单拱大跨浅埋暗挖隧道加固体系及其施工方法

单拱大跨浅埋暗挖隧道加固体系及其施工方法
【专利摘要】本发明涉及一种单拱大跨浅埋暗挖隧道加固体系及其施工方法。单拱大跨浅埋暗挖隧道施工过程中存在变形塌方等风险，需对其进行加固处理。本发明为隧道初期支护内的支撑骨架结构，包含有隧道中心线处的组合钢管混凝土柱，底端固定于柱基础，顶端固定于初期支护；柱基础两侧设置底板，底板上方固定竖向支撑；竖向支撑和斜向支撑一端固定于初期支护；水平支撑一端固定于初期支护，另一端固定于组合钢管混凝土柱，并与竖向支撑连接牢固。本发明用于已发生或即将发生大变形、塌方、涌水等事故的单拱大跨浅埋暗挖隧道的加固处理，结合门形支撑和扇形支撑的优势，实现了“变大跨为小跨”，能快速、有效地控制施工引起的变形。
【专利说明】单拱大跨浅埋暗挖隧道加固体系及其施工方法
【技术领域】
[0001]本发明属于隧道及地下工程【技术领域】，具体涉及一种单拱大跨浅埋暗挖隧道加固体系及其施工方法。
【背景技术】
[0002]随着地铁建设快速发展，暗挖法得到了空间发展，各种复杂的地下结构型式越来越多的出现，而单拱大跨断面作为浅埋暗挖结构的典型代表，已逐步广泛的应用于铁路、公路、水利、城市轨道交通、市政管网等领域。特别是在城市轨道交通建设中，单拱大跨暗挖车站以其高大、宽敞、开阔等诸多空间优势及其独特的建筑风格，逐渐成为首选。考虑单拱大跨浅埋暗挖结构型式、受力条件、地质条件、施工水平、管理水平等多方面因素影响，其施工过程中存在大变形、塌方、涌水等风险，某些情况下务必对其进行加固处理，以充分发挥围岩的自承能力，快速、有效地控制施工引起的变形，降低施工风险，确保施工运输通道畅通、隧道结构安全和周边建(构)筑物的正常使用，并为后续施工创造有利条件。

【发明内容】

[0003]本发明的目的是提供一种单拱大跨浅埋暗挖隧道加固体系及其施工方法，能快速、有效控制施工引起的围岩变形。
[0004]本发明所采用的技术方案是:
单拱大跨浅埋暗挖隧道加固体系，其特征在于:
所述加固体系为单拱大跨浅埋暗挖隧道初期支护内的门形与扇形相结合的支撑骨架结构，包含有隧道中心线处的组合钢管混凝土柱，组合钢管混凝土柱底端固定于隧道底面设置的柱基础，顶端固定于初期支护；
柱基础两侧的隧道底面上均设置有底板，底板上同一点固定有竖向支撑和斜向支撑，斜向支撑倾向组合钢管混凝土柱的另一侧，竖向支撑和斜向支撑的顶端均固定于初期支护；
底板上方设置有水平支撑，水平支撑一端固定于初期支护，另一端固定于组合钢管混凝土柱，并与竖向支撑连接牢固。
[0005]所述底板的初期支护端设置有伸入岩体的锁脚锚杆。
[0006]所述柱基础上方、组合钢管混凝土柱底部包裹有柱脚保护梁，柱脚保护梁与柱基础烧筑为一体。
[0007]所述竖向支撑与水平支撑的相交处、竖向支撑的两侧、水平支撑的下方固定有角钢型的纵向连接部件。
[0008]所述柱基础下方设置有伸入岩体的、交叉的锚杆。
[0009]所述底板采用型钢和喷射混凝土组成；
所述柱基础采用现浇混凝土或组合型钢组成；
所述组合钢管混凝土柱采用无缝钢管和模筑混凝土组成； 所述斜向支撑、竖向支撑和水平支撑采用型钢或组合型钢。
[0010]所述横向支撑骨架结构沿隧道纵向多排设置，纵向间距为1.0?5.0m ;
所述竖向支撑与组合钢管混凝土柱之间的横向距离为3.0?5.0m ;
所述底板与水平支撑之间的高度差为3.0?5.0m ;
所述组合钢管混凝土柱的宽度为0.6?2.0m 所述柱基础的宽度为1.0?2.0m,高度为0.5?1.0m ;
所述柱脚保护梁宽度同柱基础，高度为0.5?1.0m。
[0011]单拱大跨浅埋暗挖隧道加固体系的施工方法，其特征在于:
由以下步骤实现:
