專利名稱：隧道軟弱圍巖支護方法及支護結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種隧道開挖過程中對隧道軟弱圍巖的支護方法及支護結構。
背景技術：
目前城市軟弱圍巖(一般為國家地鐵施工規(guī)范中所指IV級并包括IV級以上的 分類圍巖)隧道初支施工的工序時間長，效率低，開挖、安設拱架、噴砼、初支背后注 漿，這些因素使圍巖暴露的時間很長，軟弱圍巖預留核心土無法及時安裝臨時仰拱，結 構無法及時閉合，等閉合后也需要幾天的時間，隧道開挖后圍巖應力得到充分的釋放， 等初支結構能夠提供支護應力時已經(jīng)是十幾個小時甚至是一兩天或更長時間之后，無法 及時提供有效的應力，使隧道圍巖的應力惡化，圍巖變形加劇，圍巖結構易遭破壞，所 以隧道沉降發(fā)生率較大，加劇了隧道施工的風險，經(jīng)常造成隧道周圍環(huán)境的沉降超標， 甚至造成地表建筑破壞或地表坍塌，而城市的環(huán)境要求非常高，特別是城市低層建筑物 的基礎形式和房屋結構抵抗變形能力很弱，雨污水管道、燃氣、熱力、上水等各種管線 的抗變形能力也很差，為了滿足地面建筑物、地下管線等的安全需求，對城市暗挖隧道 的施工提出了新的要求，必須保證地面及地下各種建筑物的安全環(huán)境要求，但目前的被 動式的隧道施工技術都無法很好的保證這方面的要求。隧道施工安全風險大，城市暗挖 隧道施工已成為城市施工的高危行業(yè)。中國專利200710027739.1公開了一種淺埋暗挖工程施工方法，該方法在已開挖 的隧道斷面掛網(wǎng)并預噴砼，在隧道斷面安裝可調預應力鋼拱架，在鋼拱架與預噴射砼間 塞墊剛性墊塊并使他們緊密接觸，給鋼拱架施加預應力，然后噴射砼固定鋼拱架。該 方法是通過給鋼拱架施加一個朝向圍巖的預應力，該預應力通過墊塊和混凝土施加給圍 巖，來抵擋圍巖的收斂變形，但由于給鋼拱架施加預應力后，鋼拱架會具有回復變形的 趨勢，即背離圍巖方向變形的趨勢，該趨勢會降低鋼拱架以及混凝土形成的支撐結構抵 抗圍巖變形的能力，并且給圍巖的應力是點應力，因此，圍巖的變形程度依然較大。
發(fā)明內容
本發(fā)明解決的技術問題是提供一種可主動對隧道圍巖穩(wěn)固支撐的隧道軟弱圍巖 支護方法及支護結構。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是隧道軟弱圍巖支護方法，包括以 下步驟A、先沿隧道延伸方向間隔布置初支鋼架，所述初支鋼架安裝在隧道圍巖上；B、然后在初支鋼架與圍巖之間設置施力裝置，通過施力裝置對初支鋼架施加背 離圍巖方向的預應力并同時對圍巖施加背離初支鋼架的預應力；C、將步驟B中施加有預應力的相鄰兩個初支鋼架之間澆注或噴射混凝土，形成 混凝土結構，所述混凝土結構分別與相鄰兩個初支鋼架以及圍巖相連；D、最后將施力裝置從初支鋼架與圍巖之間取出。
