一种上软下硬地层隧道支护结构及其施工方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 1037781 A(43)申请公布日 2017.02.22

(21)申请号 201610938558.3(22)申请日 2016.10.25

(71)申请人 中铁第四勘察设计院集团有限公司

地址 430063 湖北省武汉市武昌杨园和平

大道745号(72)发明人 肖明清　邓朝辉　王均勇　周坤　

蒋超　胡大伟　薛光桥　(74)专利代理机构 武汉开元知识产权代理有限

公司 42104

代理人 黄行军(51)Int.Cl.

E21D 11/18(2006.01)

权利要求书2页 说明书5页 附图2页

CN 1037781 A()发明名称

一种上软下硬地层隧道支护结构及其施工方法

(57)摘要

本发明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；

本发支撑结构的上端支承于最下端的两根钢管。

明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。

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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方向间隔布置的衬砌钢筋(10)；所述的衬砌钢筋(10)的两侧上端与对应的钢管钢筋(6)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。

7.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：所述的管幕结构与下部初期支护(4)之间设置有支撑杆(8)；所述的支撑杆(8)的上端固定在钢管(1)的侧壁，下端支撑于隧道底部的坚硬土层上。

8.一种如权利要求1所述的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(1)，依顺序间隔施作钢管(1)直至形成覆盖在隧道限界上方的拱形结构；

2)、从钢管(1)内部在钢管(1)侧壁上开设安装槽(9)，在安装槽(9)中插入两块钢板(2)，将钢板(2)的两端分别焊接在相邻的两根钢管(1)上，从钢管(1)内部开挖钢板(2)之间的土体，在两块钢板(2)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(1)固定在支撑结构的上端；

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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。9.如权利要求8所述的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(3)和下部初期支护(4)并将两者连接为一体，将侧部初期支护(3)的上端焊接在管幕结构两侧最下端的两根钢管(1)的侧壁，待一循环区段的隧道开挖完成后，沿侧部初期支护(3)和下部初期支护(4)架设衬砌钢筋(10)，将衬砌钢筋(10)与钢管钢筋(6)焊接连接，在侧部初期支护(3)和下部初期支护(4)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(11)。

10.如权利要求8或9所述的一种上软下硬地层隧道支护结构的施工方法，其特征在于：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(12)，沿隧道限界两侧的坚硬土层施工侧部初期支护(3)，将侧部初期支护(3)的钢架上端焊接在管幕结构两侧最下端的钢管(1)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(8)，然后开挖隧道中间的第二开挖区段(13)，沿隧道底部的坚硬土层施工下部初期支护(4)，将侧部初期支护(3)的下端连接在下部初期支护(4)上。

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一种上软下硬地层隧道支护结构及其施工方法

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技术领域[0001]本发明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。

背景技术[0002]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：[0003]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。[0004]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。[0005]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。

发明内容[0006]本发明的目的就是要解决上述背景技术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。[0007]本发明的技术方案为：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

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幕结构形成环绕在隧道外侧的封闭支护结构。[0008]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。[0009]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。[0010]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。[0011]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。[0012]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。[0013]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。[0014]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：[0015]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；[0016]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；[0017]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；[0018]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。[0019]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。[0020]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。[0021]本发明的优点有：1、本发明的隧道超前支护结构，相比现有的超前支护具有更大

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的刚度与整体性，同时对地层的变形影响更小；[0022]2、本发明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；[0023]3、本发明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；[0024]4、本发明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。[0025]本发明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[0026]图1：本发明的结构示意图；[0027]图2：本发明的管幕结构和支撑结构分布关系结构示意图；[0028]图3：本发明的管幕结构与二次衬砌连接结构示意图；[0029]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[0030]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。[0031]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。[0032]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通过盾构法或是顶进法进行施工，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，如图1～2所示，为接近于半圆形的结构，拱形结构稳定性好，应力传递和消散较好，具有良好的稳定支撑功能。本实施例在相邻钢管1之间设置钢板2，通过钢板2将所有的钢管1连接为整体的半圆形结构。[0033]相邻钢管1之间设置有至少两片以上的多片钢板2，多片钢板2沿隧道的径向方向间隔布置，钢板2的两端分别焊接在相邻的两个钢管1侧壁上。单片钢板2沿隧道的轴向方向连续布置于两根相邻的钢管1之间。[0034]本实施例的相邻钢管1之间设置有两片钢板2，每片钢板2沿隧道的圆周方向布置，两片钢板2沿隧道的径向方向间隔布置。相邻的钢板2之间设置有立柱5，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。立柱5提高了钢板2之间的刚度，避免了在受到软弱土层的压力时出现钢板2变形的问题。

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安装钢板2是通过钢管1上的安装槽9来实现的，从钢管1的内部在钢管1的侧壁上

