预防隧道沉降变形的支护结构及其构建方法.pdf

本发明涉及预防隧道沉降变形的支护结构及其构建方法。长管棚及交叉中隔壁法开挖一般采用等截面隧道施工，由于管棚和初期支护之间的三角区土体致使初期支护不能密贴长管棚，对长管棚及初期支护组合受力不利。本发明包括隧道内环状的永久钢拱架，永久钢拱架沿隧道纵向由平行的多环变截面单元组成，纵剖面呈锯齿状；分区导洞之间设置有临时钢拱架；永久钢拱架拱部上方均匀布置有长管棚；永久钢拱架两侧边墙外均匀布置有注浆小导管。本发明隧道纵向采用变截面形式，初期支护可以紧贴长管棚，两者的组合支撑作用，可以强有力地控制沉降；结构工序简单，操作空间大，有利于机械化施工并避免施工成本增加。

1.  预防隧道沉降变形的支护结构，其特征在于：
包括隧道内环状的永久钢拱架（21），永久钢拱架（21）沿隧道纵向由平行的多环变截面单元组成，纵剖面呈锯齿状；
永久钢拱架（21）拱部上方均匀布置有长管棚（11）；
永久钢拱架（21）两侧边墙外均匀布置有注浆小导管（13）。

2.  根据权利要求1所述的预防隧道沉降变形的支护结构，其特征在于：
永久钢拱架（21）为工字钢或者H型钢；
每环永久钢拱架（21）纵向上仰，形成变截面单元；
长管棚（11）起始于每环永久钢拱架（21）的尾部打设，外插角与永久钢拱架（21）纵向仰角一致，纵向长度为两环永久钢拱架（21）的纵向长度。

3.  根据权利要求2所述的预防隧道沉降变形的支护结构，其特征在于：
永久钢拱架（21）上对称布置有两道纵向托梁（31），位于永久钢拱架（21）拱部两侧底端；
每道纵向托梁（31）由多段槽钢通过纵向托梁连接钢板（32）焊接组成；
每段槽钢与对应位置的单榀钢拱架通过螺栓固定连接。

4.  根据权利要求3所述的预防隧道沉降变形的支护结构，其特征在于：
隧道内开挖分为上台阶左导洞（1）、上台阶右导洞（2）、下台阶左导洞（3）和下台阶右导洞（4），每区分界处设置临时钢拱架（22），包括横撑和竖撑；
临时钢拱架（22）为工字钢或者H型钢。

5.  根据权利要求4所述的预防隧道沉降变形的支护结构，其特征在于：
临时钢拱架（22）之间和临时钢拱架（22）与永久钢拱架（21）之间的交接处设置有斜向的钢拱架加劲肋（23）；
钢拱架加劲肋（23）为工字钢或者H型钢。

6.  根据权利要求5所述的预防隧道沉降变形的支护结构，其特征在于：
注浆小导管（13）呈辐射状布置于永久钢拱架（21）两侧边墙外，位于相邻两榀钢拱架之间，纵向间距为两倍钢拱架的设计间距。