進一步的是步驟A中所述初支鋼架沿隧道圍巖的橫截面周向安裝。進一步的是步驟D中，所述施力裝置取出后，向初支鋼架與圍巖之間澆注或 噴射混凝土，使初支鋼架通過混凝土與圍巖相連。進一步的是所述施力裝置為氣囊，步驟B中，通過氣囊充氣對初支鋼架施加 背離圍巖方向的預應力，同時對圍巖施加背離初支鋼架的預應力。進一步的是所述混凝土為速凝早強混凝土。隧道軟弱圍巖支護結構，包括隧道圍巖，所述隧道圍巖上沿隧道延伸方向間隔 設置有一組初支鋼架，初支鋼架與圍巖之間設置有施力裝置；相鄰兩個初支鋼架之間設 置有混凝土結構，所述混凝土結構分別與相鄰兩個初支鋼架以及圍巖相連。進一步的是所述施力裝置為氣囊。進一步的是所述初支鋼架沿隧道圍巖的橫截面周向安裝。本發(fā)明的有益效果是通過施力裝置對初支鋼架施加背離圍巖的預應力并同時 對圍巖施加背離初支鋼架的預應力，對圍巖能夠及時提供主動支護，減少圍巖應力的釋 放；當將施力裝置取出后，初支鋼架失去施力裝置的支撐，具有釋放預應力的趨勢，但 此時由于初支鋼架受到位于相鄰兩個初支鋼架之間的混凝土結構的限位作用，使得初支 鋼架將預應力通過上述混凝土結構施加在圍巖上，進而可以抑制圍巖釋放內部應力，從 而可對圍巖起到良好的支撐作用，可有效防止圍巖的變形，控制地層沉降。
圖1為初支鋼架與氣囊和圍巖的位置關系示意圖；圖2為施力裝置對初支鋼架以及圍巖施加預應力的示意圖；圖3為圖2中A區(qū)域的放大圖；圖4為取出施力裝置后位于相鄰兩個初支鋼架之間的混凝土結構的受力情況示 意圖；圖5為將初支鋼架與圍巖之間澆注或噴射混凝土后受力情況示意圖。圖中標記為1-圍巖，2-氣囊，3-初支鋼架。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進一步說明。如圖1至圖5所示，本發(fā)明的隧道軟弱圍巖支護方法，包括以下步驟A、先沿 隧道延伸方向間隔布置初支鋼架3，所述初支鋼架3安裝在隧道圍巖1上；B、然后在初 支鋼架3與圍巖1之間設置施力裝置，通過施力裝置對初支鋼架3施加背離圍巖1方向 的預應力并同時對圍巖1施加背離初支鋼架3的預應力；C、將步驟B中施加有預應力的 相鄰兩個初支鋼架3之間澆注或噴射混凝土，形成混凝土結構，所述混凝土結構分別與 相鄰兩個初支鋼架3以及圍巖1相連；D、最后將施力裝置從初支鋼架3與圍巖1之間取 出。實現(xiàn)上述方法的支護結構，包括隧道圍巖，所述隧道圍巖1上沿隧道延伸方向間隔 設置有一組初支鋼架3，初支鋼架3與圍巖1之間設置有施力裝置；相鄰兩個初支鋼架3 之間設置有混凝土結構，所述混凝土結構分別與相鄰兩個初支鋼架3以及圍巖1相連。圍巖狀態(tài)的控制主要是圍巖應力的控制，而作用在圍巖上的應力大小主要受圍巖的埋深和圍巖應力釋放的程度決定，圍巖埋深固定后，需要對圍巖應力釋放進行控 制，圍巖應力釋放程度高，圍巖的巖土受力大，圍巖變形就大，圍巖結構就容易被破 壞，圍巖應力釋放的程度小，圍巖的巖土受力小，圍巖變形就小，圍巖就不容易被破 壞。軟弱圍巖的結構可以承受的破壞力較小，很容易被破壞，所以必須控制圍巖因隧 道開挖而釋放的應力程度。本發(fā)明基于上述思想，在隧道開挖并安裝完初支鋼架后，立 即通過施力裝置對初支鋼架施加背離圍巖的預應力，同時對圍巖施加背離初支鋼架的應 力，即朝向圍巖的應力，這樣可以對圍巖進行應力補充，減少圍巖的應力釋放，當將施 力裝置取出后，初支鋼架失去施力裝置的支撐，具有釋放預應力的趨勢，但此時由于初 支鋼架受到位于相鄰兩個初支鋼架之間的混凝土結構的限位作用，使得初支鋼架將預應 力通過上述混凝土結構施加在圍巖上，進而可以抑制圍巖釋放應力，這樣隧道圍巖應力 釋放較小，巖土受力較小，不超過巖土的剪切破壞強度，能充分保護和利用圍巖的既有 強度，實現(xiàn)隧道的安全施工。