一种炭质板岩隧道大变形控制施工方法技术

一种炭质板岩隧道大变形控制施工方法，属于隧道施工技术领域，可解决隧道施工过程中炭质板岩地段极易出现坍塌，结构支护后围岩‑初支变形大的问题，采用玻璃纤维锚杆对掌子面进行超前预加固，确保开挖后掌子面围岩稳定，提供支护时间；通过采用玻璃纤维锚杆对掌子面围岩进行超前预加固、短管棚配合小导管超前支护，有效抵抗了围岩的预收敛，控制掌子面围岩向外挤出的位移，减少围岩的松动破坏；通过增设临时仰拱和大注浆锁脚锚管，有效抑制了初期支护的收敛变形和沉降变形；通过相邻两榀拱架间增设纵向连接器，提高了初期支护的刚度和整体性，抵抗围岩巨大的压力，进而达到控制围岩‑初支变形的目的。

A Construction Method for Large Deformation Control of Carbonaceous Slate Tunnel

【技术实现步骤摘要】
一种炭质板岩隧道大变形控制施工方法
本专利技术属于隧道施工
，具体涉及一种炭质板岩隧道大变形控制施工方法。
技术介绍
在公路与铁路建设施工过程中，被称为“隧道癌症”的炭质板岩，其工程物理力学性质极差，岩石强度低，受地层断裂构造影响，节理裂隙极发育，岩体极破碎，具有较强的崩解性、强风化性及流变特性，自稳能力极差，遇水软化呈流塑状，强度急剧降低，承载能力极差，隧道建设过程中，极易出现坍塌，结构支护后围岩-初支变形大，在双层Ⅰ25b工字钢支护的情况下，拱顶沉降达1.5m，边墙收敛达0.9m，严重侵限且频发，该地段施工的初期支护80%都进行了换拱施工，严重影响隧道建设，安全、工期、成本风险剧增。此地层建设隧道有两大技术难题：一、隧道开挖后，围岩不能自稳，掌子面易失稳坍塌，支护无法实施；二、支护后围岩-初支变形极大，拱架扭曲断裂、喷射混凝土开裂掉块，安全无法保证。工字钢由于具有较高的强度及刚度，其常作为初期支护的主体结构与喷射混凝土一起承受围岩荷载，特别对于软岩大变形隧道，截面尺寸较大的工字钢常作为初期支护的首选。由于工字钢绕强轴及弱轴惯性矩存在较大差距，使得钢拱架沿隧道环向具有较强的抗弯刚度，沿隧道纵向抗弯刚度较低。对于软岩大变形隧道，当初期支护钢拱架受力达到钢材极限强度时，钢拱架受围岩荷载扰动易产生绕工字钢弱轴方向的屈曲变形，加剧隧道大变形。对于软岩大变形隧道初期支护而言，设置纵向连接器是提高初期支护稳定性的重要手段。钢筋与工字钢作为常见的纵向连接器种类，其常被运用与软岩大变形隧道，也取得了比较不错的效果，但是采用钢筋与工字钢作为纵向连接器时，两者均存在某些缺陷。当采用钢筋作为纵向连接器时，由于钢筋截面形状为圆形，其抗弯刚度较小，受力过大时容易产生欧拉弯曲失稳破坏，丧失纵向连接效果。当采用工字钢作为纵向连接器时，由于工字钢的截面特性，其常被焊接在钢拱架工字钢腹板位置，当工字钢型号选取过小时，剪力传递效果不佳，当工字钢型号选取过大时，工人施工比较困难，且材料浪费严重。隧道掌子面的变形失稳是指隧道开挖后，掌子面不能自稳，存在着掌子面持续挤出、拱部变形、掌子面掉块等问题。目前对于掌子面不能自稳的情况下通常采用的是掌子面注浆加固的手段，由于玻璃纤维锚杆具有较强的抗拉强度，而抗剪强度较低，便于在施工中进行开挖截断的操作，成为主要的掌子面超前加固措施。对于掌子面超前加固的效果及掌子面的稳定性判断而言，一般都是采用测量掌子面变形量来进行判断，但是由于每一个开挖循环的时间有限，无法测量到足够的变形样本，因此其判断的准确性及可靠性就较差。
技术实现思路
