一种上软下硬地层隧道支护结构及其施工方法技术

本发明专利技术涉及隧道修建技术领域，具体地指一种上软下硬地层隧道支护结构及其施工方法。包括管幕结构和支撑结构；管幕结构包括多根钢管，多根钢管形成覆盖在隧道上方的拱形结构；相邻钢管之间的两块钢板沿隧道的径向平行间隔布置，两块钢板之间的空间通过开设于钢管侧壁的安装槽与钢管内部空间连通，钢板与钢管形成拱形的连通空腔；连通空腔内浇筑有混凝土；支撑结构的上端支承于最下端的两根钢管。本发明专利技术通过拱形的管幕结构增强了软弱土层的强度，避免了在软弱土层施工隧道容易出现垮塌的问题发生，通过初期支护和二次衬砌结构增强了施工灵活性，减小了对地表的影响，施工安全性高，提高了施工效率，具有极大的推广价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及隧道修建
，具体地指一种上软下硬地层隧道支护结构及其施工方法。
技术介绍
隧道施工一般可采取矿山法、盾构(顶进)法，明挖法等工法施工。其中矿山法一般应用于地质条件较好，围岩自稳性较好的隧道。当上软下硬地层需采用矿山法施工时，软弱地层难以自稳，在上部荷载作用下易坍塌变形。现有的上软下硬地层矿山法隧道施工需要对隧道周边一定范围的软弱地层进行加固，然后在加固的地层以及超前支护的保护下施工。采用现有技术可满足一般条件下此类隧道施工，但在复杂条件下时，仍然存在以下问题：1)在有条件的情况下，采用从地面向下加固的方式通常能取得较好的加固效果。但当隧道近距离下穿既有建(构)筑物时，则没有条件从地面实施围岩加固，只能采用洞内加固。而洞内加固施工空间有限，受现有技术所限，地层加固效果一般，且影响洞内其他工序施工。从现有的工程经验来看，对于沉降要求高的矿山法隧道，当地面不具备加固条件时，加固效果通常难以保证。2)随着隧道跨度的增大，为将地表沉降控制在允许范围内，需不断加大超前支护和初期支护的刚度，但现有技术中广泛采用的管棚、超前小导管注浆、钢拱架和喷射混凝土等常规支护措施刚度增加的空间较为有限。如果仅采用现有的常规支护措施，在矿山法大跨度隧道开挖时，地层荷载作用在管棚及其初期支护上，其刚度相对较小，地层作用引起的变形较大，难以满足沉降控制的要求。3)大跨度隧道地层加固时，由于地层土体性质具有较大差异，加固体的抗压强度，抗渗性能会产生一定离散性，对沉降控制要求高的隧道，其安全可控性较差，施工中存在较高风险。
技术实现思路
本专利技术的目的就是要解决上述
技术介绍
中提到的现有技术的支护结构存在的结构复杂、施工困难、稳定性差、难以满足沉降控制要求、安全控制性差的问题，提供一种上软下硬地层隧道支护结构及其施工方法。本专利技术的技术方案为：一种上软下硬地层隧道支护结构，其特征在于：包括位于隧道限界上部的管幕结构和位于隧道限界下方的支撑结构；所述的管幕结构包括多根沿隧道轴向穿设于隧道上部软弱土层内的钢管，多根钢管沿隧道的圆周方向间隔布置形成覆盖在隧道上方的拱形结构，相邻钢管之间两块沿隧道圆周方向布置的钢板固定连接；所述的相邻钢管之间的两块钢板沿隧道的径向平行间隔布置，两块钢板之间的空间通过开设于钢管侧壁的安装槽与钢管内部空间连通，钢板与钢管形成拱形的连通空腔；所述的连通空腔内浇筑有钢筋混凝土；所述的支撑结构的上端连接于管幕结构两侧最下端的两根钢管上与管幕结构形成环绕在隧道外侧的封闭支护结构。进一步的所述的支撑结构包括埋设于坚硬土层内的位于隧道限界两侧的侧部初期支护和位于隧道限界下方的下部初期支护，侧部初期支护的下端固定在下部初期支护的两端形成承接于隧道下方的U型支撑结构，侧部初期支护的上端与管幕结构的两侧最下端的钢管连接，侧部初期支护、下部初期支护和钢管以及钢板形成密封的环状腔体支护结构。进一步的所述的支撑结构还包括二次衬砌；所述的二次衬砌为浇筑于侧部初期支护和下部初期支护内侧的U型钢筋混凝土结构，二次衬砌的两侧上端与管幕结构两侧最下端的两根钢管固定连接。