步骤一:浇筑柱基础:
在单拱大跨浅埋暗挖隧道的初期支护内，清理虚渣，平整场地并夯实，在隧道底面的隧道中心线处立模浇筑柱基础；
步骤二:浇筑底板:
在柱基础两侧的隧道底面上铺设型钢支撑、焊接钢筋网片，将型钢支撑与两侧的初期支护结构和柱基础连接牢固，并在初期支护端打设锁脚锚杆，在型钢支撑和钢筋网片上浇筑底板；型钢支撑预留斜向支撑和竖向支撑连接钢板及螺栓；
步骤三:浇筑组合钢管混凝土柱和柱脚保护梁:
在柱基础上搭设组合钢管，绑扎柱脚保护梁钢筋，立模浇筑组合钢管混凝土柱和柱脚保护梁；组合钢管预留水平支撑连接钢板及螺栓；
步骤四:搭设斜向支撑和竖向支撑:
搭设斜向支撑和竖向支撑，并将其与底板、初期支护之间通过螺栓、焊接连接牢固； 步骤五:搭设水平支撑:
搭设水平支撑，并将其与斜向支撑、竖向支撑、组合钢管混凝土柱、初期支护之间通过螺栓、焊接连接牢固；
步骤六:搭设纵向连接部件:
搭设纵向连接部件，并将其与竖向支撑、水平支撑之间连接牢固。
[0012]本发明具有以下优点:
本发明用于已发生或即将发生大变形、塌方、涌水等事故的单拱大跨浅埋暗挖隧道的加固处理。该结构型式简明，受力合理，充分发挥了围岩的自承能力，根据单拱大跨浅埋暗挖隧道结构型式及断面受力特点，巧妙利用型钢或组合型钢结构的力学优势及断面的内部空间，结合门形支撑和扇形支撑的优势，实现了 “变大跨为小跨”，快速、有效地控制了施工引起的变形，确保了施工运输通道畅通、隧道结构安全和周边建(构)筑物的正常使用，并为后续施工创造有利条件；同时，该结构具有很强的可操作性，可实现工厂化作业，为加固施工赢得时间，具有较高的经济效益和社会效益，在铁路、公路、水利、城市轨道交通、市政管网等工程中有广泛的应用价值。
【专利附图】

【附图说明】
[0013]图1为本发明结构断面图。
[0014]图2为A处放大图。[0015]图中，1-底板，2-斜向支撑，3-竖向支撑，4-柱基础，5-组合钢管混凝土柱，6_柱脚保护梁，7-水平支撑，8-纵向连接部件，9-锁脚锚杆，10-初期支护，11-岩体。
【具体实施方式】
[0016]下面结合【具体实施方式】对本发明进行详细的说明。
[0017]本发明涉及的一种单拱大跨浅埋暗挖隧道加固体系，为单拱大跨浅埋暗挖隧道初期支护10内、沿隧道纵向设置的多排横向的支撑骨架结构，采用门形与扇形相结合的支撑结构，确保施工运输所需的通道畅通。支撑骨架结构包含有隧道中心线处的组合钢管混凝土柱5，为支撑骨架结构的关键竖向传力构件，底端固定于隧道底面设置的柱基础4，顶端固定于初期支护10。柱基础4提供组合钢管混凝土柱5所需的承载力要求，并在一定程度上有利于加固体系纵向稳定。柱基础4两侧的隧道底面上均设置有底板1，底板I上方固定有竖向支撑3,竖向支撑3顶端固定于初期支护10。竖向支撑3和斜向支撑2 —端固定于初期支护10 ;水平支撑7 —端固定于初期支护10，另一端固定于组合钢管混凝土柱5，并与竖向支撑3连接牢固。斜向支撑2和竖向支撑3分别与底板1、初期支护之间通过螺栓或焊接连接牢固，作为加固体系的主要竖向传力构件，并确保施工运输所需的通道宽度。水平支撑I与斜向支撑2、竖向支撑3、组合钢管混凝土柱5、初期支护之间通过螺栓或焊接连接牢固，作为加固体系的主要水平方向传力构件，并确保施工运输所需的通道高度。组合钢管混凝土柱5、斜向支撑2和竖向支撑3 —起将初期支护结构分为6跨，实现“变大跨为小跨”，改善初期支护受力状态。
[0018]底板I的初期支护端设置有伸入岩体11的锁脚锚杆9。柱基础4上方、组合钢管混凝土柱5底部包裹有柱脚保护梁6，柱脚保护梁6与柱基础4浇筑为一体，确保组合钢管混凝土柱5的稳定，并在一定程度上有利于加固体系纵向稳定。竖向支撑3与水平支撑7的相交处、竖向支撑3的两侧、水平支撑7的下方固定有角钢型的纵向连接部件8，用于加强水平支撑7与竖向支撑3之间的连接，并将支撑部件纵向连接一体，确保加固体系的整体稳定。柱基础4下方设置有伸入岩体11的、交叉的锚杆。