為了進一步對圍巖整體進行有效支護，如圖1所示，步驟A中所述初支鋼架3沿 隧道圍巖1的橫截面周向安裝，即圍巖1的橫截面周向均安裝有初支鋼架3，這樣在澆注 或噴射混凝土時，也是沿圍巖1的橫截面周向進行，進而使得圍巖整體受到支護。為了在上述基礎上，增加對圍巖的支護能力，提高對圍巖應力釋放的抑制作 用，步驟D中，所述施力裝置取出后，向初支鋼架3與圍巖1之間的空隙澆注或噴射混 凝土，即回填混凝土，使初支鋼架3整體通過混凝土與圍巖1相連。由于施力裝置取出 后，位于相鄰兩個混凝土結構之間的圍巖失去施力裝置的支撐，該區(qū)域的圍巖的應力釋 放程度有可能增加，通過及時回填混凝土，可以有效抑制上述區(qū)域的圍巖的應力釋放， 并且通過混凝土對初支鋼架3整體限位，可以充分利用初支鋼架3整體的預應力來抑制圍 巖1釋放應力，從而可提高對圍巖1的支護能力，有效抑制圍巖應力的釋放，提高施工的 安全性，另外，通過向初支鋼架與圍巖之間回填混凝土，可以使初支鋼架的整體受力均 勻，有利于保持初支鋼架的結構穩(wěn)定，使初支鋼架可以長期穩(wěn)定的對圍巖進行支護。另外，上述施力裝置可為千斤頂、液壓起升機等，但上述這些施力裝置對于初 支鋼架施加預應力時，初支鋼架的受力不均勻且可能對初支鋼架造成損傷，影響對圍巖 的支護能力，同時，由于初支鋼架與圍巖之間的的空隙較小，也不便于安裝和設置上述 施力裝置，為了在施加預應力時，使初支鋼架3受力均勻，且便于安裝和設置施力裝 置，優(yōu)選實施方式是所述施力裝置為氣囊2，步驟B中，通過氣囊2充氣對初支鋼架3 施加背離圍巖1方向的預應力，同時對圍巖1施加背離初支鋼架3的預應力。通過氣囊 可對初支鋼架3均勻施力，同時也可給圍巖施加均勻的面壓力，及時給圍巖補充應力， 由于在本發(fā)明的方法實施過程中，無論是安裝初支鋼架3，還是澆注或噴射混凝土，都需 要一定時間，在這段時間內，圍巖的應力在不斷釋放，通過氣囊對圍巖應力的補充，可 以相對減少圍巖應力的釋放，待相鄰兩個初支鋼架3之間的混凝土凝固后，形成混凝土 結構，即可將氣囊放氣取出，此時就可通過初支鋼架3和混凝土結構繼續(xù)抑制圍巖應力 的釋放，整個過程銜接緊密，最大程度的抑制了圍巖應力的釋放，從而達到保護圍巖強 度的目的，充分利用了圍巖的自身強度使隧道施工更安全，地層沉降更小。為了提高支護效率，同時也為了進一步抑制圍巖應力的釋放，所述混凝土為速 凝早強混凝土。速凝早強混凝土為現(xiàn)有技術，即混凝土中加入早強劑和速凝劑，可使混凝土在短時間內達到較高的強度。常用的早強劑有以下三種氯化物系早強劑，如 CaCl2 ；硫酸鹽系早強劑，如硫酸鈉；有機物系早強劑，有機物系列早強劑主要有三乙醇 胺、三異丙醇胺、甲醇、乙醇等等，最常用的是三乙醇胺。速凝劑的主要種類有無機鹽 類和有機物類，無機鹽類速凝劑按其主要成分大致可分為三類以鋁酸鈉為主要成分的 速凝劑；以鋁酸鈣、氟鋁酸鈣等為主要成分的速凝劑；以硅酸鹽為主要成分的速凝劑。 通過使用速凝早強混凝土可以在短時間實現(xiàn)對圍巖的有效支護，有利于進一步減少圍巖 的應力釋放。
