隧道初支变形加固与侵限处理方法与流程

1.本技术涉及隧道工程施工技术领域，具体而言，涉及一种隧道初支变形加固与侵限处理方法。

背景技术：

2.在隧道工程施工中常会遇到围岩节理发育、岩体破碎、浅埋及地形及地质偏压等不良地质情况，在开挖支护过程中会遇到初支钢架变形、失效甚至侵限的情况。尤其是当遇到例如千枚岩类的软岩地层时，岩层产状和走向对隧道结构不利，加之大埋深、强烈构造与极高水平应力影响、地下水软化与变形滞后效应和软弱千枚岩的蠕变作用等诸多不利因素相互叠加和耦合，导致开挖支护后隧道边墙及拱腰出现变形、侵限和开裂现象，钢架接头区出现凸出外鼓的情形，总体上初支结构出现明显高地应力软岩挤压大变形特征，如果不及时采取措施进行改善和加强，将会对隧道施工安全造成隐患，影响安全生产。

技术实现要素：

3.本技术的目的是提供一种隧道初支变形加固与侵限处理方法，采用该方法能够对围岩应力释放、初期支护围岩松动圈的加固、换拱施工安全保障具有显著的效果，阶段性施加临时钢支撑结合注浆固结的方式，有利于千枚岩隧道初期支护变形控制及大变形段侵限换拱处治安全，节约资源，降低施工风险及隐患。
4.本技术提供一种隧道初支变形加固与侵限处理方法，包括：
5.确定初支变形段及侵限范围；
6.在所述初支变形段全断面增设临时钢支撑加固；
7.对增加所述临时钢支撑段正洞初支进行注浆固结处理，注浆遵循分层、分次、间歇原则，注浆同时进行量测；
8.根据所述侵限范围，在侵限段安装辅助拱架支撑，进行换拱施工，直至完成所有侵限段换拱施工。
9.于一实施例中，所述在初支变形段全断面增设临时钢支撑加固，包括：
10.所述临时钢支撑分单元进行安装，安装从底部台阶向拱顶进行，相邻单元之间用连接钢板螺栓连接，并施做锁脚锚管。
11.于一实施例中，所述临时钢支撑分单元进行安装，包括：
12.按照预设纵向间距，设置连续预设榀数的所述临时钢支撑，作为一个单元；
13.每安装一个单元固定一个单元，并在所述临时钢支撑拱脚以及连接钢板上下0.5-1.0m处施做锁脚锚管。
14.于一实施例中，所述对增加所述临时钢支撑段正洞初支进行注浆固结处理，包括：
15.按照预设间距，采用钻机沿初支环向钻出注浆孔；
16.向所述注浆孔内埋设注浆管；
17.配置预设水灰比的水泥浆，向所述注浆管内注浆，注浆过程中控制注浆压力在预
设范围内；
18.注浆完毕后，用锚固剂封堵注浆管。
19.于一实施例中，所述根据所述侵限范围，在侵限段安装辅助拱架支撑，包括：
20.通过断面超欠挖扫描检查，确定并标注出侵限范围；
21.在侵限段打注浆导管，往注浆导管内注浆进行加固；
22.凿除侵限段部位墙喷射砼，凿除顺序为先拱后墙；
23.安装所述辅助拱架支撑。
24.于一实施例中，所述辅助拱架支撑包括钢架、钢筋网、锁脚锚管；在所述钢架两端均打设锁脚锚管，所述钢架之间具有间距；所述钢筋网与所述钢架连接，设置好所述钢筋网后喷射砼覆盖。
25.于一实施例中，在所述设置好所述钢筋网后喷射砼覆盖之后，所述方法还包括：
26.在所述辅助拱架支撑底部加设锁脚锚管；
27.在安装所述钢筋网时预埋初支背后空洞注浆孔，并回填注浆。
28.于一实施例中，所述进行换拱施工，包括：
29.拆除一榀所述临时钢支撑，拆除对应一榀所述辅助拱架支撑，并换入一榀新辅助拱架支撑；在拆除所述临时钢支撑时，保证前一榀换拱辅助拱架支撑已落地底成环；
30.每榀所述辅助拱架支撑喷射砼完成后，进行下一榀换拱处理。
31.于一实施例中，所述方法还包括：
32.使用人工切割、风镐、免爆破除方法对侵限初支以及所述临时钢支撑进行拆除；
33.待侵限段所述辅助拱架支撑拆除后，完成侵限换拱处治复测断面满足设计要求并结合监控量测数据判断初支变形量满足要求后，进行防水层及二衬钢筋砼施工。
34.于一实施例中，所述临时钢支撑采用工字钢。
35.本技术与现有技术相比的有益效果是：本技术的方法阶段性施加临时钢支撑+注浆固结处理初期支护持续变形段落及初期支护需要换拱段落，强风化绢云千枚岩，且岩层走向与隧道小角度相交，跨韧性剪切破碎带，裂隙发育，围岩破碎，层间结合差且持续蠕变的隧道，可借鉴和使用推广。通过及时采用上述措施，能有效的对初期支护进行加固，促进应力释放，控制初期支护变形，降低隧道施工安全风险，降低变形侵限的风险。
