一种适用于浅埋偏压超小净距隧道的中夹岩柱加固方法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，尤其涉及一种适用于浅埋偏压超小净距隧道的中夹岩柱加固方法。

背景技术

在浅埋偏压小净距隧道施工中，常采用低预应力锚杆及注浆小导管对中夹岩柱进行加固，当前的低预应力锚杆支护需要对中夹岩柱进行钻孔随后再施加预应力，最终进行注浆封堵。而且，锚杆在加固中夹岩柱时需配合注浆小导管一同使用，施工较为复杂。

此外，现在常见的中空注浆锚杆是从自进式锚杆演变而生。与普通砂浆锚杆相比有很大的改进，如配有垫板、止浆塞、锚头，采用先锚后灌的施工工艺。正在使用的中空注浆锚杆因迁就使用方便而过于简单化，存在下述明显缺点：

a、中空注浆锚杆在仰角施工时，采用现有注浆工艺无法将锚孔内空气排净，给人以注浆饱满的假象，在锚孔内形成空腔，特别是采用间歇式注浆泵时注浆不饱满状况尤为严重。

b、由于中空注浆锚杆存在锚孔内空气无法排净的问题，在实际使用中，为了提高注浆效果，材料供应商，有时特地在锚杆杆体上钻了若干直径6mm左右的小孔，这样做，虽然能在高压注浆时改善松散的围岩结构，但在通常条件下仍然没有解决排气问题，实际效果仍然有限。在锚杆杆体上钻孔，还有一个后果是降低杆体强度，现在正使用的这类锚杆实际强度，只相当于HRB335螺纹钢直径16的钢筋，远远低于系统锚杆所公认的范围，如果考虑钻孔部位的应力集中程度实际强度，远远低于系统锚杆高应力、高强度的范围。

C、由于中空注浆锚杆设计本身缺陷和注浆工艺不合理，用于仰角部位存在注浆困难。使设计和施工两者脱节，实际施工中，施工单位延用自己的老办法，用水泥药卷作为锚固剂代替注浆。

d、根据柔性支护理论开挖后允许围岩在塑性区有适度的发展，借以利用围岩本身的自稳能力，中空锚杆杆体大都由材质为碳刚，采用无缝钢管再经冷挤压成形，这一过程会使杆体屈服性变差、延伸率降低、材料变硬，从而不能适应围岩，特别是Ⅱ、Ⅲ级围岩较大的塑性变形，降低锚固强度。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种适用于浅埋偏压超小净距隧道的中夹岩柱加固方法，能够减小浅埋偏压超小净距隧道的中夹岩柱不对称水平变形问题，具有更好的支护、加固效果。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种适用于浅埋偏压超小净距隧道的中夹岩柱加固方法，其特征在于，包括以下步骤，

S1：开挖浅埋偏压超小净距隧道靠近中夹岩柱的导坑，并对导坑施作初期支护；

S2：在中夹岩柱的上部加固区施作限位式预应力锚杆，在两个所述导坑靠近所述中夹岩柱的一侧均施作预应力弯曲钢板，所述限位式预应力锚杆贯穿所述中夹岩柱和两块所述预应力弯曲钢板，且所述限位式预应力锚杆的两端分别锚固在对应的预应力弯曲钢板上；

S3：在中夹岩柱的下部加固区施作注浆小导管。

进一步的，步骤S2中所述的限位式预应力锚杆有两根，且两根所述限位式预应力锚杆分别位于隧道的拱腰处和隧道边墙处。

进一步的，所述限位式预应力锚杆包括外层套筒，所述外层套筒内对称设有两根钢绞线，且所述外层套筒的内壁上对称设有两个套筒挡板，每个所述套筒挡板均套设在相互对应的钢绞线外，所述钢绞线与相互对应的套筒挡板之间设有限位组件。

