專利名稱：高應(yīng)力區(qū)臨河硬巖雙線隧道圍巖脆性破壞的支護(hù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高應(yīng)力區(qū)臨河硬巖雙線隧道圍巖脆性破壞的支護(hù)方法。
背景技術(shù)：
高應(yīng)力區(qū)硬巖隧道脆性破壞常伴隨著巖體的高能量快速釋放，出現(xiàn)突發(fā)性、能量快速釋放、難以預(yù)測性等特點(diǎn)，對隧道施工人員和設(shè)備造成極大危害。至今，國內(nèi)外對高應(yīng)力區(qū)硬巖隧道的脆性破壞處理多為圍巖的支護(hù)技術(shù)，歸納起來，主要為對圍巖進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)，防止圍巖的能量釋放，包括布設(shè)短而密的摩擦型錨桿、噴覆具有較強(qiáng)韌性的柔性混凝土等。這些措施在國際上很早就進(jìn)行了應(yīng)用，且在國內(nèi)的錦屏二級引水隧道、二郎山隧道、秦嶺隧道、太平驛水電站引水隧洞，加拿大Mine — By、瑞典APSE硬巖隧道等工程中也進(jìn)行過應(yīng)用，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，但對于洞徑較大的雙線隧道而言，全斷面的強(qiáng)支護(hù)方法造成支護(hù)成本上升，圍巖變形控制不協(xié)調(diào)。從已有的工程應(yīng)用效果反饋可知，僅僅依賴單一的強(qiáng)支護(hù)無法達(dá)到完全控制大斷面圍巖的脆性破壞，對于具有較強(qiáng)方向性的高應(yīng)力區(qū)臨河雙線隧道的脆性破壞，全斷面整體強(qiáng)支護(hù)方法在經(jīng)濟(jì)上較為浪費(fèi)。當(dāng)前所有的硬巖隧道脆性破壞控制技術(shù)均是針對隧道全斷面而提出的，而高應(yīng)力地區(qū)的臨河巖體應(yīng)力場具有強(qiáng)烈的方向性，最大主應(yīng)力平行于河谷坡面，在臨河區(qū)修建雙線隧道，隧道的圍巖力學(xué)行為具有強(qiáng)烈的方向性，即圍巖脆性破壞的部位與最大主應(yīng)力方向垂直。傳統(tǒng)的全斷面強(qiáng)支護(hù)系統(tǒng)的控制能力不協(xié)調(diào)，且過強(qiáng)的支護(hù)控制措施意味著大量的支護(hù)作業(yè)，造成資源浪費(fèi)和施工時(shí)間過長，既不經(jīng)濟(jì)也不高效。故當(dāng)前國內(nèi)外對于高應(yīng)力區(qū)臨河雙線硬巖隧道的圍巖支護(hù)基本處于空白狀態(tài)。隨著公路鐵路等交通工程中高應(yīng)力特長穿山隧道越來越多，高應(yīng)力區(qū)雙線硬巖隧道也日益增多，因此，該問題亟待解決。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述存在問題，本發(fā)明的目的是為了提供一種克服全斷面強(qiáng)支護(hù)帶來的隧道變形不協(xié)調(diào)且隧道支護(hù)材料過多不經(jīng)濟(jì)的問題，充分利用臨河隧道圍巖變形破壞的方向性，達(dá)到既能控制圍巖的脆性破壞、保證施工安全，又能控制圍巖的協(xié)調(diào)變形，施工建設(shè)效率高，節(jié)約成本的高應(yīng)力區(qū)臨河硬巖雙線隧道圍巖脆性破壞的支護(hù)方法。本發(fā)明的目的是這樣來實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明高應(yīng)力區(qū)臨河硬巖雙線隧道圍巖脆性破壞的支護(hù)方法，包括以下步驟
