隧道仰拱拆换施工既有拱部衬砌变形控制施工方法与流程

阅读：评论：0

1.本发明涉及山岭隧道领域，特别地，涉及一种隧道仰拱拆换施工既有拱部衬砌变形控制施工方法。

背景技术：

2.现阶段，国内公路、铁路隧道运营里程达42000km，而且仍在持续增长，部分隧道在建设或运营期间，因地质、施工质量、运营车辆重复荷载等原因，出现了仰拱隆起、开裂、翻浆等病害，不符合隧道安全运营要求；或在施工阶段，因高地应力或活动断层的构造作用，导致已施工完成的部分仰拱出现不能继续承载或影响使用的情况。
3.在隧道仰拱拆换时，若不对上部衬砌结构进行拱脚支撑，易导致二次衬砌变形、开裂等次生病害，从而带来附加经济损失，造成施工安全风险，特别是在高地应力段，围岩横向主应力作用于隧道支护结构的荷载较大，未成环的隧道支护结构极易因荷载作用导致结构开裂、变形。

技术实现要素：

4.本发明提供了一种隧道仰拱拆换施工既有拱部衬砌变形控制施工方法，以解决隧道仰拱拆换时存在的易导致二次衬砌变形、开裂等次生病害，从而带来附加经济损失，造成施工安全风险的技术问题。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.一种隧道仰拱拆换施工既有拱部衬砌变形控制施工方法，包括以下步骤：前处理：根据隧道围岩地质及地应力情况，确定仰拱拆换段范围内钢管桩加固的排数、相邻两排钢管桩之间的间距、同一排相邻两根钢管桩之间的间距、每排钢管桩桩位及钢管桩长度；顶排钢管桩施工：根据顶排钢管桩桩位施工出隧道两侧的、穿设既有拱脚衬砌后斜向下打入围岩的顶排钢管桩；第二排钢管桩施工：按照“顶排钢管桩施工”步骤在第二排钢管桩桩位处施工出第二排钢管桩，同时在既有拱脚衬砌内施工出用于将第二排钢管桩连接成整体的加固筋；待拆换仰拱段拆除及替换仰拱施工：将仰拱拆换段的待拆换仰拱段拆除，并在原有位置重新施工替换仰拱。
7.进一步地，步骤“顶排钢管桩施工”中，先施工隧道一侧的顶排钢管桩，再施工隧道另一侧的顶排钢管桩；每侧顶排钢管桩施工时，按照顶排钢管桩桩位孔跳孔施工。
8.进一步地，顶排钢管桩中单根钢管桩施工具体包括以下步骤：施工贯穿既有拱脚衬砌的第一段孔；在第一段孔内装入钢套管；在第一段孔的孔底施工倾斜向下打入围岩的第二段孔；在钢套管内装入伸入第二段孔的钢花管；向钢花管内注浆以形成围岩内的拱脚注浆加固区。
9.进一步地，采用水磨钻机钻削出贯穿既有拱脚衬砌的第一段孔。
10.进一步地，钢花管包括沿轴向延伸设置的花管体，及用于增强钢管桩整体结构强度的钢筋笼；花管体上位于第二段孔内的部分开设有溢流孔；钢筋笼沿轴向布设于花管体
内。
11.进一步地，顶排钢管桩中单根钢管桩施工时，首先在钢套管内装入伸入第二段孔的花管体，然后在花管体内插入钢筋笼，最后再向花管体内注浆，注浆压力、注浆量及注浆材料根据项目需求及经济性确定。
12.进一步地，步骤“第二排钢管桩施工”具体包括以下步骤：在既有拱脚衬砌的内壁面上抠出内凹且沿仰拱拆换段长度方向延伸布设的内抠槽；在内抠槽中固定按桩孔位置预切有通孔的钢条；按照“顶排钢管桩施工”步骤施工第二排钢管桩；将钢条与穿设其上通孔的钢管桩连接的位置焊接固定；采用高强纤维混凝土进行内抠槽回填。
13.进一步地，若设计有第三排钢管桩，则在步骤“第二排钢管桩施工”后，按照“第二排钢管桩施工”的步骤进行第三排钢管桩施工。