附图说明
36.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
37.图1为本技术一实施例提供的隧道初支变形加固与侵限处理方法的流程示意图；
38.图2为本技术一实施例提供的临时钢支撑布置示意图；
39.图3为本技术一实施例提供的正洞初支注浆工艺流程图；
40.图4为本技术一实施例提供的换拱施工工艺流程示意图。
41.图标：
42.1-临时钢支撑。
具体实施方式
43.术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，并不表示排列序号，也不能理解为指示或暗示相对重要性。
44.此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
45.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
46.在本技术的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。
47.隧道往往处于山和盆地的接合处，区内地形地貌复杂，领脊曲折、山峰尖锐、沟深岭窄，侵蚀作用强烈。尤其是当洞身围岩为薄片状绢云千枚岩时，岩体极为软弱破碎，特别是在开挖支护后隧道边墙和拱腰会出现变形、侵限和开裂现象，加之大埋深和强烈构造与极高水平应力影响，地下水软化与变形滞后效应和软弱千枚岩的蠕变作用等都会导致隧道初支变形、开裂和侵限严重。
48.基于此，请参照图1，本技术提供一种隧道初支变形加固与侵限处理方法，用于解决如千枚岩类的软岩地层的隧道在施工过程中遇到的初支严重变形、开裂及侵限的问题，具体包括如下步骤：
49.步骤s110：确定初支变形段及侵限范围。
50.本步骤中，相关施工单位组织现场测量技术人员，通过监控量测设备，对隧道初期支护变形较大段内的拱顶沉降和收敛监测点进行精确测试，根据测量结果，确定初期支护的变形段以及侵限范围，并明确具体的侵限程度。
51.步骤s120：在初支变形段全断面增设临时钢支撑1加固。
52.由于变形持续发展，因此需要对初期支护进行补强及加固，确保后续施工作业安全，同时为后续换拱作业提供安全保障。本步骤中，在初支变形段全断面增设临时钢支撑1，进行加固。
53.于一实施例中，临时钢支撑1分单元进行安装，安装从底部台阶向拱顶进行，相邻单元之间用连接钢板螺栓连接，并施做锁脚锚管。具体地，按照预设纵向间距，设置连续预设榀数的临时钢支撑1，作为一个单元。每安装一个单元固定一个单元，并在临时钢支撑1拱脚以及连接板上下0.5-1.0m处施做锁脚锚管。
54.例如，请参照图2，临时钢支撑1设置按纵向间距每12m设置连续4榀，临时钢支撑1采用i18工字钢，工字钢设置为18@80cm。在临时钢支撑1拱脚、上下导坑交接面处施做锁脚锚管，长度为3m为一根，以8根加固一榀。
55.在实际施工过程中，考虑已出现上导坑拱脚两侧均有不同程度侵入二衬结构空间、及正洞右侧初支背后注浆造成局部变形加剧的问题，临时钢支撑采用全断面增设，即临
时钢支撑1必须落底。
56.如上所述，临时钢支撑1采用分单元安装的原则进行安装，安装从底部台阶向拱顶进行，安装拱架与台车之间支撑连接牢固，每安装一个单元固定一个单元，相邻单元之间用连接钢板螺栓连接，最后形成一个整体。相邻两榀钢架及时用螺纹钢进行焊接，作为纵向连接，钢架中对中距离为0.8m，形成整体。钢架完成后及时施做锁脚锚管。
57.步骤s130：对增加临时钢支撑1段正洞初支进行注浆固结处理，注浆遵循分层、分次、间歇原则，注浆同时进行量测。
58.在临时钢支撑1全部施工完毕后，对正洞初支进行局部注浆。注浆范围从现在仰拱填充面上7.5m，注浆前先对需要加固的范围由油漆标注出来，注浆范围为主要变形段落外扩1.0m。
