本發(fā)明涉及隧道修建技術領域，具體地指一種上軟下硬地層隧道支護結構及其施工方法。

背景技術：

隧道施工一般可采取礦山法、盾構(頂進)法，明挖法等工法施工。其中礦山法一般應用于地質條件較好，圍巖自穩(wěn)性較好的隧道。當上軟下硬地層需采用礦山法施工時，軟弱地層難以自穩(wěn)，在上部荷載作用下易坍塌變形。現有的上軟下硬地層礦山法隧道施工需要對隧道周邊一定范圍的軟弱地層進行加固，然后在加固的地層以及超前支護的保護下施工。采用現有技術可滿足一般條件下此類隧道施工，但在復雜條件下時，仍然存在以下問題：

1)在有條件的情況下，采用從地面向下加固的方式通常能取得較好的加固效果。但當隧道近距離下穿既有建(構)筑物時，則沒有條件從地面實施圍巖加固，只能采用洞內加固。而洞內加固施工空間有限，受現有技術所限，地層加固效果一般，且影響洞內其他工序施工。從現有的工程經驗來看，對于沉降要求高的礦山法隧道，當地面不具備加固條件時，加固效果通常難以保證。

2)隨著隧道跨度的增大，為將地表沉降控制在允許范圍內，需不斷加大超前支護和初期支護的剛度，但現有技術中廣泛采用的管棚、超前小導管注漿、鋼拱架和噴射混凝土等常規(guī)支護措施剛度增加的空間較為有限。如果僅采用現有的常規(guī)支護措施，在礦山法大跨度隧道開挖時，地層荷載作用在管棚及其初期支護上，其剛度相對較小，地層作用引起的變形較大，難以滿足沉降控制的要求。

3)大跨度隧道地層加固時，由于地層土體性質具有較大差異，加固體的抗壓強度，抗?jié)B性能會產生一定離散性，對沉降控制要求高的隧道，其安全可控性較差，施工中存在較高風險。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的就是要解決上述背景技術中提到的現有技術的支護結構存在的結構復雜、施工困難、穩(wěn)定性差、難以滿足沉降控制要求、安全控制性差的問題，提供一種上軟下硬地層隧道支護結構及其施工方法。

本發(fā)明的技術方案為：一種上軟下硬地層隧道支護結構，其特征在于：包括位于隧道限界上部的管幕結構和位于隧道限界下方的支撐結構；所述的管幕結構包括多根沿隧道軸向穿設于隧道上部軟弱土層內的鋼管，多根鋼管沿隧道的圓周方向間隔布置形成覆蓋在隧道上方的拱形結構，相鄰鋼管之間兩塊沿隧道圓周方向布置的鋼板固定連接；所述的相鄰鋼管之間的兩塊鋼板沿隧道的徑向平行間隔布置，兩塊鋼板之間的空間通過開設于鋼管側壁的安裝槽與鋼管內部空間連通，鋼板與鋼管形成拱形的連通空腔；所述的連通空腔內澆筑有鋼筋混凝土；所述的支撐結構的上端連接于管幕結構兩側最下端的兩根鋼管上與管幕結構形成環(huán)繞在隧道外側的封閉支護結構。

進一步的所述的支撐結構包括埋設于堅硬土層內的位于隧道限界兩側的側部初期支護和位于隧道限界下方的下部初期支護，側部初期支護的下端固定在下部初期支護的兩端形成承接于隧道下方的U型支撐結構，側部初期支護的上端與管幕結構的兩側最下端的鋼管連接，側部初期支護、下部初期支護和鋼管以及鋼板形成密封的環(huán)狀腔體支護結構。

進一步的所述的支撐結構還包括二次襯砌；所述的二次襯砌為澆筑于側部初期支護和下部初期支護內側的U型鋼筋混凝土結構，二次襯砌的兩側上端與管幕結構兩側最下端的兩根鋼管固定連接。

進一步的所述的鋼板沿隧道軸向方向連續(xù)布置，相鄰鋼管之間的兩塊鋼板之間設置有立柱；所述的立柱為沿隧道的徑向方向布置的桿件結構，立柱的兩端分別固定在相鄰兩塊鋼板上。

