CN112459807B 一种隧道软岩大变形支护加固装置及方法 （北京市政路桥股份有限公司）

(19)国家知识产权局(12)发明专利(45)授权公告日2025.07.01(21)申请号202011461639.1(22)申请日2020.12.09(43)申请公布日2021.03.09专利权人北京工业大学张涛曹艳辉王丽群邓洪亮有限公司11203专利代理师张立改E21D20/00(2006.01)E21D21/02(2006.01)审查员刘道东权利要求书2页说明书6页附图5页两侧A区土体先后分步开挖后安装边墙钢拱架(3.1);顶部B区开挖完毕后安装拱顶钢拱架21.隧道软岩大变形支护加固装置，其特征在于，包括四个部分：拱架横向连接装置、拱钢拱架分为边墙钢拱架、仰拱钢拱架、拱顶钢拱架、拱腰钢拱架；隧道底部采用多个仰拱钢拱架沿隧道长度方向排列支护加固，隧道两侧下部分别采用多个边墙钢拱架沿隧道长度方向排列支护加固，隧道两侧上部分别采用多个拱腰钢拱架沿隧道长度方向排列支护加固；隧道顶部采用对个拱顶钢拱架沿隧道长度方向排列支护加固；边墙钢拱架排列、仰拱钢拱架排列、拱顶钢拱架排列、拱腰钢拱架排列均分别采用拱架横向连接装置进行固定连接；即钢拱架中的边墙钢拱架、仰拱钢拱架、拱顶钢拱架、拱腰钢拱架均采用沿隧道长度方向并行排列，排列成一排的边墙钢拱架、仰拱钢拱架、拱顶钢拱架、拱腰钢拱架均采用拱架横向连接装置固定连接；沿隧道的周向，边墙钢拱架与拱腰钢拱架之间端部采用焊接的方式连接，拱顶钢拱架与拱腰钢拱架之间端部采用焊接的方式连接；边墙钢拱架与仰拱钢拱架采用拱脚锚固装置固定连接；拱脚锚固装置包括H字钢、长条板状垫板、锚固桩；H字钢的长度方向沿隧道长度方向；锚固桩下端斜插入土体，长条板状垫板的长度方向沿隧道长度方向，沿隧道长度方向设有多个锚固桩，长条板状垫板固定焊接到锚固桩的上端面上；长条板状垫板上固定焊接有随长条板状垫板长度走向的H字钢，H字钢的下端槽口与长条板状垫板焊接在一起，边墙钢拱架的下端端部插入到H字钢的上端槽内进行固定焊接，多个边墙钢拱架组成的排列的下端部均固定焊接在H字钢的上端槽内；H字钢的一侧翼缘板外部与仰拱钢拱架的一端端面固定焊接在一起，多个仰拱钢拱架组成的排列的一端的端部与H字钢的一侧翼缘板外部固定焊接在一起；其中拱架横向连接装置是单连杆结构，单连杆结构长度方向沿隧道长度方向，用于把多个边墙钢拱架、仰拱钢拱架、拱顶钢拱架、拱腰钢拱架并排牢固地连接在一起形成一个整体的刚性结构；拱架横向连接装置包括长条型槽钢、锚具和锚杆；锚具采用夹片锚具，用在锚杆的端部，用于锚具向槽钢施加压力；槽钢为拱架横向连接装置的主体，槽钢的长度方向与隧道的长度方向一致，在槽钢槽口与钢拱架对应连接的位置设卡口，钢拱架的侧面嵌入卡口中并进行焊接固定，便于约束钢拱架的变形与位置；槽钢槽的底面按设计的拱架间距每隔一段设锚孔，锚孔根据锚杆的直径和锚具的尺寸，开取形状与尺寸，施工时锚杆穿过锚孔同时配合锚具向土体中伸入施工，将槽钢与土体监测控制器包括拱架应力监控器、锚杆应力监控器、预警装置；拱架应力监控器安装到槽钢上；锚杆应力监控器安装于锚具与槽钢之间；用于检测拱架应力监控器、锚杆应力监控器分布与预警装置连接；H字钢作为锚固板，根据钢拱架的型号选择尺寸，保证边墙钢拱架放入H字钢的槽内，仰拱钢拱架横截面与H字钢翼缘板完全接触；H字钢与钢拱架采用焊接方式连接，用于将整个钢拱架的拱脚处连接为整体；长条板状垫板采用一定厚度的钢板，固定于H字钢上，且下部与锚固桩连接，长条板状垫板与H字钢和锚固桩的连接均采用焊接，用于锚固H字钢和锚固桩的相对位置，实现二者3的固定与连接。