59.对增加临时钢支撑1段正洞初支进行注浆固结处理，注浆过程中监控量测单位同时进行量测。如初支沉降收敛变形突然加大需立即停止施工，采取分次、分层、间歇注浆方法动态控制、结合现场实际情况，紧密结合监测结果，调整工序施工时机。不得使临时钢支撑因变形过大导致二次破坏和支护失效。
60.请参照图3，注浆工艺过程具体包括如下步骤：
61.步骤一：按照预设间距，采用钻机沿初支环向钻出注浆孔。
62.按要求沿环向施做注浆孔，注浆孔为钻孔埋设，根据确定的变形、开裂或侵限位置布设。环向间距3m，纵向间距2.5m，深度2m；为避免局部承载过大，注浆分两次或三次完成，先注浆孔完成注浆1～1.5个小时后移至第二个注浆孔注浆，以此类推。等第一个注浆孔初凝后有一定强度时，再进行二次注浆，最后一次进行补注至空腔密实，用棉纱封堵注浆管，以防止浆液从管内溢出。
63.步骤二：向注浆孔内埋设注浆管。
64.用yt-28钻机钻孔，孔内埋设注浆管。注浆导管采用ф42
×
3.5mm热轧钢管，钢管钻间距20
×
20cm梅花孔、注浆管长度为1.5m，尾端留30cm不打孔做为止浆段。
65.步骤三：配置预设水灰比的水泥浆，向注浆管内注浆，注浆过程中控制注浆压力在预设范围内。
66.注浆的预设水灰比采用水灰比0.6～0.8的纯水泥浆。注浆管与注浆机连接好后，排除管内空气，调整好注浆压力，启动注浆机开始注浆。注浆压力预设范围一般为0.1～0.5mpa，压力由小到大，由0.1mpa开始逐步加压，过程中需要时刻观察注浆状态及初支情况。当压力逐渐上升，流量逐渐减少，注浆压力达到终压时，稳定2min，可结束本次注浆。注浆顺序应由下往上。过程中应密切注意注浆压力的变化。
67.步骤四：注浆完毕后，用锚固剂封堵注浆管。
68.注浆完毕后，用锚固剂封堵注浆管，以防止浆液从管内溢出。注浆过程加强监控量测密度、若有发现沉降收敛数据突变情况应立即停止注浆、待量测数据趋于稳定后改变注浆方式，采用间歇、间隔方式进行注浆。
69.步骤s140：根据侵限范围，在侵限段安装辅助拱架支撑，进行换拱施工，直至完成所有侵限段换拱施工。
70.请参照图4，在换拱施工前，首先进行施工前准备，需要对初支变形地段每榀辅助拱架支撑进行断面净空检查，通过断面超欠挖扫描检查，确定并标注出侵限范围，然后在现
场用油漆标出换拱的起止里程、部位。
71.材料进场，在侵限段打注浆导管，往注浆导管内注浆进行加固。沿隧道拱墙周壁进行围岩径向注浆加固，注浆水灰比以及注浆压力可根据施工过程中围岩变化、注浆情况等适当调整。注浆前要对注浆设备及压力表进行检查，每次注浆前要确保压力表归零。
72.凿除侵限段部位墙喷射砼，凿除顺序为先拱后墙。对换拱部位矮边墙混凝土进行拆除，可先拆除变形较大一侧，再拆除变形较小一侧。凿除顺序为先拱后墙。在拆除喷射砼过程中对既有的钢筋网及连接筋采用水焊进行切割处理，确保不破坏既有拱架受力。拆除后进行扩挖至设计轮廓线，并预留变形量。扩挖后对岩面进行混凝土初喷，初喷封闭围岩后在进行初期支护施工。
73.安装辅助拱架支撑，辅助拱架支撑包括钢架、钢筋网、锁脚锚管。在钢架两端均打设锁脚锚管，钢架之间具有间距，间距根据具体施工情况设定，钢筋网与钢架连接，架立钢架按照先拱后墙的顺序进行，设置好钢筋网后喷射砼覆盖。在辅助拱架支撑底部加设锁脚锚管，在安装钢筋网时预埋初支背后空洞注浆孔，并回填注浆。
74.准备拆换台架，台架整体采用门式结构，下部供车辆通行，所有钢结构部件均采用焊接连接。左右两侧抽拉式结构，工作状态时内管拉出至隧道拱墙开挖面，上铺网筋网，作为人员工作平台，移动时为方式挂擦拱墙，收回至套筒内。
75.在进行换拱施工时，拆换台架就位，拆除一榀临时钢支撑1，拆除对应一榀辅助拱架支撑，并换入一榀新辅助拱架支撑；在拆除所述临时钢支撑时，保证前一榀换拱辅助拱架支撑已落底成环；每榀辅助拱架支撑喷射砼完成后，进行下一榀换拱处理。
76.需要说明的是，换拆前在需要换拆工字钢上延1m施做锁口锚管、锚管长度3m/根、每榀2根、锚管内注浆密实。
77.每拆除一榀更换一榀，严禁整段拆除整段更换。拆除至临时钢支撑1段内时拆除一榀临时钢支撑1钢架随即拆除对应一榀侵限钢架并立一榀新拱架。
