CN102877854A

CN102877854A - 一种软弱围岩隧道双层模筑复合式衬砌

Info

Publication number: CN102877854A
Application number: CN2012101266893A
Authority: CN
Inventors: 李德武; 严松宏; 康文
Original assignee: Lanzhou Jiaotong University
Current assignee: Huabang Construction Investment Group Co., Ltd.
Priority date: 2012-04-25
Filing date: 2012-04-25
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2032-04-25
Also published as: CN102877854B

Abstract

本发明公开了一种软弱围岩隧道双层模筑复合式衬砌，可以降低施工难度，确保工程质量，保证结构受力稳定与施工安全，同时降低工程造价。本发明包括初期模筑混凝土层、二次模筑混凝土层、防水层，隧道围岩开挖后分别设有锚杆、钢筋网、初期模筑混凝土层等初期支护体系；初期模筑混凝土层外设有二次模筑混凝土层；上述初期模筑混凝土层与二次模筑混凝土层之间设有防水层；初期模筑混凝土层与二次模筑混凝土层共同组成复合式衬砌体系。

Description

一种软弱围岩隧道双层模筑复合式衬砌

一、技术领域

本发明专利涉及一种隧道支护结构，特别是涉及一种软弱围岩隧道双层模筑复合式衬砌。本发明还涉及一种所述软弱围岩隧道双层模筑复合式衬砌的实现方法。

二、背景技术

随着我国大规模、现代化、高标准的城市道路与交通运输工程建设，隧道工程的数量和建设规模不断扩大，不可避免地会遇到软弱围岩地层。软弱围岩对其描述性定义为结构松散、胶结程度差、破碎、膨胀、风化、强度低、孔隙大、受结构面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的岩体；其指标化定义为单轴抗压强度在0.5～25MPa且σ_c/(γH)＜2的岩层，其中σ_c为单轴饱和抗压强度，γ为岩石重度，H为岩体埋置深度。软弱围岩的特点是自稳能力差，强度低。在这一类岩层中开挖的隧道，我们称为软弱围岩隧道。

当隧道穿越软弱围岩地层时，由于围岩稳定性差及人为的对隧道围岩的稳定性判别失误，或开挖与支护不当，则隧道可能出现过大变形，甚至发生失稳、塌方。在施工阶段，隧道开挖后自稳时间短，有的甚至没有自稳能力，极易发生失稳坍塌破坏，造成工程事故；同时，隧道的变形易造成围岩体松动范围加大，进而增加作用在支护结构上的荷载，使支护结构安全性降低；由于隧道的变形，导致初期支护喷射混凝土开裂，钢架扭曲变形，侵入隧道限界，甚至塌方，导致后续工作无法展开，影响工程进度，浪费人力、物力及财力。我国如青藏线4Km长的关角隧道、宝中线3.136Km长的大寨岭隧道和1.904Km长的堡子梁隧道及南昆线上的穿越煤系地层的家竹箐铁路隧道等工程均出现了不同形式和程度的隧道过大变形情况，给工程建设造成极大的困难。

在这样的背景条件下，预防和处治软弱围岩隧道过大变形甚至塌方显得尤为重要。为此，隧道建设者们在长期的理论研究和工程实践中总结出了一些预防和处治软弱围岩隧道过大变形的工程措施，取得了一些显著的成绩，如注浆加固软弱围岩体，加固隧道地基，改善围岩体物理力学特性；提高初期支护刚度；(临时)仰拱及时封闭；扩大拱、墙脚承载面积；增设长锚杆及锁脚锚杆(管)等。这些治理措施中，有些理论研究已较为成熟，且已在工程实践中得到长期的应用，有效地解决了软岩隧道的变形问题，例如注浆加固软弱围岩体，提高围岩体物理力学特性；(临时)仰拱及时封闭，使支护结构及早封闭成环；增设锚杆等。