进一步的所述的钢板沿隧道轴向方向连续布置，相邻钢管之间的两块钢板之间设置有立柱；所述的立柱为沿隧道的径向方向布置的杆件结构，立柱的两端分别固定在相邻两块钢板上。进一步的所述的钢管内穿设有多根沿隧道轴向间隔布置的钢管钢筋，钢管钢筋沿隧道的圆周方向将所有的钢管连接为整体结构，钢管钢筋通过混凝土浇筑于连通空腔内。进一步的所述的二次衬砌内浇筑有多根沿隧道轴向方向间隔布置的衬砌钢筋；所述的衬砌钢筋的两侧上端与对应的钢管钢筋的两侧下端焊接连接形成围绕在隧道圆周外侧的环形结构。进一步的所述的管幕结构与下部初期支护之间设置有支撑杆；所述的支撑杆的上端固定在钢管的侧壁，下端支撑于隧道底部的坚硬土层上。一种上软下硬地层隧道支护结构的施工方法，其特征在于：所述的施工方法包括以下步骤：1)、在隧道限界上方的软弱土层中沿隧道轴向方向插打钢管，依顺序间隔施作钢管直至形成覆盖在隧道限界上方的拱形结构；2)、从钢管内部在钢管侧壁上开设安装槽，在安装槽中插入两块钢板，将钢板的两端分别焊接在相邻的两根钢管上，从钢管内部开挖钢板之间的土体，在两块钢板之间施作内支撑；3)、分块开挖隧道，沿隧道侧部和下部的坚硬土层施工支撑结构，将管幕结构两侧最下端的钢管固定在支撑结构的上端；4)、继续开挖下一循环区段的隧道，直至所有区段隧道完成施工。进一步的所述的步骤3中，沿隧道侧部和下部的坚硬土层施工支撑结构的方法为：分块开挖隧道，依次施工侧部初期支护和下部初期支护并将两者连接为一体，将侧部初期支护的上端连接在管幕结构两侧最下端的两根钢管的侧壁，待一循环区段的隧道开挖完成后，沿侧部初期支护和下部初期支护架设衬砌钢筋，将衬砌钢筋与钢管钢筋焊接连接，在侧部初期支护和下部初期支护的内侧浇筑钢筋混凝土使之形成支撑管幕结构的二次衬砌。进一步的分块开挖隧道的施工方法为：先开挖隧道两侧的第一开挖区段，沿隧道限界两侧的坚硬土层施工侧部初期支护，将侧部初期支护的钢架上端焊接在管幕结构两侧最下端的钢管上，在管幕结构与隧道限界底部的坚硬土层之间安装支撑杆，然后开挖隧道中间的第二开挖区段，沿隧道底部的坚硬土层施工下部初期支护，将侧部初期支护的下端连接在下部初期支护上。本专利技术的优点有：1、本专利技术的隧道超前支护结构，相比现有的超前支护具有更大的刚度与整体性，同时对地层的变形影响更小；2、本专利技术通过将管幕结构结合初期支护结构、二次衬砌形成的复合衬砌构成整个隧道的封闭支护结构体系，对上软下硬地层的地层具有良好适应性；3、本专利技术上部管幕结构采用盾构法或是顶进法进行施工、下部采用矿山法开挖的施工方法，相比现有施工方法具有对地表变形影响小、施工灵活、施工速度较快的特点，对上软下硬地层的大跨度隧道具有良好适应性；4、本专利技术隧道限界上部采用拱形的管幕结构进行支护，可以适用于隧道与既有地下建(构)筑物基础之间距离很小的情况，且施工对既有结构影响很小。本专利技术通过拱形的管幕结构增强了软弱土层中超前支护的强度，避免了在软弱土层施工隧道容易出现垮塌的问题发生，通过初期支护和二次衬砌结构增强了施工灵活性，减小了对地表的影响，施工安全性高，提高了施工效率，具有极大的推广价值。附图说明图1：本专利技术的结构示意图；图2：本专利技术的管幕结构和支撑结构分布关系结构示意图；图3：本专利技术的管幕结构与二次衬砌连接结构示意图；其中：1—钢管；2—钢板；3—侧部初期支护；4—下部初期支护；5—立柱；6—钢管钢筋；7—连通空腔；8—支撑杆；9—安装槽；10—衬砌钢筋；11—二次衬砌；12—第一开挖区段；13—第二开挖区段。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明。如图1～3，一种上软下硬地层隧道支护结构，本实施例的支护结构包括两部分，一是位于隧道限界上方的处于软弱土层内的管幕结构，二是位于隧道下方的处于坚硬土层内的支撑结构，管幕结构用于增强软弱土层中超前支护的强度，避免在隧道施工过程中出现垮塌的问题，支撑结构与管幕结构固定连接形成环形的腔体结构，环绕在隧道的外侧，用于支撑隧道开挖施工。