复合式衬砌结构在湿陷性黄土地区隧道支护方法Word文档下载推荐.docx

复合式衬砌结构在湿陷性黄土地区隧道支护方法Word文档下载推荐.docx

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advancedsmallpipe+steelarch+steelmesh+sprayconcrete"

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stencilspray"

astheinitialsupportandsecondarymoldbuildingconstructedofreinforcedconcreteretainingstructure,thismethodhavebeensuccessfullyapplied.ThispaperwillProvidereferenceandbasisforsimilarmineengineeringdesignandconstruction. 

Keywords 

Mineengineering,Advancedsmallpipe,Steelnetspray,Compositelining

1 

引言

在水电站井巷工程施工中，为适应地质条件和岩层结构的变化，需要采用不同的支护方法。

在湿陷性黄土及含破碎围岩的隧道施工中，地质结构复杂，施工中由于湿陷性黄土易塌方、围岩易破碎变形的特性，不易形成压力拱抵抗围岩压力[1]，开挖围岩极不稳定，容易发生坍塌，施工安全得不到保证。

因此在确保安全、降低工程投入、提高工作效率的前提下，采取合适的支护结构是水电站井巷工程需要解决的问题。

最大限度地利用和发挥围岩的自承能力是隧道衬砌结构设计应遵守的基本原则。

巷道围岩自身具有一定的结构作用，通过一些工程措施和合理的衬砌形式使围岩的这一特性得以充分发挥，达到节省工程投资的目的。

目前水电站井巷工程设计常采用模筑钢筋混凝土单一的支护形式，这种单一支护形式在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩巷道中实现设计意图比较容易，但在Ⅳ、Ⅴ类围岩巷道中实现设计者的意图较为困难。

许多案例表明在Ⅳ、Ⅴ类软弱破碎围岩巷道中，实行模筑钢筋混凝土支护作业方式存在以下问题：

（1）掘进3m左右后，立即进行模筑混凝土支护的短掘短砌方式。

这样的作业方式是在不正常的混凝土施工状态下进行的，其带来的后果一是在极其不安全的情况下冒险作业，人身安全得不到保证；

二是混凝土支护施工缝多、掘支周期短混凝土质量得不到保证；

三是施工速度慢。

（2）先用锚喷、钢支撑等作安全防护，再进行模筑混凝土支护作业。

将这些支护视作临时支护，支护受力计算不包含在设计中，产生大量的工程浪费。

随着隧道支护结构的发展，针对自稳较差的围岩一种更有效的超前支护技术——由超前小导管、钢拱架、锚喷支护、组成的初期支护和二次模筑混凝土支护一起构成的复合式衬砌结构就被提出来。

初期支护不但保证了施工过程中的安全，而且初期支护是整个井巷支护体系的重要组成部分，与二次模筑混凝土一起较为合理的分担比例共同承受围岩释放荷载的作用。

2 

井巷工程支护结构的选择

2.1 

支护设计原理

井巷开挖的原岩是在原始应力作用下处于平衡状态，在开挖后岩体中现成空洞，围岩的原始应力状态遭到破坏，围岩会发生收敛，对于坚硬围岩会发生变形但仍然处于平衡状态，对于破碎软弱围岩收敛到一定极限（见图1C点）后围岩发生塑性变形至坍塌，对于破碎软弱围岩在收敛期间需要进行合适支护防止岩层失稳，支护结构特性与围岩位移特性曲线如图1所示。

传统的支护将围岩视作荷载，在开挖后立即采用刚性支护，在A点取得平衡，这时支护需要提高很大支护抵抗力；

根据曲线图所示，在围岩C点是最佳支护时机，需要提供最小的支护抵抗力，本设计参考此曲线图，允许围岩变形，从分发挥围岩自身承载力，为保持安全冗余，在C点之前采用合适的初期支护结构，将围岩和支护结构作为一个共同的承载体系来考虑。