应用最多的复合式衬砌是由外层为喷锚柔性支护和内层为模筑混凝土二次衬砌组成的双层衬砌。它是以新奥法原理为基础，采用锚杆、喷射混凝土和钢格栅为主要支护手段来控制围岩松弛和变形的一种支护结构，其作用原理是加固围岩，充分发挥围岩的自承作用，适应围岩应力状态，使衬砌受力得到调整，截面应力由大偏心向小偏心受压过渡，并使围岩和初期支护由二向受力状态变为三向受力状态，更好地利用围岩和混凝土的抗压强度，从而提高衬砌的承载能力。

但是在软弱围岩地层，现有的各种支护结构体系和施工方法应用难度很大，其开挖与支护的难度远远超过了普通隧道。锚喷支护在条件较好的围岩中应用已很成功，这是无可非议的。但在软弱围岩地层复杂的水文地质条件下，特别是地下水较为丰富的软弱破碎围岩中，喷混凝土很难满足施工要求，如遇水软化的围岩、风化严重的围岩喷混凝土很难喷射粘结在坑道周边形成支护，回弹量很大；在地表沉降要求严格地段，要求初期支护要有较大的刚度和厚度，而喷混凝土要达到足够厚度是非常费工费时的，由于回弹量大而浪费材料，在短时间内不能满足厚度要求，这就给施工带来困难。

三、发明内容

本发明为了解决上述背景技术中的不足之处，提供一种软弱围岩隧道双层模筑复合式衬砌，可以降低施工难度，确保工程质量，保证结构受力稳定与施工安全，同时降低工程造价。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种软弱围岩隧道双层模筑复合式衬砌，包括初期模筑混凝土层、二次模筑混凝土层、防水层，其特征在于：隧道围岩开挖后分别设有锚杆、钢筋网、初期模筑混凝土层等初期支护体系；

初期模筑混凝土层外设有二次模筑混凝土层；

上述初期模筑混凝土层与二次模筑混凝土层之间设有防水层；

初期模筑混凝土层与二次模筑混凝土层共同组成复合式衬砌体系。

一种软弱围岩隧道双层模筑复合式衬砌的实现方法，其特征在于：隧道围岩开挖后，先施做钢筋网与锚杆，随后架设临时型钢拱架，在临时型钢钢拱架上支撑并安装好模板，在模板内浇筑初期模筑混凝土；待初期模筑混凝土层达到可拆模的龄期后，拆除临时型钢钢拱架及模板，在初期模筑混凝土层外设置防水层；在初期模筑混凝土层的防水层外架设模板或者模板台车，浇筑二次模筑混凝土层。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：

1、双层模筑衬砌结构形式在受力方面亦比较合理，它亦能使围岩有限制的变形，从而达到充分发挥围岩本身自承能力的目的。

2、采用模板浇筑初期支护混凝土，可以采用合理的配合比、密实振捣、及时养护等技术措施，提高了混凝土的质量。

3、双层模筑衬砌之间表面非常光滑且没有凹凸物，所以铺设防水板效果较好，同时减少了材料损耗，降低了造价。

4、与初期支护为锚喷支护相比较，初期模筑支护可省去钢拱架，降低了造价。

5、采用初期模筑支护不产生喷射混凝土料的回弹，避免了材料浪费，降低了造价。

四、附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为码头隧道1#断面最大跨度处收敛值的散点图和拟合图；

图4为码头隧道2#断面最大跨度处收敛值的散点图和拟合图；

图5为码头隧道1#断面拱顶下沉时间变化图；

图6为码头隧道2#断面拱顶下沉时间变化图；

图7为码头隧道1#断面围岩与第一层模筑混凝土之间的右拱脚处测试的法向应力的时间变化图；

图8为码头隧道1#断面两层模筑混凝土之间的左拱脚处测试的法向应力的时间变化图；

图9为码头隧道1#测试断面各测点最终应力值；

图10为码头隧道2#测试断面各测点最终应力值；

图中，1-初期模筑混凝土层，2-二次模筑混凝土层，3-防水层，4-锚杆，5-钢筋网

五、具体实施方式

本发明是在软弱围岩条件下，将复合式衬砌支护形式(锚杆、钢筋网、喷射混凝土+二次模筑混凝土复合式衬砌)改为双层模筑复合式衬砌支护形式(锚杆、钢筋网、初期模筑混凝土+二次模筑混凝土复合式衬砌)，将初期支护体系由柔性支护改为刚性支护，即取消了喷射混凝土，由初期模筑混凝土代替。

