一种基于拱架拆换施工的洞内管棚及隧道塌方处治方法与流程

1.本发明涉及一种基于拱架拆换施工的洞内管棚及隧道塌方处治方法，属于隧道施工技术领域。


背景技术：

2.洞内管棚作为应对软弱破碎带的重要施工辅助措施，在隧道暗洞施工过程中得到了广泛的应用。就目前的施工现状而言，隧道暗洞内施工的洞内管棚可大体区分为带管棚工作室洞内管棚及无管棚工作室洞内管棚两种类型，其中带管棚工作室洞内管棚的工作室施工一般需要较长的扩挖段落，施工工序复杂，施工成本较高，且在软弱破碎围岩中进行扩挖施工存在不小的技术风险；因缺少可靠的管棚辅助定位装置，无管棚工作室洞内管棚的施工角度较难精准控制，且易与隧道支护结构存在一定的空间冲突问题，进而导致管棚末端的竖向支撑效果以及注浆加固效果偏差，洞内管棚的整体支护效果欠理想。
3.可以看出，目前的两种洞内管棚均存在着一定的技术缺陷，进而难以满足隧道施工对相关辅助措施日益严苛的技术需求。针对上述情况，研究一种基于拱架拆换施工的洞内管棚及其施工方法具有重大的实际意义。


技术实现要素：

4.鉴于此，本发明的目的是提供一种基于拱架拆换施工的洞内管棚及隧道塌方处治方法，可以克服现有技术的不足。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.一种基于拱架拆换施工的洞内管棚，包括以紧邻坍塌体的隧道初期支护为基础的防护结构，防护结构的纵向设置长度根据坍塌体发育情况动态调整，防护结构前部紧邻坍塌体的掌子面，后部设有拱架置换施工区，在拱架置换施工区内设置嵌入式管棚定位架，在嵌入式管棚定位架上设有洞内管棚，洞内管棚整体倾斜向上并深入掌子面前方围岩内。
7.前述防护结构包括紧邻掌子面的初期支护段，其内设置不少于两榀、不多于五榀的钢架单元，且在相邻两榀钢架单元之间设有径向钻孔，其内注浆形成围岩加固结构。
8.前述拱架置换施工区的纵向设置长度根据已施工初期支护情况动态调整，其范围内有两榀或三榀钢架单元，且在相邻两榀钢架单元之间设有径向钻孔，其内注浆形成围岩加固结构。
9.前述嵌入式管棚定位架包括两榀布设在拱架置换施工区前段两榀钢架单元所处位置的钢梁托架，在钢梁托架上设有相对掌子面前进方向呈倾斜向上的管棚定位孔，在管棚定位孔内穿装有定位套管；
10.在钢梁托架后部的钢架单元所处位置还设有替换钢梁，替换钢梁上设置有开孔，所述洞内管棚穿过替换钢梁上的开孔，并借助定位套管打入掌子面前方围岩内。
11.一种基于前述洞内管棚的隧道塌方处治方法，其包括以下步骤：
12.s1、对发生坍塌事故的隧道掌子面进行反压回填加固，进而施工仰斜式排水孔并
判断出坍塌体纵向长度；
13.s2、采用径向钻孔注浆的方式进行紧邻坍塌体围岩的加固施工，钻孔过程中探测坍塌破碎体发育范围，进而确定防护结构的纵向设置长度；
14.s3、通过管棚施工参数的计算，进行嵌入式管棚定位架、管棚相关材料的准备工作，并计算确定是否需要拆换替换钢梁；
15.s4、保留紧邻掌子面的一段初期支护作为预防坍塌体进一步发展的防护结构，并采用后退开槽的方式进行拱架置换施工区内嵌入式管棚定位架、替换钢梁的逐榀拆换施工；
16.s5、借助嵌入式管棚定位架向掌子面前方施工洞内管棚，进而通过洞内管棚对坍塌体及周边围岩进行注浆加固；
17.s6、待洞内管棚注浆浆液凝固并形成强度后，在洞内管棚和拱部围岩注浆加固层的保护下进行隧道的循环开挖，待完全穿过坍塌体后，再对拱架置换施工区的凹槽进行喷射混凝土回填施工，将洞内管棚、嵌入式管棚定位架以及替换钢梁全部封闭在初期支护内。
18.前述步骤s1中，隧道发生掌子面坍塌事故后，立即对掌子面进行反压回填处治，形成碎石回填平台；施工喷射混凝土防护层封闭掌子面，并施工仰斜式排水孔进行排水施工；其中，仰斜式排水孔兼作为超前水平探孔使用，在施工仰斜式排水孔的过程中注意观察岩芯性质、钻进情况及翻水颜色，以大致判断出坍塌体纵向长度l1。
19.前述步骤s2中，沿掌子面反向在相邻两榀钢架单元之间逐一施工径向钻孔，在径向钻孔内进行径向注浆对围岩进行加固；钻孔过程中观察是否钻入坍塌破碎体，以未探测到坍塌破碎体的钢架单元为防护结构的最后一榀拱架，并将其后方的两榀钢架单元确定为嵌入式管棚定位架的拆换拱架，具体步骤包括：
20.s2.1、在紧邻掌子面的至少五榀钢架单元之间分别施工径向钻孔，孔深不少于3米；