權利要求
1.隧道軟弱圍巖支護方法，其特征是包括以下步驟A、先沿隧道延伸方向間隔布置初支鋼架(3)，所述初支鋼架(3)安裝在隧道圍巖(1)上；B、然后在初支鋼架(3)與圍巖(1)之間設置施力裝置，通過施力裝置對初支鋼架 ⑶施加背離圍巖⑴方向的預應力并同時對圍巖⑴施加背離初支鋼架⑶的預應力；C、將步驟B中施加有預應力的相鄰兩個初支鋼架(3)之間澆注或噴射混凝土，形成 混凝土結構，所述混凝土結構分別與相鄰兩個初支鋼架(3)以及圍巖(1)相連；D、最后將施力裝置從初支鋼架(3)與圍巖(1)之間取出。
2.如權利要求1所述的隧道軟弱圍巖支護方法，其特征是步驟A中所述初支鋼架 (3)沿隧道圍巖⑴的橫截面周向安裝。
3.如權利要求1所述的隧道軟弱圍巖支護方法，其特征是步驟D中，所述施力裝 置取出后，向初支鋼架⑶與圍巖⑴之間澆注或噴射混凝土，使初支鋼架⑶通過混凝 土與圍巖⑴相連。
4.如權利要求1所述的隧道軟弱圍巖支護方法，其特征是所述施力裝置為氣囊 (2)，步驟B中，通過氣囊(2)充氣對初支鋼架(3)施加背離圍巖(1)方向的預應力，同 時對圍巖(1)施加背離初支鋼架(3)的預應力。
5.如權利要求1至4中任意一項所述的隧道軟弱圍巖支護方法，其特征是所述混凝 土為速凝早強混凝土。
6.隧道軟弱圍巖支護結構，包括隧道圍巖，其特征是所述隧道圍巖(1)上沿隧道 延伸方向間隔設置有一組初支鋼架(3)，初支鋼架(3)與圍巖(1)之間設置有施力裝置； 相鄰兩個初支鋼架(3)之間設置有混凝土結構，所述混凝土結構分別與相鄰兩個初支鋼 架(3)以及圍巖⑴相連。
7.如權利要求6所述的隧道軟弱圍巖支護結構，其特征是所述施力裝置為氣囊⑵。
8.如權利要求6或7所述的隧道軟弱圍巖支護結構，其特征是所述初支鋼架(3)沿 隧道圍巖(1)的橫截面周向安裝。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種隧道軟弱圍巖支護方法及支護結構，可對圍巖進行快速應力補充，主動對圍巖穩(wěn)固支撐，縮短圍巖變形時間，圍巖變形量較傳統(tǒng)方法顯著降低。具體為先沿隧道延伸方向間隔布置初支鋼架；再在初支鋼架與圍巖之間設置施力裝置，通過施力裝置對初支鋼架及圍巖施加預應力；將施加有預應力的相鄰兩個初支鋼架之間澆注或噴射速凝早強混凝土，形成混凝土結構，混凝土結構分別與相鄰兩個初支鋼架以及圍巖相連；最后將施力裝置從初支鋼架與圍巖之間取出并及時回填砼。初支鋼架將預應力通過混凝土施加在圍巖上，可抑制圍巖釋放內部應力，從而可充分利用圍巖自身強度，達到對圍巖進行良好支撐的目的，可有效防止圍巖的應力惡化，控制地層沉降。
文檔編號E21D11/10GK102011597SQ20101056371
公開日2011年4月13日 申請日期2010年11月29日 優(yōu)先權日2010年11月29日
發(fā)明者刁天祥, 楊會軍 申請人:成都中鐵隆工程有限公司