2.2 

支护结构的确定

目前井巷工程施工支护主要采用以下支护方式：

（1）无支护或仅喷射混凝土；

（2）木支架、钢拱架或钢筋混凝土预制构件构成的刚架支护；

（3）设置系统锚杆、挂网、喷射混凝土的锚喷支护；

（4）模筑混凝土支护。

本文涉及的石灰石水电站隧道处于黄土地区，隧道实际地质环境较复杂，隧道进硐口段（里程K0+60-k0+80）、出硐口段（里程K0+200-k0+220）围岩为湿陷性黄土、老黄土混碎石、强风化石灰岩组成，隧道硐身（里程K0+80-k0+200）围岩为陷性黄土、强风化、中风化石灰岩组成，节理、裂隙较发育，岩体较破碎。

整个隧道围岩较差，仅采用模筑混凝土支护无法保证开挖安全，系统锚杆、喷射混凝土以及钢筋网组成的锚喷支护也很难保证施工安全和结构稳定，为了有效控制破碎围岩的变形，必须采用钢拱架这种刚度较大的初期支护结构和二次模筑混凝土构成的复合式衬砌结构。

由于隧道围岩较破碎，并含老黄土混碎石，初期支护中必须进行超前支护，保证作业面开挖安全；

初期支护结构中不设置系统锚杆，通过类工程研究试验发现系统锚杆对此种隧道结构稳定性作用性不大，并且机械钻孔安放系统锚杆会对本身较破碎的围岩造成较大扰动，加大变形，减小围岩自身承载力，并且土质隧道和破碎岩体中钻孔时的塌孔问题将使作业时间进一步增长，错过最佳支护时机，反而不利于围岩稳定。

通过与设计方相互沟通，确定本隧道结构采用“超前小导管+钢拱架+钢筋网+喷射混凝土”的“钢网喷”初期支护和二次模筑钢筋混凝土构成的复合式衬砌结构。

3 

支护结构设计及作用机理

3.1 

钢拱架设计及支护的作用

钢拱架依靠被动支撑来维持围岩稳定，其支护原理利用自身刚度抑制围岩的变形，钢拱架架立后立即受力，在围岩未达到收敛极限之前控制住围岩变形。

图2钢拱架及锁脚锚杆布置图

本设计钢拱架主要由I14工字钢、A3钢板接头（180mm*180mm*10mm）、M20*70高强螺栓组、锁脚小导管组成，钢拱架之间采用直径22mm的二级钢筋进行纵向连接，每榀钢拱架设置的两组锁脚锚杆图（见图2），尾端与钢架焊接，起到固定钢架作用以保持支护结构的稳定性，提高钢拱架整体支护能力。

钢拱架间距根据隧道内部围岩稳定状况和钢拱架承受松弛荷载进行调整确定，本隧道钢拱架间距0.5m～1.0m，距离隧道进出口20m内钢拱架间距0.5m。

3.2 

超前小导管设计及支护作用

超前小导管沿隧道开挖轮廓线布置，外插角10̊～15̊，环向间距0.35m沿拱部设计范围均匀布置，外露长度不大于0.5m，入土长度不小于3.5m，其末端和钢拱架焊接牢固，与隧道周边现成一个加固层，以提高围岩自身承载力，支护如图3所示。

其支护作用如下：

（1）悬吊作用。

超前导管可以把开挖、爆破等造成的松动岩块悬吊在稳定岩层上，从而防止或减少岩块沿不连续面的移动。

（2）梁的作用。

小导管打入围岩后,其前端支撑于岩体,后端固定于钢支撑。

每根小导管相当于一根梁承受了其上岩体的荷载,同时超前小导管能够将薄层围岩紧固在一起，增加层间的摩擦力，减少围岩的有害变形。

（3）加固拱的作用。

超前导管将节理、裂隙的破碎软弱岩体紧紧压在一起，可增加破碎岩块之间力和岩体的黏结力，同时注浆使破碎岩体内充满浆液，现成一弧形加固拱，此加固拱不仅能保持自身稳定还能承受上部围岩的压力，阻止其破坏变形。

图3超前小导管支护示意图（单位：

mm）

选用直径42mm的无缝钢管制作超前小导管。

根据现场分析含黄土夹层的围岩不适合在此岩土内注浆，一是注浆浆夜不易进入围岩土类，二是所注入的浆夜会对黄土进行软化，软化的黄土会由于其本身湿陷性性质会发生塌方，此时在施工中在小导管空腔内注入M20砂浆凝固后或插入直径25mm的二级钢筋后安装，以增加小导管的刚度和强度，提高承载力；