21.s2.2、钻孔过程中注意观察岩芯性质、钻进情况及翻水颜色，判断是否钻入坍塌破碎体内：若前n-1排径向钻孔均探测到坍塌破碎体，第n排径向钻孔未探测到坍塌破碎体，则将紧邻掌子面第一榀至第n榀钢架单元所在的初期支护段落作为防护结构保留下来，将紧邻掌子面的第n+1榀钢架单元和第n+2榀钢架单元确定为嵌入式管棚定位架的拆换拱架；其中，当n≤2时，取n＝2，当n≥5时，取n＝5。
22.前述步骤s3中，所述管棚施工参数包括管棚选用管材、管棚实际施工角度θ、管棚实际下料长度l
x
、嵌入式管棚定位架上的管棚定位孔参数，并计算确定是否需要将第n+3榀钢架单元拆换为替换钢梁以及替换钢梁的开孔参数，具体计算步骤如下：
23.s3.1、通过初步确定管棚长度l选择适合的管材规格，进而确定管材外径r1，l的计算式为：
24.l＝(l1+l2+2)/cosθ1；
25.s3.2、计算确定紧邻掌子面的第n+3榀钢架单元是否需要更换：
26.1)计算第n+3榀钢架单元至第n榀钢架单元的纵向距离最小限值l
min
为：
27.l
min
＝(h1+r1)/tanθ1，
28.2)根据l
min
确定需要拆换的拱架数量，其规则如下：
29.若l3≥l
min
+5cm，则第n+3榀钢架单元不需要拆换；若l3＜l
min
+5cm，则第n+3榀钢架
单元需进行拆换；
30.s3.3、通过计算管棚允许施工最小角度θ
min
，在θ
min
～10
°
范围内确定一个角度作为管棚实际施工角度θ，计算式为：
31.θ
min
＝arctan((h1+r1)/(l
i-5cm))；
32.s3.4、计算管棚实际下料长度l
x
，计算式为：
33.lx＝(l1+l2+2)/cosθ；
34.s3.5、计算各钢梁托架和替换钢梁上开孔的中心高度hi，计算式为：
35.hi＝h1/2+δhi36.上述式中，l1为根据仰斜式排水孔11初步探测的坍塌体纵向长度；
37.l2为第n+2榀钢架单元至掌子面的纵向间距测量值；
38.l3为第n+3榀钢架单元至第n榀钢架单元的纵向距离实际值；
39.li为第n+3或第n+4榀钢架单元至第n榀钢架单元的纵向间距测量值；
40.h1为第n榀钢架单元的高度，其可根据初期支护拱架的型号确定；
41.θ1为管棚施工的初步预设角度，取值为10
°
；
42.θ为管棚实际施工角度；
43.r1为管棚外径；
44.δhi为各钢梁托架及替换钢梁的开孔中心高度偏差值。
45.前述步骤s4中，按逐榀拆换原则沿掌子面后方施工第一钢梁托架和第二榀钢梁托架，具体施工流程如下：凿除对应需要拆换榀钢架单元所在隧道拱部120
°
区域的喷射混凝土，进而将原钢架单元(301)拆除下来，拆除范围为拱部120度范围的3个钢架单元，其后立即在原位置安装上对应的钢梁托架，其中，替换钢梁根据计算判断是否更换；
46.待所有钢梁托架及替换钢梁拆换完成后，将它们之间的喷射混凝土凿除，安装定位套管，并进行焊接固定。
47.在前述步骤s5注浆过程中，为了防止浆液从仰斜式排水孔中泄漏，应提前在仰斜式排水孔孔口塞入稻草，塞入稻草在不影响排水的同时，可以阻挡浆液颗粒流失；
48.在前述步骤s6隧道的循环开挖中，及时施工初期支护并进行坍塌段的径向二次补注浆施工；坍塌体下方按每循环一榀钢架单元间距进行开挖，且钢架单元间距宜控制在50cm～70cm。
49.与现有技术比较，本发明公开的一种基于拱架拆换施工的洞内管棚及隧道塌方处治方法，包括以紧邻坍塌体的隧道初期支护为基础的防护结构，防护结构的纵向设置长度根据坍塌体发育情况动态调整，防护结构前部紧邻坍塌体的掌子面，后部设有拱架置换施工区，在拱架置换施工区内设置嵌入式嵌入式管棚定位架，在嵌入式管棚定位架上设有洞内管棚，洞内管棚整体倾斜向上并深入掌子面前方围岩内。施工时首先对发生坍塌事故的隧道掌子面进行反压回填加固，进而施工仰斜式排水孔并判断出坍塌体纵向长度；采用径向钻孔注浆的方式进行紧邻坍塌体围岩的加固施工，钻孔过程中探测坍塌破碎体发育范围，进而确定防护结构的纵向设置长度；通过管棚施工参数的计算，进行嵌入式管棚定位架、管棚相关材料的准备工作，并计算确定是否需要拆换替换钢梁；保留紧邻掌子面的一段初期支护作为预防坍塌体进一步发展的防护结构，并采用后退开槽的方式进行拱架置换施工区内嵌入式管棚定位架、替换钢梁的逐榀拆换施工；借助嵌入式管棚定位架向掌子面前