7.  根据权利要求6所述的预防隧道沉降变形的支护结构，其特征在于：
永久钢拱架（21）拱部两侧底端对称打设有锁脚锚杆（12）。

8.  预防隧道沉降变形的支护结构的构建方法，其特征在于：
由以下步骤实现：
步骤一：施做上台阶左导洞（1）拱部的长管棚（11），管棚长度为两个变截面单元的纵向长度；
步骤二：进行上台阶左导洞（1）开挖及支护直至完成一个变截面单元；
支护内容包括喷射混凝土、挂钢筋网，还包括该区域永久钢拱架（21）、临时钢拱架（22）、钢拱架加劲肋（23）、纵向托梁（31）的安装以及锁脚锚杆（12）的打设；
步骤三：重复步骤一和二，直至上台阶左导洞（1）完成七个变截面单元；
步骤四：施做上台阶右导洞（2）拱部的长管棚（11）；
步骤五：进行上台阶右导洞（2）开挖及支护直至完成一个变截面单元；
支护内容包括喷射混凝土、挂钢筋网，还包括该区域永久钢拱架（21）、临时钢拱架（22）、钢拱架加劲肋（23）、纵向托梁（31）的安装以及锁脚锚杆（12）的打设；
步骤六：重复步骤四和五，直至上台阶右导洞（2）完成三个变截面单元；
步骤七：进行下台阶左导洞（3）开挖及支护直至完成两个变截面单元；
支护内容包括喷射混凝土、挂钢筋网，安装该区域永久钢拱架（21）、临时钢拱架（22）和钢拱架加劲肋（23），还包括实施边墙的注浆小导管（13）；
步骤八：进行下台阶右导洞（4）开挖及支护直至完成一个变截面单元；
支护内容包括喷射混凝土、挂钢筋网、安装该区域永久钢拱架（21），还包括实施边墙的注浆小导管（13）；
步骤九：在保持上台阶左导洞（1）、上台阶右导洞（2）、下台阶左导洞（3）和下台阶右导洞（4）各个导洞掌子面之间纵向距离不变的情况下，即上台阶左导洞（1）、上台阶右导洞（2）之间保持四个变截面单元，上台阶左导洞（1）、下台阶左导洞（3）之间保持五个变截面单元，上台阶左导洞（1）、下台阶右导洞（4）之间保持六个变截面单元，重复前述步骤进行四个导洞的管棚、开挖及支护施工；
步骤十：待永久钢拱架（21）封闭成环、且变形稳定之后拆除临时钢拱架，并按照先拆除横撑、后拆除竖撑的顺序进行，之后进行仰拱、衬砌施工。