2.按照权利要求1所述的隧道软岩大变形支护加固装置，其特征在于，锚固桩采用钢管桩，顶部与长条板状垫板焊接，与竖直方向以倾斜角度嵌入土体中，与土体之间相互作用产生巨大摩擦力，防止整个钢拱架的沉降与位移。3.按照权利要求1所述的隧道软岩大变形支护加固装置，其特征在于，监测控制器主要作用为：通过监测槽钢的变形和应力，从而对钢拱架的变形监测，并通过加固措施对变形进行控制；通过监测锚具与槽钢之间的压力，对锚杆的拉力进行监控；当钢拱架变形或锚杆拉力超过预警值时，及时预警提醒工人对危险区域进行加固。4.按照权利要求1所述的隧道软岩大变形支护加固装置，其特征在于，拱架应力监控器安装于槽钢上，间隔一定数量的锚杆安装一处拱架应力监控器，用于监测钢拱架施加于槽钢上的应力，同时也可以达到监测钢拱架和槽钢的变形情况；对于变形较大的位置及时预警并予以加固。5.按照权利要求1所述的隧道软岩大变形支护加固装置，其特征在于，锚杆应力监控器安装于锚具与槽钢之间，通过检测槽钢与锚具之间的压力，实现对锚杆应力的监控测量。6.按照权利要求1所述的隧道软岩大变形支护加固装置，其特征在于，预警装置与拱架应力监控器和锚杆应力监控器有线或无线连接，当拱架应力监控器与锚杆应力监控器检测到的应力值超过预警值时，预警装置产生报警，提醒对危险区进行加固；在槽钢和锚杆上分别安装拱架应力监控器和锚杆应力监控器，通过预警系统实时采集监测锚杆所受应力，对风险区及时预警，为隧道安全施工提供可靠的技术保障。7.按照权利要求1所述的隧道软岩大变形支护加固装置，其特征在于，将隧道开挖断面与加固；钢拱架分段安装，隧道内对应的两侧A1和A2区土体开挖后安装边墙钢拱架和拱腰钢拱架；顶部B区开挖完毕后安装拱顶钢拱架，底部和中部对应的C区开挖完毕后安装仰拱钢拱架。4一种隧道软岩大变形支护加固装置及方法技术领域[0001]本发明涉及一种隧道软岩大变形支护加固装置及方法，适用于软弱围岩区公路隧道，铁路隧道以及其他隧道的施工，属于隧道施工技术领域。背景技术[0002]软弱围岩是岩质软弱，承载力低，岩体风化严重以及挤压破碎的围岩。软弱围岩具[0003]公路隧道，铁路隧道经常修建在山区地带，隧道穿越山区地带的岩体状况难以确定，当遇到软弱围岩时隧道施工中机械开挖或爆破对岩体稍有扰动就有可能面临塌方的危险。在软弱围岩区隧道施工中会遇到大变形、崩塌的现象，引起隧道的初支结构发生大变形甚至破坏。[0004]软弱围岩遇水易软化，而且土体自身较为密实，采用注浆加固的方式加固软弱围岩施工难度较大，工程成本较高，注浆加固围岩的施工方式不适用于软弱围岩的加固开挖。[0005]软弱围岩区的隧道开挖拱架支护后会产生沉降和收敛等较大的变形，其主要原因是拱脚处缺乏足够强度或拱架刚度不足，因此对拱脚处进行锚固处理或加强拱架的整体刚度，是减少隧道大变形问题的有效途径。