方施工洞内管棚，进而通过洞内管棚对坍塌体及周边围岩进行注浆加固；待洞内管棚注浆浆液凝固并形成强度后，在洞内管棚和拱部围岩注浆加固层的保护下进行隧道的循环开挖，待完全穿过坍塌体后，再对拱架置换施工区的凹槽进行喷射混凝土回填施工，将洞内管棚、嵌入式管棚定位架以及替换钢梁全部封闭在初期支护内。本发明结构简单，施工便捷，方案科学合理，首先采取钻探手段判断坍塌体发育范围，进而精准确定防护结构的纵向设置长度以及管棚施工参数，其后采用原位置换的方式将拱架置换施工区内的钢架单元拆换为嵌入式管棚定位架，进而借助嵌入式管棚定位架进行管棚的精准安装，整个过程施工风险可控，施工成本有所降低，且处治措施可靠性高，效果好。
50.本发明的有益效果是：
51.(1)本发明采用了嵌入式管棚定位架后退开槽的设计方案，巧妙保留了紧邻坍塌体的一段隧道初期支护作为预防坍塌体进一步发展的防护结构，可有效降低潜在的施工风险，大幅提高处治施工的安全性；
52.(2)本发明所述的洞内管棚从保留下来的防护结构顶部穿过，管棚末端在承受围岩压力作用时可将竖向荷载有效传递至上述防护结构上，从而有效保障了管棚末端的竖向承载能力，相比于在管棚末端增设临时辅助支撑的方案而言，本发明充分利用了隧道的既有结构，施工工序相对简单，且施工成本有所降低；
53.(3)本发明通过在仰斜式排水孔孔口段填塞稻草的措施，在保证仰斜式排水孔排水能力的基础上，有效规避了注浆浆液通过仰斜式排水孔向外渗漏的风险，且其操作简单，经济实用；
54.(4)本发明通过保留紧邻坍塌掌子面的一段初期支护结构，配合上掌子面位置的碎石回填平台、喷射混凝土防护层以及填塞稻草的仰斜式排水孔，在坍塌体临空侧形成了一套完整的浆液封堵结构，可有效避免管棚注浆过程中潜在的漏浆风险，为坍塌体高压注浆加固提供了有利的施工条件；
55.(5)本发明通过管棚后退施工的设计，使得隧道坍塌体附近段落的洞内管棚整体位于初期支护结构上方，可有效规避常规无管棚工作室洞内管棚与初期支护拱架的空间冲突问题，为坍塌体段落的拱架加密布置提供了客观条件，且因管棚注浆加固圈在后续隧道开挖过程中能够有所保留，拱部围岩的整体稳定性大幅提高；
56.(6)本发明通过钻探手段提前探明隧道坍塌体的发育规模，并根据钻探结果计算确定嵌入式管棚定位架后退开槽位置、需拆换拱架的榀数、围岩径向注浆加固范围、管棚长度、管棚管径、管棚施工角度以及钢梁托架开孔高度等施工参数，可有效保证洞内管棚的施工精度以及处治施工的效果；
57.(7)本发明创新性的采用了拱架置换的思路进行嵌入式管棚定位架的施工，整个施工过程无需扩挖，对隧道既有结构的拆除量也可控，且因结构拆换段落与掌子面处的坍塌体错开了一定的安全距离，整体施工风险水平较低，无需过多的辅助措施来保证施工安全，整个方案的施工工序简单，且成本投入可控；
58.(8)本发明提供的嵌入式管棚定位架，其通过钢梁托架与拱架置换施工区内的原有钢架单元进行结构置换施工，实现了嵌入式管棚定位架与隧道初期支护结构的完全融合，达到既不需要向隧道外侧扩挖，又不侵占隧道内侧有限空间的效果；
59.(9)本发明采用钢梁托架作为嵌入式管棚定位架的受力支撑结构，相比于常规的
钢架腹板开孔而言，钢梁截面积的加大可有效抵消定位孔开孔对结构刚度的折减，从而保证嵌入式管棚定位架的支撑刚度以及嵌入式管棚定位架所在段落的结构稳定性；同时，钢梁托架的定位孔开孔位置更加灵活，管棚可施工角度的调整幅度有效增大，从而有效提高了嵌入式管棚定位架的适用范围。
60.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
61.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
62.图1为本发明的结构示意图；
63.图2为嵌入式管棚定位架的立体结构示意图；
64.图3为嵌入式管棚定位架的管棚定位孔开孔示意图一(含替换钢梁)；
65.图4为嵌入式管棚定位架的管棚定位孔开孔示意图二(含替换钢梁)；
66.图5为本发明的施工流程图一；
67.图6为本发明的施工流程图二；
68.图7为图6的正面结构示意图；
69.图8为本发明的施工流程图三；
70.图9为本发明的施工流程图四(无替换钢梁)；
71.图10为图9的正面结构示意图；
72.图11为本发明的施工流程图五(无替换钢梁)；
73.图12为本发明的施工流程图四(有替换钢梁)；
74.图13为本发明的施工流程图五(有替换钢梁)。
