[发明专利]一种隧道穿越空洞棚护结构与支护方法

权利要求书

1.一种隧道穿越空洞棚护结构，其特征在于：该结构包括棚护结构工作室(1)，导向墙(2)，棚护结构钢管(3)，钢筋网片(4)，型钢拱架(5)，翼板(6)及定向注浆系统(7)；

棚护结构工作室(1)由第一循环管棚(8)和第二循环管棚(9)组成，第一循环管棚(8)和第二循环管棚(9)交错布置，第一循环管棚(8)和第二循环管棚(9)之间设有导向墙(2)；棚护结构钢管(3)设置在棚护结构工作室(1)的顶部，钢筋网片(4)铺设在棚护结构工作室(1)上；型钢拱架(5)设置在棚护结构钢管(3)的底部，翼板(6)设置在棚护结构钢管(3)的外侧，定向注浆系统(7)设置在棚护结构钢管(3)的安装孔处；棚护结构钢管(3)，钢筋网片(4)和翼板(6)组成防护部分，翼板(6)的高度可调节，棚护结构钢管(3)和型钢拱架(5)为棚护结构的支护部分；

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空洞棚护结构，其特征在于：型钢拱架(5)之间设有纵向连接钢筋(14)。

3.根据权利要求1所述的一种隧道穿越空洞棚护结构，其特征在于：棚护结构钢管(3)与导向墙(2)之间的外插角α根据棚护结构长度确定，为1°～3°。

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

5.根据权利要求1所述的一种隧道穿越空洞棚护结构，其特征在于：棚护结构穿越无充填物大溶洞时，顶模型钢(10)设置在棚护结构钢管(3)的顶部，翼板的作用是在棚护结构注浆时，浆液通过钢管上的预留注浆孔在棚护结构顶部的翼板之间形成坚固的防护层(12)，防护层(12)的厚度由翼板的高度决定，底模型钢(11)设置在型钢拱架(5)的底部，顶模型钢(10)和底模型钢(11)沿隧道中线(13)对称布置。

6.一种隧道穿越空洞棚护结构的支护方法，该方法具体步骤如下：

S1导向墙施工：(a)根据隧道轴线及开挖轮廓线，安装两榀导向墙型钢拱架，两榀导向墙型钢拱架之间的间距为60cm，焊接牢固；(b)用全站仪定位，安装棚护结构导向管和导向钢架，棚护结构导向管为Ф140壁厚为5mm钢管，沿棚护结构导向管上方棚护结构外法线方向预留导向翼板插孔，宽度2cm，高度3m，用坡尺检查导向管坡度，按照1～3°的外插角精确定位，并用连接钢筋与型钢拱架牢固焊接为一整体；(c)经检测棚护结构导向管和导向架满足精度要求后，安装内模拱架，内模拱架用两榀型钢制作而成，支撑稳固后，于内模拱架外侧安设外侧模板；(d)浇筑导向墙，导向墙采用C25混凝土浇筑，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外侧模板；

S2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，管口接头处用丝扣连接，管口丝扣车深度为6cm母扣，连接管采用Φ127×8mm无缝钢管，公扣长12cm；棚管尾部预留1m作为止浆段，棚护结构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棚护结构钢管，相邻棚护结构钢管的接头前后错开1.5m，第一根钢管焊上翼板后安装在导向墙上，人工装上后一节棚护结构钢管，人工持链钳进行棚护结构钢管联接，使两节棚护结构钢管在联接处联成一体，再焊接导向管翼板，依次顶入；(c)棚管安装时，每安装3m棚护结构钢管，施做五榀型钢拱架，型钢拱架上设有棚管限位器，以对棚护结构钢管定位和支护；依次逐段安装棚护结构钢管和型钢拱架；

S3型钢拱架制作与安装：(a)工字钢拱架采用20b工字型钢，每榀工字型钢两端头处焊接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，完成型钢拱架的加工；加工好的型钢拱架在平整的场地上进行试拼装，控制平面翘曲小于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)钢拱架与型钢拱架之间用法兰盘螺栓连接，并骑缝焊接，纵向采用Φ22mm的钢筋连接，间距为60cm，环向采用1m的连接筋进行连接，焊接采用双面焊，确保纵向连接与型钢拱架连接牢固，构成整体；(c)型钢拱架弯制采用冷弯机弯制，型钢连接采用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；钢支撑与锚杆头及钢筋网焊接，以加强联合支护效应；

S4钢筋网片的制作与安装：(a)钢筋网片采用Φ6圆钢，间距为5cm×15cm，钢筋网在现场单根安装；钢筋网片与钢管联接牢固，随着喷面的起伏铺设；钢筋网之间及与已喷砼段的钢筋网搭接牢固，且搭接长度不小于200mm；钢筋网需挂靠牢固，在喷射混凝土时钢筋网不得晃动；(b)钢筋焊接前要先将钢筋表面的油渍、漆污、水泥浆和用锤敲击能剥落的浮皮、铁锈均清除干净；加工完毕后的钢筋网片应平整，钢筋表面无削弱钢筋截面的伤痕；(c)挂网时按图纸标定的位置挂设加工好的钢筋网片，钢筋网片随初喷面的起伏铺设，绑扎固定于先期施工的管棚钢管之上，再把钢筋网片焊接在一起，钢筋网片之间的搭接长度为1～2个网格；

S5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；

S6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，对棚护结构进行定向注浆和监测；(c)间歇时间不能大于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，如发生串浆，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，或采用麻纱、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；

S7循环施工：以每向内推进30m为一循环进尺单元，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。