專利名稱：上軟下硬地層大跨隧道疊合承載拱結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于隧道與地下工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種在上軟下硬復(fù)合地層中修建大跨隧道、地鐵車站等大型地下結(jié)構(gòu)時(shí)采用的疊合承載拱結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
21世紀(jì)是長大隧道工程、地下空間大力開發(fā)利用的時(shí)代。隨著城市建設(shè)進(jìn)程的加快，對(duì)地面交通、環(huán)境影響小的地下空間越來越多地受到青睞，尤其是能滿足不同功能的大斷面地下空間結(jié)構(gòu)更受歡迎。在山區(qū)斷層破碎帶區(qū)域修建大跨度交通隧道和城區(qū)修建地鐵車站等大型地下結(jié) 構(gòu)時(shí)，受地質(zhì)條件和埋深限制等因素的影響，經(jīng)常會(huì)遇到隧道斷面內(nèi)上部為第四系土層或者全、強(qiáng)風(fēng)化巖層，而下部為中 微風(fēng)化的堅(jiān)硬巖層。在這種上軟下硬的復(fù)合地層中修建大型地下結(jié)構(gòu)，歷來都是工程建設(shè)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，處置不當(dāng)很容易引起諸如塌方、大變形等工程事故。對(duì)于此種地質(zhì)條件下的大斷面隧道，受功能影響一般不得不做成具有扁平形狀的拱形結(jié)構(gòu)，也就形成了下述的力學(xué)特征(I)開挖后的應(yīng)力重分布變得不利；(2)底腳處的應(yīng)力集中過大,要求較大的地基承載力；(3)拱頂不穩(wěn)定；(4)較大的松弛地壓；埋深小，成拱作用不能很好發(fā)揮；(5)支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力相對(duì)較小。同時(shí)，由于隧道的下半斷面為堅(jiān)硬的巖層，巖體的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于土體，隧道下半斷面的施工還需采取爆破施工方法。因此，在結(jié)構(gòu)型式和施工方案選擇時(shí)，應(yīng)立足在保證安全的前提下，兼顧施工效率和經(jīng)濟(jì)效益，并盡量采用快速高效措施的施工方法。對(duì)于暗挖法施工的大跨隧道與地下工程，目前常用的結(jié)構(gòu)型式有單跨無柱蛋形斷面、雙跨單柱斷面以及多跨連拱斷面等。施工中主要采用交叉中隔壁(CRD)、單側(cè)壁導(dǎo)坑(小隔壁法)、雙側(cè)壁導(dǎo)坑(眼鏡法)、洞柱法分步減跨的方法。為了與相應(yīng)的施工方法相適應(yīng)，隧道拱部初支通常采用拱架噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)。對(duì)于連拱隧道，由于節(jié)點(diǎn)的連接質(zhì)量和導(dǎo)洞破除的時(shí)間效應(yīng)不好控制，施工過程中力的轉(zhuǎn)換較為復(fù)雜，因此如果力學(xué)未平衡前，聯(lián)拱初支易產(chǎn)生失穩(wěn)性破壞。另外，連拱隧道拱頂防水施工困難，不易保證防水效果。因此，從使用功能和施工條件上考慮，單拱大跨隧道的結(jié)構(gòu)型式更傾向于采用，所以如何提高單拱大跨結(jié)構(gòu)拱部支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力已成為大型地下結(jié)構(gòu)修建的關(guān)鍵。對(duì)于巖質(zhì)地層的大跨隧道，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式和施工方法均是采用設(shè)置臨時(shí)支撐分步減跨的方法，此時(shí)隧道下層以及后續(xù)爆破時(shí)之前上層的支撐很難保留，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)由于爆破而損壞臨時(shí)支撐，結(jié)果造成安全事故。同時(shí)，考慮爆破施工的影響、出碴施工機(jī)械的采用，如何提供便利的施工空間也成了修建大跨隧道中需要著重關(guān)注的問題。