开设安装槽9，通过安装槽9安装钢板2，将钢板2焊接在钢管1的侧壁上，两块钢板2之间的空间通过安装槽9与钢管1内部空间连通，形成沿隧道的圆周方向布置的位于软弱土层内的拱形连通空腔7，如图1～3所示。[0036]连通空腔7内穿设有钢管钢筋6，钢管钢筋6为弧形钢筋，钢管钢筋6沿隧道的圆周方向贯通钢管1，将所有的钢管1连接为整体结构，钢管钢筋6通过安装槽9穿设于相邻钢管1之间的两片钢板2之间，同时向连通空腔7内灌注混凝土，混凝土自流实到钢管1内部和钢板2之间，与钢管钢筋6形成钢筋混凝土结构，混凝土将钢管1、钢板2、立柱5和钢管钢筋6连接为整体结构，整个管幕结构形成一个笼罩在隧道上方的钢筋混凝土保护罩结构。[0037]如图1～2所示，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，支撑结构主要是在开挖以后进行安装的用于支撑管幕结构，其中，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，如图3所示，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。侧部初期支护3和下部初期支护4为钢板结构，起到稳定支撑管幕结构的目的。[0038]隧道在开挖过程中，由于管幕结构的自重，在下方没有任何支撑的情况下进行隧道开挖，有可能出现管幕结构垮塌的问题，因此在开挖隧道的过程中，需要在管幕结构与隧道底部之间设置支架，本实施例的支架为支撑杆8，如图1～2所示，支撑杆8的上端固定在钢管1的上，下端支承于隧道底部的坚硬土层上，通过支撑杆8的支撑，能够避免在隧道开挖过程中出现管幕结构垮塌的问题。[0039]安装好了侧部初期支护3和下部初期支护4以后，可以进行二次衬砌11的安装，二次衬砌11是在区段隧道挖掘完成后，在隧道底部和侧部进行安装的二次支撑结构，本实施例的二次衬砌11包括衬砌钢筋10，衬砌钢筋10为沿隧道圆周方向布置的半圆形钢筋，衬砌钢筋10的两端分别与对应钢管钢筋6的两端焊接连接，通过衬砌钢筋10和钢管钢筋6的连接，能够有效的将管幕结构和支撑结构连接为整体。依托衬砌钢筋10为骨架浇筑混凝土，形成二次衬砌11，二次衬砌11为贴合在侧部初期支护3和下部初期支护4上的U型结构，二次衬砌11的上端固定在管幕结构两侧最下端的钢管1上，实际上，二次衬砌11和管幕结构连接为一体，这样整个支护结构就形成了一个完整的闭合腔体结构，上部的管幕结构承受软弱土层的压力，下部支撑结构将这些压力消散到坚硬土层中，保证了隧道在施工和后期运行的稳定性。[0040]本实施例的具体是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1，使用盾构法或是顶进法进行隧道施工，先施工距离坚硬土层最近的钢管1，然后依托施工完成的钢管1进行相邻钢管1的施工，直至所有的钢管1形成围绕在隧道限界上方的拱形结构，多根钢管1沿隧道的圆周方向依次间隔布置，[0041]2、从钢管1内部在钢管1侧壁上开设安装槽9，在安装槽9中插入两块钢板2，将钢板2的两端分别焊接在相邻的两根钢管1上，从钢管1内部开挖钢板2之间的土体，在两块钢板2之间焊接立柱5，使立柱5沿隧道的径向方向支撑钢板2，[0042]3、在钢管1内架设钢管钢筋6，向钢管1内部和钢板2之间浇筑混凝土，保证混凝土能够流入到钢管1和钢板2形成的连通空腔7内，

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4、分块开挖隧道，本实施例将隧道开挖分成三部分，如图1所示，为隧道两侧的第

一开挖区段12和中间的第二开挖区段13，施工初期支护时，先开挖隧道两侧的第一开挖区段12，沿隧道限界两侧的坚硬土层施工侧部初期支护3，将侧部初期支护3的上端连接在管幕结构两侧最下端的钢管1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8，然后开挖隧道中间的第二开挖区段13，沿隧道底部的坚硬土层布置下部初期支护4，将侧部初期支护3的下端连接在下部初期支护4上，[0044]5、待一循环区段的隧道开挖完成后，拆除该循环区段中的支撑杆8，进行该循环区段内的二次衬砌施工，先沿侧部初期支护3和下部初期支护4架设衬砌钢筋10，将衬砌钢筋10与钢管钢筋6焊接连接，在侧部初期支护3和下部初期支护4的内侧浇筑混凝土使之形成支撑管幕结构的二次衬砌11，保证二次衬砌11与管幕结构中的钢筋混凝土稳定连接，[0045]6、待混凝土养护完成后，进行下一循环区段的隧道施工，依次交替进行，直至所有区段隧道完成施工。[0046]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

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