一种公路隧道斜井与正洞交叉口的加强装置及施工方法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种公路隧道斜井与正洞交叉口的加强装置及施工方法。

背景技术

公路隧道斜井与正洞交叉口施工技术主要为直接挑顶法。直接挑顶法以斜井方向开挖进入正洞后，爆破松碴作为作业平台，单向以斜角挑出至正洞拱部、对侧拱脚部位，斜井与主洞交汇处上台阶成型后，双向同时推进中导和下导，同时予以支护。传统的斜井交叉口支护技术针对围岩较好时才能稳定可靠，针对不良地质段，直接挑顶时极易引起掌子面坍塌变形。

在围岩地质条件较差时，挑顶法施工的临空围岩面因无法及时闭合，极易引起掌子面失稳坍塌及已支护围岩段沉降变形，严重影响了隧道斜井交叉口的施工安全与施工进度。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种公路隧道斜井与正洞交叉口的加强装置及施工方法，其目的是解决在围岩地质条件较差时，现有的挑顶法施工的临空围岩面因无法及时闭合，极易引起掌子面失稳坍塌及已支护围岩段沉降变形的问题。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

提供一种公路隧道斜井与正洞交叉口的加强装置，其包括多根竖撑、跟管管棚；

在第一斜井末端和第二斜井末端处设置有加强结构，第一斜井末端处的加强结构上连接有导向龙门架；跟管管棚的一端倾斜设置在导向龙门架上，另一端延伸至第二斜井一侧；在正洞顶部上设有第一层支护和第二层支护，多根竖撑用于支撑第一层支护和第二层支护；正洞的出口处设有台阶。

本发明的有益效果为：在本方案中，横洞斜井交叉口处加强装置、长距离超前支护的跟管管棚、导洞爆破开挖第一层支护和第二层支护，在围岩地质条件较差的条件施工，不仅保障了施工安全，也大大提高了施工进度，经过实践取得了良好的经济及社会效益。

进一步，加强结构包括设置在斜井围岩上的钢架硬性支护、固定在钢架硬性支护上的多片柔性钢筋网片和用于围岩注浆的多根导管。

进一步，钢架硬性支护包括沿斜井壁设置的多排钢架，多排钢架包括多个依次连接的第一工字钢相邻第一工字钢的直线之间采用钢板连接，相邻第一工字钢的折角之间采用角钢连接；每排钢架穿插有纵向管，每排钢架底部通过第一药卷锚杆固定；每排钢架之间通过第二药卷锚杆纵向定位。

进一步，柔性钢筋网片包括纵向穿插在钢架内部的主筋、垂向固定在钢架上的分布筋和固定在钢架外侧的粗钢筋网片；粗钢筋网片与导管固定连接。

进一步，导向龙门架为多个依次连接的第二工字钢；导向龙门架的底部通过直管固定。

进一步，多根跟管管棚之间通过套筒丝扣连接。

进一步，还包括导向龙门架上混凝土浇筑成的加强型套拱。

一种公路隧道斜井与正洞交叉口的加强装置的施工方法，其施工方法为：

S1、在挖好的第一斜井末端处设置加强结构；

S2、在距离第一斜井处且靠近加强结构处处安装导向龙门架；

S3、在导向龙门架上安装超前支护的跟管管棚；

S4、在主洞顶部搭建第一层支护和竖撑，并注浆围岩；

S5、爆破开挖第二斜井，并在第二斜井末端处设置加强结构；

S6、在主洞顶部搭建第二层支护和竖撑，并注浆围岩；

S7、在主洞和斜井交叉口区域施工防水层、盲管和二次衬砌混凝土浇筑。

进一步，在S1、S4、S5和S6中，

注浆的初始压力为0.5～1MPa，终止压力为2.0MPa，当导管中的注浆压力达到2.0MPa时，持续注浆10min后停止注浆；

注浆为水泥浆-水玻璃的双液浆，水泥浆与水玻璃的体积比为1：0.8，并加入磷酸氢二钠，水玻璃的浓度为35～40°Be′，水玻璃的模数m＝2.6，水泥浆的水泥强度等级为42.5。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的有益效果外，本发明提供所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的有益效果，将在具体实施方式中作出进一步详细的说明。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明中一种公路隧道斜井与正洞交叉口的加强装置的主视图。