参见图1和图2，在本实施方式中，包括初期模筑混凝土层1、二次模筑混凝土层2、防水层3，其特征在于：隧道围岩开挖后分别设有锚杆4、钢筋网5、初期模筑混凝土层1等初期支护体系；初期模筑混凝土层1外设有二次模筑混凝土层2；上述初期模筑混凝土层1与二次模筑混凝土层2之间设有防水层3；初期模筑混凝土层1与二次模筑混凝土层2共同组成复合式衬砌体系。

在实际工程中的具体实现方法：隧道围岩开挖后，先施做钢筋网5与锚杆4，随后架设临时型钢拱架，在临时型钢钢拱架上支撑并安装好模板，在模板内浇筑初期模筑混凝土1；待初期模筑混凝土层1达到可拆模的龄期后，拆除临时型钢钢拱架及模板，在初期模筑混凝土层1外设置防水层3；在初期模筑混凝土层1的防水层3外架设模板或者模板台车，浇筑二次模筑混凝土层2。

本发明所采用的技术方案，是在对新奥法原理进行充分认识的基础上，通过理论分析认为双层模筑复合式衬砌比较适合于软弱围岩地段，然后在陇海铁路宝兰二线码头隧道中，选取30mVI级围岩地段作为试验段(两个断面)进行软弱围岩“双层模筑复合式衬砌”试验研究与验证。

下面为本发明所采用技术方案在具体工程中的试验运用及其效果和优点：

(一)码头隧道试验段现场量测及分析

码头隧道所处地层为IV、V、VI级围岩，选取该隧道30m VI级软弱围岩地段做为双层模筑复合式衬砌试验段。现场选取两个量测断面(DK1303+863.5和DK1303+852.8)进行以下内容的监测：

(1)收敛量测；

(2)拱顶下沉量测；

(3)围岩压力及接触压力量测。

测试断面的特性如表1所示。

测试断面特性表1

注：Q₃ ^al3代表第四系上更新统冲积层粘质黄土；

瓷岩是在施工过程中发现的。

1、码头隧道收敛量测

1#断面最大跨度处收敛值的散点图和拟合图如图3所示，其回归方程为：u＝4.8496(1-e^-0 0147t)，相关系数r＝0.9107。从回归曲线方程可知，当时间t趋于正无穷大时隧道的收敛值为4.8496mm。

2#断面最大跨度处收敛值的散点图和拟合图如图4所示，其回归方程为：u＝3.279(1-e^-0 033t)，相关系数r＝0.8926。从回归曲线方程可知，当时间t趋于正无穷大时隧道的收敛值为3.279mm。

从现场测试结果及其回归分析可看出，该隧道的两个测试断面的各个测点的收敛值(隧道净空变化值)并不是很大，最大收敛值10.83mm，发生在第一个测试断面的拱顶-左拱脚处，并且从各个图中可知其初期的收敛速率较大，经过一次模筑衬砌后很快趋于平稳，可见该一次模筑衬砌也起到了初期支护应有的作用。从测试结果中还可看出，1#测试断面的初期收敛值比2#测试断面的初期收敛值要小，这可能是由于在2#测试断面处围岩中有瓷岩，围岩稳定性较好的缘故。另外，1#测试断面和2#测试断面最大跨度处-最大跨度处的收敛值的散点图和拟合图，由于测试时间较长(从开挖经过二次模筑完成一直持续到围岩收敛几乎趋于稳定)，从中我们可看出隧道净空变化值最后趋于稳定，也就是说该隧道最后达到了所要求的稳定性。

2、码头隧道拱顶下沉量测

从拱顶下沉的图5和图6中可看出，拱顶下沉值随着隧道的开挖出现上下来回波动的趋势，最大下沉值为3.899cm，说明在隧道开挖后，在VI级围岩隧道中围岩的稳定性较差，因此必要的临时支护也是必不可少的。