进一步的，所述限位组件包括套设在所述钢绞线外的顶进杆，所述顶进杆位于所述套筒挡板的外侧；所述顶进杆靠近所述套筒挡板的一端对称固设有三根弧形的连接杆，三根所述弧形连接杆活动贯穿所述套筒挡板，且三根所述连接杆远离所述顶进杆的一端固设有顶进杆限位板，所述顶进杆限位板与所述钢绞线和三根所述连接杆的端部均固定连接，所述顶进杆限位板与所述套筒挡板之间还固设有第一复位弹簧。

进一步的，所述顶进杆与所述外层套筒之间还设有锁定组件，所述锁定组件包括固设有在所述顶进杆外侧壁上的多组锥形块，每组所述锥形块均有三个，三个所述锥形块对称固设在所述顶进杆的外侧壁上，相邻两组锥形块之间对称设有三个锁定杆，所述外层套筒上开设有多个与所述锁定杆相匹配的套筒预留孔，所述套筒预留孔的内侧壁与所述锁定杆的端部之间设有锁定杆限位弹簧。

进一步的，所述锁定杆与所述钢绞线之间的夹角为45度。

进一步的，两个所述顶进杆限位板之间设有加稳组件，所述加稳组件包括套设在两个所述顶进杆限位板外的三块弧形挡板，三块所述弧形挡板对称设置，每块所述弧形挡板的内侧壁上均固设有第二复位弹簧，每个所述第二复位弹簧外均套设有第二复位弹簧支撑杆，且三个所述第二复位弹簧支撑杆的一端均贯穿相互对应的弧形挡板，且与所述外层套筒的内侧壁固定连接，三个所述第二复位弹簧支撑杆的另一端在三块所述弧形挡板的中心位置处固定连接。

进一步的，步骤S3中所述的注浆小导管与隧道轴线呈45度角水平向前施作。

本发明的有益效果是：

1、本发明中的中夹岩柱加固方法对中夹岩柱上部采用限位式预应力锚杆及预应力弯曲钢板的加固方法，对中夹岩柱下部采用注浆小导管的加固方法，该方法根据超小净距隧道中夹岩柱的受力特征及变形特征，有针对性地对中夹岩柱的不同分区采用不同的加固方式，施工便捷，且能够较好地保证中夹岩柱的稳定性，改变中夹岩柱受力特性，减小中夹岩柱变形，保证隧道施工过程的稳定，尤其适用于浅埋偏压超小净距隧道中间洞身段的中夹岩柱保护及加固，且具有良好的经济效益。

2、本发明中中夹岩柱的加固方法中夹岩柱的上部加固区由限位式预应力锚杆及预应力弯曲钢板进行加固，相比于低预应力锚杆，限位式预应力锚杆通常可以施加更大的预应力，因此选用限位式预应力锚杆及预应力弯曲钢板可以主动对中夹岩柱进行保护、加固，而非像低预应力锚杆一样被动加固。当预应力弯曲钢板的弧度略大于隧道中夹岩柱处的弧度时，钢板中间位置在安装时可先接触中夹岩柱，在后续施加预应力的过程中，预应力弯曲钢板上的其余部位也逐渐接触到中夹岩柱，从而使中夹岩柱受力更均匀，最终在加固处形成一鼓形加固区，该加固区受到弯曲钢板的夹持力，其水平变形更小，侧面提高其竖向承载力，同时加固区的高度约为宽度的两倍，类似一根柱子，可以更好地传递上部荷载。该加固区受到预应力弯曲钢板的夹持力，如果预应力弯曲钢板与隧道中夹岩柱处的弧度相同，可能会发生中夹岩柱受力不均匀的情况。

