软岩隧洞让压复合支护体系台阶法施工围岩变形控制方法

本发明涉及水利水电工程设计，具体地指一种软岩隧洞让压复合支护体系台阶法施工围岩变形控制方法。

背景技术：

1、在我国水资源集中的西部及西南高山峻岭地区修建调水工程，大多采用隧洞输水方式，长距离输水隧洞是调水工程建设的关键控制性工程。由于隧洞线路长，大多要穿越地质构造背景复杂的山岭地区，不仅面临自然环境恶劣、地震烈度高、地形地质条件复杂等不利因素，且隧洞或隧道单洞长、埋深大。大量工程实践表明，对于深埋软岩隧洞，围岩大变形失稳是隧洞施工中最常见且难以控制的灾变模式之一。深埋软岩隧洞施工期发生的围岩大变形往往会引起支护结构破坏、初期支护侵限等现象，若处理不当将造成隧洞围岩塌方，甚至将完全堵塞，极易造成施工人员伤亡、毁坏施工设备、延误工期、增加工程成本。

2、应对软岩隧洞围岩大变形，传统做法为增强初期支护强度，如增加喷混厚度、缩小钢拱架布置间距或采用高规格型钢拱架等。但工程实践表明，软岩隧洞开挖后围岩变形往往具有明显的时效性特点，围岩持续的时效变形最终也将会导致上述支护体系受力不断增大，从而引起隧洞失稳风险。

3、为了克服上述应对措施的缺陷，越来越多的工程尝试采用让压支护措施，如让压锚杆、可伸缩钢拱架、可压缩缓冲层、可压缩衬砌等，其中以u型钢拱架为代表的可缩式钢拱架，在煤矿大变形巷道中得到广泛应用。但是，煤矿巷道与水工隧洞、或交通隧道在开挖方式、断面形式等方面存在显著不同，目前在隧洞或隧道工程领域，尚未形成统一有效的让压支护体系及施工工法。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足之处，本发明提出一种软岩隧洞让压复合支护体系台阶法施工围岩变形控制方法，不仅确保安全施工并限制初期变形，而且限制后期进一步变形，有效控制软岩隧洞围岩大变形。

2、为达到上述目的，本发明所设计的一种软岩隧洞让压复合支护体系台阶法施工围岩变形控制方法，其特别之处在于，包括如下步骤：

3、s1)在第一循环开挖支护之前，采用自进式超前管棚预注浆，对软岩隧洞拱顶进行超前加固；

4、s2)将软岩隧洞横断面从上至下依次分为上台阶、中台阶、下台阶和底拱，并对各台阶和底拱均设置双层一次支护结构，具体步骤如下，

5、s21)首先环向开挖软岩隧洞上台阶弧形导坑，预留核心土，沿隧洞纵向间隔架设外层h型钢拱架，并紧贴上台阶两侧边沿的各h型钢拱架位置处打设锁脚锚管，且锁脚锚管与对应h型钢拱架固定连接，对上台阶纵向布置的各h型钢拱架之间喷射混凝土至设计厚度；

6、s22)开挖软岩隧洞左、右侧中台阶，预留核心土，对接步骤s21)中的各外层h型钢拱架，并紧贴中台阶左、右侧边沿的各h型钢拱架位置处打设锁脚锚管，且锁脚锚管与对应h型钢拱架固定连接，对中台阶纵向布置的各h型钢拱架之间喷射混凝土至设计厚度；

7、s23)紧贴上台阶和中台阶位置处的混凝土外侧，沿隧洞纵向间隔架设内层u型钢拱架；

8、s24)开挖软岩隧洞左、右侧下台阶，预留核心土，对接步骤s22)中的各外层h型钢拱架，并紧贴下台阶左、右侧边沿的各h型钢拱架位置处打设锁脚锚管，且锁脚锚管与对应h型钢拱架固定连接，对下台阶纵向布置的各h型钢拱架之间喷射混凝土至设计厚度；

9、s25)开挖软岩隧洞底拱，对接步骤s24)中的各外层h型钢拱架，使每个外层h型钢拱架密闭成环，并紧贴底拱两侧边沿的各h型钢拱架位置处打设锁脚锚管，且锁脚锚管与对应h型钢拱架固定连接，对底拱纵向布置的各h型钢拱架之间喷射混凝土至设计厚度；

10、s26)紧贴下台阶和底拱位置处的混凝土外侧，对接步骤s23)中的各内层u型钢拱架，使每个内层u型钢拱架密闭成环，对外层h型钢拱架与内层u型钢拱架的支护空隙之间、以及纵向布置的各内层u型钢拱架之间充填聚乙烯；