发明内容[0006]本发明涉及一种隧道软岩大变形支护加固装置及方法。本方法的优点在于施工过程简便快捷，能够有效的支撑隧道周围软弱岩体，同时对隧道围岩稳定性支撑实时动态监测，及时发现不稳定区域，保证隧道开挖过程中的人员安全。[0007]本发明中隧道软岩大变形支护加固装置包括四个部分：拱架横向连接装置1、拱脚[0008]钢拱架3分为边墙钢拱架3.1、仰拱钢拱架3.2、拱顶钢拱架3.3、拱腰钢拱架3.4;隧道底部采用多个仰拱钢拱架3.2沿隧道轴线方向排列支护加固，隧道两侧下部分别采用多个边墙钢拱架3.1沿隧道轴线方向排列支护加固，隧道两侧上部分别采用多个拱腰钢拱架3.4沿隧道轴线方向排列支护加固；隧道顶部采用多个拱顶钢拱架3.3沿隧道轴线方向排列支护加固；[0009]边墙钢拱架3.1排列、仰拱钢拱架3.2排列、拱顶钢拱架3.3排列、拱腰钢拱架3.4排列均分别采用拱架横向连接装置1进行固定连接；即钢拱架3中的边墙钢拱架3.1、仰拱钢拱架3.2、拱顶钢拱架3.3、拱腰钢拱架3.4均采用沿隧道轴线方向平行排列，排列成一排的边墙钢拱架3.1、仰拱钢拱架3.2、拱顶钢拱架3.3或拱腰钢拱架3.4均采用拱架横向连接装置1固定连接；[0010]沿隧道的环向，边墙钢拱架3.1与拱腰钢拱架3.4之间端部采用焊接的方式连接，拱顶钢拱架3.3排列与拱腰钢拱架3.4之间端部采用焊接的方式连接；边墙钢拱架3.1与仰拱钢拱架3.2采用拱脚锚固装置2固定连接；5[0011]拱脚锚固装置2包括H字钢2.1、垫板2.2、锚固桩2.3;H字钢2.1的长度方向沿隧道轴线方向；锚固桩2.3下端斜打入土体，长条板状垫板2.2的长度方向沿隧道轴线方向，沿隧道轴线方向设有多个锚固桩2.3,长条板状垫板2.2固定焊接到锚固桩2.3的上端面上；长条板状垫板2.2上固定焊接有随长条板状垫板2.2长度走向的H字钢2.1,H字钢2.1的下端槽口与垫板2.2焊接在一起，边墙钢拱架3.1的下端端部插入到H字钢2.1的上端槽内进行固定焊接，多个边墙钢拱架3.1组成的拱架组的下端部均固定焊接在H字钢2.1的上端槽内；H字钢2.1的一侧翼缘板外部与仰拱钢拱架3.2的一端端面固定焊接在一起，多个仰拱钢拱架3.2组成的拱架组的一端的端部与H字钢2.1的一侧翼缘板外部固定焊接在一起；[0012]其中拱架横向连接装置1是单连杆结构，单连杆结构长度方向沿隧道轴线方向用于把多个边墙钢拱架3.1、仰拱钢拱架3.2、拱顶钢拱架3.3或拱腰钢拱架3.4并排牢固地连接在一起形成一个整体的刚性结构；拱架横向连接装置1包括长条型槽钢1.1、锚具1.2和锚杆1.3;[0013]槽钢1.1根据围岩软弱程度和断面尺寸采用合适型号的槽钢；锚具1.2采用夹片锚具，根据施加压力的需要选择合适的型号，用在锚杆1.3的端部，用于锚具1.2向槽钢1.1施加压力；锚杆1.3根据工程设计文件采用合适的类型与长度，锚固时以倾斜打入土体，并施加一定的预拉力，利用锚具1.2锚固。