预防隧道沉降变形的支护结构及其构建方法
技术领域
    本发明属于隧道支护技术领域，具体涉及一种预防隧道沉降变形的支护结构及其构建方法。
背景技术
在地质条件较差的软弱围岩中修建隧道，预防施工当中发生较大沉降变形是设计、施工的关键。在隧道断面大、埋深浅、对沉降控制有严格要求及采用机械化施工的情况下，采用长管棚及交叉中隔壁法开挖是一种常用的方案。长管棚超前支护强度大，而采用交叉中隔壁法进行分部开挖，能保证每个导洞支护及时封闭成环并有利于机械化施工。但常规设计的等截面隧道由于管棚和初期支护之间存在三角区致使初期支护不能密贴长管棚，对长管棚和初期支护组合受力不利；另外，施工期间三角区的土体由于开挖震动而塌落需要增加喷射混凝土，这将导致施工成本增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种预防隧道沉降变形的支护结构及其构建方法, 适用于地质条件较差的软弱围岩，包括土质、膨胀岩等。
本发明所采用的技术方案是：
预防隧道沉降变形的支护结构，其特征在于：
包括隧道内环状的永久钢拱架，永久钢拱架沿隧道纵向由平行的多环变截面单元组成，纵剖面呈锯齿状；
永久钢拱架拱部上方均匀布置有长管棚；
永久钢拱架两侧边墙外均匀布置有注浆小导管。
永久钢拱架为工字钢或者H型钢；
每环永久钢拱架纵向上仰，形成变截面单元；
长管棚起始于每环永久钢拱架的尾部打设，外插角与永久钢拱架纵向仰角一致，纵向长度为两环永久钢拱架的纵向长度。
永久钢拱架上对称布置有两道纵向托梁，位于永久钢拱架拱部两侧底端；
每道纵向托梁由多段槽钢通过纵向托梁连接钢板焊接组成；
每段槽钢与对应位置的单榀钢拱架通过螺栓固定连接。
隧道内开挖分为上台阶左导洞、上台阶右导洞、下台阶左导洞和下台阶右导洞，每区分界处设置临时钢拱架，包括横撑和竖撑；
临时钢拱架为工字钢或者H型钢。
临时钢拱架之间和临时钢拱架与永久钢拱架之间的交接处设置有斜向的钢拱架加劲肋；
钢拱架加劲肋为工字钢或者H型钢。
注浆小导管呈辐射状布置于永久钢拱架两侧边墙外，位于相邻两榀钢拱架之间，纵向间距为两倍钢拱架的设计间距。
永久钢拱架拱部两侧底端对称打设有锁脚锚杆。
预防隧道沉降变形的支护结构的构建方法，其特征在于：
由以下步骤实现：
步骤一：施做上台阶左导洞拱部的长管棚，管棚长度为两个变截面单元的纵向长度；
步骤二：进行上台阶左导洞开挖及支护直至完成一个变截面单元；
支护内容包括喷射混凝土、挂钢筋网，还包括该区域永久钢拱架、临时钢拱架、钢拱架加劲肋、纵向托梁的安装以及锁脚锚杆的打设；
步骤三：重复步骤一和二，直至上台阶左导洞完成七个变截面单元；
步骤四：施做上台阶右导洞拱部的长管棚；
步骤五：进行上台阶右导洞开挖及支护直至完成一个变截面单元；
支护内容包括喷射混凝土、挂钢筋网，还包括该区域永久钢拱架、临时钢拱架、钢拱架加劲肋、纵向托梁的安装以及锁脚锚杆的打设；
步骤六：重复步骤四和五，直至上台阶右导洞完成三个变截面单元；
步骤七：进行下台阶左导洞开挖及支护直至完成两个变截面单元；
支护内容包括喷射混凝土、挂钢筋网，安装该区域永久钢拱架、临时钢拱架和钢拱架加劲肋，还包括实施边墙的注浆小导管；
步骤八：进行下台阶右导洞开挖及支护直至完成一个变截面单元；
支护内容包括喷射混凝土、挂钢筋网、安装该区域永久钢拱架，还包括实施边墙的注浆小导管；
步骤九：在保持上台阶左导洞、上台阶右导洞、下台阶左导洞和下台阶右导洞各个导洞掌子面之间纵向距离不变的情况下，即上台阶左导洞、上台阶右导洞之间保持四个变截面单元，上台阶左导洞、下台阶左导洞之间保持五个变截面单元，上台阶左导洞、下台阶右导洞之间保持六个变截面单元，重复前述步骤进行四个导洞的管棚、开挖及支护施工；
步骤十：待永久钢拱架封闭成环、且变形稳定之后拆除临时钢拱架，并按照先拆除横撑、后拆除竖撑的顺序进行，之后进行仰拱、衬砌施工。
本发明具有以下优点：
（1）施工可操作性强：
施工工序简单，施工空间大，机械化程度高，能提高劳动效率；
（2）沉降控制效果好：
采用长管棚超前支护强度大，初期支护紧贴管棚组合支撑能力强，上台阶钢拱架末端设置纵向托梁，控制沉降能力强；
