CN105484759A - 适用于大变形隧道的初支体系及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及公路隧道、铁路隧道隧道围岩支护领域，尤其是适用于大变形隧道的初支体系及其施工方法，其特征在于：所述隧道初支上均匀开设有若干安装槽，所述安装槽内分别安装有传力装置，所述传力装置分别与所述隧道初支连接固定，所述传力装置中设置有至少一个传力元件，所述传力元件可压缩变形产生变形应力并通过传力装置传递至所述隧道初支。本发明的优点是：可以适量地卸除衬砌内部可能形成的过大的形变应力，避免了当前软岩大变形隧道中普遍存在的初衬钢架扭曲、喷射或浇筑混凝土开裂、剥落、侵限等危险事故，保证大变形隧道的稳定及安全。

Description

适用于大变形隧道的初支体系及其施工方法

技术领域

本发明涉及公路隧道、铁路隧道隧道围岩支护领域，尤其是适用于大变形隧道的初支体系及其施工方法。

背景技术

各种软弱破碎岩层中的深埋铁路、公路隧道中，大变形现象比较常见，针对隧道大变形，目前流行的控制方法是及早封闭隧道初支成环并增强初支衬砌抵御围岩压力、减小隧道变形量。但是，该思路在实际应用中收效甚微，大变形隧道经常发生初支钢架扭曲、喷射或浇筑混凝土开裂、剥落、初次衬砌严重侵限、隧道坍塌等，引发重大工程事故。因而需要采用适宜的措施控制软弱破碎岩层中深埋隧道大变形。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了适用于大变形隧道的初支体系及其施工方法，能够自适应高地应力和软岩隧道中较大的变形，及时对隧道围岩提供一定程度的支撑力，同时又允许围岩发生较大范围的变形，有效地保护隧道初支，防止隧道初支破坏、隧道失稳，降低隧道开挖施工的风险和费用。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种适用于大变形隧道的初支体系，包括隧道初支，其特征在于：所述隧道初支上均匀开设有若干安装槽，所述安装槽内分别安装有传力装置，所述传力装置分别与所述隧道初支连接固定，所述传力装置中设置有至少一个传力元件，所述传力元件可压缩变形产生变形应力并通过传力装置传递至所述隧道初支。

所述传力装置包括上、下部定位板，所述上、下部定位板之间设置有所述传力元件，所述传力元件至少包括可移动板和压缩变形件，所述可移动板的顶端与所述上部定位板连接固定，所述压缩变形件的底端与所述下部定位板连接固定，所述可移动板的底端抵触于所述压缩变形件的顶端表面；由所述可移动板和所述压缩变形件所构成的传力元件可压缩变形产生变形应力并通过所述上、下部定位板传递至所述隧道初支。

所述压缩变形件的两侧分别设置有限位板，所述限位板固定连接在所述下部定位板上，所述压缩变形件的压缩变形空间限位于所述限位板之间；所述限位板之间通过连接件配合连接形成一体。

所述传力装置中设置有至少两个传力元件，所述传力元件之间的间满足于：，其中为所述压缩变形件的屈服强度；为所述压缩变形件的截面积；为所述隧道初支中喷射混凝土的轴心抗压强度；为所述隧道初支中喷射混凝土的厚度。

一种涉及上述的适用于大变形隧道的初支体系的施工方法，其特征在于：所述施工方法至少包括以下步骤：施工隧道初支；在所述隧道初支上施工安装槽；在所述安装槽内安装所述传力装置，并使所述传力装置与所述隧道初支连接固定。

所述在所述隧道初支上施工安装槽是通过在所述隧道初支施工完成后再在所述隧道初支上切割成型，或者在所述隧道初支施工时预埋占位件，再在所述隧道初支施工完成后取出所述占位件成型。

所述传力装置的安装数量满足于，其中n为所述隧道初支的每环衬砌所安装的传力装置的数量，x为每个所述传力装置的轴向压缩变形量，为所述隧道初支的径向位移增量。

本发明的优点是：针对高地应力或软岩中隧道的大变形破坏特征，采用一种既能允许隧道产生变形又可及时对围岩提供支撑力的支护体系和施工方法，在隧道岩体开挖后，立即铺设钢筋网、架立拱架、安放传力连接装置，然后喷射混凝土，在围岩临空面及时形成支护抗力，并且当围岩变形随着时间增长之时，该支护体系中传力装置自身的压缩变形可以适量地卸除衬砌内部可能形成的过大的形变应力，避免了当前软岩大变形隧道中普遍存在的初衬钢架扭曲、喷射或浇筑混凝土开裂、剥落、侵限等危险事故，保证大变形隧道的稳定及安全。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明传力装置的结构示意图；

