[发明专利]隧道易切削锚杆全断面预加固施工方法

说明书

技术领域

本发明涉及隧道易切削锚杆全断面预加固施工方法，这种施工方法适用于土质围岩或者碎石层软弱围岩等，甚至岩石围岩。“隧道”在这里泛指任何一种待掘进的具有规则几何形状的隧道。

背景技术

对地下工程的设计、施工的工程师来说，此类工程的另一特点是结构所受荷载不只是一成不变的土体和结构的自重荷载。在各个施工阶段，结构所受的应力往往不是最终竣工状态的应力，并且结构所受的外部荷载是在设计阶段已经规定的。由于开挖所引起的地层平衡的扰动并不能由最终的衬砌来完全消除，所以施工阶段的荷载状况相当复杂。在施工阶段，洞室的开挖破坏了岩体的初始应力状态，在洞室的周边，由于“拱效应”的存在，导致了开挖轮廓附近的应力增大了。

如果能做到精确地评估洞室开挖的应力重分布状态就能搞清施工阶段的荷载状态。应力的重分布状态决定了毛洞室的稳定性和寿命。依据现场的应力状态和地层材料的强度、变形特性，毛洞的开挖状态有以下三种状况

第一种情况是：当开挖后的洞室周围岩层能够承担开挖引起的偏应力时，在这种情况下，对应的形变和应力都是弹性变化的。改种情况称为稳定类型，可以根据地质和地下水状况，施加起保护作用的支护即可。

第二种情况是：当开挖后的洞室周围岩层不能承担开挖引起的偏应力，在这种情况下，岩体表现为粘弹性、塑性。变形是和塑性区内的岩体体积成正比的；塑性区的岩体也能扩大开挖的影响域。开挖影响域的迅速扩大，导致应力重分布从隧道周边开始，然后深入到岩体深部，直到三轴应力与围岩体强度一致的区域。在这种情况下，形成的“拱效应”形状和开挖轮廓有很大的差别，并且轮廓周边的岩层已经被扰动了，周边岩层用自己的残余强度参与对最终平衡状态的贡献，这就增大了相当岩体的形变。这种情况称为短期稳定类型，需 要加固、支护措施必须要保证“拱效应”的形成，并且“拱效应”应尽可能地接近开挖轮廓线。设计的加固、支护措施要能限制塑性区的发展。

第三种情况是：当洞室开挖后，洞室周边的岩体完全不能承担开挖引起的偏应力，最终导致坍塌。这种情况称为不稳定类型，需要加固、支护措施必须要保证能形成人为“拱效应”。这时，预加固是必须的，以保证前方待挖岩土体的稳定，阻止次主应力σ3的减小为0。

迄今为止，我国隧道推广应用新奥工法(NATM)，已经发展了三十多年，它已经成为我国隧道工程技术进步的重要组成部分，并且已经逐步形成了新奥工法。新奥工法的基本原理是将岩体与支护结构视为施工共同体、利用喷射混凝土和锚杆对开挖面后方围岩形成支护压力，并且强调系统监测和信息反馈指导设计施工。对于水文地质条件较为复杂的软弱围岩隧道或者土质隧道，新奥工法由于只专注开挖面后方围岩的稳定，从而在工程应用上产生了一些重要的限制，比如在土质条件下，如何利用掌子面前方岩体所形成的核心土(待挖核心土)作为稳定手段，软弱围岩隧道或者土质隧道如何实现全断面机械化开挖，采用何种支护方式对掌子面前方待挖核心岩体进行加固来稳定隧道，开挖面前方待挖核心岩体稳定性如何监控、掌子面前方待挖核心岩体稳定加固效果如何评价等等。所以，新奥工法在处理中低度应力-强度条件下隧道开挖问题是成功的，但面对软弱地层条件，新奥工法表现出它的局限性。

新奥工法施工除了有以上局限性外，还有如下缺点：1.新奥工法使用钻爆法施工，需要进行专业的爆破设计，这样就涉及到炮眼的布置及深度，炸药的用量，若设计不合理，在放炮过程中就会扰乱隧道围岩的性状，造成开挖面过大即超挖或者造成大面积欠挖，增加工程成本；2.新奥工法施工不仅要求有良好的施工组织和管理，也要求技术人员和量测人员都十分熟练，否则就会发生错误，施工作业质量与每一个人的仔细操作息息相关；3.开挖暴露出的地质会立即改变其状态，因此要求施工地质人员要亲临现场，以便发现问题；4.用能控制的施工量测，往往给施工带来不便；5.干喷射带来的灰尘以及由于易受化学药品的损害必须加强防护，尤其是对眼睛的防护，湿喷虽然可以避免此缺点，但在同样条件下，仍然存在工程成本过高，初期强度不够稳定等问题；6.在开 挖放炮、出渣后需要一段时间来进行人工初喷(即初期支护)，造成工序循环间隔时间长。