14.进一步地，步骤“待拆换仰拱段拆除及替换仰拱施工”具体包括以下步骤：将本循环段的待拆换仰拱段与拱部衬砌结构进行纵、环向切割分离；破拆待拆换仰拱段并清渣；在待拆换仰拱段位置处施工替换仰拱。
15.进一步地，当仰拱拆换段较长时，步序“前处理”、“顶排钢管桩施工”及“第二排钢管桩施工”形成的整体，与步序“待拆换仰拱段拆除及替换仰拱施工”可分段穿插进行。
16.本发明具有以下有益效果：
17.本发明隧道仰拱拆换施工既有拱部衬砌变形控制施工方法中，利用施工形成的多排钢管桩20形成隧道仰拱拆换段上部隧道衬砌结构的基础，以承担仰拱拆换期间既有拱部衬砌结构及围岩荷载，避免仰拱拆换期间拱部衬砌的沉降变形及产生的次生病害，减少经济损失，同时还利用施工出的多排钢管桩的拱脚加固作用，分担仰拱承担的荷载，进而提高结构的整体承载能力和可靠度；另外，通过施工出的加固筋将第二排各单独设置的钢管桩连接成整体，从而有效提升加固结构的整体承载性能，形成的结构有效控制了仰拱拆换期间的变形，并可增大一次仰拱拆换施工的循环长度，施工效率显著提升。
18.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
19.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
20.图1是本发明优选实施例的隧道仰拱拆换施工既有拱部衬砌变形控制施工方法示意图；
21.图2是图1的侧视图；
22.图3是图1中加固筋及钢管桩嵌套细部构造图；
23.图4是图3中a-a向断面示意图；
24.图5是图3中钢筋笼构造示意图。
25.图例说明
26.10、既有拱脚衬砌；101、内抠槽；20、钢管桩；201、溢流孔；21、钢花管；211、花管体；212、钢筋笼；2121、钢筋；2122、钢环；22、钢套管；30、待拆换仰拱段；40、拱脚注浆加固区；50、加固筋；51、钢条；60、既有拱部衬砌。
具体实施方式
27.以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
28.参照图1，本发明的优选实施例提供了一种隧道仰拱拆换施工既有拱部衬砌变形控制施工方法，包括以下步骤：
29.前处理：根据隧道围岩地质及地应力情况，确定仰拱拆换段范围内钢管桩20加固的排数、相邻两排钢管桩之间的间距、同一排相邻两根钢管桩20之间的间距、每排钢管桩桩位及钢管桩20长度；
30.顶排钢管桩施工：根据顶排钢管桩桩位施工出隧道两侧的、穿设既有拱脚衬砌10后斜向下打入围岩的顶排钢管桩；
31.第二排钢管桩施工：按照“顶排钢管桩施工”步骤在第二排钢管桩桩位处施工出第二排钢管桩，同时在既有拱脚衬砌10内施工出用于将第二排钢管桩连接成整体的加固筋50；
32.待拆换仰拱段30拆除及替换仰拱施工：将仰拱拆换段的待拆换仰拱段30拆除，并在原有位置重新施工替换仰拱。
33.本发明隧道仰拱拆换施工既有拱部衬砌变形控制施工方法中，利用施工形成的多排钢管桩20形成隧道仰拱拆换段上部隧道衬砌结构的基础，以承担仰拱拆换期间既有拱部衬砌结构及围岩荷载，避免仰拱拆换期间拱部衬砌的沉降变形及产生的次生病害，减少经济损失，同时还利用施工出的多排钢管桩的拱脚加固作用，分担仰拱承担的荷载，进而提高结构的整体承载能力和可靠度；另外，通过施工出的加固筋50将第二排各单独设置的钢管桩20连接成整体，从而有效提升加固结构的整体承载性能，形成的结构有效控制了仰拱拆换期间的变形，并可增大一次仰拱拆换施工的循环长度，施工效率显著提升。