進一步的所述的鋼管內穿設有多根沿隧道軸向間隔布置的鋼管鋼筋，鋼管鋼筋沿隧道的圓周方向將所有的鋼管連接為整體結構，鋼管鋼筋通過混凝土澆筑于連通空腔內。

進一步的所述的二次襯砌內澆筑有多根沿隧道軸向方向間隔布置的襯砌鋼筋；所述的襯砌鋼筋的兩側上端與對應的鋼管鋼筋的兩側下端焊接連接形成圍繞在隧道圓周外側的環(huán)形結構。

進一步的所述的管幕結構與下部初期支護之間設置有支撐桿；所述的支撐桿的上端固定在鋼管的側壁，下端支撐于隧道底部的堅硬土層上。

一種上軟下硬地層隧道支護結構的施工方法，其特征在于：所述的施工方法包括以下步驟：

1)、在隧道限界上方的軟弱土層中沿隧道軸向方向插打鋼管，依順序間隔施作鋼管直至形成覆蓋在隧道限界上方的拱形結構；

2)、從鋼管內部在鋼管側壁上開設安裝槽，在安裝槽中插入兩塊鋼板，將鋼板的兩端分別焊接在相鄰的兩根鋼管上，從鋼管內部開挖鋼板之間的土體，在兩塊鋼板之間施作內支撐；

3)、分塊開挖隧道，沿隧道側部和下部的堅硬土層施工支撐結構，將管幕結構兩側最下端的鋼管固定在支撐結構的上端；

4)、繼續(xù)開挖下一循環(huán)區(qū)段的隧道，直至所有區(qū)段隧道完成施工。

進一步的所述的步驟3中，沿隧道側部和下部的堅硬土層施工支撐結構的方法為：分塊開挖隧道，依次施工側部初期支護和下部初期支護并將兩者連接為一體，將側部初期支護的上端連接在管幕結構兩側最下端的兩根鋼管的側壁，待一循環(huán)區(qū)段的隧道開挖完成后，沿側部初期支護和下部初期支護架設襯砌鋼筋，將襯砌鋼筋與鋼管鋼筋焊接連接，在側部初期支護和下部初期支護的內側澆筑鋼筋混凝土使之形成支撐管幕結構的二次襯砌。

進一步的分塊開挖隧道的施工方法為：先開挖隧道兩側的第一開挖區(qū)段，沿隧道限界兩側的堅硬土層施工側部初期支護，將側部初期支護的鋼架上端焊接在管幕結構兩側最下端的鋼管上，在管幕結構與隧道限界底部的堅硬土層之間安裝支撐桿，然后開挖隧道中間的第二開挖區(qū)段，沿隧道底部的堅硬土層施工下部初期支護，將側部初期支護的下端連接在下部初期支護上。

本發(fā)明的優(yōu)點有：1、本發(fā)明的隧道超前支護結構，相比現有的超前支護具有更大的剛度與整體性，同時對地層的變形影響更??；

2、本發(fā)明通過將管幕結構結合初期支護結構、二次襯砌形成的復合襯砌構成整個隧道的封閉支護結構體系，對上軟下硬地層的地層具有良好適應性；

3、本發(fā)明上部管幕結構采用盾構法或是頂進法進行施工、下部采用礦山法開挖的施工方法，相比現有施工方法具有對地表變形影響小、施工靈活、施工速度較快的特點，對上軟下硬地層的大跨度隧道具有良好適應性；

4、本發(fā)明隧道限界上部采用拱形的管幕結構進行支護，可以適用于隧道與既有地下建(構)筑物基礎之間距離很小的情況，且施工對既有結構影響很小。

本發(fā)明通過拱形的管幕結構增強了軟弱土層中超前支護的強度，避免了在軟弱土層施工隧道容易出現垮塌的問題發(fā)生，通過初期支護和二次襯砌結構增強了施工靈活性，減小了對地表的影響，施工安全性高，提高了施工效率，具有極大的推廣價值。