具体实施方式
75.以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
76.如图1-图13所示，一种基于拱架拆换施工的洞内管棚，包括以紧邻坍塌体的隧道初期支护为基础的防护结构，防护结构的纵向设置长度根据坍塌体发育情况动态调整，防护结构前部紧邻坍塌体的掌子面1，后部设有拱架置换施工区，在拱架置换施工区内设置嵌入式管棚定位架，在嵌入式管棚定位架上设有洞内管棚2，洞内管棚2整体倾斜向上并深入掌子面前方围岩内。
77.所述防护结构包括紧邻掌子面1的初期支护段3，其内设置不少于两榀、不多于五榀的钢架单元301，且在相邻两榀钢架单元301之间设有径向钻孔4，其内注浆形成围岩加固结构。
78.所述拱架置换施工区的纵向设置长度根据已施工初期支护情况动态调整，其范围内有两榀或三榀钢架单元301，且在相邻两榀钢架单元301之间设有径向钻孔4，其内注浆形
成围岩加固结构。所述嵌入式管棚定位架包括两榀布设在拱架置换施工区前段两榀钢架单元301所处位置的钢梁托架5，其通过与原有钢架单元301进行结构置换施工，实现了嵌入式管棚定位架与隧道初期支护结构的完全融合，达到既不需要向隧道外侧扩挖，又不侵占隧道内侧有限空间的效果；在钢梁托架5上设有相对掌子面前进方向呈倾斜向上的管棚定位孔，在管棚定位孔内穿装有定位套管6；在钢梁托架5后部的钢架单元301所处位置还设有替换钢梁7，替换钢梁7上设置有开孔，所述开孔为便于洞内管棚2穿装的避让设计，可避免洞内管棚2穿装时的空间冲突问题，所述洞内管棚2穿过替换钢梁7上的开孔，并借助定位套管6打入掌子面前方围岩内。
79.优选地，所述钢梁托架5和替换钢梁7设置为矩形钢梁，以增大管棚定位孔的位置选择范围，且通过钢梁截面增大弥补管棚定位孔开孔对托架的刚度折减影响。
80.优选地，所述钢梁托架5包括沿掌子面后方依次设置在的第一钢梁托架501、第二钢梁托架502，钢梁托架5后方为替换钢梁7，所述第一钢梁托架501、第二钢梁托架502及替换钢梁7均通过螺栓可拆卸固连在原初期支护的工字钢单元8上。
81.所述洞内管棚2为注浆钢花管，通过注浆钢花管进行高压注浆施工，实现对坍塌体及周边围岩进行注浆加固。
82.在掌子面处设有反压回填加固结构。所述反压回填加固结构包括喷射在掌子面上的混凝土防护层9及设置在紧邻掌子面底部的碎石回填平台10；在混凝土防护层9上设有若干深入坍塌体的仰斜式排水孔11，仰斜式排水孔11出水口内填充有稻草。
83.一种基于前述洞内管棚的隧道塌方处治方法，其包括以下步骤：
84.s1、对发生坍塌事故的隧道掌子面1进行反压回填加固，进而施工仰斜式排水孔11并判断出坍塌体纵向长度；
85.s2、采用径向钻孔注浆的方式进行紧邻坍塌体围岩的加固施工，钻孔过程中探测坍塌破碎体发育范围，进而确定防护结构的纵向设置长度；
86.s3、通过管棚施工参数的计算，进行嵌入式管棚定位架、管棚等相关材料的准备工作，并计算确定是否需要拆换替换钢梁7；
87.s4、保留紧邻掌子面的一段初期支护作为预防坍塌体进一步发展的防护结构，并采用后退开槽的方式进行拱架置换施工区内嵌入式管棚定位架、替换钢梁7的逐榀拆换施工；
88.s5、借助嵌入式管棚定位架向掌子面前方施工洞内管棚2，进而通过洞内管棚2对坍塌体及周边围岩进行注浆加固；
89.s6、待洞内管棚2注浆浆液凝固并形成强度后，在洞内管棚2和拱部围岩注浆加固层的保护下进行隧道的循环开挖，待完全穿过坍塌体后，再对拱架置换施工区的凹槽进行喷射混凝土回填施工，将洞内管棚2、嵌入式管棚定位架以及替换钢梁全部封闭在初期支护内。
90.步骤s1中，隧道发生掌子面坍塌事故后，立即对掌子面1进行反压回填处治，形成碎石回填平台10；施工喷射混凝土防护层9封闭掌子面，并施工仰斜式排水孔11进行排水施工；其中，仰斜式排水孔11兼作为超前水平探孔使用，在施工仰斜式排水孔11的过程中注意观察岩芯性质、钻进情况及翻水颜色，以大致判断出坍塌体纵向长度l1。
91.步骤s2中，沿掌子面1反向在相邻两榀钢架单元之间逐一施工径向钻孔4，在径向
钻孔4内进行径向注浆对围岩进行加固；钻孔过程中观察是否钻入坍塌破碎体，以未探测到坍塌破碎体的钢架单元301为防护结构的最后一榀拱架，并将其后方的两榀钢架单元确定为嵌入式管棚定位架的拆换拱架。具体步骤包括：