3、本发明中的限位式预应力锚杆，主要的加固部件为钢绞线，并且不采用注浆加固的方式，能够避免注浆过程中的注浆不饱满等问题，同时也可以避免中空注浆锚杆设计本身缺陷和注浆工艺不合理等问题；钢绞线两端受到拉力后，钢绞线带动顶进杆滑动，滑动杆上的锥形块滑动后挤压锁定杆，锁定杆向外顶出外层套筒并插入围岩内，钢绞线与顶进杆滑动一定距离后受到顶进杆限位板的限制而无法继续滑动，同时锁定杆钻入围岩达到最大深度，最终与围岩固定在一起，可以提高限位式预应力锚杆的稳定性；顶进杆限位板在移动至靠近套筒挡板时，两个顶进杆限位板之间的位置空缺，弧形挡板在第二复位弹簧的作用下向中心收缩，三块弧形挡板相互接触形成一个空心的筒状结构，且位于两个顶进杆限位板之间，防止顶进杆限位板回弹而影响加固效果，进而可以保证限位式预应力锚杆中部的限位组件可以处于中夹岩柱内中部位置，不会因偏压隧道两侧变形不均匀而导致支护结构被拉向一侧而影响加固效果。

4、本发明中限位式预应力锚杆的限位组件可以保证钢绞线两侧围岩的变形差距较小，例如，在偏压隧道时，中夹岩柱两侧的变形不均匀，会导致钢绞线被拉向一侧而发生偏移，导致最终加固效果差，而本发明中限位式预应力锚杆的限位组件可以限制钢绞线发生较大位移，从而保证偏压情况下中夹岩柱的加固效果；在工程中也可以提供更大的预应力，避免低预应力锚杆在围岩发生较大变形时锚杆强度降低的问题，适用于多种变形情况。

5、本发明中中夹岩柱的加固方法中夹岩柱的下部加固区由注浆小导管进行加固，注浆小导管斜向前45°角水平打设，能够提高围岩的力学参数，同时斜向打设也可以提前对前方中夹岩柱下部位置进行加固，等后续循环的中夹岩柱上部位置加固时，中夹岩柱下部注浆加固区浆液已经凝固并达到设计强度，可以更好地承载上部荷载。

附图说明

图1为本发明实施例一中中夹岩柱加固方法流程图。

图2为本发明实施例一中中夹岩柱加固结构主视图。

图3为本发明实施例一中中夹岩柱加固结构侧视图。

图4为本发明实施例二中限位式预应力锚杆内部结构示意图。

图5为本发明图4中A部分结构局部放大图。

图6为本发明图4中B部分结构局部放大图。

图7为本发明图4中aa方向剖面图。

图8为本发明图4中bb方向剖面图。

图9为本发明图4中cc方向剖面图。

图10为本发明图4中dd方向剖面图。

图11为本发明图10中ee方向剖面图。

图12为本发明图11中弧形挡板移动至外层套筒中心后外侧壁闭合的空心杆状结构。

图13为本发明实施例三中非对称隧道的中夹岩柱加固结构示意图。

其中：1-中夹岩柱，11-上部加固区，12-下部加固区，2-限位式预应力锚杆，21-钢绞线，22-锁定杆，221-锁定杆限位弹簧，23-顶进杆，231-锥形块，232-顶进杆限位板，233-连接杆，24-弧形挡板，25-第一复位弹簧，26-外层套筒，261-套筒预留孔，262-套筒挡板，27-第二复位弹簧，271-第二复位弹簧支撑杆，3-预应力弯曲钢板，4-注浆小导管，41-先行洞注浆小导管钻孔孔口，42-后行洞注浆小导管钻孔空口。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

实施例一：

如附图1所示，一种适用于浅埋偏压超小净距隧道的中夹岩柱加固方法，包括以下步骤，

S1：开挖浅埋偏压超小净距隧道靠近中夹岩柱1的导坑，并对导坑施作初期支护；导坑的初期支护方法采用现有技术中的初期支护方法，不发明中不做赘述。

S2：在中夹岩柱1的上部加固区11施作限位式预应力锚杆2，在两个所述导坑靠近所述中夹岩柱1的一侧均施作预应力弯曲钢板3，所述限位式预应力锚杆2贯穿所述中夹岩柱1和两块所述预应力弯曲钢板3，且所述限位式预应力锚杆2的两端分别锚固在对应的预应力弯曲钢板3上；