通过锚具1.2向槽钢1.1施加压力，约束槽钢1.1和钢拱[0014]槽钢1.1为拱架横向连接装置1的主体，槽钢1.1的长度方向与隧道轴线方向一致，在槽钢1.1槽口与钢拱架3对应连接的位置设卡口1.1.1,卡口1.1.1大小根据钢拱架3的型号而开取合适的尺寸，钢拱架3的侧面嵌入卡口1.1.1中并进行焊接固定，便于约束钢拱架3的变形与位移；[0015]槽钢1.1槽的底面按设计的拱架间距每隔一段在合适的位置设锚孔1.1.2,锚孔1.1.2根据锚杆1.3的直径和锚具1.2的尺寸，开取合适形状与尺寸，施工时锚杆1.3穿过锚孔1.1.2同时配合锚具1.2向土体中伸入施工，将槽钢1.1与土体固定。[0016]监测控制器4包括拱架应力监控器4.1、锚杆应力监控器4.2、预警装置4.3;拱架应力监控器4.1安装到槽钢1.1上；锚杆应力监控器4.2安装于锚具1.2与槽钢1.1之间；架应力监控器4.1、锚杆应力监控器4.2分别与预警装置4.3进行电路连接或信号连接。[0017]拱脚锚固装置2是在拱脚两侧打入锚固桩2.3,并用垫板2.2销定，包括锚具H字钢2.1、垫板2.2和锚固桩2.3;主要对钢拱架3的拱脚处进行锚固，并将钢拱架3的拱脚位置连接为整体共同受力。同时还拥有加强对拱脚约束强度的作用，限制钢拱架3的沉降和位移。[0018]H字钢2.1作为锚固板，根据钢拱架3的型号选择合适的尺寸，保证边墙钢拱架3.1放入H字钢2.1的槽内，仰拱钢拱架横截面3.2与H字钢2.1翼缘板完全接触。H字钢2.1与钢拱架3采用焊接方式连接，用于将整个钢拱架3的拱脚处连接为整体。[0019]垫板2.2采用一定厚度的钢板，固定于H字钢2.1的合适位置，且下部与锚固桩2.3连接，垫板2.2与H字钢2.1和锚固桩2.3的连接均采用焊接，用于锚固H字钢2.1和锚固桩2.3间的对应位置。[0020]锚桩2.3采用钢管桩，顶部与垫板2.2焊接，与竖直方向以一定的倾斜角度斜向嵌入土体中，与土体之间相互作用产生巨大摩擦力，防止整个钢拱架3的沉降与位移。[0021]监测控制器4主要作用为：通过监测槽钢1.1的变形和应力，从而对钢拱架3的变形6监测，并通过加固措施对变形进行控制；通过监测锚具1.2与槽钢1.1之间的压力，对锚杆1.3的拉力进行监控。当钢拱架3变形或锚杆1.3拉力超过预警值时，及时预警提醒工人对危险区域进行加固。[0022]拱架应力监控器4.1安装于槽钢1.1上，间隔一定数量的锚杆1.3安装一处拱架应力监控器4.1,用于监测钢拱架3施加于槽钢1.1上的应力，同时也可以达到监测钢拱架3和槽钢1.1的变形情况。对于变形较大的位置及时预警并予以加固。[0023]锚杆应力监控器4.2安装于锚具1.2与槽钢1.1之间，通过检测槽钢1.1与锚具1.2之间的压力，实现对锚杆应力的监控测量。[0024]预警装置4.3利用导线与拱架应力监控器4.1和锚杆应力监控器4.2有线或无线连接，当拱架应力监控器4.1与锚杆应力监控器4.2检测到的应力值超过预警值时，预警装置4.3产生报警，提醒对危险区进行加固。[0025]本发明在槽钢1.1和锚杆1.3上分别安装应力拱架应力监测装置4.1和锚杆应力监测装置4.1,通过预警系统实时采集监测锚杆所受应力，对风险区及时预警，为隧道安全施工提供可靠的技术保障。