34.可选地，如图2所示，施工出的每排多根钢管桩20沿待拆换仰拱段30的长度方向均匀间隔设置，对二次衬砌拱脚部位进行均匀加固，并均匀承担仰拱拆换期间既有拱部衬砌60的荷载，更有效控制仰拱拆换期间既有拱部衬砌结构的沉降变形，避免衬砌发生次生病害。施工出的相邻两排钢管桩组中多根钢管桩20一一错位布设，一方面避免相互干涉，同时沿待拆换仰拱段30长度方向更均匀、密实作用，进一步提高作用效果。实际设计时，可根据隧道围岩情况，相应调整钢管桩排数，以将变形控制在规定范围内，为安全的进行仰拱长距离拆换施工(5～10m)提供条件，提高隧道仰拱病害段拆换施工效率。
35.可选地，如图1所示，施工时钢管桩20沿与水平面呈20
°
～60
°
角倾斜向下打入围岩内。钢管桩20大角度斜插入岩体的构造型式，为钢管桩20施工提供了便利条件，进而提高施工效率。
36.可选地，步骤“顶排钢管桩施工”中，先施工隧道一侧的顶排钢管桩，再施工隧道另一侧的顶排钢管桩，防止由于一侧完全施工进而导致另一相对侧失稳。每侧顶排钢管桩施工时，按照顶排钢管桩桩位孔跳孔施工，即首先在桩位孔1、3、5、9、
……
施工，然后再在桩位孔2、4、6、8、
……
施工。
37.可选地，如图3所示，顶排钢管桩中单根钢管桩20施工具体包括以下步骤：
38.施工贯穿既有拱脚衬砌10的第一段孔；优选地，采用水磨钻机钻削出贯穿既有拱脚衬砌10的第一段孔，且钢套管22与第一段孔配合设置；本优选方案中，利用水磨钻机进行
隧道衬砌结构部分的大管径钻孔，形成光滑的钻孔截面，避免了常规冲击钻孔产生的不平整孔壁及可能造成的结构裂缝，从而为衬砌荷载的传递提供最大的接触面，避免钢套管22与钻孔壁接触不均匀产生集中应力，造成衬砌结构开裂或钢管桩剪断，同时还可有效提高施工效率；
39.在第一段孔内装入钢套管22，利用钢套管22的内箍作用消除钻孔周边的集中应力，同时将其作为钢管桩围岩段钻孔施工时，衬砌段的孔壁保护结构，且钢套管22也是拱部变形控制结构的一部分，与钢花管21一起承担上部结构的荷载；
40.在第一段孔的孔底施工倾斜向下打入围岩的第二段孔；优选地，第二段孔为由普通钻孔设备钻削形成的盲孔，且钢花管21与第二段孔配合设置；
41.在钢套管22内装入伸入第二段孔的钢花管21；
42.向钢花管21内注浆以形成围岩内的拱脚注浆加固区40。
43.本可选方案中，如图4所示，钢花管21包括沿轴向延伸设置的花管体211，及用于增强钢管桩20整体结构强度的钢筋笼212。花管体211上位于第二段孔内的部分开设有溢流孔201。钢筋笼212沿轴向布设于花管体211内。通过在常规钢花管21内增设钢筋笼212，从而注浆后两者形成整体结构，进一步增强钢管桩20整体的结构强度及抗剪切能力。本优选方案中，如图4和图5所示，钢筋笼212包括沿周向间隔设置且沿轴向延伸的多根钢筋2121，及沿轴向依次设置且同时连接多根钢筋2121的钢环2122。钢筋笼212结构设置简单、容易制备及加工，且制备成本低。
44.本可选方案中，顶排钢管桩中单根钢管桩20施工时，首先在钢套管22内装入伸入第二段孔的花管体211，然后在花管体211内插入钢筋笼212，最后再向花管体211内注浆，注浆压力、注浆量及注浆材料根据项目需求及经济性确定。