图2为本发明中一种公路隧道斜井与正洞交叉口的加强装置的俯视图。

其中：1、第一斜井；2、导向龙门架；3、竖撑；4、第一层支护；5、跟管管棚；6、第二层支护；8、台阶；9、第二斜井；10、加强型套拱。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

请参考图1-图2，本发明提供一种公路隧道斜井与正洞交叉口的加强装置，其包括多根竖撑3、跟管管棚5；

在第一斜井1末端和第二斜井9末端处设置有加强结构，第一斜井1末端处的加强结构上连接有导向龙门架2；跟管管棚5的一端倾斜设置在导向龙门架2上，另一端延伸至第二斜井9一侧；在正洞顶部上设有第一层支护4和第二层支护6，多根竖撑3用于支撑第一层支护4和第二层支护6；正洞的出口处设有台阶8。

在本方案中，横洞斜井交叉口处加强装置、长距离超前支护的跟管管棚5、导洞爆破开挖第一层支护4和第二层支护6，在围岩地质条件较差的条件施工，不仅保障了施工安全，也大大提高了施工进度，经过实践取得了良好的经济及社会效益。

进一步，加强结构包括设置在斜井围岩上的钢架硬性支护、固定在钢架硬性支护上的多个柔性钢筋网片和用于围岩注浆的多个导管。

进一步，钢架硬性支护包括沿斜井壁设置的多排钢架，多排钢架的间距为0.6m；多排钢架包括多个依次连接的第一工字钢，第一工字钢的型号为I18，相邻第一工字钢的直线之间采用板厚为16mm且型号为Q235AF的钢板连接，相邻第一工字钢的折角之间采用L63×40×7的角钢连接；每排钢架穿插有φ22的纵向管，每排钢架底部通过φ25的第一药卷锚杆固定，第一药卷锚杆的长度为3m；每排钢架之间通过φ22第二药卷锚杆纵向定位，第二药卷锚杆长度为1m。

进一步，柔性钢筋网片包括纵向穿插在钢架内部的主筋、垂向固定在钢架上的分布筋和固定在钢架外侧的粗钢筋网片，主筋采用φ22HRB400钢筋，多个主筋的间距为20cm；分布筋采用φ16钢筋，多个分布筋间距为30cm；粗钢筋网片与导管固定连接。

进一步，导管的孔径为φ42mm，长度为4.5m，多排导管之间的间距为0.8m。

进一步，导向龙门架2型号为I20b且多个依次连接的第二工字钢；导向龙门架2的底部通过φ42的直管固定，直管长度4.5m。

进一步，跟管管棚5的直径φ108mm，长度2m，多跟跟管管棚5之间通过套筒丝扣连接。

进一步，还包括导向龙门架2上采用C30抗渗混凝土浇筑成的加强型套拱10。

施工方法工艺原理：隧道通风斜井施工至正洞交界处时，首先对斜井末端段进行加强结构处理；稳定后通过双榀的导向龙门架2并配合跟管管棚5作为超前支护，以圆曲线导洞开挖形式进入正洞，同时上坡开挖至正洞拱顶高程，并继续沿相同方向掘进至主洞结束；形成作业空间后，设置斜井方向两端托架，并布设主线方向钢架支护并喷砼封闭，稳定后转向垂直方向施工，扩挖临时支护达到正洞标准断面。

施工方法工艺流程：首先进行斜井交叉口区域斜井末端锁口加固处治；然后针对松散围岩岩体采取跟管中管棚进行长距离超期支护；然后通过导洞爆破开挖技术进行斜井方向首层交叉口区域施工支护；首层稳定并形成作业空间后，进行斜井交叉口主线方向(斜井垂直方向)第二层初期支护；稳定后逐个破除交叉口主线方向竖向初支支撑，进行掌子面开挖支护，完成受力体系转换；最后进行斜井交叉口区域防水层、二次衬砌施工。

一种公路隧道斜井与正洞交叉口的加强装置的施工方法，其施工方法为：

S1、在挖好的第一斜井1末端处设置加强结构；

在S1中具体的施工方法为：

S11、通风斜井锁口段钢架硬性支护：首先架设I18第一工字钢，钢架间距为0.6m/榀，钢架之间连接采用厚16mm的Q235AF连接钢板，焊接折角处采用L63×40×7不等边角钢；钢架间采用φ22纵向连接钢筋将钢架连成整体；钢架锁脚采用φ25药卷锚杆，长度为3m/根，定位采用φ22药卷锚杆，长度为1m/根；