78.使用人工切割、风镐、免爆破除方法对侵限初支以及所述临时钢支撑进行拆除。具体地，破拆在锁扣锚管施工完成后由人工用氧气乙炔对临时钢支撑1连接筋割断、再用免爆对临时钢支撑1与正洞初支进行破除、局部机械无法处理的由人工用风镐破除，确保换拱后断面满足设计要求，原侵限初支拱架割除角度需根据新加工换拆拱架角度比对后实施气割、连接板现场经过测量放线后比对焊接在正洞工字钢上，换拆部分支护参数同原设计支护类型图纸施工。
79.待侵限段每换拆一段辅助拱架支撑(例如9～12m)完成后，再完成侵限换拱处治复测断面满足设计要求后结合监控量测数据判断初支变形量满足要求后及时施做防水层及二衬钢筋砼施工。
80.监控量测点的布设需要与换拱作业同步进行，按要求布设好监控量测点，并根据现场实际加密观测频率，每天定时分析数据，及时采取处理措施。
81.本技术提供的隧道初支变形加固与侵限处理方法在四川省平武县高村乡五三村一组的大栗树隧道进行了成功应用，工程质量满足要求。
82.1、工程概况
83.大栗树隧道位于四川省平武县高村乡五三村一组，出口位于平武县古城镇朝阳村靛房里。为一越岭特长隧道。隧道采用分离式双线隧道，左线起止里程桩号为zk77+795～
zk81+220，长3425m；右线起止里程桩号为k77+827～k81+206，长3379m，属特长隧道；单洞宽10.25m，洞高5m，4个车行横通道，5个人行横通道，洞顶最大埋深约526m。大栗树隧道进、出口端洞门形式均为端墙式。围岩级别主要为ⅳ、
ⅴ
级。
84.开挖方式采用钻爆法开挖，自卸式汽车运输，根据不同地质条件、衬砌类型和断面大小等因素采用不同的施工方法。洞身主洞：
ⅴ
级围岩采用上下台阶预留核心土环形开挖，较差段采用三台阶开挖，普通ⅳ级围岩采用一般上下台阶法开挖，db、dc大变形段采用单侧壁导坑法施工。停车带：v级围岩段采用单侧壁导坑法施工；iv级围岩段用环形开挖预留核心土法施工。大栗树隧道进、出口洞门形式均为端墙式。
85.2、应用情况
86.千枚岩隧道软岩变形具有难以预见性，加之地下水的滞后效应，无法准确的判断及控制预留变形量，同时绢云千枚岩属于片状结构，层间结合较差，遇水软化，极易风化，均为后续施工造成了巨大的难度。大栗树隧道采用临时阶段性布设施加临时钢支撑1+注浆固结的施工方式，顺利解决了千枚岩隧道施工至较大变形段隧道初期支护持续蠕变收敛变形的问题。采用阶段性布设施加临时钢支撑1+注浆固结的方法，为主洞正常施工创造了有利条件，为类似工程施工积累了宝贵的经验。
87.其次，解决了仰拱施工完成后初期支护仍处于蠕变状态，应力未释放完成，造成二衬无法施工的问题。通过及时采用上述措施，能有效的对初期支护进行加固，促进应力释放，控制初期支护变形，降低隧道施工安全风险，降低变形侵限的风险。
88.结合初期支护变形特点优化注浆施工范围，可以有效的控制初期支护变形范围，对隧洞初支周边围岩松动圈进行有效固结，避免松动圈持续扩大，大量破坏围岩自稳能力。防止施工中发生冒顶、坍塌。可加快围岩稳定速率，确保掌子面正常推进，同时确保初期支护监控量测达到稳定的效果，满足二衬施工条件，可以有效降低后续二衬开裂的风险。
89.为换拱工作提供了安全的工作断面，针对较长段落初期支护变形换拱，分段对变形初期支护进行了加固，能有效降低换拱过程中发生坍塌的风险，能有效的对变形较大段落、初支破损严重段落起到有效加固。
90.大量实践证明:以穿越千枚岩地层为代表的软岩隧道在其施工过程中，因岩体具有的质软、层间结合差等特点造成的围岩变形过大、隧道坍塌事故屡屡发生。本技术的方法阶段性施加临时钢支撑1+注浆固结处理初期支护持续变形段落及初期支护需要换拱段落，强风化绢云千枚岩，岩层走向与隧道小角度相交，剪切破碎带，裂隙发育，围岩破碎，层间结合差且持续蠕变的隧道，可借鉴和使用推广。
91.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例中的特征可以相互结合。
