[发明专利]上软下硬地层大跨隧道叠合承载拱结构及其施工方法

说明书

技术领域

本发明属于隧道与地下工程设计与施工技术领域，特别是涉及一种在上软下硬复合地层中修建大跨隧道、地铁车站等大型地下结构时采用的叠合承载拱结构及其施工方法。

背景技术

21世纪是长大隧道工程、地下空间大力开发利用的时代。随着城市建设进程的加快，对地面交通、环境影响小的地下空间越来越多地受到青睐，尤其是能满足不同功能的大断面地下空间结构更受欢迎。

在山区断层破碎带区域修建大跨度交通隧道和城区修建地铁车站等大型地下结构时，受地质条件和埋深限制等因素的影响，经常会遇到隧道断面内上部为第四系土层或者全、强风化岩层，而下部为中～微风化的坚硬岩层。在这种上软下硬的复合地层中修建大型地下结构，历来都是工程建设中的重点和难点，处置不当很容易引起诸如塌方、大变形等工程事故。对于此种地质条件下的大断面隧道，受功能影响一般不得不做成具有扁平形状的拱形结构，也就形成了下述的力学特征：

(1)开挖后的应力重分布变得不利；

(2)底脚处的应力集中过大，要求较大的地基承载力；

(3)拱顶不稳定；

(4)较大的松弛地压；埋深小，成拱作用不能很好发挥；

(5)支护结构的承载力相对较小。

同时，由于隧道的下半断面为坚硬的岩层，岩体的强度远大于土体，隧道下半断面的施工还需采取爆破施工方法。因此，在结构型式和施工方案选择时，应立足在保证安全的前提下，兼顾施工效率和经济效益，并尽量采用快速高效措施的施工方法。

对于暗挖法施工的大跨隧道与地下工程，目前常用的结构型式有单跨无柱蛋形断面、双跨单柱断面以及多跨连拱断面等。施工中主要采用交叉中隔壁(CRD)、单侧壁导坑(小隔壁法)、双侧壁导坑(眼镜法)、洞柱法分步减跨的方法。为了与相应的施工方法相适应，隧道拱部初支通常采用拱架喷射混凝土联合支护。对于连拱隧道，由于节点的连接质量和导洞破除的时间效应不好控制，施工过程中力的转换较为复杂，因此如果力学未平衡前，联拱初支易产生失稳性破坏。另外，连拱隧道拱顶防水施工困难，不易保证防水效果。因此，从使用功能和施工条件上考虑，单拱大跨隧道的结构型式更倾向于采用，所以如何提高单拱大跨结构拱部支护结构的承载能力已成为大型地下结构修建的关键。

对于岩质地层的大跨隧道，传统的结构型式和施工方法均是采用设置临时支撑分步减跨的方法，此时隧道下层以及后续爆破时之前上层的支撑很难保留，严重时还会由于爆破而损坏临时支撑，结果造成安全事故。同时，考虑爆破施工的影响、出碴施工机械的采用，如何提供便利的施工空间也成了修建大跨隧道中需要着重关注的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种结构简单、承载能力强，受力和防水性能较好，施工期间能提供开阔的作业空间，施工组织方便，且使用期间可带来开敝舒适的地下空间，使用功能好等特点的上软下硬地层大跨隧道叠合承载拱结构。

本发明的另一目的在于提拱一种上述叠合承载拱结构的施工方法，该工法工艺简单、操作方便，可降低施工安全风险，良好控制地层沉降，并可实现大型机械化作业，提高工效，节省工程造价。

为了达到上述目的，本发明提供的上软下硬地层大跨隧道叠合承载拱结构由外层拱形初期支护、二层拱形初期支护、两条拱脚纵梁和拱形围岩加固圈构成，其中外层拱形初期支护由网构格栅钢架与喷射混凝土构筑而成，设置在隧道拱顶围岩内表面上，并且其上两侧的拱脚支撑于隧道两侧拱脚部位的围岩上；两条拱脚纵梁沿隧道的长度方向设置在隧道两侧的拱脚部位，其为钢筋混凝土结构；二层拱形初期支护设置在外层拱形初期支护的内表面上，其由型钢钢架与喷射混凝土构筑而成，并且其上两侧的拱脚分别连接在两条拱脚纵梁的顶面上；拱形围岩加固圈位于外层拱形初期支护外部的围岩内部，其由水泥浆凝固后形成。

所述的外层拱形初期支护的两侧拱脚处分别设有两根向外侧斜下方倾斜的压浆钢管，压浆钢管的长度为4.0～5.0m。

所述的拱脚纵梁中预埋有沿上下方向设置的注浆钢管。

所述的拱形围岩加固圈的厚度为3.0m。

所述的外层拱形初期支护和二层拱形初期支护中钢架的连接节点相互错开。

所述的拱脚纵梁和外层拱形初期支护的拱脚底面与水平面之间的夹角大于等于30°。

本发明提供的上软下硬地层大跨隧道叠合承载拱结构的施工方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)首先在待开挖的单拱大跨隧道的掌子面上两个侧导坑拱圈外侧边缘部位施做一排侧导坑超前支护，以形成部分超前支护；