附圖說明

圖1：本發(fā)明的結構示意圖；

圖2：本發(fā)明的管幕結構和支撐結構分布關系結構示意圖；

圖3：本發(fā)明的管幕結構與二次襯砌連接結構示意圖；

其中：1—鋼管；2—鋼板；3—側部初期支護；4—下部初期支護；5—立柱；6—鋼管鋼筋；7—連通空腔；8—支撐桿；9—安裝槽；10—襯砌鋼筋；11—二次襯砌；12—第一開挖區(qū)段；13—第二開挖區(qū)段。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

如圖1～3，一種上軟下硬地層隧道支護結構，本實施例的支護結構包括兩部分，一是位于隧道限界上方的處于軟弱土層內的管幕結構，二是位于隧道下方的處于堅硬土層內的支撐結構，管幕結構用于增強軟弱土層中超前支護的強度，避免在隧道施工過程中出現垮塌的問題，支撐結構與管幕結構固定連接形成環(huán)形的腔體結構，環(huán)繞在隧道的外側，用于支撐隧道開挖施工。

如圖1～2所示，管幕結構包括多根沿隧道軸向穿設于隧道上部軟弱土層內的鋼管1，本實施例的鋼管1通過盾構法或是頂進法進行施工，多根鋼管1沿隧道的圓周方向間隔布置形成覆蓋在隧道上方的拱形結構，如圖1～2所示，為接近于半圓形的結構，拱形結構穩(wěn)定性好，應力傳遞和消散較好，具有良好的穩(wěn)定支撐功能。本實施例在相鄰鋼管1之間設置鋼板2，通過鋼板2將所有的鋼管1連接為整體的半圓形結構。

相鄰鋼管1之間設置有至少兩片以上的多片鋼板2，多片鋼板2沿隧道的徑向方向間隔布置，鋼板2的兩端分別焊接在相鄰的兩個鋼管1側壁上。單片鋼板2沿隧道的軸向方向連續(xù)布置于兩根相鄰的鋼管1之間。

本實施例的相鄰鋼管1之間設置有兩片鋼板2，每片鋼板2沿隧道的圓周方向布置，兩片鋼板2沿隧道的徑向方向間隔布置。相鄰的鋼板2之間設置有立柱5，立柱5為沿隧道的徑向方向布置的桿件結構，立柱5的兩端分別固定在相鄰兩塊鋼板2上。立柱5提高了鋼板2之間的剛度，避免了在受到軟弱土層的壓力時出現鋼板2變形的問題。

安裝鋼板2是通過鋼管1上的安裝槽9來實現的，從鋼管1的內部在鋼管1的側壁上開設安裝槽9，通過安裝槽9安裝鋼板2，將鋼板2焊接在鋼管1的側壁上，兩塊鋼板2之間的空間通過安裝槽9與鋼管1內部空間連通，形成沿隧道的圓周方向布置的位于軟弱土層內的拱形連通空腔7，如圖1～3所示。

連通空腔7內穿設有鋼管鋼筋6，鋼管鋼筋6為弧形鋼筋，鋼管鋼筋6沿隧道的圓周方向貫通鋼管1，將所有的鋼管1連接為整體結構，鋼管鋼筋6通過安裝槽9穿設于相鄰鋼管1之間的兩片鋼板2之間，同時向連通空腔7內灌注混凝土，混凝土自流實到鋼管1內部和鋼板2之間，與鋼管鋼筋6形成鋼筋混凝土結構，混凝土將鋼管1、鋼板2、立柱5和鋼管鋼筋6連接為整體結構，整個管幕結構形成一個籠罩在隧道上方的鋼筋混凝土保護罩結構。

如圖1～2所示，支撐結構包括埋設于堅硬土層內的位于隧道限界兩側的側部初期支護3和位于隧道限界下方的下部初期支護4，支撐結構主要是在開挖以后進行安裝的用于支撐管幕結構，其中，側部初期支護3的下端固定在下部初期支護4的兩端形成承接于隧道下方的U型支撐結構，側部初期支護3的上端與管幕結構的兩側最下端的鋼管1連接，如圖3所示，側部初期支護3、下部初期支護4和鋼管1以及鋼板2形成密封的環(huán)狀腔體支護結構。側部初期支護3和下部初期支護4為鋼板結構，起到穩(wěn)定支撐管幕結構的目的。

