[发明专利]一种隧道穿越破碎带棚护结构与支护方法

权利要求书

1.一种隧道穿越破碎带棚护结构，其特征在于：该结构包括棚护结构工作室(1)，导向墙(2)，操作平台(3)，定向钻孔系统(4)，棚护结构钢管(5)，型钢拱架(6)和定向注浆系统(7)；导向墙(2)是沿隧道方向设置的拱墙，棚护结构工作室(1)安装在导向墙(2)上，操作平台(3)设置在导向墙(2)上；棚护结构钢管(5)设置在棚护结构工作室(1)的顶部，型钢拱架(6)设置在棚护结构钢管(5)的底部，定向钻孔系统(4)设置在操作平台(3)上，定向注浆系统(7)设置在棚护结构钢管(5)的安装孔处；型钢拱架(6)之间设有纵向连接钢筋(11)；

定向钻孔系统(4)包括导向板(4.1)、水眼(4.2)、方向传感器(4.3)、无线探测器(4.4)；方向传感器(4.3)设置在导向板(4.1)的前端凹槽中，无线探测器(4.4)也设置在前端凹槽中，水眼(4.2)设置在导向板(4.1)内部；

定向注浆系统(7)包括浆液定向喷射系统和监控监测系统；浆液定向喷射系统包括钻具及注浆口(7.1.1)、高压注浆管(7.1.2)和注浆喷嘴(7.1.3)；

监控监测系统，包括计算机终端(7.2.2)、数据传输线(7.2.1)、钻具接头(7.2.3)、探测杆(7.2.4)，探测端头(7.2.5)以及压力传感器(7.2.6)；计算机终端(7.2.2)通过数据传输线(7.2.1)与压力传感器(7.2.6)连接，压力传感器(7.2.6)布设在高压注浆管(7.1.2)上，钻具及注浆口(7.1.1)设置在钻孔的中心处，钻具及注浆口(7.1.1)与高压注浆管(7.1.2)连接，注浆喷嘴(7.1.3)设置在高压注浆管(7.1.2)上；

钻具接头(7.2.3)、探测杆(7.2.4)和探测端头(7.2.5)顺次连接组成探测结构，探测结构与高压注浆管(7.1.2)竖直平行布置保证注浆定向，钻具接头(7.2.3)与钻具及注浆口(7.1.1)的位置相对应。

2.根据权利要求1所述的一种隧道穿越破碎带棚护结构，其特征在于：高压注浆管(7.1.2)为玻璃钢管。

3.一种隧道穿越破碎带棚护结构的支护方法，其特征在于：(1)导向墙施工：(a)根据隧道轴线及开挖轮廓线，安装两榀导向墙内部的型钢拱架，型钢拱架间距60cm，并与导向墙焊接牢固；(b)用全站仪定位，安装棚护结构的导向管和导向钢架，导向管为Ф140mm壁厚5mm的钢管，用坡尺检查导向管坡度，按照1～3°的外插角精确定位，并用连接钢筋将导向管和导向钢架与型钢拱架牢固焊接为一整体；(c)经检测导向管和导向钢架满足精度要求后，安装内模拱架，内模拱架用两榀型钢制作而成，支撑稳固后，于模架外侧安设外侧模板；(d)浇筑导向墙，导向墙采用C25混凝土，截面尺寸2.0m×(1+3)m；(e)导向墙浇筑完成后，喷射15cm厚C25砼封闭周围仰坡面，作为注浆时的止浆墙；(f)待混凝土强度满足后拆除模板；

(2)施工平台定位与钻孔：(a)钻机平台用Ф48mm的钢管脚手架搭设，搭设平台一次性搭好，钻孔由1～2台钻机由高孔位向低孔位进行；施工平台要支撑于稳固地基上，脚手架连接要牢固、稳定，防止在施钻时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移而影响钻孔质量；(b)钻机定位时钻机要求与已设定好的孔口管方向平行，精确核定钻机位置；用全站仪、挂线、钻杆导向相结合的方法，反复调整，确保钻机钻杆轴线与孔口管轴线相吻合；(c)为了便于安装钢管，钻头直径采用Φ108mm与钢管尺寸相同；钻孔前，精确测定孔的平面位置、倾角、外插角，并对每个孔进行编号；根据孔口管的倾角和方向，利用钻杆的延伸和吊锤准确确定钻孔的方向，即可固定钻机；钻孔仰角的确定应视钻孔深度及钻杆强度而定，一般控制1°～3°；利用钻机的变角度油缸，参照导向管的倾角确定钻机的倾角，确保钻杆线与开孔角度一致，以达到钻进的导向作用；钻机开孔时钻速不易过快，钻深20㎝后转入正常钻速；第一节钻杆钻入岩层尾部剩余20～30㎝时钻进停止，用管钳人工卡紧钻杆，钻机低速反转，脱开钻杆，钻机沿导轨退回原位，人工装入第二根钻杆，并在钻杆前端安装好联结套，方向对准后联结成一体；钻孔达到深度要求后，按同样方法拆卸钻杆，钻机退回原位；换钻杆时，注意检查钻杆是否弯曲，有无损伤，中心喷水孔是否顺畅，不符合要求的及时更换以确保正常作业；(d)钻进过程中采用楔形钻头作为导向板，楔形钻头内装有方向传感器，方向传感器内部安装力敏元件当钻头位置变化时，感应其重心的变化，将钻头钻进方向信息通过无线连接传送至显示器；显示器显示钻头的倾角和工具角，显示器上有一角度指示钟，楔形板斜面朝下时为12点；钻头钻进角度如果偏下可以把钻头调到12点，即楔形板斜面朝下，直接顶进，此时由于楔形板底板斜面面积大，受到一个向上的托力，钻头轨迹就会朝上运移；同理，在6点时纠偏可以使钻头钻进轨迹朝下，9点、3点时分别为左、右纠偏方向；如果角度合适，钻机匀速旋转钻进，钻头的钻进轨迹是平直的，从而来实现定向钻孔；(e)认真作好钻进过程的原始记录，及时对孔口岩屑进行地质判断、描述，作为洞身开挖时的地质预测预报的参考资料，指导洞身开挖；