图3为本发明传力装置中的传力元件未压缩变形时的结构示意图；

图4为本发明传力装置中的传力元件压缩变形后的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-4所示，图中标记1-12分别表示为：传力装置1、隧道初支2、围岩3、上部定位板4、可移动板5、压缩变形件6、紧固带7、紧固螺母8、紧固螺栓9、限位板10、下部定位板11、手柄12。

实施例：如图1所示，本实施例中适用于大变形隧道的初支体系包括传力装置1和隧道初支2，隧道初支2支撑在围岩3的内部。在隧道初支2上均匀开设有安装槽，传力装置1分别安装在安装槽内。传力装置1与隧道初支2连接固定。均匀开设在隧道初支2上的安装槽对于圆形隧道而言，其设置位置可以对称地布置在隧道中心线两侧；而对于马蹄形隧道而言，安装槽的设置位置宜布置于起拱线以上拱肩处并以结构中心线为对称轴的位置。

如图2和图3所示，本实施例中传力装置1的主体包括上部定位板4、可移动板5、压缩变形件6和下部定位板11，其中可移动板5和压缩变形件6设置在上部定位板4和下部定位板11之间，可移动板5的顶端与上部定位板4连接固定，压缩变形件6的底端与下部定位板11连接固定，可移动板5的底端与下部定位板11的顶端相抵触，保证可移动板5可施力于压缩变形件6表面。上部定位板4和下部定位板11与隧道初支2连接固定。可移动板5和压缩变形件6所构成的传力元件可压缩变形产生变形应力并通过上、下部定位板传递至隧道初支2，从而对隧道提供一定程度的支撑力，使隧道围岩3保持三向应力状态，同时可以允许隧道内轮廓产生较大的收敛变形。

在压缩变形件6的两侧分别固定设置有两块限位板10，两块限位板10之间通过紧固带7绑扎成一体且相对限位固定。紧固带7的一端通过紧固螺纹5和紧固螺栓9的配合连接紧固，保证紧固带7对两块限位板10的限位固定的紧固程度。两块限位板10用于对压缩变形件6的压缩变形范围进行限定，即如图3所示，将压缩变形件6在受压变形时，其整体宽度变化范围位于两块限位板10之间。

当上部定位板4和下部定位板11之间的传力元件的数量取决于隧道收敛变形量以及装置自身的压缩变形量，即可在上部定位板4和下部定位板11之间设置若干个可移动板5、压缩变形体6以及相应的限位板10及其紧固件所构成的传力元件来提高隧道初支体系的抗力。如图2所示的便是在上部定位板4和下部定位板11之间设置三套移动板5、压缩变形体6以及相应的限位板10及其紧固件的结构，三套装置可以以均匀分布在上部定位板4和下部定位板11之间。

当传力装置1中设置有至少两个传力元件时，传力元件之间的间距满足于：，其中为压缩变形件6的屈服强度；为压缩变形件6的截面积；为隧道初支2中喷射混凝土的轴心抗压强度；为隧道初支2中喷射混凝土的厚度，以提高初支体系的抗力，为确保组合装置先于喷射混凝土屈服，避免喷射混凝土压碎。此时，单位面积内传力装置1的屈服极限低于隧道初支2的喷射混凝土屈服极限，保证避免喷射混凝土压碎。

本实施例在具体施工时具有如下步骤：

施工隧道初支2，同时可通过以下两种方式在隧道初支2上安装传力装置1：

（1-1）隧道开挖后，敷设临近岩石一侧的钢筋网，并打设系统锚杆，摆放支护钢架（宜采用可缩性支架），在设计位置固定聚乙烯泡沫板，然后喷射混凝土，待喷射混凝土达到设计强度70%之时，破除泡沫板表面喷射混凝土，取出泡沫板，安装传力装置1，并将传力装置1的上、下部定位板与隧道初支2的钢筋网和纵向连接钢筋焊接牢固。

（1-2）隧道开挖后，敷设临近岩石一侧的钢筋网，并打设系统锚杆，摆放支护钢架（宜采用可缩性支架），喷射初支混凝土，待其达到设计强度70%之时，采用机械器具在传力装置1的设计位置切槽，并破除切槽内的喷射混凝土，安装传力装置1，并强传力装置1的上、下部定位板与初支钢筋网和纵向连接钢筋焊接牢固。

传力装置1的宽度应与隧道初支2的厚度相一致，长度与隧道初支2的工字钢架间距保持一致。安装过程中，应保证上部定位钢板4、下部定位钢板11与隧道初支2的喷射混凝土之间应接触充分，避免接触面处应力集中破坏初支。传力装置1的安装槽的宽度宜为40-50cm。