92.以上仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：

1.一种隧道初支变形加固与侵限处理方法，其特征在于，包括：确定初支变形段及侵限范围；在所述初支变形段全断面增设临时钢支撑加固；对增加所述临时钢支撑段正洞初支进行注浆固结处理，注浆遵循分层、分次、间歇原则，注浆同时进行量测；根据所述侵限范围，在侵限段安装辅助拱架支撑，进行换拱施工，直至完成所有侵限段换拱施工。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在初支变形段全断面增设临时钢支撑加固，包括：所述临时钢支撑分单元进行安装，安装从底部台阶向拱顶进行，相邻单元之间用连接钢板螺栓连接，并施做锁脚锚管。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述临时钢支撑分单元进行安装，包括：按照预设纵向间距，设置连续预设榀数的所述临时钢支撑，作为一个单元；每安装一个单元固定一个单元，并在所述临时钢支撑拱脚以及连接钢板上下0.5-1.0m处施做锁脚锚管。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对增加所述临时钢支撑段正洞初支进行注浆固结处理，包括：按照预设间距，采用钻机沿初支环向钻出注浆孔；向所述注浆孔内埋设注浆管；配置预设水灰比的水泥浆，向所述注浆管内注浆，注浆过程中控制注浆压力在预设范围内；注浆完毕后，用锚固剂封堵注浆管。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述侵限范围，在侵限段安装辅助拱架支撑，包括：通过断面超欠挖扫描检查，确定并标注出侵限范围；在侵限段打注浆导管，往注浆导管内注浆进行加固；凿除侵限段部位墙喷射砼，凿除顺序为先拱后墙；安装所述辅助拱架支撑。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述辅助拱架支撑包括钢架、钢筋网、锁脚锚管；在所述钢架两端均打设锁脚锚管，所述钢架之间具有间距；所述钢筋网与所述钢架连接，设置好所述钢筋网后喷射砼覆盖。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述设置好所述钢筋网后喷射砼覆盖之后，所述方法还包括：在所述辅助拱架支撑底部加设锁脚锚管；在安装所述钢筋网时预埋初支背后空洞注浆孔，并回填注浆。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述进行换拱施工，包括：拆除一榀所述临时钢支撑，拆除对应一榀所述辅助拱架支撑，并换入一榀新辅助拱架支撑；在拆除所述临时钢支撑时，保证前一榀换拱辅助拱架支撑已落底成环；每榀所述辅助拱架支撑喷射砼完成后，进行下一榀换拱处理。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：使用人工切割、风镐、免爆破除方法对侵限初支以及所述临时钢支撑进行拆除；待侵限段所述辅助拱架支撑拆除后，完成侵限换拱处治复测断面满足设计要求并结合监控量测数据判断初支变形量满足要求后，进行防水层及二衬钢筋砼施工。10.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述临时钢支撑采用工字钢。

技术总结

本申请提供一种隧道初支变形加固与侵限处理方法，包括：确定初支变形段及侵限范围；在初支变形段全断面增设临时钢支撑加固；对增加临时钢支撑段正洞初支进行注浆固结处理，注浆遵循分层、分次、间歇原则，注浆同时进行量测；根据侵限范围，在侵限段安装辅助拱架支撑，进行换拱施工，直至完成所有侵限段换拱施工。本申请的方法阶段性施加临时钢支撑+注浆固结处理初期支护持续变形段落及初期支护需要换拱段落，强风化绢云千枚岩，可借鉴和使用推广。其能够有效的对初期支护进行加固，促进应力释放，控制初期支护变形，降低隧道施工安全风险，降低变形侵限的风险。降低变形侵限的风险。降低变形侵限的风险。