92.s2.1、在紧邻掌子面的至少五榀钢架单元之间分别施工径向钻孔4，孔深控制在3米左右，3米以上的坍塌体认为对隧道影响不大；
93.s2.2、钻孔过程中注意观察岩芯性质、钻进情况及翻水颜色，判断是否钻入坍塌破碎体内：若前n-1排径向钻孔4均探测到坍塌破碎体，第n排径向钻孔4未探测到坍塌破碎体，则将紧邻掌子面第一榀至第n榀钢架单元所在的初期支护段落作为防护结构段保留下来，将紧邻掌子面的第n+1榀钢架单元和第n+2榀钢架单元确定为嵌入式管棚定位架的拆换拱架；
94.优选地，当n≤2时，取n＝2；当n≥5时，取n＝5。
95.优选地，待围岩径向注浆完成并形成强度后，视情况判断是否需要在第n+1榀钢架单元和第n+2榀钢架单元的接头位置增设锁脚锚管，其中，锁脚锚管的规格为
96.步骤s3中，所述管棚施工参数包括管棚选用管材、管棚实际施工角度θ、管棚实际下料长度l
x
、嵌入式管棚定位架上的管棚定位孔参数，并计算确定是否需要将第n+3榀钢架单元301拆换为替换钢梁7以及替换钢梁7的开孔参数，具体计算步骤如下：
97.s3.1、管棚选用管材计算包括：
98.1)初步确定管棚长度l为：l＝(l1+l2+2)/cosθ1；
99.式中，l1为根据仰斜式排水孔11初步探测的坍塌体纵向长度；
100.l2为第n+2榀钢架单元至第n榀钢架单元的纵向间距测量值；
101.θ1为管棚施工的初步预设角度，取值为10
°
；
102.2)根据初步确定的管棚长度，选择对应的管材规格，选择规则如下：
103.当l不大于9m时，选择钢花管，此时管棚外径r1＝7.6cm；
104.当l大于9m但不大于12m时，选择钢花管，此时管棚外径r1＝8.9cm；
105.当l大于12m时，选择钢花管，此时管棚外径r1＝10.8cm；
106.s3.2、确定紧邻掌子面的第n+3榀钢架单元是否需要更换，
107.嵌入式管棚定位架安装位置所在的两榀拆换拱架是必然要拆换的，本次计算只要是确定第n+3榀钢架单元是否影响管棚施工，若影响则需要拆除，若不影响则不需要拆除：
108.1)计算第n+3榀钢架单元至第n榀钢架单元的纵向距离最小限值l
min
为：
109.l
min
＝(h1+r1)/tanθ1，
110.式中，h1为第n榀钢架单元的高度，其可根据初期支护拱架的型号确定；
111.r1为管棚外径；
112.θ1为管棚施工的初步预设角度，取值为10
°
；
113.2)根据l
min
确定需要拆换的拱架数量，其规则如下：
114.测量第n+3榀钢架单元至第n榀钢架单元的纵向距离实际值l3，若l3≥l
min
+5cm，则第n+3榀钢架单元不需要拆换；若l3＜l
min
+5cm，则第n+3榀钢架单元需进行拆换；
115.一般情况，管棚管径r1一般在7.6cm～10.8cm之间；钢架单元尺寸h1一般在14cm～20cm之间，则l
min
计算结果在105cm～175cm之间，鉴于钢架单元间距一般在60cm～120cm之
间，故而钢架单元拆除量一般为2榀，少数为3榀；
116.s3.3、计算管棚允许施工最小角度θ
min
，计算式为：
117.θ
min
＝arctan((h1+r1)/(l
i-5cm))，
118.式中，h1为第n榀钢架单元的高度，其可根据初期支护拱架的型号确定；
119.li为第n+3或第n+4榀钢架单元至第n榀钢架单元的纵向间距测量值；
120.具体地，管棚的实际施工角度根据实际拆除拱架数量确定，其允许施工的最小值计算如下：
121.若第n+3榀钢架单元不需要拆换，则管棚允许施工最小角度θ
min
计算如下：
122.θ
min
＝arctan((h1+r1)/(l
3-5cm))，
123.若第n+3榀钢架单元需要拆换，则管棚允许施工最小角度θmin计算如下：
124.θ
min
＝arctan((h1+r1)/(l
4-5cm))，
125.其中，l3为第n+3榀钢架单元至第n榀钢架单元的纵向间距测量值；
126.l4为第n+4榀钢架单元至第n榀钢架单元的纵向间距测量值；
127.r1为管棚外径，
128.根据实际需要，在θ
min
～10
°
范围内确定一个角度作为管棚实际施工角度θ即可；
129.s3.4、计算管棚实际下料长度l
x
，
130.lx＝(l1+l2+2)/cosθ，
131.式中，l1为根据仰斜式排水孔11初步探测的坍塌体纵向长度；
132.l2为第n+2榀钢架单元至第n榀钢架单元的纵向间距测量值；