1)通過坡面與隧道位置的關(guān)系圖，確定脆性破壞高危區(qū)域在隧道橫截面上的平面位置，確定臨河側(cè)圍巖和臨山體側(cè)圍巖；
2)前方圍巖尚未開挖時(shí)，向掌子面前方、脆性破壞高危區(qū)施做超前錨桿支護(hù)；
3)臨河硬巖雙線隧道的開挖臨河側(cè)局部圍巖進(jìn)行超挖施工，臨山體側(cè)圍巖進(jìn)行正常開挖；
4)隧道臨河側(cè)圍巖的支護(hù)采用強(qiáng)支護(hù)措施，并進(jìn)行及時(shí)噴錨支護(hù)；
5)隧道臨山體側(cè)圍巖采用常規(guī)施工和支護(hù)作業(yè)；
6)隧道整體掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，噴射普通混凝土并施做二次襯砌；
7)隧道底板的施作先施作臨河側(cè)的底板，再施作臨山體側(cè)的底板。
上述的臨河硬巖雙線隧道地處最大主應(yīng)力大于20MPa的地應(yīng)力環(huán)境。上述的臨河側(cè)圍巖為平行于河谷坡面靠臨河側(cè)方向的隧道圍巖。上述的超前錨桿為摩擦型錨桿，入射角度盧為錨桿與隧道中軸線的夾角，入射角度選取30° 60°。上述的臨河側(cè)圍巖超挖位置為0=90° a
其中Θ為超挖部位與隧道形心連線與水平線的夾角，〃為河谷坡面與水平面的夾角。上述的臨河側(cè)超挖部位進(jìn)行O. 2 O. 3m的弧線超挖，超挖輪廓線保持平滑。上述的臨河側(cè)圍巖超挖后，對揭露的開挖面進(jìn)行及時(shí)的噴射鋼纖維混凝土，噴層 厚度為5 IOcm,對圍巖進(jìn)行系統(tǒng)錨桿支護(hù),布置摩擦型錨桿,摩擦型錨桿長度為3 5m,間距為1. 5mX1. 5m,整體掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，復(fù)噴5 20cm厚的普通混凝土。上述的臨山體側(cè)圍巖開挖后，對圍巖進(jìn)行噴錨支護(hù)，布置機(jī)械式錨桿，機(jī)械式錨桿長度為4 8m,間距為2. 5mX 2. 5m,復(fù)噴5 20cm厚的普通混凝土。上述的隧道底板的施作是隧道仰拱澆筑回填以及路面結(jié)構(gòu)的修建。本發(fā)明采用對隧道臨河側(cè)和臨山體側(cè)進(jìn)行不同的支護(hù)方法，臨河側(cè)圍巖的強(qiáng)支護(hù)使得平行于河谷坡面的應(yīng)力和能量得以預(yù)調(diào)整，可有效控制圍巖的脆性破壞程度，同時(shí)對臨山體側(cè)圍巖進(jìn)行常規(guī)支護(hù)，二者施工使隧道支護(hù)完成后圍巖具有相同的協(xié)調(diào)變形，且隧道支護(hù)成本大大降低，大大提高了施工效率。本發(fā)明的支護(hù)方法解決了高應(yīng)力區(qū)臨河雙線隧道施工過程中強(qiáng)支護(hù)帶來的不合理和不經(jīng)濟(jì)、同時(shí)也提高了雙線隧道的施工建設(shè)速度，具有強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。適用于各種公路、鐵路等高應(yīng)力區(qū)臨河雙線隧道工程。


圖1是本發(fā)明臨河雙線硬巖隧道的強(qiáng)弱支護(hù)截面示意圖。圖2是本發(fā)明的超挖洞段的位置示意圖。圖3是本發(fā)明的脆性破壞洞段的支護(hù)圖。圖4是本發(fā)明圖3中沿隧道中線縱向I一I截面圖。