如附图2和3所示，所述的限位式预应力锚杆2有两根，且两根所述限位式预应力锚杆2分别位于隧道的拱腰处和隧道边墙处，先在中夹岩柱1上钻孔，钻孔的直径略大于限位式预应力锚杆2的直径，两个钻孔呈竖直排布，分别从拱腰处及隧道边墙处水平穿过中夹岩柱，将限位式预应力锚杆2穿过钻孔后，再穿过预应力弯曲钢板3上的预留孔，对限位式预应力锚杆2施加预应力进行锁定。

预应力弯曲钢板3的弯曲弧度略大于隧道中夹岩柱1处的弧度，其目的是为了保证预应力弯曲钢板3在锚固后可以对中夹岩柱1加固均匀，避免出现受力不均匀的现象而影响加固效果。

该步骤的具体操作为：在完成步骤S1中导坑的初期支护后，对初期支护完成后的隧道围岩变形进行量测，根据偏压隧道左右隧不同的变形程度，设计限位式预应力锚杆2不同的张拉长度；在实际应用中，当一侧的变形大于另一侧时，可以将一侧的张拉长度设计值适当提高，以均衡两侧围岩变形。

在预应力张拉设计完毕后，在中夹岩柱1上部加固区11施作限位式预应力锚杆2及预应力弯曲钢板3，所述限位式预应力锚杆2为对穿式设计且两侧端头锚固在预应力弯曲钢板3上。

S3：在中夹岩柱1的下部加固区12施作注浆小导管4；所述的注浆小导管4与隧道轴线呈45度角水平向前施作；

所述注浆小导管4的管壁上分布有注浆孔，先在中夹岩柱1上钻孔，由钻孔处打入注浆小导管4后从注浆孔处注浆封堵，注浆小导管4的长度根据钻孔的深度确定；述限位式预应力锚杆2、预应力弯曲钢板3和注浆小导管4形成中夹岩柱加固结构。

注浆小导管4施工时，注浆小导管4包括先行洞注浆小导管和后行洞注浆小导管，先行洞注浆小导管和后行洞注浆小导管呈上下交错排布，先行洞注浆小导管由先行洞注浆小导管钻孔孔口41斜向前45°角打设，后行洞注浆小导管由后行洞注浆小导管钻孔孔口42斜向前45°角打设，先行洞注浆小导管钻孔孔口和后行洞注浆小导管钻孔孔口42的钻孔位置如附图3所示。

在实际应用中，根据放样结果对中夹岩柱1进行钻孔，钻孔深度应根据中夹岩柱1厚度确定，钻孔方向应与隧道轴线呈45°角水平向前，钻孔完毕后打设注浆小导管4，随后对注浆小导管4进行注浆。注浆小导管4注浆前必须进行压水试验，检查机械设备是否正常，管路连接是否正确，为发挥设备效率加快施工速度，可采用群管注浆，每次3～5根。采用42.5级水泥，浆液水灰比1:1。注浆压力控制在0.5～1MP，注浆过程中注浆压力应逐级缓慢提升，有一定的注入量。当达到设计终压1.0MPa时的进浆量一般在20～30L/min，并继续注10min以上。当地下水较大时则压注水泥+水玻璃浆液，水泥浆与水玻璃体积比1:0.5，水玻璃浓度35波美度，注浆压力不变。注浆过程中要随时观察注浆泵排浆量变化，分析注浆情况，防止堵管、跑浆、漏浆。

本发明中中夹岩柱加固方法中使用的中夹岩柱加固结构的具体原理为：通常情况下，中夹岩柱1的受力情况为上部荷载传到中夹岩柱1，根据泊松效应，中夹岩柱1中部此时受到来自上部荷载的竖向挤压而产生水平变形，同时中夹岩柱1下部也受到上部荷载作用而产生竖向变形。因此对于这两个区域进行有针对性的加固可以使中夹岩柱1承载力提高。