發(fā)明內(nèi)容[0012]為了解決上述問題，本實(shí)用新型的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、承載能力強(qiáng)，受力和防水性能較好，施工期間能提供開闊的作業(yè)空間，施工組織方便，且使用期間可帶來開敞舒適的地下空間，使用功能好等特點(diǎn)的上軟下硬地層大跨隧道疊合承載拱結(jié)構(gòu)。為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提供的上軟下硬地層大跨隧道疊合承載拱結(jié)構(gòu)由外層拱形初期支護(hù)、二層拱形初期支護(hù)、兩條拱腳縱梁和拱形圍巖加固圈構(gòu)成，其中外層拱形初期支護(hù)由網(wǎng)構(gòu)格柵鋼架與噴射混凝土構(gòu)筑而成，設(shè)置在隧道拱頂圍巖內(nèi)表面上，并且其上兩側(cè)的拱腳支撐于隧道兩側(cè)拱腳部位的圍巖上；兩條拱腳縱梁沿隧道的長度方向設(shè)置在隧道兩側(cè)的拱腳部位，其為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；二層拱形初期支護(hù)設(shè)置在外層拱形初期支護(hù)的內(nèi)表面上，其由型鋼鋼架與噴射混凝土構(gòu)筑而成，并且其上兩側(cè)的拱腳分別連接在兩條拱腳縱梁的頂面上；拱形圍巖加固 圈位于外層拱形初期支護(hù)外部的圍巖內(nèi)部，其由水泥漿凝固后形成。所述的外層拱形初期支護(hù)的兩側(cè)拱腳處分別設(shè)有兩根向外側(cè)斜下方傾斜的壓漿鋼管，壓漿鋼管的長度為4. O 5. 0m。所述的拱腳縱梁中預(yù)埋有沿上下方向設(shè)置的注漿鋼管。所述的拱形圍巖加固圈的厚度為3. Om0所述的外層拱形初期支護(hù)和二層拱形初期支護(hù)中鋼架的連接節(jié)點(diǎn)相互錯(cuò)開。所述的拱腳縱梁和外層拱形初期支護(hù)的拱腳底面與水平面之間的夾角大于等于30。。本實(shí)用新型提供的上軟下硬地層大跨隧道疊合承載拱結(jié)構(gòu)可用作跨度大于20m的隧道和地鐵車站等大型地下結(jié)構(gòu)的拱部初期支護(hù)，在此疊合承載拱結(jié)構(gòu)保護(hù)下，再完成隧道下部開挖及主體結(jié)構(gòu)澆筑。與傳統(tǒng)的大跨隧道和地鐵車站采用的連拱結(jié)構(gòu)，施工采用PBA法、中洞法和側(cè)洞法等相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)(I)根據(jù)淺埋暗挖大跨隧道的修建理念，初期支護(hù)要強(qiáng)，承受全部圍巖壓力和施工荷載。本實(shí)用新型采用單拱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單且受力性能好；采用的外層初期支護(hù)、二層初期支護(hù)、拱腳縱梁和拱形圍巖加固圈形成疊合承載拱結(jié)構(gòu)，大大提高了結(jié)構(gòu)的承載能力，保證施工和結(jié)構(gòu)安全；(2)本實(shí)用新型采用強(qiáng)支護(hù)的理念，設(shè)置擴(kuò)大的拱腳縱梁，同時(shí)注漿改善拱部圍巖形成加固圈，良好地控制了地層變形，可有效減少地面沉降，降低隧道施工對(duì)周邊環(huán)境(建筑物、構(gòu)筑物、管線等)的影響，尤其適合城市等對(duì)環(huán)境控制保護(hù)要求高的地段；(3)本實(shí)用新型采用的疊合承載拱結(jié)構(gòu)，拱部為單跨大拱組成，避免了連拱隧道V型節(jié)點(diǎn)處防水施工處理困難、經(jīng)常出現(xiàn)滲漏水的質(zhì)量通病，可以取得很好的防水性能；(4)巖質(zhì)地層中一般需采用爆破施工，PBA法的上下導(dǎo)洞、邊樁及中柱施工環(huán)境惡劣，且增加了不必要的工程量；而中洞法和側(cè)洞法均需設(shè)置大量的臨時(shí)支撐，爆破條件下很難保護(hù)和保留，且可能引發(fā)安全事故。本實(shí)用新型的疊合承載拱結(jié)構(gòu)應(yīng)用于巖質(zhì)地層大跨隧道和地鐵車站時(shí)，在疊合拱施工形成后，在其保護(hù)下分層進(jìn)行隧道下部的開挖，取消了臨時(shí)支撐，施工期間能提供開闊的作業(yè)空間，施工環(huán)境好，施工工藝簡單，施工操作和組織方便；(5)本實(shí)用新型的疊合承載拱結(jié)構(gòu)為隧道下層施工提供了開敞空間，可實(shí)現(xiàn)大型機(jī)械化作業(yè)，爆破施工條件下提高工效明顯，同時(shí)無廢棄工程，節(jié)省工期和工程造價(jià)；[0025](6)采用本實(shí)用新型的疊合承載拱結(jié)構(gòu)，隧道為單拱無柱結(jié)構(gòu)，使用期間可帶來開敞舒適的地下空間，便于隧道內(nèi)使用空間布置，可以獲得良好的景觀效果和使用功能。