传力装置1在隧道初支2上的安装数量取决于隧道收敛变形量2以及装置自身的压缩变形量x，如下式：

式中：n为每环衬砌传力装置数量，x为每个传力装置1的轴向压缩变形量，为隧道初支2的径向位移增量。

本实施例在具体实施时：如图1和图3所示，上部定位板4的表面与围岩3相接触，当隧道变形收缩时，围岩9向上部定位板4施力使得上、下部定位板之间产生相对位移，即驱使上部定位板4向下部定位板11一侧位移。此时，上部定位板4驱动可移动板5向下部定位板11移动，从而使得与可移动板5底端相抵触的压缩变形件6向其临空面弯曲，产生形变应力，该应力通过上部定位板4和下部定位板11传递至隧道初支结构，使得初支在变形过程存在一定的环向应力，对隧道提供一定程度的支撑力，使隧道围岩保持三向应力状态，利于隧道围岩的稳定，同时可以允许较大的收敛变形。

紧固带7、紧固螺母8和紧固螺栓9将限制限位板10的变形空间，增大形变阻力，使初支对围岩的支撑力逐步增大至初支抗力设计限值。可移动板5必须从下部的限位板10向上延伸一定长度，该长度为每个传力装置允许变形量值，取决于隧道净空收敛设计值和整环衬砌安设该传力装置数量，一般在10-25cm之间。安装该传力装置前应结合现场实测和理论分析，合理地预测隧道变形量。

可移动板5、紧固带7和限位板10的屈服强度均需大于压缩变形件6的屈服强度，保证在压缩变形件6受压变形时，其余部件始终稳定。可移动板5与其顶端的上部定位板2之间可采用电弧焊接；限位板10、压缩变形件6与其底端的下部定位板11之间也可以采用电弧焊接。

当上部定位板4和下部定位板11的宽度较大时，为了便于现场施工人员使用本实施例中的传力连接装置，如图3所示，在装置上可设置手柄12，手柄12的两端分别与上、下部定位板连接固定且位于上、下部定位板的中部，使得现场施工人员可通过手柄12提起传力连接装置，便于携带、使用。

上部定位板4、可移动板5、压缩变形件6、紧固带7、限位板10和下部定位板11均可使用钢板制作而成。

Claims (7)

1.一种适用于大变形隧道的初支体系，包括隧道初支，其特征在于：所述隧道初支上均匀开设有若干安装槽，所述安装槽内分别安装有传力装置，所述传力装置分别与所述隧道初支连接固定，所述传力装置中设置有至少一个传力元件，所述传力元件可压缩变形产生变形应力并通过传力装置传递至所述隧道初支。

2.根据权利要求1所述的一种适用于大变形隧道的初支体系，其特征在于：所述传力装置包括上、下部定位板，所述上、下部定位板之间设置有所述传力元件，所述传力元件至少包括可移动板和压缩变形件，所述可移动板的顶端与所述上部定位板连接固定，所述压缩变形件的底端与所述下部定位板连接固定，所述可移动板的底端抵触于所述压缩变形件的顶端表面；由所述可移动板和所述压缩变形件所构成的传力元件可压缩变形产生变形应力并通过所述上、下部定位板传递至所述隧道初支。

3.根据权利要求2所述的一种适用于大变形隧道的初支体系，其特征在于：所述压缩变形件的两侧分别设置有限位板，所述限位板固定连接在所述下部定位板上，所述压缩变形件的压缩变形空间限位于所述限位板之间；所述限位板之间通过连接件配合连接形成一体。

4.根据权利要求2所述的一种适用于大变形隧道的初支体系，其特征在于：所述传力装置中设置有至少两个传力元件，所述传力元件之间的间满足于：，其中为所述压缩变形件的屈服强度；为所述压缩变形件的截面积；为所述隧道初支中喷射混凝土的轴心抗压强度；为所述隧道初支中喷射混凝土的厚度。

5.一种涉及权利要求1-4所述的适用于大变形隧道的初支体系的施工方法，其特征在于：所述施工方法至少包括以下步骤：施工隧道初支；在所述隧道初支上施工安装槽；在所述安装槽内安装所述传力装置，并使所述传力装置与所述隧道初支连接固定。

6.根据权利要求5所述的一种适用于大变形隧道的初支体系的施工方法，其特征在于：所述在所述隧道初支上施工安装槽是通过在所述隧道初支施工完成后再在所述隧道初支上切割成型，或者在所述隧道初支施工时预埋占位件，再在所述隧道初支施工完成后取出所述占位件成型。

7.根据权利要求5所述的一种适用于大变形隧道的初支体系的施工方法，其特征在于：所述传力装置的安装数量满足于，其中n为所述隧道初支的每环衬砌所安装的传力装置的数量，x为每个所述传力装置的轴向压缩变形量，为所述隧道初支的径向位移增量。