即副连接杆6）连接为整体，副拱架5的顶端紧靠塌腔岩面；

第五步、在主拱架3外侧安装加密钢筋挂网，复喷混凝土进行封闭，待复喷混凝土达到设计强度要求后，形成封闭混凝土壳体结构层7；

第六步、在初喷混凝土层1与封闭混凝土壳体结构层7之间灌注自密实混凝土，确保整个结构成为整体支撑体系。

本发明提出的用于断层破碎带引水隧洞边顶拱塌腔支护系统，通过向初喷混凝土层1和初喷混凝土层1之间填充自密实混凝土形成混凝土填充层8，能够在处理塌方空腔时，有效避免因喷射混凝土层过厚导致的喷射时间过长、喷射效率不高和易产生环向裂缝等问题的发生（填充混凝土填充层8相对于喷射形成厚厚的混凝土层，其施工效率可大大提升），一方面保证了隧洞内结构的稳定，另一方面保证了施工安全，对于塌方事故来说，时间就是生命，在有限的时间最快的施工保护了施工人员的安全。因该支护系统的施工方法速度快，作业效率高，在降低工程施工难度的同时，有效地降低工程造价，缩短施工工期，迅速及时的解决隧洞塌方问题，从而克服现有技术的不足，具有广阔的推广应用前景。另外，本支护系统因为是灌注形成混凝土填充层8而不是喷射多层形成整个混凝土结构，相对于现有技术，本支护系统的结构更加稳定，不容易产生二次掉块、塌方、钢拱架变形等问题。

本发明进一步提出一种用于断层破碎带引水隧洞边顶拱塌腔支护系统的支护方法。

参照图3，本优选实施例中，一种基于上述的用于断层破碎带引水隧洞边顶拱塌腔支护系统的支护方法，包括以下步骤：

步骤S10，在塌腔的岩面上初喷钢纤维混凝土，形成初喷混凝土层1以进行岩面封闭；

步骤S20，在塌腔范围内沿引水隧洞轴线方向安装主拱架3后，在主拱架3上方安装副拱架5，副拱架5的顶端紧靠塌腔岩面；

步骤S30，在主拱架3上安装钢筋网片，向钢筋网片上复喷混凝土进行封闭以形成混凝土壳体结构层7；

步骤S40，在初喷混凝土层1与混凝土壳体结构层7之间填充自密实混凝土以形成混凝土填充层8。

步骤S10中，在塌腔的岩面上初喷钢纤维混凝土时，初喷钢纤维混凝土厚度控制在3~5cm，以保证塌腔初期稳定性。

步骤S30中，向钢筋网片上复喷混凝土进行封闭以形成混凝土壳体结构层7时，喷射厚度为5~10cm，形成表面无孔眼的混凝土壳体结构层7。

步骤S40中，填充自密实混凝土以形成混凝土填充层8时，在混凝土壳体结构层7处预留2根DN108回灌钢管和一根PVC溢浆管，采用混凝土泵送入仓方式，混凝土为自密实混凝土，浇筑速度为混凝土面上升1 m/h ~1.5m/h。

浇筑速度为混凝土面上升1 m/h ~1.5m/h，浇筑速度过快将导致外侧的混凝土壳体结构层7开裂失效。

进一步地，混凝土壳体结构层7上预留有回灌钢管和PVC溢浆管以供注浆成型混凝土填充层8。

步骤S10和步骤S20之间还包括：

步骤S11，在边顶拱塌腔内施作随机锚杆2。

本发明提出的用于断层破碎带引水隧洞边顶拱塌腔支护系统的支护方法，在处理塌方空腔时，有效避免因喷射混凝土层过厚导致的喷射时间过长、喷射效率不高和易产生环向裂缝等问题的发生（填充混凝土填充层8相对于喷射形成厚厚的混凝土层，其施工效率可大大提升），一方面保证了隧洞内结构的稳定，另一方面保证了施工安全，对于塌方事故来说，时间就是生命，在有限的时间最快的施工保护了施工人员的安全。因该支护系统的施工方法速度快，作业效率高，在降低工程施工难度的同时，有效降低工程造价，缩短施工工期，迅速及时的解决隧洞塌方问题，从而克服现有技术的不足，具有广阔的推广应用前景。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。