133.θ为管棚实际施工角度；
134.s3.5、计算各钢梁托架和替换钢梁上开孔的中心高度hi，计算式为：hi＝h1/2+δhi135.其中，δhi为各钢梁托架及替换钢梁的开孔中心高度偏差值，以第n榀钢架单元的顶部为管棚施工的铰点，并默认钢梁托架、替换钢梁的中心高度与第n榀钢架单元的中心高度一致,各钢梁托架、替换钢梁的开孔中心高度偏差值具体如下：
136.第一钢梁托架501后侧面开孔的圆心高度与钢梁托架中心高度的高差δh1计算如下：
137.δh1＝h
1-l5·
tanθ+r2/2
138.第一钢梁托架501前侧面开孔的圆心高度与钢梁托架中心高度的高差δh2计算如下：
139.δh2＝h
1-(l
5-w)
·
tanθ+r2/2
140.第二钢梁托架502前侧面开孔的圆心高度与钢梁托架中心高度的高差δh3计算如下：
141.δh3＝h
1-(l5+l6)
·
tanθ+r2/2
142.第二钢梁托架502后侧面开孔的圆心高度与钢梁托架中心高度的高差δh4计算如下：
143.δh4＝h
1-(l5+l
6-w)
·
tanθ+r2/2
144.替换钢梁7后侧面开孔的圆心高度与钢梁托架中心高度的高差δh5计算如下：
145.δh5＝h
1-(l5+l6+l7)
·
tanθ+r2/2
146.替换钢梁7前侧面开孔的圆心高度与钢梁托架中心高度的高差δh6计算如下：
147.δh6＝h
1-(l5+l6+l
7-w)
·
tanθ+r2/2
148.式中，h1为第n榀钢架单元的高度；
149.r2为定位套管6的外径；
150.l5为第一钢梁托架501至第n榀钢架单元的纵向间距测量值，l6第二钢梁托架502至第一钢梁托架501的纵向间距测量值；l7为替换钢梁7至第二钢梁托架502的纵向间距测量值；w为第一钢梁托架501、第二钢梁托架502以及替换钢梁7的结构宽度；
151.其中，δh1～δh6数值有正、负之分，数值为正时代表开孔位置在钢架托梁5或替换钢梁7中心线向隧道外侧；数值为负时代表开孔位置在钢架托梁5或替换钢梁7中心线向隧道内侧；
152.确定了开孔的圆心高度后，即可根据定位套管6的外径r2进行相应的钢梁托架5及替换钢梁7的开孔加工。
153.步骤s4中，按逐榀拆换原则沿掌子面后方施工第一钢梁托架501和第二榀钢梁托架502，具体施工流程如下：
154.s4.1、凿除第n+1榀钢架单元所在隧道拱部120
°
区域的喷射混凝土，进而将原钢架单元结构拆除下来，拆除范围为拱部120度范围的3个钢架单元，其下部的工字钢单元8不拆除，其后立即在原位置的工字钢单元8上安装第一钢梁托架501，且安装过程中注意区分钢梁托架5的前、后侧；
155.s4.2、凿除第n+2榀钢架单元所在隧道拱部120
°
区域的喷射混凝土，进而将原钢架单元结构拆除下来，拆除范围为拱部120度范围的3个钢架单元，其下部的工字钢单元8不拆除，其后立即在原位置的工字钢单元8上安装第二钢梁托架502，且安装过程中注意区分钢梁托架5的前、后侧；
156.s4.3、根据计算判断替换钢梁(7)是否拆换，如果需要拆换则具体施工流程如下：
157.凿除第n+3榀钢架单元所在隧道拱部120
°
区域的喷射混凝土，进而将原钢架单元结构拆除下来，拆除范围为拱部120度范围的3个钢架单元，其下部的工字钢单元8不拆除，其后立即在原位置的工字钢单元8上安装替换钢梁7，且安装过程中注意区分替换钢梁7的前、后侧；
158.若第n+3榀钢架单元不影响管棚施工，则不需要进行上述拆换工作；
159.s4.4、将第一钢梁托架501、第二钢梁托架502以及替换钢梁7之间的喷射混凝土凿除，进而在第一钢梁托架501和第二钢梁托架502的钢梁开孔位置一对一的安装定位套管6，并进行焊接固定，安装角度严格按之前确定的管棚实际施工角度θ进行控制。
160.步骤s5中，借助所述的嵌入式管棚定位架，向掌子面前方施工洞内管棚2，进而通过洞内管棚2对坍塌体及周边围岩进行注浆加固；
161.注浆过程中，为了防止浆液从仰斜式排水孔11中泄漏，应提前在仰斜式排水孔11出水口塞入稻草，塞入稻草在不影响排水的同时，可以有效阻挡浆液颗粒流失；
162.待洞内管棚2注浆浆液凝固并形成强度后，在洞内管棚2和拱部围岩注浆加固层的保护下进行隧道的循环开挖，开挖后及时施工初期支护并进行坍塌段的径向二次补注浆施工。