(3)棚管制作和安装：(a)棚护结构钢管采用外径108mm，壁厚6mm的热轧无缝钢管上焊接翼板，总长30m，分段连接，每段3m长，接头处丝扣连接，管口丝扣车深度为6cm母扣，连接管采用无缝钢管，公扣长12cm；棚管尾部预留1m作为止浆段，钢管其余部位打注浆孔，注浆孔孔径16mm，注浆孔孔间距15cm，梅花形布置；(b)用装载机在人工配合下顶进钢管，相邻钢管的接头应前后错开1.5m，第一根钢管安装在导向墙上，人工装上后一节钢管，人工持链钳进行钢管联接，使两节钢管在联接处联成一体，依次顶入；

(4)型钢拱架制作与安装：(a)工字钢拱架采用20b工字钢，每榀工字钢两端头处焊接220×220×10mm的连接钢板，钢支撑均采用双面焊接，焊接厚度不小于5mm；加工好的钢拱架在平整的场地上进行试拼装，控制平面翘曲应小于20mm，周边拼装允许偏差为±30mm；检查焊点是否符合规范要求，是否漏焊；符合要求的要编号，避免混用；(b)钢拱架与钢拱架之间用法兰盘螺栓连接，并骑缝焊接，纵向采用钢筋连接，间距为60cm，环向采用1m的连接筋进行连接，焊接采用双面焊，确保纵向连接与拱架连接牢固，构成整体；(c)钢拱架弯制采用冷弯机弯制，型钢连接可采用20cm*h厚度1cm钢板绑条满焊，h为型钢高度减4cm，绑条焊前应先将型钢对接焊满，确保等强连接；连接钢板厚度、尺寸、钻眼必须符合要求，所有焊缝厚度不得小于设计厚度，且焊缝饱满；钢支撑尽可能与锚杆头及钢筋网焊接，以加强联合支护效应；

(5)钢筋笼制作和安装：为增加棚护结构的抗弯能力和抗冲击能力，钢管中设置钢筋笼对结构进行补强，由四根Φ22mm钢筋和固定环组成，用装载机在人工配合下顶进；

(6)注浆和保护层施工：(a)注浆前掌子面必须先素喷一层混凝土作为止浆墙，对掌子面进行封闭，确保注浆过程不漏浆；管棚注浆方式采用间歇式注浆，即一机两孔换孔注浆；(b)注浆采用定向注浆系统，包括浆液定向喷射系统和监控监测系统，对管棚进行定向注浆和监测；(c)间歇时间不大于1.5小时，让浆液有一定的凝固时间，防止连续注浆过程浆液无限制扩散；(d)注浆顺序为先低孔后高孔，先注无水孔后注有水孔，从两拱脚向拱顶对称进行；(e)注浆标准为隧道结构保护层厚度满足设计要求，并且单管注浆量达到设计值或注浆压力达到终压并稳压20分钟以上，孔内不再进浆，停止注浆；(f)注浆结束后及时封闭止浆阀，注浆过程中检查孔口、邻孔、覆盖层较薄部位有无串浆现象，发生串浆时，立即停止该孔注浆，采用间歇式注浆封堵串浆口，间隔一孔或数孔注浆，也采用麻纱、木楔、快硬水泥砂浆或锚固剂封堵，直至不再串浆时再继续注浆，注浆过程中压力如突然升高，则可能发生堵管，停机检查；

(7)循环施工：以每向内推进30m为一循环进尺单元，循环进尺由现场确定，但分段长度不超过50m，纵向两组棚护结构循环搭接长度不小于3.0m，至全部完成结束。