3、码头隧道围岩压力及接触压力量测

图7是1#断面围岩与第一层模筑混凝土之间的右拱脚处测试的法向应力的时间变化图，左拱脚压应力在2001年10月22日～2001年11月23日出现上下波动现象变化较大，从0.0039MPa变化至0.0213MPa，又减少至0.007MPa，然后再增大至0.0255MPa，以后逐渐趋于稳定，最终观测值为0.0262MPa。

图8是1#断面两层模筑混凝土之间的左拱脚处测试的法向应力的时间变化图，左拱脚压应力在2001年11月21日～2002年4月10日变化较均匀，从最初观测值0.0095MPa变化至最终观测值0.0329MPa。

图9和图10为1#和2#测试断面最终各测点的实测应力值。

根据压应力量测结果及分析可知，软弱围岩双层模筑复合式衬砌在受力方面亦较为合理。上半断面开挖后，拱脚部位的应力和位移较小，下半断面开挖后，拱脚处及拱腰处应力比较集中，内收外放幅度加剧，经过一次模筑后趋于稳定；墙角处当仰拱未开挖时，其应力较小，当仰拱开挖后，应力释放，其应力较大，内收外放幅度加剧，仰拱混凝土灌注一周后逐渐趋于稳定。从1#和2#测试断面二次衬砌完成时各测点的应力值可看出，围岩与第一层模筑衬砌之间的应力较两层模筑混凝土衬砌之间的压应力要大得多，说明第一层模筑混凝土衬砌对围岩的变形约束起到更多的作用。1#测试断面最大压应力发生在最大跨度处，2#测试断面最大压应力出现在拱腰附近，但最大跨度处压应力依然较大，对待这些薄弱部位应进行及时的必要支护。另外还可看出两个测试断面的各个测点的应力值都较小，说明二次模筑混凝土衬砌对围岩压力的抵抗及围岩变形的约束影响是相当小的，它的作用大部分是安全储备，因此可减小二次衬砌的厚度。

(二)码头隧道试验段结构计算

根据测定的围岩物理力学参数及现场试验结果，采用有限元方法对该隧道的两个试验断面初期模筑衬砌和二次衬砌在静荷载(围岩荷载+结构自重荷载)作用下的受力变形特性进行计算分析。分析中分别采用了岩体力学方法和结构力学方法，岩体力学法采用了二维平面弹塑性有限元方法，即采用释放荷载方法模拟隧道的施工过程；结构力学法采用弹性链杆法，衬砌单元分别采用了梁单元和平面应变单元，按铁路隧道规范确定的围岩松动压力进行计算。

1、岩体力学方法

分析中选取的计算区域如下：左边界距隧道中线为90米，底边界距隧道最大跨度水平线40米，上边界距隧道最大跨度水平线40米，利用对称性隧道中线为右边界。其边界条件如下：左边界施加水平荷载，右边界为横向约束，底面为固定约束。采用八节点四边形等参单元，单元总数716，节点总数2263。采用二维弹塑性有限元电算程序GEOEPL2D对该座隧道进行平面静力分析，采用释放荷载法模拟开挖效应。利用摩尔-库仑屈服准则和关联流动法则，对超过弹性极限的应力进行应力调整。分析中按平面应变问题考虑，并考虑了不同施工阶段影响，即模拟隧道的开挖过程。计算阶段的划分见表2。

表2计算阶段划分情况

计算阶段序号	计算内容
		1	计算初始应力
2	开挖环形拱部
		3	施做拱部锚杆
4	拱部模筑混凝土
		5	开挖核心土及下部土体
6	施做边墙锚杆
		7	边墙模筑混凝土
8	开挖仰拱土体
		9	施做仰拱
10	施做二次模筑混凝土