本专利技术针对隧道施工过程中炭质板岩地段极易出现坍塌，结构支护后围岩-初支变形大的问题，提供一种炭质板岩隧道大变形控制施工方法。本专利技术采用如下技术方案：一种炭质板岩隧道大变形控制施工方法，包括如下步骤：第一步，对上台阶掌子面进行封闭施工，铺设φ8钢筋网片，网格间距20×20cm，搭接1~2个网格，喷射C25混凝土，厚度30cm，采用湿喷工艺，上、中台阶距离6~8m，整平上台阶平台，并设置爬坡道，为钻孔提供作业平台；第二步，钻孔，采用全站仪定位钻孔孔位，用于安装玻璃纤维锚杆的孔位布置以隧道设计中线为准，间距0.6×0.6m，梅花形布置孔位与隧道轴线方向一致，钻孔长度9m，孔径φ76mm；用于放置超前管棚的孔位间距0.3m，孔径φ140mm；用于安装上一循环大注浆锁脚锚管的孔位；第三步，在拱架弧顶安装起超前支护作用的超前管棚；在掌子面安装起超前预加固作用的玻璃纤维锚杆，插入孔内的长度不得短于超前管棚和玻璃纤维锚杆长度的95%；在上一循环初期支护拱脚安装起支撑拱架作用的大注浆锁脚锚管，大注浆锁脚锚管利用提前预埋的导向管定位；第四步，安装完成后，锚固剂封口，采用水灰比为0.8：1~1:1的水泥浆对超前管棚、玻璃纤维锚杆、大注浆锁脚锚管进行注浆，注浆采用注浆量与压力双重控制，控制指标：单根注浆量大于0.326立方，注浆压力大于1MPa时结束注浆，封孔并转入下孔施工；第五步，在拱架弧顶安装和超前管棚配合的超前导管，安装完毕后，开始开挖掘进、立拱架，其中，相邻拱架之间采用提高初期支护的刚度和整体性的纵向连接器连接，开挖过程中，采用玻璃纤维锚杆微应变测试判定玻璃纤维锚杆对掌子面前方围岩的加固情况；第六步，安装起抑制初期支护收敛变形和沉降变形的临时仰拱，临时仰拱包括上台阶临时仰拱和中台阶临时仰拱。进一步地，第五步中所述基于玻璃纤维锚杆微应变测试判定超前掌子面的加固情况的方法，包括如下步骤：第一步，在掌子面加固的若干玻璃纤维锚杆上布置微应变的若干测点，在测点布置应变片，应变片通过导线与应变仪连接；所述微应变测点的数量不小于3个；所述微应变测点沿玻璃纤维锚杆的轴向等间距或不等间距布置；第二步，选定掌子面超前加固的测试玻璃纤维锚杆的点位，随同其他玻璃纤维锚杆一起施工；第三步，施作掌子面超前加固的测试玻璃纤维锚杆并注浆，记录玻璃纤维锚杆应力的初始数值；第四步，待浆液凝固后，开始掌子面的开挖施工，每开挖一循环后，测量并记录玻璃纤维锚杆微应变的数值，当玻璃纤维锚杆应力减小至初始数值的25%时，停止掘进，继续安装玻璃纤维锚杆进行掌子面的超前预加固施工。进一步地，所述超前导管和超前管棚交替布置，超前导管和超前管棚的一端分别与拱架顶端连接，另一端位于隧道拱顶的钻孔内，玻璃纤维锚杆沿着隧道的轴线插入隧道的内表面，临时仰拱包括上台阶临时仰拱和中台阶临时仰拱，上台阶临时仰拱的两端分别与隧道的上台阶处的拱架的两端连接，中台阶临时仰拱的两端分别与隧道的中台阶处的拱架的两端连接，导向管的一端分别与上中台阶仰拱和拱架的连接端连接，另一端位于隧道内，大注浆锁脚锚管的两端分别位于导向管内，纵向连接器位于相邻拱架之间。所述超前导管之间的间距为30cm，超前管棚之间的间距为30cm。所述超前管棚的长度比超前导管的长度长。所述纵向连接器包括位于拱架的工字钢上下翼缘的角钢，其中，上翼缘设有两个背靠背构成T字形的角钢，下翼缘设有两个背靠背构成T字形的角钢，上下翼缘的角钢上下左右对称布置。其中，掌子面支护完成后，挖机挖除上台阶预留核心土的过程中，如围岩自稳能力差，不能一次性开挖成型，可采用分层开挖，分层支护的方式进行，确保断面齐整。钻孔过程中，全站仪精确放样定位钻孔孔位，采用射钉打点，红色喷漆标识。孔位按照设计布点，以隧道设计中线为准，间距0.6×0.6m，梅花形布置，共计163孔；管棚间距0.3m，共计56孔。当地层破碎软弱且富水无法成孔时需采取套管跟进成孔，再退出套管，进行注浆作业。锚杆孔钻孔完毕进行清孔，清孔采用高压风进行，确保孔内无松碴、积水。本专利技术的原理如下：基于大断面隧道破碎炭质板岩开挖后掌子面无法自稳，支护后超大变形的特殊施工难题。