[0026]本发明适用于软弱围岩区域隧道各种开挖方法。本发明中仅以双侧壁导坑法结合本发明的具体内容介绍本发明在隧道施工中的应用。[0027]本发明将开挖断面分为4部分，分4步开挖。施工过程包含：双侧导坑开挖、拱脚锚固装置2的安装、钢拱架3的安装与加固以及其他后续工作。钢拱架3分段安装，隧道内对应的两侧A1和A2区土体开挖后分别安装边墙钢拱架3.1和拱腰钢拱架3.4;顶部B区开挖完毕后安装拱顶钢拱架3.3,底部和中部对应的C区开挖完毕后安装仰拱钢拱架3.2,所有连接均采用焊接。[0028]拱架横向连接装置1适用于拱顶、拱腰、边墙以及仰拱等各个位置钢拱架3的加固连接。对于拱顶钢拱架3.3和仰拱钢拱架3.2岩体软弱、易产生大变形区域可以适当采用拱架横向连接装置1进行多重加固。对于施工结束后出现大变形的围岩区仍可采用拱架横向连接装置1进行二次加固。[0031](1)拱架横向连接装置1可以有效加固软弱围岩区隧道的钢拱架3,保证隧道的正常施工。[0032](2)拱脚锚固装置2采用了锚固桩2.3,通过锚固桩2.3与土体的摩擦，实现对钢拱架3的拱脚的沉降和位移进行有效约束。利用H字钢2.1将钢拱架3的拱脚连接为一个整体，提高了钢拱架3的刚度，改善了支护结构的整体受力性能。[0033](3)监测控制器4对隧道的软弱围岩的变形进行实时监控预警。通过拱架应力监控器4.1监测槽钢1.1的变形和应力，从而对钢拱架3的变形加以监控；通过锚杆应力监控器4.2监测锚具1.2与槽钢1.1之间的压力，对锚杆1.3的压力进行监控。当钢拱架3变形或锚杆1.3拉力超过预警值时，及时预警提醒对危险区域进行加固。附图说明[0034]图1钢拱架整体加固示意图；7[0035]图2隧道断面整体加固示意图；[0036]图3拱架横向加固装置示意图；[0037]图4拱架卡口连接示意图；[0038]图5拱架锚固区连接示意图；[0039]图6槽钢卡口示意图；[0040]图7槽钢锚孔示意图；[0041]图8拱脚加固装置示意图；[0042]图9监测控制器示意图；[0043]图10隧道双侧壁导坑法开挖示意图。[0044]附图标注：[0049]监测控制器4包括：4.1拱架应力监控器；4.2锚杆应力监控器；4.3预警装置。[0050]槽钢1.1上存在：1.1.1、卡口和1.1.2、锚孔。具体实施方式[0052]本发明的能够保证隧道穿越软弱围岩区域正常施工，减少软弱围岩区域隧道钢拱架3的变形与位移，为软弱围岩区的隧道施工提供了更稳定的支撑方式。本发明安装监测控制器4,并采用相应的预警系统4.3,当隧道软弱围岩失稳，导致钢拱架3发生大变形时，预警系统4.3及时报警，提醒工人对围岩进行加固。下面结合该设备的主要发明内容介绍该本发明的具体实施方式。由于隧道开挖每次循环的施工工序相同，以第一次施工循环介绍具体实施方式。[0053]当隧道施工通过超前地质预报检测隧道掌子面前方围岩为软弱围岩时，停止施工。根据超前预报检测的地质状况以及施工隧道的规模，选择本发明合适的装置规格。主要选择的项目包括：合适尺寸的槽钢1.1,适当的锚杆1.3类型与长度，夹片锚具1.2的规格，H字钢2.1的尺寸，垫板2.2的尺寸和锚固桩2.3的直径与长度。