[0019]其中，底板I采用型钢和喷射混凝土组成，柱基础4采用现浇混凝土或组合型钢组成，组合钢管混凝土柱5采用无缝钢管和模筑混凝土组成，斜向支撑2、竖向支撑3和水平支撑7采用型钢或组合型钢。
[0020]横向支撑骨架结构沿隧道纵向多排设置，纵向间距为1.0?5.0m，竖向支撑3与组合钢管混凝土柱5之间的横向距离为3.0?5.0m，底板I与水平支撑7之间的高度差为3.0?5.0m,组合钢管混凝土柱5的宽度为0.6?2.0m,柱基础4的宽度为1.0?2.0m,高度为0.5?1.0m,柱脚保护梁6宽度同柱基础4，高度为0.5?1.0m。
[0021]本发明的尺寸总体上应以隧道施工设备尺寸及洞室开挖尺寸为基准，其架设长度应满足隧道结构安全和周边建构筑物的正常使用的需要。施工运输通道宽度、高度均应满足施工设备尺寸及洞内运输的要求，并尽量确保通道平顺通畅；其宽度应满足此基础上再预留一定的人员走行及检修通道。
[0022]本发明采用型钢或组合型钢拼装组成，通过螺栓或焊接将各部件及初期支护连接牢固，垫板样式应与初期支护结构相吻合；并通过柱基础、柱脚保护梁及纵向连接部件如角钢、槽钢等将支撑部件纵向连接一体，确保加固体系的整体稳定。[0023]本发明可满足已发生大变形、塌方、涌水等事故的单拱大跨浅埋暗挖隧道的加固处理。应用本发明后，随着具体工程中所采用的断面尺寸、施工方式、地质条件、设备尺寸、周边环境及开挖洞室等差异，其相关结构参数均可根据实际工程需要或大或小、或多或少、或长或短、或强或弱，如:底板尺寸，柱基础、组合钢管混凝土柱及柱脚保护梁的尺寸和混凝土标号，斜向支撑、竖向支撑、组合钢管混凝土柱、水平支撑及纵向连接部件的型号、材质和尺寸，支撑结构的数量、型号、纵向间距及其整体高度与宽度等。
[0024]具体施工过程如下:
步骤一:浇筑柱基础4:
在单拱大跨浅埋暗挖隧道的初期支护内，清理虚渣，平整场地并夯实，在隧道底面的隧道中心线处立模浇筑柱基础4 ；
步骤二:浇筑底板1:
在柱基础4两侧的隧道底面上铺设型钢支撑、焊接钢筋网片，将型钢支撑与两侧的初期支护结构和柱基础4连接牢固，并在初期支护端打设锁脚锚杆9，在型钢支撑和钢筋网片上浇筑底板I ;型钢支撑预留斜向支撑2和竖向支撑3连接钢板及螺栓；
步骤三:浇筑组合钢管混凝土柱5和柱脚保护梁6:
在柱基础4上搭设组合钢管，绑扎柱脚保护梁6钢筋，立模浇筑组合钢管混凝土柱5和柱脚保护梁6 ;组合钢管预留水平支撑7连接钢板及螺栓；
步骤四:搭设斜向支撑2和竖向支撑3:
搭设斜向支撑2和竖向支撑3，并将其与底板1、初期支护之间通过螺栓、焊接连接牢
固；
步骤五:搭设水平支撑7:
搭设水平支撑7，并将其与斜向支撑2、竖向支撑3、组合钢管混凝土柱5、初期支护之间通过螺栓、焊接连接牢固；
步骤六:搭设纵向连接部件8:
搭设纵向连接部件8，并将其与竖向支撑3、水平支撑7之间连接牢固。
[0025]本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.单拱大跨浅埋暗挖隧道加固体系，其特征在于: 所述加固体系为单拱大跨浅埋暗挖隧道初期支护(10)内的门形与扇形相结合的支撑骨架结构，包含有隧道中心线处的组合钢管混凝土柱(5)，组合钢管混凝土柱(5)底端固定于隧道底面设置的柱基础(4)，顶端固定于初期支护(10); 柱基础(4)两侧的隧道底面上均设置有底板(1)，底板(I)上同一点固定有竖向支撑(3)和斜向支撑(2)，斜向支撑(2)倾向组合钢管混凝土柱(5)的另一侧，竖向支撑(3)和斜向支撑(2)的顶端均固定于初期支护(10)； 底板(I)上方设置有水平支撑(7)，水平支撑(7)—端固定于初期支护(10)，另一端固定于组合钢管混凝土柱(5)，并与竖向支撑(3)连接牢固。