11、s3)重复步骤s1)和s2)，进行第二、三循环开挖支护；

12、s4)紧贴双层一次支护结构外侧，设置缓释消能层；

13、s5)紧贴缓释消能层外侧，现浇钢筋混凝土衬砌层。

14、进一步地，s1)中，对软岩隧洞拱顶150°～170°范围间隔设置若干根自进式超前管棚，且每根超前管棚朝向隧洞纵向倾斜，外倾角为5°～10°。

15、更进一步地，s1)中，所述超前管棚按先奇数孔、后偶数孔钻设、安装，且相邻循环开挖支护中的超前管棚之间采取错位安装。

16、更进一步地，s1)中，注浆顺序为由下至上，浆液先浓后稀、注浆量先大后小，注浆压力由小到大。

17、进一步地，s21)中，环向开挖软岩隧洞上台阶弧形导坑后，在上台阶弧形导坑顶壁立即初喷2～3cm砼，再铺设钢筋网，架设外层h型钢拱架，并紧贴上台阶两侧边沿的各h型钢拱架拱脚以上20～40cm高度处，打设锁脚锚管；

18、s22)中，开挖软岩隧洞左、右侧中台阶后，在左、右侧中台阶侧壁立即初喷2～3cm砼，再铺设钢筋网，架设外层h型钢拱架，并紧贴中台阶左、右侧边沿的各h型钢拱架拱脚以上20～40cm高度处，打设锁脚锚管；

19、s24)中，开挖软岩隧洞左、右侧下台阶后，在左、右侧下台阶侧壁立即初喷2～3cm砼，再铺设钢筋网，架设外层h型钢拱架，并紧贴下台阶左、右侧边沿的各h型钢拱架拱脚以上20～40cm高度处，打设锁脚锚管；

20、s25)中，开挖软岩隧洞底拱后，在底拱底壁立即初喷2～3cm砼，再铺设钢筋网，架设外层h型钢拱架，并紧贴底拱两侧边沿的各h型钢拱架拱脚以下20～40cm高度处，打设锁脚锚管。

21、更进一步地，s21)中，每循环开挖进尺长度为3～3.6m，隧洞纵向相邻的外层h型钢拱架之间的榀距为0.3～0.5m；s23)中，隧洞纵向相邻的内层u型钢拱架之间的榀距为1.0～1.4m。

22、更进一步地，s2)中，上台阶、中台阶、下台阶和底拱对应的h型钢拱架之间采用连接板连接，所述连接板与对应岩壁密贴，且连接板与岩壁之间采用螺栓连接；

23、更进一步地，s2)中，上台阶、中台阶、下台阶和底拱对应的锁脚锚管为外八字锁脚锚管，且外八字锁脚锚管尾部采用l型连接筋与对应的h型钢拱架外侧两两固定连接。

24、进一步地，s4)中，所述缓释消能层由聚乙烯预制块组成，施工时将聚乙烯预制块粘贴在双层一次支护结构外侧。

25、进一步地，s1)中，在超前管棚预注浆之前，采用超前地质预报，用于探测和收集隧洞掌子面前方设定距离内的工程地质和水文地质情况。

26、本发明的优点在于：

27、1、本发明中的超前管棚预注浆，可有效地控制拱顶坍塌，保证现场施工安全；

28、2、本发明中的双层一次支护结构包括h型钢拱架、u型钢拱架、外八字锁脚锚管、喷混凝土及钢筋网等支护措施，其核心为由h型钢拱架、u型钢拱架和外八字锁脚锚管组成的让压支护结构，该结构在提供稳定支护力的同时具有与围岩共同变形的能力，可有效控制软岩隧洞围岩大变形，解决支护结构侵限及失稳问题；

29、3、本发明采用分台阶(预留核心土)开挖施工，外层h型钢拱架紧跟隧洞开挖分台阶安装；内层u型钢拱架分两台阶安装，待h型钢拱架上、中台阶安装完成后，进行起拱线以上u型钢拱架安装，待h型钢拱架下台阶、及底拱安装完后，进行u型钢拱架下半部分安装并封闭成环，且h型钢拱架封闭成环后u型钢拱架必须立即封闭成环；

30、4、本发明在双层一次支护结构与钢筋混凝土衬砌层之间铺设缓释消能层，减小软岩隧洞钢筋混凝土衬砌层由于围岩流变作用所承受的形变压力，有效改善钢筋混凝土衬砌层的受力特性，防止钢筋混凝土衬砌层开裂，并保证钢筋混凝土衬砌层的长期稳定性；

31、本发明软岩隧洞让压复合支护体系台阶法施工围岩变形控制方法，在提供稳定支护力的同时具有与围岩共同变形的能力，可有效控制软岩隧洞围岩大变形，解决支护结构侵限及失稳问题；同时，有效改善钢筋混凝土衬砌层的受力特性，防止钢筋混凝土衬砌层开裂，并保证钢筋混凝土衬砌层的长期稳定性。