同时应当合理的设计锚杆1.3和锚固桩2.3的角度。[0054]1、双侧导坑开挖[0055]首先对左右两侧A1区和A2区导坑分别进行开挖，并前后错开一定距离进行分步开挖。开挖时应当注意隧道两侧的导坑开挖区域区高度不应当超过拱腰高度(h),根据围岩状况和隧道断面大小选择合适的循环开挖长度L。[0056]2、拱脚锚固装置2的安装[0057]锚固桩2.3采用钢管桩，嵌入土体中与土体产生足够的摩擦力。待A区土体分别开挖至合适位置处时，即可对锚固桩2.3进行放样，标记锚固桩2.3的位置。[0058]利用适当的打桩机械，按照之前设计对锚固桩2.3的角度，将锚固桩2.3嵌入土体8中。对于深度较大的锚固桩2.3可以分段嵌入，各个分段之间必须保证足够的焊接强度。[0059]锚固桩2.3嵌入至合适深度由计算确定后，在锚固桩2.3的顶部焊接垫板2.2,然后继续利用机械将锚固桩2.3完全嵌入土体中，并控制垫板2.2至合适的水平位置，以保持拱脚在同一水平线上。[0060]安装合适数量的锚固桩2.3后，将H字钢2.1放置于垫板2.2上，通过焊接方式连接H字钢2.1与垫板2.2.以此循环安装剩余的锚固桩2.1、垫板2.2和H字钢2.1,H字钢2.1之间必须采用焊接的方式连接，且必须拥有足够的焊接强度。将边墙钢拱架3.1的底部安装于H字钢2.1的槽内，在H字钢2.1的翼缘板约束下，可以抵抗边墙钢拱架3.1来自围岩的水平压力。边墙钢拱架3.1与H字钢2.1的腹板采用焊接的方式连[0063]第二步：待边墙钢拱架3.1安装一定数量后，利用机械配合将槽钢1.1的卡口1.1.1卡住边墙钢拱架3.1。槽钢1.1的卡口1.1.1尺寸和位置要求与钢拱架3匹配。槽钢1.1的卡口1.1.1与边墙钢拱架3.1对应后，将卡口1.1.1处的边墙钢拱架3.1与槽钢1.1的卡口1.1.1焊接，一方面要求固定槽钢1.1在边墙钢拱架3.1上的位置，同时也保证槽钢1.1与钢拱架3的连接强度。[0064]第三步：槽钢1.1固定后，及时对锚杆1.3施加应力对结构进行锚固。穿过槽钢1.1的锚孔1.1.2,并将设置一定的角度α在隧道围岩上进行钻孔，通过锚孔1.1.2向隧道围岩插入锚杆1.3,并利用水泥砂浆填充孔隙。锚杆1.3施加完毕，水泥砂浆达到一定强度后，利用锚具1.2将槽钢1.1锚固紧密，对锚杆1.2施加一定的预拉力。在槽钢1.1上合适的位置施加拱架应力监控器4.1,并利用导线连接到预警系统4.3。当岩体软弱对钢拱架3压力增大时，槽钢1.1产生变形随之增大。当槽钢1.1变形到达一定程度时，拱架应力监控器4.1触发预警系统4.3,提醒及时加固变形区域。[0065]按照相同的方式安装拱腰钢拱架3.4以及钢拱架横向加固装置1。[0066]第四步：待边墙完成一个循环的钢拱架3.1当上侧土体开挖至合适距离时，机械配合安装拱腰钢拱架3.4.安装拱腰钢拱架3.4时，利用相关机械将拱架吊起固定至预定位置，在接头处利用焊接方式完成边墙钢拱架3.1与拱腰钢拱架3.4的连接，且保证焊接强度。连接后利用拱架横向连接装置1对拱腰钢拱架3.4按照相同的方式进行连接与锚固。跟随B区土体的开挖依次完成拱腰钢拱架3.4的安装