2.根据权利要求1所述的单拱大跨浅埋暗挖隧道加固体系，其特征在于: 所述底板(I)的初期支护端设置有伸入岩体(11)的锁脚锚杆(9)。
3.根据权利要求2所述的单拱大跨浅埋暗挖隧道加固体系，其特征在于: 所述柱基础(4)上方、组合钢管混凝土柱(5)底部包裹有柱脚保护梁(6)，柱脚保护梁(6)与柱基础(4)烧筑为一体。
4.根据权利要求3所述的单拱大跨浅埋暗挖隧道加固体系，其特征在于: 所述竖向支撑(3)与水平支撑(7)的相交处、竖向支撑(3)的两侧、水平支撑(7)的下方固定有角钢型的纵向连接部件(8)。
5.根据权利要求4所述的单拱大跨浅埋暗挖隧道加固体系，其特征在于: 所述柱基础(4 )下方设置有伸入岩体(11)的、交叉的锚杆。
6.根据权利要求5所述的单拱大跨浅埋暗挖隧道加固体系，其特征在于: 所述底板(I)采用型钢和喷射混凝土组成； 所述柱基础(4)采用现浇混凝土或组合型钢组成； 所述组合钢管混凝土柱(5)采用无缝钢管和模筑混凝土组成； 所述斜向支撑(2 )、竖向支撑(3 )和水平支撑(7 )采用型钢或组合型钢。
7.根据权利要求6所述的单拱大跨浅埋暗挖隧道加固体系，其特征在于: 所述横向支撑骨架结构沿隧道纵向多排设置，纵向间距为1.0~5.0m ; 所述竖向支撑(3)与组合钢管混凝土柱(5)之间的横向距离为3.0~5.0m ; 所述底板(I)与水平支撑(7)之间的高度差为3.0~5.0m ; 所述组合钢管混凝土柱(5)的宽度为0.6~2.0m 所述柱基础(4)的宽度为1.0~2.0m，高度为0.5~1.0m; 所述柱脚保护梁(6)宽度同柱基础(4)，高度为0.5~1.0m。
8.单拱大跨浅埋暗挖隧道加固体系的施工方法，其特征在于: 由以下步骤实现: 步骤一:浇筑柱基础(4): 在单拱大跨浅埋暗挖隧道的初期支护内，清理虚渣，平整场地并夯实，在隧道底面的隧道中心线处立模浇筑柱基础(4)； 步骤二:浇筑底板(I): 在柱基础(4)两侧的隧道底面上铺设型钢支撑、焊接钢筋网片，将型钢支撑与两侧的初期支护结构和柱基础(4)连接牢固，并在初期支护端打设锁脚锚杆(9)，在型钢支撑和钢筋网片上浇筑底板(I);型钢支撑预留斜向支撑(2)和竖向支撑(3)连接钢板及螺栓； 步骤三:浇筑组合钢管混凝土柱(5)和柱脚保护梁(6): 在柱基础(4)上搭设组合钢管，绑扎柱脚保护梁(6)钢筋，立模浇筑组合钢管混凝土柱(5)和柱脚保护梁(6);组合钢管预留水平支撑(7)连接钢板及螺栓； 步骤四:搭设斜向支撑(2)和竖向支撑(3): 搭设斜向支撑(2)和竖向支撑(3)，并将其与底板(I)、初期支护之间通过螺栓、焊接连接牢固； 步骤五:搭设水平支撑(7): 搭设水平支撑(7)，并将其与斜向支撑(2)、竖向支撑(3)、组合钢管混凝土柱(5)、初期支护之间通过螺栓、焊接连接牢固； 步骤六:搭设纵向连接部 件(8): 搭设纵向连接部件(8)，并将其与竖向支撑(3)、水平支撑(7)之间连接牢固。
【文档编号】E21D11/00GK103924981SQ201410173358
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月28日 优先权日:2014年4月28日
【发明者】曹伟, 王俊, 王立新, 翁木生, 李储军, 张利斌, 戴志仁, 王博, 王天明, 毛念华, 张毓斌, 王鹏, 张海 申请人:中铁第一勘察设计院集团有限公司