在有限元分析中不但模拟了双层模筑衬砌的情况，而且还对初期支护为喷射混凝土衬砌、二次衬砌为模筑混凝土这种情况进行了对比计算。

2、结构力学杆系有限元方法

计算中将衬砌结构划分成若干梁单元，隧道衬砌和围岩的相互作用简化成弹性支承直接作用在梁单元的节点上，计算荷载根据铁路隧道规范确定。运用矩阵位移法求解该超静定结构，计算各单元的内力。当某一个弹性支承受拉时，则去除该支承单元，重新形成整体刚度矩阵，进行求解，直到所施加的弹性支承均受压为止，最终确定出各单元的内力值。

3、结构力学平面有限元方法

计算方法同杆系有限元方法相同，两种方法的区别仅在于衬砌单元的不同。杆系有限元方法衬砌采用了梁单元，而平面有限元方法采用平面应变单元。计算参数和计算荷载均相同。采用ANSYS计算程序进行计算。

4、力学计算结论

(1)岩体力学方法计算结果：

①DK1303+863.5隧道断面：初期模筑衬砌和二次衬砌各高斯点最大主压应力分别为5.015MPa和1.065MPa(小于混凝土容许压应力17.0MPa)。

DK1303+852.8断面：初期模筑衬砌和二次衬砌各高斯点最大主压应力分别为4.570MPa和1.052MPa(小于混凝土容许压应力1 7.0MPa)。

②初期模筑衬砌和二次衬砌各截面大部分为小偏心受压，在仰拱与边墙的联接处有部分截面为大偏心受压。计算得：DK1303+863.5隧道断面，小偏心受压情况，初期支护最小安全系数为3.63，二次衬砌最小安全系数为27.96。大偏心受压情况，初期模筑衬砌最小安全系数为2.04，二次衬砌最小安全系数为4.08。DK1303+852.8隧道断面，小偏心受压情况，初期模筑衬砌最小安全系数为3.98，二次衬砌最小安全系数为30.68。大偏心受压情况，初期模筑衬砌最小安全系数为2.24，二次衬砌最小安全系数为4.48。安全系数基本符合规范要求。

③计算得隧道洞室周边围岩出现了塑性区，DK1303+863.5隧道断面最大塑性区长度为1.5m，DK1303+852.8隧道断面最大塑性区长度为2.5m。塑性区主要出现在仰拱与边墙的联接处附近。说明围岩承担了变形压力，充分发挥了围岩的承载能力。由最大塑性区长度2.5m，锚杆长度设计为3.0m即可。

④对DK1303+863.5隧道断面：隧道拱顶下沉1 5.1mm，隧道仰拱隆起25.9mm，边墙水平收敛6.4mm，相对收敛为0.05％，拱脚水平收敛36.0mm，相对收敛为0.42％，拱顶与拱脚之间的收敛为3.3mm，相对收敛为0.075％；

DK1303+852.8隧道断面：隧道拱顶下沉14.0mm，隧道仰拱隆起最大值24.7mm，边墙水平收敛6.4mm，相对收敛为0.05％，拱脚水平收敛为35.0mm，相对收敛为0.41％，拱顶与拱脚之间的收敛为3.0mm，相对收敛为0.068％。均在容许位移范围之内。

现场实测的结果为：对DK1303+863.5隧道断面：边墙收敛6.4mm，相对收敛为0.05％，拱脚水平收敛11.6mm，相对收敛为0.14％，拱顶与拱脚之间的收敛为5.2mm，相对收敛为0.12％；DK1303+852.8隧道断面：边墙水平收敛6.4mm，相对收敛为0.05％，拱脚水平收敛为3.20mm，相对收敛为0.04％，拱顶与拱脚之间的收敛为6.7mm，相对收敛为0.15％。

⑤在仰拱与边墙的联接处，出现了应力集中现象。但对隧道的整体稳定性没有影响。

在上述条件下，该隧道两个计算断面初期模筑衬砌和二次衬砌断面是安全的。

⑥从初期支护为喷射混凝土、二次衬砌为模筑混凝土与双层模筑衬砌的计算结果比较可以看出，前者开挖轮廓线位移较后者小，前者初期喷射混凝土衬砌上的轴力大于后者，前者初期支护的安全系数小于后者，前一种情况围岩塑性区略小且塑性区出现的稍晚(第7个计算阶段才出现塑性区)。