S12、柔性钢筋网片的抗裂支护：常规钢筋网片一般钢筋直径为φ6.5mm或φ8mm，对于地质较差地段，该种网片无法满足承载需求。本方案提出采用粗钢筋网片的支护技术，主筋采用φ22HRB400钢筋、间距为20cm，分布筋采用φ16钢筋、间距为30cm；粗钢筋网片固定于钢架外侧并与围岩固结注浆导管焊接牢固；

S13、围岩注浆：锁口段采用φ42导管围岩注浆固结，导管间距采用0.8m×0.8m，长度4.5m，梅花形布置。钻孔完成后撤出钻杆，推送插入导管，连上注浆接头，即可进行加固段围岩注浆。注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆，参数为：水泥浆/水玻璃＝1：0.8(体积比)，磷酸氢二钠掺量(浓度为1％～3％，根据凝胶时间而定)，水玻璃浓度＝35～40°Be′，水玻璃模数m＝2.6，注浆水泥的强度等级为42.5；注浆时应按先上后下，先单液浆、再双液浆，先稀后浓的原则注浆。注浆量由压力控制为主，注浆量校核，注浆初始压力为0.5～1MPa，终压2.0MPa。每孔的注浆压力达到2.0MPa，继续保持10min以上后即可停止注浆。注浆圈可采用长短孔相结合，以达到注浆充分固结。

S2、在距离第一斜井1处且靠近加强结构处安装导向龙门架2；

S3、在导向龙门架2上安装超前支护的跟管管棚5；

本申请对隧道通风斜井交叉口区域地质围岩破碎，节理裂隙发育，围岩层间结合较差，普通管棚钻孔后易塌孔，无法将管棚送入，支护长度明显不满足施工要求的情况。为解决上述难题，提出采用跟管管棚5支护技术，既可以解决成孔问题，又能满足长距离支护要求。

在S2和S3中具体的施工方法为：

通风斜井与主线相交两侧预留管棚导向支架工作室，导向龙门架2距离主线边界1.5m，支撑龙门架均采用I20b型工字钢双榀焊接，且与斜井末端初期支护连接后形成整体。龙门支架必须一次成型，锁脚主要设置在直角部位及根部，均采用φ42导管，长度4.5m；

管棚导向管采用φ127热轧钢管，壁厚6mm，间距40cm，焊接于龙门架顶部，用于控制超前管棚方向及入岩位置。跟管管棚5总长度设计为30m，每节长度2m，采用套筒丝扣连接。钻进设备采用回转加冲击方式钻进，为加快施工速度采用偏心钻头并可自动跟进套管导管。管棚应按设计好的位置进行施工，钻机立轴方向必须准确控制，以保证孔口的孔向正确，钻进中应采用测斜仪量测管棚钻进的偏斜度，及时纠正。

钻孔完成后撤出钻杆，留下导管，连上注浆接头，即可进行超前支护围岩注浆。对于裂隙水不发育处，注浆材料采用纯水泥浆，其初拟参数为：水灰比w/c＝0.6～0.8，水泥浆/水玻璃＝1：0.05(体积比)，水玻璃浓度＝35～40°Be′，水玻璃模数m＝2.6，注浆水泥的强度等级为42.5；地下裂隙水发育时采用采用水泥-水玻璃双液浆，参数为：水泥浆/水玻璃＝1：0.8(体积比)，磷酸氢二钠掺量＝1％～3％(根据凝胶时间而定)，其余参数与纯水泥浆相同；

注浆时应按先上后下，先稀后浓的原则注浆。注浆量由压力控制为主，注浆量校核，注浆初始压力为0.5～1MPa，终压2.0MPa。每孔的注浆压力达到2.0MPa，继续保持10min以上后即可停止注浆。注浆结束后及时清除管内浆液，并用M30水泥砂浆填充，以增强管棚的刚度与强度。