圖I為本實(shí)用新型提供的上軟下硬地層大跨隧道疊合承載拱結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型提供的疊合承載拱結(jié)構(gòu)施工中側(cè)導(dǎo)坑施工過程示意圖；圖3為本實(shí)用新型提供的疊合承載拱結(jié)構(gòu)施工中導(dǎo)坑施工過程示意圖；圖4為本實(shí)用新型提供的疊合承載拱結(jié)構(gòu)施工中拱腳縱梁施工過程示意圖；圖5為本實(shí)用新型提供的疊合承載拱結(jié)構(gòu)施工中二層拱形初期支護(hù)施工過程示意圖；圖6為本實(shí)用新型提供的疊合承載拱結(jié)構(gòu)施工中拱形圍巖加固圈施工過程示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型提供的上軟下硬地層大跨隧道疊合承載拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說明。如圖I-圖6所示，本實(shí)用新型提供的上軟下硬地層大跨隧道疊合承載拱結(jié)構(gòu)由外層拱形初期支護(hù)2、二層拱形初期支護(hù)6、兩條拱腳縱梁4和拱形圍巖加固圈7構(gòu)成，其中外層拱形初期支護(hù)2由網(wǎng)構(gòu)格柵鋼架與噴射混凝土構(gòu)筑而成，設(shè)置在隧道拱頂圍巖內(nèi)表面上，并且其上兩側(cè)的拱腳支撐于隧道兩側(cè)拱腳部位的圍巖上；兩條拱腳縱梁4沿隧道的長度方向設(shè)置在隧道兩側(cè)的拱腳部位，其為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；二層拱形初期支護(hù)6設(shè)置在外層拱形初期支護(hù)2的內(nèi)表面上，其由型鋼鋼架與噴射混凝土構(gòu)筑而成，并且其上兩側(cè)的拱腳分別連接在兩條拱腳縱梁4的頂面上；拱形圍巖加固圈7位于外層拱形初期支護(hù)2外部的圍巖內(nèi)部，其由水泥漿凝固后形成。所述的外層拱形初期支護(hù)2的兩側(cè)拱腳處分別設(shè)有兩根向外側(cè)斜下方傾斜的壓漿鋼管3，用于加固隧道拱腳部位的地基。所述的拱腳縱梁4中預(yù)埋有沿上下方向設(shè)置的注漿鋼管5，用于加固拱腳縱梁4底部地基。所述的拱形圍巖加固圈7的厚度為3. 0m。所述的外層拱形初期支護(hù)2和二層拱形初期支護(hù)6中鋼架的連接節(jié)點(diǎn)相互錯(cuò)開。所述的拱腳縱梁4和外層拱形初期支護(hù)2的拱腳底面與水平面之間的夾角大于等于30°，這樣可使疊合承載拱結(jié)構(gòu)傳力合理，從而減少拱腳向下傳遞的豎向力分量。如圖I-圖6所示，本實(shí)用新型提供的上軟下硬地層大跨隧道疊合承載拱結(jié)構(gòu)施工方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟I)首先在待開挖的單拱大跨隧道的掌子面上兩個(gè)側(cè)導(dǎo)坑9拱圈外側(cè)邊緣部位施做一排側(cè)導(dǎo)坑超前支護(hù)，以形成部分超前支護(hù)1，可根據(jù)地層情況采用超前錨桿、超強(qiáng)注漿小導(dǎo)管或管棚支護(hù)方式；2)采用臺(tái)階法對(duì)側(cè)導(dǎo)坑9拱部地層進(jìn)行開挖，上下臺(tái)階錯(cuò)開距離5 10m，并在每個(gè)臺(tái)階處設(shè)置鎖腳錨桿以固定側(cè)導(dǎo)坑超前支護(hù)，控制下沉變形，施工中采用弱爆破，并應(yīng)嚴(yán)格控制進(jìn)尺和爆破震速，開挖完成后及時(shí)施做由網(wǎng)構(gòu)格柵鋼架與噴射混凝土構(gòu)筑而成的側(cè)導(dǎo)坑拱部外層初期支護(hù)，以形成部分外層拱形初期支護(hù)2，繼續(xù)開挖側(cè)導(dǎo)坑9下部地層，直至形成兩個(gè)側(cè)導(dǎo)坑9，在此過程中在側(cè)導(dǎo)坑9的內(nèi)側(cè)邊緣及時(shí)設(shè)置由型鋼鋼架與噴射混凝土構(gòu)筑而成的臨時(shí)豎撐8和臨時(shí)橫撐10，可根據(jù)地層情況設(shè)置若干個(gè)臨時(shí)橫撐10 ；3)在每個(gè)側(cè)導(dǎo)坑9的拱腳部位設(shè)置2根4m長的向外側(cè)斜下方傾斜的壓漿鋼管3并從上往下注漿，以加固隧道拱腳部位的地基；4)對(duì)中導(dǎo)坑11拱圈外側(cè)邊緣部位施做一排中導(dǎo)坑超前支護(hù)，以形成其余部位的超前支護(hù)I ; 5)采用臺(tái)階法對(duì)中導(dǎo)坑11拱部地層進(jìn)行開挖，在此過程中預(yù)留核心巖柱分步施工，并與側(cè)導(dǎo)坑9錯(cuò)開距離15 20m，上部宜采用非爆破方法開挖，開挖完成后及時(shí)施做由網(wǎng)構(gòu)格柵鋼架與噴射混凝土構(gòu)筑而成的中導(dǎo)坑拱部外層初期支護(hù)，以形成其余部位的外層拱形初期支護(hù)2，繼續(xù)開挖中導(dǎo)坑11下部地層，直至形成中導(dǎo)坑11 ；6)在隧道的兩個(gè)拱腳部位沿隧道的長度方向設(shè)置兩條鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的拱腳縱梁4，拱腳縱梁4由多段組成，每段拱腳縱梁4的長度約10m，并在拱腳縱梁4中預(yù)埋沿上下方向設(shè)置的注漿鋼管5，待拱腳縱梁4的混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后利用注漿鋼管5從上往下進(jìn)行注漿，以填充拱腳縱梁4的底部空隙，從而加固拱腳縱梁4的底部圍巖；7)待監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示外層拱形初期支護(hù)2及圍巖變形穩(wěn)定時(shí)，分段拆除臨時(shí)豎撐8和臨時(shí)橫撐10，拆除步距控制在2榀拱架間距之內(nèi)，然后在外層拱形初期支護(hù)2的內(nèi)表面上施作由型鋼鋼架與噴射混凝土構(gòu)筑而成的二層拱形初期支護(hù)6，以進(jìn)行加強(qiáng)，并將二層拱形初期支護(hù)6的底腳設(shè)于拱腳縱梁4之上，二層拱形初期支護(hù)6中的型鋼通過拱腳縱梁4上預(yù)埋的鋼板焊接固定，噴射混凝土施工完成后，對(duì)外層拱形初期支護(hù)2和二層拱形初期支護(hù)6之間的空間進(jìn)行初支背后注漿；8)沿徑向在二層拱形初期支護(hù)6上設(shè)置多根注漿花管并從內(nèi)向外壓注水泥漿，以加固隧道拱部圍巖，由此形成拱部圍巖加固圈7 ;注漿花管的長度為3. O 3. 5m，注漿花管之間的間距為I. O I. 5m，注漿壓力為O. 5 O. 8MPa，采用全孔一次性注漿方式，注漿結(jié)束后，應(yīng)對(duì)注漿效果進(jìn)行取芯檢測(cè)，若注漿填充不密實(shí)，再進(jìn)行補(bǔ)充注漿，最終即可形成所述的疊合承載拱結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型疊合承載拱結(jié)構(gòu)及施工方法適用于上軟下硬地層大跨斷面地鐵車站或隧道等地下空間的施工，施工中應(yīng)嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺長度和拆除支撐長度，弱爆破，加強(qiáng)拱頂和縱梁沉降監(jiān)測(cè)。施做拱腳縱梁前，應(yīng)認(rèn)真做好拱腳圍巖加固，確保地基承載力滿足要求。以上所述，僅是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本實(shí)用新型作任何限制，凡是根據(jù)本實(shí)用新型技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變化，均仍屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種上軟下硬地層大跨隧道疊合承載拱結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的疊合承載拱結(jié)構(gòu)由外層拱形初期支護(hù)(2)、二層拱形初期支護(hù)(6)、兩條拱腳縱梁(4)和拱形圍巖加固圈(7)