具體實(shí)施例方式 本發(fā)明針對圖1高應(yīng)力下臨河硬巖雙線隧道的特殊情況進(jìn)行研究，臨河硬巖雙線隧道地處最大主應(yīng)力大于20MPa的地應(yīng)力環(huán)境。本實(shí)施例的雙線隧道設(shè)計(jì)開挖斷面直徑為10m。高應(yīng)力狀態(tài)下大直徑的硬巖隧道開挖，使得巖體圍巖的聚集的高能量突然釋放，誘發(fā)圍巖發(fā)生突發(fā)性的脆性破壞，嚴(yán)重威脅施工人員和設(shè)備的安全。本發(fā)明采取重點(diǎn)部位重點(diǎn)防治，以及與整體支護(hù)相結(jié)合的支護(hù)方法，力求安全經(jīng)濟(jì)地解決類似隧道工程的中等以下脆性破壞的支護(hù)問題。本實(shí)施例臨河硬巖雙線隧道圍巖脆性破壞的支護(hù)方法包括以下步驟
(I)隧道圍巖的支護(hù)分為兩部分，隧道圍巖臨河側(cè)圍巖實(shí)行強(qiáng)支護(hù)，臨山體側(cè)圍巖實(shí)行弱支護(hù)。根據(jù)地質(zhì)資料確定山坡坡面與隧道的位置關(guān)系如圖1，確定臨河側(cè)圍巖2和臨山體側(cè)圍巖3，由過隧道截面形心且平行于坡面I的線4劃分兩區(qū)域。(2)雙線隧道臨河側(cè)圍巖的超前支護(hù)和超挖的A、B位置，根據(jù)河谷坡面I和隧道形心位置確定?！癡”型河谷坡面的地應(yīng)力場具有一定的規(guī)律性，最大主應(yīng)力場平行于坡面1，而隧道開挖后硬巖的脆性破壞的位置A和B與最大主應(yīng)力場的方向密切相關(guān)，A和B發(fā)生在平行于坡面I的隧道洞壁位置。因此，隧道需要進(jìn)行超前支護(hù)和超挖位置也位于A、B。根據(jù)圖2的關(guān)系式〃二90° — 〃，其中β為超挖部位A、B與隧道形心連線與水平線的夾角，a為河谷坡面與水平面的夾角，a角為60°，A、B與隧道形心連線與水平線的β夾角為30°。點(diǎn)Α、Β上下范圍一定區(qū)域?yàn)楦呶４嘈云茐膮^(qū)域，高危脆性破壞區(qū)域范圍由最大主應(yīng)力和隧道直徑?jīng)Q定，取為隧道直徑的D的O. 5倍，其沿洞壁的長度為5m。(3)隧道掌子面前方圍巖尚未開挖時(shí)，向掌子面前方脆性破壞高危區(qū)施作超前錨桿支護(hù)，如圖3和圖4中的9，錨桿采用摩擦型錨桿。由于不同支護(hù)時(shí)機(jī)情況下圍巖能量釋放量有較大差異，超前支護(hù)方案能量釋放量比無支護(hù)方案減少70%，比滯后支護(hù)方案減少30%，表明滯后支護(hù)導(dǎo)致更多圍巖破壞，釋放更多能量，圍巖脆性破壞更為嚴(yán)重，故對高應(yīng)力下硬巖的脆性破壞進(jìn)行超前及時(shí)支護(hù)。摩擦型錨桿在位移量很大時(shí)仍有較大的承載能力，故超前支護(hù)錨桿選擇摩擦型錨桿。摩擦型錨桿入射角度β為錨桿延長線與隧道中軸線12的夾角，入射角度盧選取30°，摩擦型錨桿直徑為32mm，錨桿長度為Sm，錨桿間距為1.0m，呈梅花放射型布置。
(4)隧道臨河側(cè)圍巖2開挖后，對圖3中的高危脆性破壞區(qū)域A或B進(jìn)行適度超挖。在適度超挖情況下，雖然隧道圍巖洞壁會(huì)產(chǎn)生有局部應(yīng)力集中，但高集中應(yīng)力范圍較超挖前會(huì)有所下降，傳力途徑發(fā)生變化，高應(yīng)力區(qū)會(huì)向深部發(fā)展，使得洞壁的環(huán)向應(yīng)力不集中于開挖輪廓線上，而是向較深方向轉(zhuǎn)移，從而降低圍巖洞壁發(fā)生脆性破壞的危險(xiǎn)性。因此，對高危脆性破壞區(qū)域A或B進(jìn)行適度超挖。在本實(shí)施例中，對臨河側(cè)高危脆性破壞區(qū)域A或B進(jìn)行O. 3m的弧線超挖，弧線半徑為4m，弧長為5m，超挖輪廓線保持平滑，超挖弧線與隧道洞壁接觸處漸進(jìn)平滑過渡，防止洞壁出現(xiàn)應(yīng)力集中。