中夹岩柱1的上部加固区11由限位式预应力锚杆2及预应力弯曲钢板3进行加固。相比于低预应力锚杆，限位式预应力锚杆2通常可以施加更大的预应力，因此选用限位式预应力锚杆2及预应力弯曲钢板3可以主动对中夹岩柱1进行保护、加固，而非像低预应力锚杆一样被动加固。当预应力弯曲钢板3的弧度略大于隧道中夹岩柱1处的弧度时，预应力弯曲钢板3中间位置在安装时可先接触中夹岩柱1，在后续施加预应力的过程中，预应力弯曲钢板3上的其余部位也逐渐接触到中夹岩柱1，从而使中夹岩柱1受力更均匀，最终在加固处形成一鼓形加固区。该加固区受到预应力弯曲钢板3的夹持力，其水平变形更小，侧面提高其竖向承载力，同时上部加固区11的高度约为宽度的两倍，类似一根柱子，可以更好地传递上部荷载。该上部加固区11受到预应力弯曲钢板3的夹持力，如果预应力弯曲钢板3与隧道中夹岩柱1处的弧度相同，可能会发生中夹岩柱1受力不均匀的情况。

中夹岩柱1的下部加固区12采用注浆小导管4进行加固，且注浆小导管4与隧道轴线呈45度角水平向前施作，能够提高围岩的力学参数，同时斜向打设也可以提前对前方中夹岩柱1的下部加固区12进行加固，等后续循环的中夹岩柱1上部加固区11加固时，中夹岩柱1的下部加固区12中注浆浆液已经凝固并达到设计强度，可以更好地承载上部荷载。

注浆小导管4本身对中夹岩柱1的加固作用与普通系统锚杆相似，当围岩产生变形时，依靠其支护抗力限制围岩进一步变形。通过注浆小导管4向中夹岩柱1注入浆液后，浆液向周围软弱破碎围岩裂隙扩散，以此形成整体性强、刚度较大的加固区域。

实施例二：

实施例二中提供一种限位式预应力锚杆2的具体结构，如附图4-12所示，所述限位式预应力锚杆2包括外层套筒26，所述外层套筒26内对称设有两根钢绞线21，所述钢绞线21可在所述外层套筒26内移动，所述钢绞线21及外层套筒26的长度根据中夹岩柱1的宽度确定且略大中夹岩柱1宽度，以保证两端可以锚固在预应力弯曲钢板3上；所述外层套筒26的内壁上对称设有两个套筒挡板262，每个所述套筒挡板262均套设在相互对应的钢绞线2外，所述钢绞线2与相互对应的套筒挡板262之间设有限位组件。

所述限位组件包括套设在所述钢绞线2外的顶进杆23，所述顶进杆23位于所述套筒挡板262的外侧，也即所述顶进杆23位于所述套筒挡板262远离其中心的一侧面；所述顶进杆23靠近所述套筒挡板262的一端对称固设有三根弧形的连接杆233，三根所述弧形连接杆233活动贯穿所述套筒挡板262，三根所述连接杆233形成一个内径与所述顶进杆23内径相同的圆形结构，且相邻两根连接杆233之间留有间隙，套筒挡板262上开设有有三个与所述连接杆233相匹配的通孔，使连接杆233和顶进杆23可沿着外层套筒26的轴向移动，套筒挡板26与连接杆233的相互配合可对顶进杆23的移动方向进行限制，避免顶进杆23在移动过程中发生转动。

三根所述连接杆233远离所述顶进杆23的一端固设有顶进杆限位板232，所述顶进杆限位板232与所述钢绞线21和三根所述连接杆233的端部均固定连接，顶进杆限位板232将三根连接杆233和对应的钢绞线21连接形成一个整体的结构，在拉动钢绞线21时，可同时带动顶进杆限位板232、顶进杆23和连接杆233同步移动；所述顶进杆限位板232与所述套筒挡板262之间还固设有第一复位弹簧25，所述第一复位弹簧25的个数有三个，分别对应位于三个连接杆233的外侧，在不受力的情况下，在第一复位弹簧25的作用下，可避免钢绞线21和顶进杆23向外滑动。