对于不含黄土的破碎围岩采用超前注浆小导管。

3.3 

网喷射混凝土设计及支护作用

网喷射混凝土支护的主要作用是保护与加固围岩，改善围岩应力状态，从分发挥围岩的自稳能力：

（1）形成共同承载体系。

钢筋网的加入，能提高喷射混凝土的柔性和与围岩的附着能力，形成的网喷混凝土能及时给围岩提供支护抵抗力，与围岩构成一个共同的承载体系，一起产生一定的径向位移，从分发挥围岩自稳能力，防止围岩过大变形。

（2）避免围岩应力集中。

喷射混凝土填平围岩表面的空腔和及时封闭围岩表面，消除或减轻围岩局部应力集中。

（3）黏结作用。

高速进入岩体的喷射混凝土能使分割的岩块层面黏结在一起，防止岩石松动破坏和危岩冒落。

网喷设计参数：

隧道洞顶、边墙挂设直径6.5mm间距200mm×

200mm的一级钢筋钢筋网片,喷射C20混凝土，厚度15cm。

喷射混凝顺序为应先墙后拱，自下而上[2]，按螺旋状轨迹一圈压半圈横向运动进行喷射。

3.4 

复合式衬砌结构参数

经过以上设计分析，对原设计（图4）进行了修改，原设计为厚40cm模筑钢筋混凝土，要求施工中进行临时支护进行短掘短砌，按此设计施工安全、质量、工期均得不到保证。

故该隧道采用复合式衬砌结构，修改后为如图5所示，修改后的方案中先进行超前支护，超前导管嵌入围岩内，末端与钢拱架焊接形成纵向支撑防止围岩松动，同时在钢拱架上进行挂网锚喷，限制围岩变形，确保开挖过程安全。

其支护结构参数如下表：

表1复合式衬砌结构参数

复合式衬砌

支护单元

支护参数

备注

初期支护

钢拱架

工14，间距0.5m～1m

锁脚锚杆

L=2.5m

采用直径42mm无缝钢管制作

钢筋网

直径6.5mm一级钢筋，规格：

间距200mm×

200mm

纵向连接筋

直径22mm二级钢筋

纵向间距1m，并与钢拱架焊接牢固

超前小导管

L=4m，外插角10̊～15̊，环向间距0.35m沿拱部设计范围均匀布置

采用直径42mm壁厚4.0mm的无缝钢管制作

二次衬砌

模筑混凝土

C30钢筋混凝土30cm

初期支护6m～15m后做二次衬砌

4结语

（1）在陕西陕西昌隆公司水电站隧道工程施工中，采用“钢网喷”的初期支护和二次模筑混凝土的复合式衬砌支护结构，以喷射混凝土和锚杆为主要手段，把巷道的支护和衬砌与围岩看作相互作用的一个整体,能充分发挥喷锚支护快速、及时、与围岩密贴的特点，既发挥围岩的自承能力,又使支护起到加固围岩作用见图6。

另外,钢支撑、小导管也是重要的辅助支护手段,尤其是在软弱、破碎围岩隧道施工中,此两种支护手段与锚杆、喷射混凝土组成联合支护体系,形成了以钢支撑、小导管、锚杆、喷射混凝土和隧道围岩为一体的承载结构,并且与二次模筑混凝土一起较为合理的分担比例共同承受围岩释放荷载的作用。

从而保证隧道长期安全使用，不产生病害。

图6钢网喷结构图

（2）本次工程实践表明，复合式衬砌初期支护具有支护及时、柔性、密实度好、与围岩紧密粘结、不留空隙紧贴围岩、与围岩共同变形等特点；

二次衬砌具有长期可靠的作用，能保证隧道内壁平整，满足隧道对外观的基本要求。

复合式衬砌受力条件好，对加快施工进度，保证施工作业安全，节约劳动力及原材料，降低工程成本等效果显著，保证围岩的长期稳定。

（3）本次复合式衬砌结构在湿陷性黄土地区的成功运用，可为湿陷性黄土、软弱围岩、破碎围岩等类似工程条件的井巷工程设计和施工提供参考。

为确保工程建设安全质量,促进水电站建设技术进步具有十分重要的意义。