45.本发明施工方法中，在既有常规钢花管21结构的基础上，在隧道衬砌结构段再叠合嵌套一根钢套管22，形成双层钢管构造，从而有效提升钢管桩20的抗剪切能力，并通过预钻于钢花管21上的溢流孔201深入拱脚岩体内的砂浆形成拱脚注浆加固区40，从而进一步提升隧道拱脚部位围岩的整体性，使得钢管桩拱脚加固结构能承担隧道上部既有拱部衬砌结构的荷载，并有效控制变形；另外，钢套管22加钢花管21形成的嵌套钢管，能为钻孔提供内支撑，避免应力集中，而且还增加了钢管桩拱脚支护结构的抗剪能力；本发明施工方法中，按照步骤“顶排钢管桩施工”施工出的顶排钢管桩，形成拱部变形控制结构的第一层，为后续的第二排钢管桩抠槽施工提供支撑条件。
46.可选地，步骤“第二排钢管桩施工”具体包括以下步骤：
47.在既有拱脚衬砌10的内壁面上抠出内凹且沿仰拱拆换段长度方向延伸布设的内抠槽101；本可选方案中，内抠槽101环向宽度30cm、深度20cm，纵向长度与仰拱拆换循环长度一致；
48.在内抠槽101中固定按桩孔位置预切有通孔的钢条51；本可选方案中，钢条51为工字钢，取材方便，且成本较低，工字钢的腹板上对应设有供钢管桩20穿设的通孔；
49.按照“顶排钢管桩施工”步骤施工第二排钢管桩；
50.将钢条51与穿设其上通孔的钢管桩20连接的位置焊接固定；
51.采用高强纤维混凝土进行内抠槽101回填，从而将第二排钢管桩连接成整体承载结构，提升了其承载能力。
52.可选地，若设计有第三排钢管桩，则在步骤“第二排钢管桩施工”后，按照“第二排钢管桩施工”的步骤进行第三排钢管桩施工。
53.可选地，步骤“待拆换仰拱段30拆除及替换仰拱施工”具体包括以下步骤：
54.将本循环段的待拆换仰拱段30与拱部衬砌结构进行纵、环向切割分离；
55.破拆待拆换仰拱段30并清渣；操作时，利用炮机破拆隧道路面、仰拱填充及仰拱结构层后清渣；
56.在待拆换仰拱段30位置处施工替换仰拱。操作时，清渣后进行仰拱骨架、钢筋的绑扎焊接、整体浇筑隧道仰拱混凝土及后续仰拱充填及路面结构层施工。
57.可选地，当仰拱拆换段较长时，步序“前处理”、“顶排钢管桩施工”及“第二排钢管桩施工”形成的整体，与步序“待拆换仰拱段30拆除及替换仰拱施工”可分段穿插进行，但应控制间隔距离。
58.本发明施工方法中，换拱施工作业时，相应段的监控量测需按相应规范要求同步进行，并根据变形情况及时调整优化钢管桩布置参数。
59.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种隧道仰拱拆换施工既有拱部衬砌变形控制施工方法，其特征在于，包括以下步骤：前处理：根据隧道围岩地质及地应力情况，确定仰拱拆换段范围内钢管桩(20)加固的排数、相邻两排钢管桩之间的间距、同一排相邻两根钢管桩(20)之间的间距、每排钢管桩桩位及钢管桩(20)长度；顶排钢管桩施工：根据顶排钢管桩桩位施工出隧道两侧的、穿设既有拱脚衬砌(10)后斜向下打入围岩的顶排钢管桩；第二排钢管桩施工：按照“顶排钢管桩施工”步骤在第二排钢管桩桩位处施工出第二排钢管桩，同时在既有拱脚衬砌(10)内施工出用于将第二排钢管桩连接成整体的加固筋(50)；待拆换仰拱段(30)拆除及替换仰拱施工：将仰拱拆换段的待拆换仰拱段(30)拆除，并在原有位置重新施工替换仰拱。2.根据权利要求1所述的隧道仰拱拆换施工既有拱部衬砌变形控制施工方法，其特征在于，步骤“顶排钢管桩施工”中，先施工隧道一侧的顶排钢管桩，再施工隧道另一侧的顶排钢管桩；每侧顶排钢管桩施工时，按照顶排钢管桩桩位孔跳孔施工。