进一步的，所述顶进杆23与所述外层套筒26之间还设有锁定组件，所述锁定组件包括固设有在所述顶进杆23外侧壁上的多组锥形块231，每组所述锥形块231均有三个，三个所述锥形块231对称固设在所述顶进杆23的外侧壁上，相邻两组锥形块231之间对称设有三个锁定杆22，三个锁定杆22分别位于轴向相邻的两个锥形块231之间，所述外层套筒26上开设有多个与所述锁定杆22相匹配的套筒预留孔261，所述套筒预留孔261与所述钢绞线2轴向之间的夹角为45度，从而使得锁定杆22与所述钢绞线2轴向之间的夹角也为45度，所述套筒预留孔261的内侧壁与所述锁定杆22的端部之间设有锁定杆限位弹簧221，可以防止未使用状态使，锁定杆22从套筒预留孔261中滑出。在钢绞线23向外被拉伸时，顶进杆23随之被拉伸，锥形块231同步向外移动，从而挤压推动锁定杆22从套筒预留孔261向外顶出，插入中夹岩柱1中，锁定杆22靠近中夹岩柱1的一端为锥形结构，便于插入中夹岩柱1中。

进一步的，两个所述顶进杆限位板232之间设有加稳组件，所述加稳组件包括套设在两个所述顶进杆限位板232外的三块弧形挡板24，三块所述弧形挡板24对称设置，形成一个圆形的结构，每块所述弧形挡板24的内侧壁上均固设有第二复位弹簧27，当顶进杆限位板232位于三块弧形挡板24内部时，第二复位弹簧27处于拉伸状态，且两个所述顶进杆限位板232分别位于所述第二复位弹簧27的两侧。每个所述第二复位弹簧27外均套设有第二复位弹簧支撑杆271，且三个所述第二复位弹簧支撑杆271的一端均贯穿相互对应的弧形挡板24，所述弧形挡板24上开设有用于所述第二复位弹簧支撑杆271穿过的通孔，且所述第二复位弹簧支撑杆271与所述外层套筒26的内侧壁固定连接，三个所述第二复位弹簧支撑杆271的另一端在三块所述弧形挡板24的中心位置处固定连接，第二复位弹簧27远离弧形挡板24的一端与三块弧形挡板24固定连接的点也为固定连接，在两块顶进杆限位板232分别向外拉出至弧形挡板24外时，在第二复位弹簧27的复位作用下，三块弧形挡板24向中心移动，相邻的两块弧形挡板24相互贴合，形成一个外侧壁闭合的空心杆状结构，且空心杆状结构的两端分别抵在两块顶进杆限位板232上，可以防止顶进杆限位板232和顶进杆23回弹，从而提高加固效果。

本发明中限位式预应力锚杆2的工作原理为：在中夹岩柱1两侧导坑初期支护完成后，根据设计的张拉长度，对两根钢绞线21的端部进行张拉，张拉时应两根钢绞线21同时进行张拉。在张拉钢绞线21时，顶进杆23随之被拉伸，锥形块231同步向外移动，锁定杆22向外顶出外层套筒26并插入围岩内，钢绞线21与顶进杆23滑动一定距离后受到顶进杆限位板232的限制而无法继续滑动，同时锁定杆22钻入围岩达到最大深度，最终与围岩固定在一起，可以提高限位式预应力锚杆2的稳定性；顶进杆限位板232在移动至靠近套筒挡板262时，顶进杆限位板232从弧形挡板24内滑出，两个顶进杆限位板232之间的位置空缺，弧形挡板24在第二复位弹簧27的作用下向中心收缩，三块弧形挡板24相互接触形成一个空心的筒状结构，且位于两个顶进杆限位板232之间，防止顶进杆限位板232回弹而影响加固效果，进而可以保证限位式预应力锚杆2中部的限位组件可以处于中夹岩柱1内中部位置，不会因偏压隧道两侧变形不均匀而导致支护结构被拉向一侧而影响加固效果。

实施例三：

本发明中实施例一中的中夹岩柱加固方法和实施例二中的限位式预应力锚杆2还可以应用在非对称隧道的施工中，如附图13所示，加固方法和限位式预应力锚杆2的操作与实施例一和实施例二均相同。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。