S4、在主洞顶部搭建第一层支护4和竖撑3，并注浆围岩；

S5、爆破开挖第二斜井9，并在第二斜井9末端处设置加强结构；

S6、在主洞顶部搭建第二层支护6和竖撑3，并注浆围岩；

在S4、S5和S6中具体的施工方法为：

导洞爆破开挖支护：

斜井方向交叉口区域开挖支护主要采用导洞作为上台阶8，然后逐步中台阶8及下台阶8的方式进行开挖支护。为减少导洞拱部搭接接头，横向设置弧度，采用一次成型技术。

导洞上台阶8首层支护高度为2m，中台阶8及下台阶8支护高度为4m，横向宽度为10m。导洞支护采用I20b工字钢，间距0.5m，每循环进尺不得大于工字钢的距离；钢架纵向采用φ22钢筋连接，环向间距为1m；固定采用φ42导管锁脚、长度4.5m；喷射混凝土型号为C25，厚度50cm；钢筋网片φ8，间距为10×10cm。

导洞开挖支护过程中，采用弱光面爆破，每个炮孔纵向采用不耦合装药结构，尽量减爆破对围岩的破坏。进入左线主洞范围后，拱部最高点比设计标高加大80cm，便于施作正洞方向第二层支护6结构。

通风斜井交叉口区域围岩极为松散，需在导洞开挖支护过程中边开挖边打注浆导管固结，固结导管长度4.5m，间距0.6×0.8m；交叉口导洞掌子面封闭采用C25喷砼，厚度20cm，每循环进尺不得大于1榀；超前支护采用双层φ42导管，长度4.5m，间距30cm；上台阶8完成后逐循环进行中台阶8及下台阶8支护，导洞落脚采用钢板支垫。

斜井交叉口主线初期支护转体施工

斜井交叉口初支体系共有两层支护，首层支护由导洞斜井交叉口方向第一层支护，第二层支护6由主线方向第一层支护组成。第二层支护6主要支撑点坐落于斜井与主线相交处两侧5m范围的加强型套拱10。

加强型套拱10设置于交叉口斜井方向两端，长度为5m，衬砌厚度50cm。套拱内布设I20b型工字钢，间距50cm；套拱主筋采用φ25，间距20cm；分布筋采用φ16，间距30cm；

套拱采用C30抗渗混凝土浇筑；套拱两端预埋双榀工字钢门架(I20b型工字钢、长宽高分别为10m)用于支撑主洞方向工字钢；

主洞方向钢架坐落于加强型套拱10预留支座上，主线方向钢架与斜井方向初支间隙采用竖向工字钢支撑，拱脚部位采用长短结合自进式锚杆锁脚，主线方向钢架采用I20b工字钢，间距0.5m；φ22钢筋连接、环向间距为1m；φ42导管锁脚、长度4.5m；喷射混凝土型号为C25，保证与第一层斜井方向钢架喷平密实；钢筋网片φ8，间距为10×10cm；

主洞方向钢架支护稳定后，逐个破除交叉口主线方向两侧竖撑3，进行掌子面开挖支护，完成受力体系转换，形成四个支护作业面；

斜井交叉口二次衬砌采用C40砼，衬砌钢筋主筋采用φ25，分布筋采用φ18。衬砌顺序为先斜井方向两端加强段衬砌，其次主线方向两端衬砌，最后交叉口中心区域衬砌。

S7、在主洞和斜井交叉口区域施工防水层、盲管和二次衬砌混凝土浇筑。

进一步，在S1、S4、S5和S6中，

注浆的初始压力为0.5～1MPa，终止压力为2.0MPa，当导管中的注浆压力达到2.0MPa时，持续注浆10min后停止注浆；

注浆为水泥浆-水玻璃的双液浆，水泥浆与水玻璃的体积比为1：0.8，并加入磷酸氢二钠1％～3％，水玻璃的浓度为35～40°Be′，水玻璃的模数m＝2.6，水泥浆的水泥强度等级为42.5。

公路隧道斜井与正洞交叉口施工方法有效解决了斜井交叉口围岩节理裂隙发育，整体稳定性差，存在塌方、掉块等问题。该施工方法极大的提高了隧道的施工安全与施工进度，降低了斜井直接挑顶进入主洞的风险。本施工方法根据隧道斜井特点，形成了斜井交叉口锁口加强处治技术、长距离超前跟管管棚5支护技术、导洞爆破开挖支护技术、斜井交叉口主线初期支护转体施工技术，提高了施工工效，工期大大节省，产生较高的经济效益及社会效益，为推动类似隧道斜井交叉口工程施工意义重大。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。