（3）经济性好：
避免等截面隧道管棚和隧道之间的三角区土体掉块而需要补喷混凝土导致施工成本增加。
附图说明
图1为本发明横断面图。
图2为本发明纵断面图。
图3是托梁纵向连接图。
图中，1-上台阶左导洞，2-上台阶右导洞，3-下台阶左导洞，4-下台阶右导洞，11-长管棚，12-锁脚锚杆，13-注浆小导管，21-永久钢拱架，22-临时钢拱架，23-钢拱架加劲肋，31-纵向托梁，32-纵向托梁连接钢板。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
本发明涉及的预防隧道沉降变形的支护结构，采用交叉中隔壁法开挖，将隧道划分为4部开挖，即上台阶左导洞、上台阶右导洞、下台阶左导洞及下台阶右导洞。
支护结构包括隧道内环状的永久钢拱架21，永久钢拱架21沿隧道纵向由平行的多环变截面单元组成，纵剖面呈锯齿状，永久钢拱架21拱部上方均匀布置有长管棚11，永久钢拱架21两侧边墙外均匀布置有注浆小导管13，永久钢拱架21拱部两侧底端对称打设有锁脚锚杆12。
永久钢拱架21为工字钢或者H型钢，每环永久钢拱架21纵向上仰，形成变截面单元。长管棚11起始于每环永久钢拱架21的尾部打设，外插角与永久钢拱架21纵向仰角一致，纵向长度为两环永久钢拱架21的纵向长度。
永久钢拱架21上对称布置有两道纵向托梁31，位于永久钢拱架21拱部两侧底端，每道纵向托梁31由多段槽钢通过纵向托梁连接钢板32焊接组成，每段槽钢与对应位置的单榀钢拱架通过螺栓固定连接。
隧道内开挖的上台阶左导洞1、上台阶右导洞2、下台阶左导洞3和下台阶右导洞4，每区分界处设置临时钢拱架22，包括横撑和竖撑，临时钢拱架22为工字钢或者H型钢。
临时钢拱架22之间和临时钢拱架22与永久钢拱架21之间的交接处设置有斜向的钢拱架加劲肋23，钢拱架加劲肋23为工字钢或者H型钢。
注浆小导管13呈辐射状布置于永久钢拱架21两侧边墙外，位于相邻两榀钢拱架之间，纵向间距为两倍钢拱架的设计间距。
上述预防隧道沉降变形的支护结构的构建方法，其特征在于：
由以下步骤实现：
步骤一：施做上台阶左导洞1拱部的长管棚11，管棚长度为两个变截面单元的纵向长度；
步骤二：进行上台阶左导洞1开挖及支护直至完成一个变截面单元；
支护内容包括喷射混凝土、挂钢筋网，还包括该区域永久钢拱架21、临时钢拱架22、钢拱架加劲肋23、纵向托梁31的安装以及锁脚锚杆12的打设；
步骤三：重复步骤一和二，直至上台阶左导洞1完成七个变截面单元；
步骤四：施做上台阶右导洞2拱部的长管棚11；
步骤五：进行上台阶右导洞2开挖及支护直至完成一个变截面单元；
支护内容包括喷射混凝土、挂钢筋网，还包括该区域永久钢拱架21、临时钢拱架22、钢拱架加劲肋23、纵向托梁31的安装以及锁脚锚杆12的打设；
步骤六：重复步骤四和五，直至上台阶右导洞2完成三个变截面单元；
步骤七：进行下台阶左导洞3开挖及支护直至完成两个变截面单元；
支护内容包括喷射混凝土、挂钢筋网，安装该区域永久钢拱架21、临时钢拱架22和钢拱架加劲肋23，还包括实施边墙的注浆小导管13；
步骤八：进行下台阶右导洞4开挖及支护直至完成一个变截面单元；
支护内容包括喷射混凝土、挂钢筋网、安装该区域永久钢拱架21，还包括实施边墙的注浆小导管13；
步骤九：在保持上台阶左导洞1、上台阶右导洞2、下台阶左导洞3和下台阶右导洞4各个导洞掌子面之间纵向距离不变的情况下，即上台阶左导洞1、上台阶右导洞2之间保持四个变截面单元，上台阶左导洞1、下台阶左导洞3之间保持五个变截面单元，上台阶左导洞1、下台阶右导洞4之间保持六个变截面单元，重复前述步骤进行四个导洞的管棚、开挖及支护施工；
步骤十：待永久钢拱架21封闭成环、且变形稳定之后拆除临时钢拱架，并按照先拆除横撑、后拆除竖撑的顺序进行，之后进行仰拱、衬砌施工。
一个变截面单元的纵向长度为7.45m，钢拱架设计间距为0.62m，单排管棚长度为15m，衬砌模板台车长度为11.25m，每板衬砌长度为11.175m（即1.5倍变截面单元长度）。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。