利用玻璃纤维锚杆抗拉强度大，可机械切断挖除的特性，采用玻璃纤维锚杆对掌子面进行超前预加固，改良前方岩体物理力学性能，确保开挖后掌子面围岩稳定，提供支护时间，同时可去除核心土，增加上台阶作业空间，同时施做超前管棚、长大锁脚锚管（深层径向加固）和上台阶临时仰拱创造条件；通过采用玻璃纤维锚杆对掌子面围岩进行超前预加固、短管棚配合小导管超前支护，有效抵抗了围岩的预收敛，控制掌子面围岩向外挤出的位移，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种炭质板岩隧道大变形控制施工方法，其特征在于：包括如下步骤：第一步，对上台阶掌子面进行封闭施工，铺设φ8钢筋网片，网格间距20×20cm，搭接1~2个网格，喷射C25混凝土，厚度30cm，采用湿喷工艺，上、中台阶距离6~8m，整平上台阶平台，并设置爬坡道，为钻孔提供作业平台；第二步，钻孔，采用全站仪定位钻孔孔位，用于安装玻璃纤维锚杆的孔位布置以隧道设计中线为准，间距0.6×0.6m，梅花形布置孔位与隧道轴线方向一致，钻孔长度9m，孔径φ76mm；用于放置超前管棚的孔位间距0.3m，孔径φ140mm；用于安装上一循环大注浆锁脚锚管的孔位；第三步，在拱架弧顶安装起超前支护作用的超前管棚；在掌子面安装起超前预加固作用的玻璃纤维锚杆，插入孔内的长度不得短于超前管棚和玻璃纤维锚杆长度的95%；在上一循环初期支护拱脚安装起支撑拱架作用的大注浆锁脚锚管，大注浆锁脚锚管利用提前预埋的导向管定位；第四步，安装完成后，锚固剂封口，采用水灰比为0.8：1~1:1的水泥浆对超前管棚、玻璃纤维锚杆、大注浆锁脚锚管进行注浆，注浆采用注浆量与压力双重控制，控制指标：单根注浆量大于0.326立方，注浆压力大于1MPa时结束注浆，封孔并转入下孔施工；第五步，在拱架弧顶安装和超前管棚配合的超前导管，安装完毕后，开始开挖掘进、立拱架，其中，相邻拱架之间采用提高初期支护的刚度和整体性的纵向连接器连接，开挖过程中，采用玻璃纤维锚杆微应变测试判定玻璃纤维锚杆对掌子面前方围岩的加固情况；第六步，安装起抑制初期支护收敛变形和沉降变形的临时仰拱，临时仰拱包括上台阶临时仰拱和中台阶临时仰拱。...

【技术特征摘要】
1.一种炭质板岩隧道大变形控制施工方法，其特征在于：包括如下步骤：第一步，对上台阶掌子面进行封闭施工，铺设φ8钢筋网片，网格间距20×20cm，搭接1~2个网格，喷射C25混凝土，厚度30cm，采用湿喷工艺，上、中台阶距离6~8m，整平上台阶平台，并设置爬坡道，为钻孔提供作业平台；第二步，钻孔，采用全站仪定位钻孔孔位，用于安装玻璃纤维锚杆的孔位布置以隧道设计中线为准，间距0.6×0.6m，梅花形布置孔位与隧道轴线方向一致，钻孔长度9m，孔径φ76mm；用于放置超前管棚的孔位间距0.3m，孔径φ140mm；用于安装上一循环大注浆锁脚锚管的孔位；第三步，在拱架弧顶安装起超前支护作用的超前管棚；在掌子面安装起超前预加固作用的玻璃纤维锚杆，插入孔内的长度不得短于超前管棚和玻璃纤维锚杆长度的95%；在上一循环初期支护拱脚安装起支撑拱架作用的大注浆锁脚锚管，大注浆锁脚锚管利用提前预埋的导向管定位；第四步，安装完成后，锚固剂封口，采用水灰比为0.8：1~1:1的水泥浆对超前管棚、玻璃纤维锚杆、大注浆锁脚锚管进行注浆，注浆采用注浆量与压力双重控制，控制指标：单根注浆量大于0.326立方，注浆压力大于1MPa时结束注浆，封孔并转入下孔施工；第五步，在拱架弧顶安装和超前管棚配合的超前导管，安装完毕后，开始开挖掘进、立拱架，其中，相邻拱架之间采用提高初期支护的刚度和整体性的纵向连接器连接，开挖过程中，采用玻璃纤维锚杆微应变测试判定玻璃纤维锚杆对掌子面前方围岩的加固情况；第六步，安装起抑制初期支护收敛变形和沉降变形的临时仰拱，临时仰拱包括上台阶临时仰拱和中台阶临时仰拱。2.根据权利要求1所述的一种炭质板岩隧道大变形控制施工方法，其特征在于：第五步中所述基于玻璃纤维锚杆微应变测试判定前方掌子面的加固情况的方法，包括如下步骤：第一步，在掌子面加固的若干玻璃纤维锚杆上布置微应变的若干测点，在测点布置应变片...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯海洋，任贵华，周建勇，包烨明，陈科峰，温辉，
申请(专利权)人：中铁十二局集团有限公司，中铁十二局集团第三工程有限公司，
类型：发明
国别省市：山西,14