如图1～2所示，管幕结构包括多根沿隧道轴向穿设于隧道上部软弱土层内的钢管1，本实施例的钢管1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种上软下硬地层隧道支护结构，其特征在于：包括位于隧道限界上部的管幕结构和位于隧道限界下方的支撑结构；所述的管幕结构包括多根沿隧道轴向穿设于隧道上部软弱土层内的钢管(1)，多根钢管(1)沿隧道的圆周方向间隔布置形成覆盖在隧道上方的拱形结构，相邻钢管(1)之间两块沿隧道圆周方向布置的钢板(2)固定连接；所述的相邻钢管(1)之间的两块钢板(2)沿隧道的径向平行间隔布置，两块钢板(2)之间的空间通过开设于钢管(1)侧壁的安装槽(9)与钢管(1)内部空间连通，钢板(2)与钢管(1)形成拱形的连通空腔(7)；所述的连通空腔(7)内浇筑有钢筋混凝土；所述的支撑结构的上端连接于管幕结构两侧最下端的两根钢管(1)上与管幕结构形成环绕在隧道外侧的封闭支护结构。

【技术特征摘要】
1.一种上软下硬地层隧道支护结构，其特征在于：包括位于隧道限界上部的管幕结构和位于隧道限界下方的支撑结构；所述的管幕结构包括多根沿隧道轴向穿设于隧道上部软弱土层内的钢管(1)，多根钢管(1)沿隧道的圆周方向间隔布置形成覆盖在隧道上方的拱形结构，相邻钢管(1)之间两块沿隧道圆周方向布置的钢板(2)固定连接；所述的相邻钢管(1)之间的两块钢板(2)沿隧道的径向平行间隔布置，两块钢板(2)之间的空间通过开设于钢管(1)侧壁的安装槽(9)与钢管(1)内部空间连通，钢板(2)与钢管(1)形成拱形的连通空腔(7)；所述的连通空腔(7)内浇筑有钢筋混凝土；所述的支撑结构的上端连接于管幕结构两侧最下端的两根钢管(1)上与管幕结构形成环绕在隧道外侧的封闭支护结构。2.如权利要求1所述的一种上软下硬地层隧道支护结构，其特征在于：所述的支撑结构包括埋设于坚硬土层内的位于隧道限界两侧的侧部初期支护(3)和位于隧道限界下方的下部初期支护(4)，侧部初期支护(3)的下端固定在下部初期支护(4)的两端形成承接于隧道下方的U型支撑结构，侧部初期支护(3)的上端与管幕结构的两侧最下端的钢管(1)连接，侧部初期支护(3)、下部初期支护(4)和钢管(1)以及钢板(2)形成密封的环状腔体支护结构。3.如权利要求2所述的一种上软下硬地层隧道支护结构，其特征在于：所述的支撑结构还包括二次衬砌(11)；所述的二次衬砌(11)为浇筑于侧部初期支护(3)和下部初期支护(4)内侧的U型钢筋混凝土结构，二次衬砌(11)的两侧上端与管幕结构两侧最下端的两根钢管(1)固定连接。4.如权利要求1所述的一种上软下硬地层隧道支护结构，其特征在于：所述的钢板(2)沿隧道轴向方向连续布置，相邻钢管(1)之间的两块钢板(2)之间设置有立柱(5)；所述的立柱(5)为沿隧道的径向方向布置的杆件结构，立柱(5)的两端分别固定在相邻两块钢板(2)上。5.如权利要求1所述的一种上软下硬地层隧道支护结构，其特征在于：所述的钢管(1)内穿设有多根沿隧道轴向间隔布置的钢管钢筋(6)，钢管钢筋(6)沿隧道的圆周方向将所有的钢管(1)连接为整体结构，钢管钢筋(6)通过混凝土浇筑于连通空腔(7)内。6.如权利要求3所述的一种上软下硬地层隧道支护结构，其特征在于：所述的二次衬砌(11)内浇筑有多根沿隧道轴向...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖明清，邓朝辉，王均勇，周坤，蒋超，胡大伟，薛光桥，
申请(专利权)人：中铁第四勘察设计院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42