(5)隧道臨河側(cè)圍巖2開挖后，對圖3中的高危脆性破壞區(qū)域A或B揭露的開挖面及時(shí)噴射鋼纖維混凝土 5，噴射鋼纖維混凝土 5厚度為5cm。由于鋼纖維混凝土的韌性比普通混凝土強(qiáng)12倍，鋼纖維混凝土能允許破壞前巖體發(fā)生較大的位移，從而吸收更大的能量，更有利于防止圍巖的脆性破壞。對隧道臨河側(cè)區(qū)域2的圍巖進(jìn)行系統(tǒng)錨桿支護(hù)10，布置摩擦型錨桿。摩擦型錨桿長度為5m。間距為1. 5mX1. 5m，整體掛設(shè)鋼筋網(wǎng)6，復(fù)噴20cm厚的普通混凝土 7。以錨桿、噴射混凝土和鋼筋網(wǎng)為主的柔性支護(hù)系統(tǒng)緊貼周壁巖石布置，有助于噴、錨、網(wǎng)形成渾然一體的整體組合作用，相輔相成，進(jìn)而起到防止或降低脆性破壞發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)性的作用。(6)隧道臨山體側(cè)圍巖3開挖后，對圍巖進(jìn)行噴錨支護(hù)，布置機(jī)械式錨桿11。機(jī)械式錨桿長度為4m,機(jī)械式錨桿間距為2. 5mX 2. 5m。復(fù)噴20cm厚的普通混凝土。隧道臨河側(cè)圍巖2和臨山體側(cè)圍巖3的系統(tǒng)支護(hù)完成后，對隧道全斷面進(jìn)行二次襯砌8。二次襯砌厚度為40cm,采用C40混凝土燒筑。(7)隧道仰拱澆筑回填以及路面結(jié)構(gòu)的修建，應(yīng)優(yōu)先施作臨河側(cè)2的隧道仰拱，再施作臨山體側(cè)3的仰拱。上述實(shí)施例是對本發(fā)明的上述內(nèi)容作進(jìn)一步的說明，但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于上述實(shí)施例。凡基于上述內(nèi)容所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.高應(yīng)力區(qū)臨河硬巖雙線隧道圍巖脆性破壞的支護(hù)方法，包括以下步驟 1)通過坡面與隧道位置的關(guān)系圖，確定巖爆高危區(qū)域，在隧道橫截面上的平面位置，確定臨河側(cè)圍巖和臨山體側(cè)圍巖； 2)前方圍巖尚未開挖時(shí)，向掌子面前方、巖爆高危區(qū)施作超前錨桿支護(hù)； 3)臨河硬巖雙線隧道的開挖臨河側(cè)局部圍巖進(jìn)行超挖施工，臨山體側(cè)圍巖進(jìn)行正常開挖； 4)隧道臨河側(cè)圍巖的支護(hù)采用強(qiáng)支護(hù)措施，并進(jìn)行及時(shí)噴錨支護(hù)； 5)隧道臨山體側(cè)圍巖采用常規(guī)施工和支護(hù)作業(yè)； 6)隧道整體掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，噴射普通混凝土并施作二次襯砌； 7)隧道底板的施作先施作臨河側(cè)的底板，再施作臨山體側(cè)的底板。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高應(yīng)力區(qū)臨河硬巖雙線隧道圍巖脆性破壞的支護(hù)方法，其特征在于所述的臨河硬巖雙線隧道地處最大主應(yīng)力大于20MPa的地應(yīng)力環(huán)境。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高應(yīng)力區(qū)臨河硬巖雙線隧道圍巖脆性破壞的支護(hù)方法，其特征在于所述的臨河側(cè)圍巖為平行于河谷坡面靠臨河側(cè)方向的隧道圍巖。