163.坍塌体下方按每循环一榀钢架单元间距进行开挖，且钢架单元间距宜适当缩小，控制在50cm～70cm左右；
164.待完全穿过坍塌体后，再对拱架置换施工区的凹槽进行喷射混凝土回填施工，将洞内管棚2、嵌入式管棚定位架以及替换钢梁7全部封闭在初期支护内；至此完成整个洞内管棚2的施工。
165.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式保密的限制，任何未脱离本发明技术方案内容、依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种基于拱架拆换施工的洞内管棚，其特征在于：包括以紧邻坍塌体的隧道初期支护为基础的防护结构，防护结构的纵向设置长度根据坍塌体发育情况动态调整，防护结构前部紧邻坍塌体的掌子面(1)，后部设有拱架置换施工区，在拱架置换施工区内设置嵌入式管棚定位架，在嵌入式管棚定位架上设有洞内管棚(2)，洞内管棚(2)整体倾斜向上并深入掌子面前方围岩内。2.根据权利要求1所述的基于拱架拆换施工的洞内管棚，其特征在于：所述防护结构包括紧邻掌子面(1)的初期支护段(3)，其内设置不少于两榀、不多于五榀的钢架单元(301)，且在相邻两榀钢架单元(301)之间设有径向钻孔(4)，其内注浆形成围岩加固结构。3.根据权利要求1所述的基于拱架拆换施工的洞内管棚，其特征在于：所述拱架置换施工区的纵向设置长度根据已施工初期支护情况动态调整，其范围内有两榀或三榀钢架单元(301)，且在相邻两榀钢架单元(301)之间设有径向钻孔(4)，其内注浆形成围岩加固结构。4.根据权利要求1所述的基于拱架拆换施工的洞内管棚，其特征在于：所述嵌入式管棚定位架包括两榀布设在拱架置换施工区前段两榀钢架单元(301)所处位置的钢梁托架(5)，在钢梁托架(5)上设有相对掌子面前进方向呈倾斜向上的管棚定位孔，在管棚定位孔内穿装有定位套管(6)；在钢梁托架(5)后部的钢架单元(301)所处位置还设有替换钢梁(7)，替换钢梁(7)上设置有开孔，所述洞内管棚(2)穿过替换钢梁(7)上的开孔，并借助定位套管(6)打入掌子面前方围岩内。5.一种基于前述洞内管棚的隧道塌方处治方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、对发生坍塌事故的隧道掌子面(1)进行反压回填加固，进而施工仰斜式排水孔(11)并判断出坍塌体纵向长度；s2、采用径向钻孔注浆的方式进行紧邻坍塌体围岩的加固施工，钻孔过程中探测坍塌破碎体发育范围，进而确定防护结构的纵向设置长度；s3、通过管棚施工参数的计算，进行嵌入式管棚定位架、管棚相关材料的准备工作，并计算确定是否需要拆换替换钢梁(7)；s4、保留紧邻掌子面的一段初期支护作为预防坍塌体进一步发展的防护结构，并采用后退开槽的方式进行拱架置换施工区内嵌入式管棚定位架、替换钢梁(7)的逐榀拆换施工；s5、借助嵌入式管棚定位架向掌子面前方施工洞内管棚(2)，进而通过洞内管棚(2)对坍塌体及周边围岩进行注浆加固；s6、待洞内管棚(2)注浆浆液凝固并形成强度后，在洞内管棚(2)和拱部围岩注浆加固层的保护下进行隧道的循环开挖，待完全穿过坍塌体后，再对拱架置换施工区的凹槽进行喷射混凝土回填施工，将洞内管棚(2)、嵌入式管棚定位架以及替换钢梁(7)全部封闭在初期支护内。6.根据权利要求5所述的隧道塌方处治方法，其特征在于：步骤s1中，隧道发生掌子面坍塌事故后，立即对掌子面(1)进行反压回填处治，形成碎石回填平台(10)；施工喷射混凝土防护层(9)封闭掌子面，并施工仰斜式排水孔(11)进行排水施工；其中，仰斜式排水孔(11)兼作为超前水平探孔使用，在施工仰斜式排水孔(11)的过程中注意观察岩芯性质、钻进情况及翻水颜色，以大致判断出坍塌体纵向长度l1。7.根据权利要求5所述的隧道塌方处治方法，其特征在于：步骤s2中，沿掌子面(1)反向