3.根据权利要求2所述的隧道仰拱拆换施工既有拱部衬砌变形控制施工方法，其特征在于，顶排钢管桩中单根钢管桩(20)施工具体包括以下步骤：施工贯穿既有拱脚衬砌(10)的第一段孔；在第一段孔内装入钢套管(22)；在第一段孔的孔底施工倾斜向下打入围岩的第二段孔；在钢套管(22)内装入伸入第二段孔的钢花管(21)；向钢花管(21)内注浆以形成围岩内的拱脚注浆加固区(40)。4.根据权利要求3所述的隧道仰拱拆换施工既有拱部衬砌变形控制施工方法，其特征在于，采用水磨钻机钻削出贯穿既有拱脚衬砌(10)的第一段孔。5.根据权利要求3所述的隧道仰拱拆换施工既有拱部衬砌变形控制施工方法，其特征在于，钢花管(21)包括沿轴向延伸设置的花管体(211)，及用于增强钢管桩(20)整体结构强度的钢筋笼(212)；花管体(211)上位于第二段孔内的部分开设有溢流孔(201)；钢筋笼(212)沿轴向布设于花管体(211)内。6.根据权利要求5所述的隧道仰拱拆换施工既有拱部衬砌变形控制施工方法，其特征在于，顶排钢管桩中单根钢管桩(20)施工时，首先在钢套管(22)内装入伸入第二段孔的花管体(211)，然后在花管体(211)内插入钢筋笼(212)，最后再向花管体(211)内注浆，注浆压力、注浆量及注浆材料根据项目需求及经济性确定。7.根据权利要求1所述的隧道仰拱拆换施工既有拱部衬砌变形控制施工方法，其特征
在于，步骤“第二排钢管桩施工”具体包括以下步骤：在既有拱脚衬砌(10)的内壁面上抠出内凹且沿仰拱拆换段长度方向延伸布设的内抠槽(101)；在内抠槽(101)中固定按桩孔位置预切有通孔的钢条(51)；按照“顶排钢管桩施工”步骤施工第二排钢管桩；将钢条(51)与穿设其上通孔的钢管桩(20)连接的位置焊接固定；采用高强纤维混凝土进行内抠槽(101)回填。8.根据权利要求1所述的隧道仰拱拆换施工既有拱部衬砌变形控制施工方法，其特征在于，若设计有第三排钢管桩，则在步骤“第二排钢管桩施工”后，按照“第二排钢管桩施工”的步骤进行第三排钢管桩施工。9.根据权利要求1所述的隧道仰拱拆换施工既有拱部衬砌变形控制施工方法，其特征在于，步骤“待拆换仰拱段(30)拆除及替换仰拱施工”具体包括以下步骤：将本循环段的待拆换仰拱段(30)与拱部衬砌结构进行纵、环向切割分离；破拆待拆换仰拱段(30)并清渣；在待拆换仰拱段(30)位置处施工替换仰拱。10.根据权利要求1所述的隧道仰拱拆换施工既有拱部衬砌变形控制施工方法，其特征在于，当仰拱拆换段较长时，步序“前处理”、“顶排钢管桩施工”及“第二排钢管桩施工”形成的整体，与步序“待拆换仰拱段(30)拆除及替换仰拱施工”可分段穿插进行。

技术总结

本发明公开了一种隧道仰拱拆换施工既有拱部衬砌变形控制施工方法，包括以下步骤：前处理；顶排钢管桩施工：根据顶排钢管桩桩位施工出隧道两侧的、穿设既有拱脚衬砌后斜向下打入围岩的顶排钢管桩；第二排钢管桩施工：按照“顶排钢管桩施工”步骤在第二排钢管桩桩位处施工出第二排钢管桩，同时在既有拱脚衬砌内施工出用于将第二排钢管桩连接成整体的加固筋；待拆换仰拱段拆除及替换仰拱施工：将待拆换仰拱段拆除后在原有位置施工替换仰拱。本发明施工方法中，利用施工形成的多排钢管桩形成隧道仰拱拆换段上部隧道衬砌结构的基础，以承担仰拱拆换期间既有拱部衬砌结构及围岩荷载，避免仰拱拆换期间拱部衬砌的沉降变形及产生的次生病害，减少经济损失。减少经济损失。减少经济损失。