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的高應(yīng)力區(qū)臨河硬巖雙線隧道圍巖脆性破壞的支護(hù)方法，其特征在于所述的超前錨桿為摩擦型錨桿，入射角度P為錨桿與隧道中軸線的夾角，入射角度衫選取30° 60°。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的高應(yīng)力區(qū)臨河硬巖雙線隧道圍巖脆性破壞的支護(hù)方法，其特征在于所述的臨河側(cè)圍巖超挖位置為〃=90° -a 其中9為超挖部位與隧道形心連線與水平線的夾角，a為河谷坡面與水平面的夾角。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的高應(yīng)力區(qū)臨河硬巖雙線隧道圍巖脆性破壞的支護(hù)方 法，其特征在于所述的臨河側(cè)圍巖超挖部位進(jìn)行0. 2 0. 3m的弧線超挖，超挖輪廓線保持平滑。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的高應(yīng)力區(qū)臨河硬巖雙線隧道圍巖脆性破壞的支護(hù)方法，其特征在于所述的臨河側(cè)圍巖超挖后對揭露的開挖面進(jìn)行及時(shí)的噴射鋼纖維混凝土，噴層厚度為5 10cm，對圍巖進(jìn)行系統(tǒng)錨桿支護(hù)，布置摩擦型錨桿，摩擦型錨桿長度為3 5m,間距為I. 5mX I. 5m,整體掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，復(fù)噴5 20cm厚的普通混凝土。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的高應(yīng)力區(qū)臨河硬巖雙線隧道圍巖脆性破壞的支護(hù)方法，其特征在于所述的臨山體側(cè)圍巖開挖后，對圍巖進(jìn)行噴錨支護(hù)，布置機(jī)械式錨桿，機(jī)械式錨桿長度為4 8m,間距為為2. 5mX 2. 5m,復(fù)噴5 20cm厚的普通混凝土。
9.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的高應(yīng)力區(qū)臨河硬巖雙線隧道圍巖脆性破壞的支護(hù)方法，其特征在于所述的隧道底板的施做是隧道仰拱澆筑回填以及路面結(jié)構(gòu)的修建。
全文摘要
本發(fā)明高應(yīng)力區(qū)臨河硬巖雙線隧道圍巖脆性破壞的支護(hù)方法。包括1)確定巖爆高危區(qū)域在隧道橫截面上的平面位置，確定臨河側(cè)圍巖和臨山體側(cè)圍巖；2)前方圍巖尚未開挖時(shí)，向掌子面前方、巖爆高危區(qū)施做超前錨桿支護(hù)；3)臨河硬巖雙線隧道的開挖4)臨河側(cè)圍巖采用強(qiáng)支護(hù)，噴錨支護(hù)，5)隧道臨山體側(cè)圍巖采用常規(guī)支護(hù)；6)隧道整體掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，施做二次襯砌；7)隧道底板的施作。本發(fā)明方法克服了高應(yīng)力區(qū)硬巖隧道支護(hù)材料過多的問題，解決了高應(yīng)力硬巖隧道脆性破壞、節(jié)約支護(hù)成本，適用于各種公路、鐵路等高應(yīng)力區(qū)臨河雙線隧道工程。
文檔編號E21D21/00GK102979543SQ20121056678
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月25日
發(fā)明者陳國慶, 李天斌, 馮學(xué)鋼, 何雁, 何成, 蔣正波 申請人:成都理工大學(xué)