在相邻两榀钢架单元之间逐一施工径向钻孔(4)，在径向钻孔(4)内进行径向注浆对围岩进行加固；钻孔过程中观察是否钻入坍塌破碎体，以未探测到坍塌破碎体的钢架单元(301)为防护结构的最后一榀拱架，并将其后方的两榀钢架单元(301)确定为嵌入式管棚定位架的拆换拱架，具体步骤包括：s2.1、在紧邻掌子面的至少五榀钢架单元之间分别施工径向钻孔(4)，孔深不少于3米；s2.2、钻孔过程中注意观察岩芯性质、钻进情况及翻水颜色，判断是否钻入坍塌破碎体内：若前n-1排径向钻孔(4)均探测到坍塌破碎体，第n排径向钻孔(4)未探测到坍塌破碎体，则将紧邻掌子面第一榀至第n榀钢架单元所在的初期支护段落作为防护结构保留下来，将紧邻掌子面的第n+1榀钢架单元和第n+2榀钢架单元确定为嵌入式管棚定位架的拆换拱架；其中，当n≤2时，取n＝2，当n≥5时，取n＝5。8.根据权利要求5所述的隧道塌方处治方法，其特征在于：步骤s3中，所述管棚施工参数包括管棚选用管材、管棚实际施工角度θ、管棚实际下料长度l
x
、嵌入式管棚定位架上的管棚定位孔参数，并计算确定是否需要将第n+3榀钢架单元(301)拆换为替换钢梁(7)以及替换钢梁(7)的开孔参数，具体计算步骤如下：s3.1、通过初步确定管棚长度l选择适合的管材规格，进而确定管材外径r1，l的计算式为：l＝(l1+l2+2)/cosθ1；s3.2、计算确定紧邻掌子面的第n+3榀钢架单元是否需要更换：1)计算第n+3榀钢架单元至第n榀钢架单元的纵向距离最小限值l
min
为：l
min
＝(h1+r1)/tanθ1，2)根据l
min
确定需要拆换的拱架数量，其规则如下：若l3≥l
min
+5cm，则第n+3榀钢架单元不需要拆换；若l3＜l
min
+5cm，则第n+3榀钢架单元需进行拆换；s3.3、通过计算管棚允许施工最小角度θ
min
，在θ
min
～10
°
范围内确定一个角度作为管棚实际施工角度θ，计算式为：θ
min
＝arctan((h1+r1)/(l
i-5cm))；s3.4、计算管棚实际下料长度l
x
，计算式为：lx＝(l1+l2+2)/cosθ；s3.5、计算各钢梁托架和替换钢梁(7)上开孔的中心高度h
i
，计算式为：h
i
＝h1/2+δh
i
上述式中，l1为根据仰斜式排水孔11初步探测的坍塌体纵向长度；l2为第n+2榀钢架单元至掌子面的纵向间距测量值；l3为第n+3榀钢架单元至第n榀钢架单元的纵向距离实际值；l
i
为第n+3或第n+4榀钢架单元至第n榀钢架单元的纵向间距测量值；h1为第n榀钢架单元的高度，其可根据初期支护拱架的型号确定；θ1为管棚施工的初步预设角度，取值为10
°
；θ为管棚实际施工角度；r1为管棚外径；δh
i
为各钢梁托架及替换钢梁的开孔中心高度偏差值。
9.根据权利要求5所述的隧道塌方处治方法，其特征在于：步骤s4中，按逐榀拆换原则沿掌子面后方施工第一钢梁托架(501)和第二榀钢梁托架(502)，具体施工流程如下：凿除对应需要拆换榀钢架单元所在隧道拱部120
°
区域的喷射混凝土，进而将原钢架单元(301)拆除下来，拆除范围为拱部120度范围的3个钢架单元，其后立即在原位置安装上对应的钢梁托架(5)，其中，替换钢梁(7)根据计算判断是否更换；待所有钢梁托架(5)及替换钢梁(7)拆换完成后，将它们之间的喷射混凝土凿除，安装定位套管(6)，并进行焊接固定。10.根据权利要求5所述的隧道塌方处治方法，其特征在于：在步骤s5注浆过程中，为了防止浆液从仰斜式排水孔(11)中泄漏，应提前在仰斜式排水孔(11)孔口塞入稻草，塞入稻草在不影响排水的同时，可以阻挡浆液颗粒流失；在步骤s6隧道的循环开挖中，及时施工初期支护并进行坍塌段的径向二次补注浆施工；坍塌体下方按每循环一榀钢架单元间距进行开挖，且钢架单元间距宜控制在50cm～70cm。

技术总结
本发明公开了一种基于拱架拆换施工的洞内管棚及隧道塌方处治方法，包括以紧邻坍塌体的隧道初期支护为基础的防护结构，防护结构的纵向设置长度根据坍塌体发育情况动态调整，防护结构前部紧邻坍塌体的掌子面，后部设有拱架置换施工区，在拱架置换施工区内设置嵌入式管棚定位架，在嵌入式管棚定位架上设有洞内管棚，洞内管棚整体倾斜向上并深入掌子面前方围岩内。本发明结构简单，施工便捷，方案科学合理，首先采取钻探手段判断坍塌体发育范围，进而精准确定防护结构的纵向设置长度以及管棚施工参数，其后采用原位置换的方式将拱架置换施工区内的钢架单元拆换为嵌入式管棚定位架，进而借助嵌入式管棚定位架进行管棚的精准安装，整个过程施工风险可控，施工成本有所降低，且处治措施可靠性高，效果好。效果好。效果好。


技术研发人员：胡强 张安睿 刘品 杨洪 崔炫 苟德明 刘晓勇 春军伟 田娇
受保护的技术使用者：贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/7/12