隧道在開挖過程中，由于管幕結構的自重，在下方沒有任何支撐的情況下進行隧道開挖，有可能出現管幕結構垮塌的問題，因此在開挖隧道的過程中，需要在管幕結構與隧道底部之間設置支架，本實施例的支架為支撐桿8，如圖1～2所示，支撐桿8的上端固定在鋼管1的上，下端支承于隧道底部的堅硬土層上，通過支撐桿8的支撐，能夠避免在隧道開挖過程中出現管幕結構垮塌的問題。

安裝好了側部初期支護3和下部初期支護4以后，可以進行二次襯砌11的安裝，二次襯砌11是在區(qū)段隧道挖掘完成后，在隧道底部和側部進行安裝的二次支撐結構，本實施例的二次襯砌11包括襯砌鋼筋10，襯砌鋼筋10為沿隧道圓周方向布置的半圓形鋼筋，襯砌鋼筋10的兩端分別與對應鋼管鋼筋6的兩端焊接連接，通過襯砌鋼筋10和鋼管鋼筋6的連接，能夠有效的將管幕結構和支撐結構連接為整體。依托襯砌鋼筋10為骨架澆筑混凝土，形成二次襯砌11，二次襯砌11為貼合在側部初期支護3和下部初期支護4上的U型結構，二次襯砌11的上端固定在管幕結構兩側最下端的鋼管1上，實際上，二次襯砌11和管幕結構連接為一體，這樣整個支護結構就形成了一個完整的閉合腔體結構，上部的管幕結構承受軟弱土層的壓力，下部支撐結構將這些壓力消散到堅硬土層中，保證了隧道在施工和后期運行的穩(wěn)定性。

本實施例的具體是施工方法包括以下步驟：1、在隧道限界上方的軟弱土層中沿隧道軸向方向插打鋼管1，使用盾構法或是頂進法進行隧道施工，先施工距離堅硬土層最近的鋼管1，然后依托施工完成的鋼管1進行相鄰鋼管1的施工，直至所有的鋼管1形成圍繞在隧道限界上方的拱形結構，多根鋼管1沿隧道的圓周方向依次間隔布置，

2、從鋼管1內部在鋼管1側壁上開設安裝槽9，在安裝槽9中插入兩塊鋼板2，將鋼板2的兩端分別焊接在相鄰的兩根鋼管1上，從鋼管1內部開挖鋼板2之間的土體，在兩塊鋼板2之間焊接立柱5，使立柱5沿隧道的徑向方向支撐鋼板2，

3、在鋼管1內架設鋼管鋼筋6，向鋼管1內部和鋼板2之間澆筑混凝土，保證混凝土能夠流入到鋼管1和鋼板2形成的連通空腔7內，

4、分塊開挖隧道，本實施例將隧道開挖分成三部分，如圖1所示，為隧道兩側的第一開挖區(qū)段12和中間的第二開挖區(qū)段13，施工初期支護時，先開挖隧道兩側的第一開挖區(qū)段12，沿隧道限界兩側的堅硬土層施工側部初期支護3，將側部初期支護3的上端連接在管幕結構兩側最下端的鋼管1上，在管幕結構與隧道限界底部的堅硬土層之間安裝支撐桿8，然后開挖隧道中間的第二開挖區(qū)段13，沿隧道底部的堅硬土層布置下部初期支護4，將側部初期支護3的下端連接在下部初期支護4上，

5、待一循環(huán)區(qū)段的隧道開挖完成后，拆除該循環(huán)區(qū)段中的支撐桿8，進行該循環(huán)區(qū)段內的二次襯砌施工，先沿側部初期支護3和下部初期支護4架設襯砌鋼筋10，將襯砌鋼筋10與鋼管鋼筋6焊接連接，在側部初期支護3和下部初期支護4的內側澆筑混凝土使之形成支撐管幕結構的二次襯砌11，保證二次襯砌11與管幕結構中的鋼筋混凝土穩(wěn)定連接，

6、待混凝土養(yǎng)護完成后，進行下一循環(huán)區(qū)段的隧道施工，依次交替進行，直至所有區(qū)段隧道完成施工。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等同物界定。