構(gòu)成，其中外層拱形初期支護(hù)(2)由網(wǎng)構(gòu)格柵鋼架與噴射混凝土構(gòu)筑而成，設(shè)置在隧道拱頂圍巖內(nèi)表面上，并且其上兩側(cè)的拱腳支撐于隧道兩側(cè)拱腳部位的圍巖上；兩條拱腳縱梁(4)沿隧道的長度方向設(shè)置在隧道兩側(cè)的拱腳部位，其為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；二層拱形初期支護(hù)(6)設(shè)置在外層拱形初期支護(hù)(2)的內(nèi)表面上，其由型鋼鋼架與噴射混凝土構(gòu)筑而成，并且其上兩側(cè)的拱腳分別連接在兩條拱腳縱梁(4)的頂面上；拱形圍巖加固圈(7)位于外層拱形初期支護(hù)(2)外部的圍巖內(nèi)部，其由水泥漿凝固后形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的上軟下硬地層大跨隧道疊合承載拱結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的外層拱形初期支護(hù)(2)的兩側(cè)拱腳處分別設(shè)有兩根向外側(cè)斜下方傾斜的壓漿鋼管(3)，壓漿鋼管(3)的長度為4. O 5. Om。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的上軟下硬地層大跨隧道疊合承載拱結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的拱腳縱梁(4)中預(yù)埋有沿上下方向設(shè)置的注漿鋼管(5)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的上軟下硬地層大跨隧道疊合承載拱結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的拱形圍巖加固圈(7)的厚度為3.0m。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的上軟下硬地層大跨隧道疊合承載拱結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的外層拱形初期支護(hù)(2)和二層拱形初期支護(hù)(6)中鋼架的連接節(jié)點(diǎn)相互錯(cuò)開。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的上軟下硬地層大跨隧道疊合承載拱結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的拱腳縱梁(4)和外層拱形初期支護(hù)(2)的拱腳底面與水平面之間的夾角大于等于30°。
專利摘要一種上軟下硬地層大跨隧道疊合承載拱結(jié)構(gòu)。拱結(jié)構(gòu)由外層拱形初期支護(hù)、二層拱形初期支護(hù)、兩條拱腳縱梁和拱形圍巖加固圈構(gòu)成，其中外層拱形初期支護(hù)設(shè)置在隧道拱頂圍巖內(nèi)表面上，并且其上兩側(cè)的拱腳支撐于隧道兩側(cè)拱腳部位的圍巖上；兩條拱腳縱梁沿隧道的長度方向設(shè)置在隧道兩側(cè)的拱腳部位；二層拱形初期支護(hù)設(shè)置在外層拱形初期支護(hù)的內(nèi)表面上，并且其上兩側(cè)的拱腳分別連接在兩條拱腳縱梁的頂面上；拱形圍巖加固圈位于外層拱形初期支護(hù)外部的圍巖內(nèi)部。本實(shí)用新型提供的疊合承載拱結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、承載能力強(qiáng)，受力和防水性能較好，施工期間能提供開闊的作業(yè)空間，施工組織方便，且使用期間可帶來開敞舒適的地下空間，使用功能好等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)E21D13/00GK202788876SQ20122034548
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月16日
發(fā)明者張先鋒, 宋超業(yè), 徐福東, 宋儀, 許俊峰, 熊田芳, 張美琴, 王寧, 彭柳松, 任玉瑾, 楊超峰, 李國清 申請(qǐng)人:中鐵隧道集團(tuán)有限公司, 中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司