(2)结构力学杆系有限元方法的计算结果：

①隧道衬砌各截面全部为小偏心受压。计算得：DK1303+863.5隧道断面，最小安全系数为2.75。DK1303+852.8隧道断面，小偏心受压情况，最小安全系数为3.02，安全系数基本符合规范要求。

②对DK1303+863.5隧道断面拱顶下沉7mm，DK1303+852.8隧道断面拱顶下沉6.4mm，均在容许位移范围之内。

在上述条件下，该两个计算断面隧道衬砌是安全的。

(3)结构力学平面有限元方法(平面应变单元)的计算结果：

①计算得DK1303+863.5隧道断面拱顶下沉5.3mm，DK1303+852.8隧道断面拱顶下沉5.0mm，与结构力学杆系有限元方法的计算结果基本相同。

②计算得到的两个断面的弯矩、轴力图的变化规律与杆系有限元方法的计算结果基本相同。

(4)计算结果和现场测试结果的比较：

由岩体力学方法计算的边墙水平收敛、拱脚水平收敛和拱顶与拱脚之间的收敛与现场实测结果基本吻合。由岩体力学方法计算得到的衬砌和围岩之间的作用力、铁路隧道规范确定的围岩压力以及现场实测的压力可以看出，计算得到的作用力与现场实测压力在拱顶和边墙中部的压力较为接近，小于规范确定的压力。

(5)采用结构力学杆系有限元方法和结构力学平面有限元方法两者的计算结果基本一致。隧道衬砌应力小于容许应力，衬砌各截面的安全系数符合规范要求，隧道开挖后变形符合规范要求，围岩中仅出现了小范围的塑性区，隧道衬砌和围岩均处于稳定状态。

(三)软弱围岩隧道双层模筑复合式衬砌试验研究结论

通过现场施工监控量测和有限元分析，评价软弱围岩中双层模筑复合式衬砌的受力特性及应用的可行性，相比传统的锚喷支护，无论是从支护结构受力、质量控制、造价控制都具有显著的效果，可得以下主要结论：

(1)双层模筑衬砌结构形式在受力方面亦比较合理，它亦能使围岩有限制的变形，从而达到充分发挥围岩本身自承能力的目的。

(2)采用模板浇筑初期支护混凝土，可以采用合理的配合比、密实振捣、及时养护等技术措施，提高了混凝土的质量。

(3)双层模筑衬砌之间表面非常光滑且没有凹凸物，所以铺设防水板效果较好，同时减少了材料损耗，降低了造价。

(4)与初期支护为锚喷支护相比较，初期模筑支护可省去钢拱架，降低了造价。

(5)采用初期模筑支护不产生喷射混凝土料的回弹，避免了材料浪费，降低了造价。

Claims

1.一种软弱围岩隧道双层模筑复合式衬砌，包括初期模筑混凝土层(1)、二次模筑混凝土层(2)、防水层(3)。

2.根据权利要求1所述复合式衬砌，其特征在于：隧道围岩开挖后分别设有锚杆(4)、钢筋网(5)、初期模筑混凝土层(1)等初期支护体系；

初期模筑混凝土层(1)外设有二次模筑混凝土层(2)；

上述初期模筑混凝土层(1)与二次模筑混凝土层(2)之间设有防水层(3)；

初期模筑混凝土层(1)与二次模筑混凝土层(2)共同组成复合式衬砌体系。

3.根据权利要求1所述复合式衬砌，其特征在于：是分内外两层先后施作的模筑隧道衬砌。

4.一种软弱围岩隧道双层模筑复合式衬砌的实现方法，其特征在于：隧道围岩开挖后，先施做钢筋网(5)与锚杆(4)，随后架设临时型钢拱架，在临时型钢钢拱架上支撑并安装好模板，在模板内浇筑初期模筑混凝土(1)；待初期模筑混凝土层(1)达到可拆模的龄期后，拆除临时型钢钢拱架及模板，在初期模筑混凝土层(1)外设置防水层(3)；在初期模筑混凝土层(1)的防水层(3)外架设模板或者模板台车，浇筑二次模筑混凝土层(2)。