CN107218061B - 一种刚柔耦合的隧道监测支护综合体系与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种刚柔耦合的隧道监测支护综合体系与方法，体系包括若干并行的支护拱架，支护拱架包括多个依次连接的刚性支护单元，所述刚性支护单元外侧设置有柔性合成材料垫层，柔性合成材料垫层外侧设置有初次混凝土支护层，刚性支护单元内侧设置有二次混凝土喷射层，包括刚性支护单元、柔性合成材料垫层和初次混凝土支护层，形成整体支护体系；柔性合成材料垫层内埋设有分布式光纤和测量装置，实现隧道整个断面围岩变形的实时监测。本发明解决了现有隧道支护体系无法有效、合理、经济控制围岩变形以及断面围岩无法简便、精确、实时监测的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种刚柔耦合的隧道监测支护综合体系与方法。
背景技术
随着国家“一带一路”战略实施，大量基础交通设施的修建迫在眉睫，地下工程是其中重要的组成部分。隧道等地下洞室的开挖往往面临围岩变形、破坏、失稳等一系列问题，传统的隧道围岩变形控制方法往往采用初喷混凝土加钢拱架支护的方式，这种方法可以一定程度上控制围岩的变形，但是传统混凝土回弹率较高，粘结力差，往往造成初喷混凝土层有较多空洞，无法有效使初喷混凝土与塑性区围岩形成整体承载。
传统隧道用工字钢与围岩贴合不紧密，且无法实现与围岩协调变形，浪费了围岩本身的自稳能力，造成支护成本增加。针对隧道围岩变形的监测，传统工艺采用在拱架环向布设土压力盒的方法，需要预先制作支撑架，一端将土压力盒顶在围岩表面，一端与钢拱架进行焊接，并将压力盒连线绑扎在拱架上最终引到拱脚处进行测量。由于隧道断面一般较大，完成上述工作需要利用到施工台车、电焊工以及较多技术人员参与，且耽误隧道施工工序，缺乏经济性和方便性。
除此之外，传统的围岩变形监测属于定点监测范畴，无法实现隧道断面全面监测，且监测元件多为裸露状态，易受施工影响发生破坏，无法实现精准有效监测。
因此需要设计一种新型的隧道监测—支护综合体系解决上述问题，实现围岩与初期支护协调变形，并兼顾围岩变形多断面实时同步监测，作为“智慧隧道”理念的重要一环。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种刚柔耦合的隧道监测支护综合体系与方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种刚柔耦合的隧道监测支护综合体系，包括若干并行的支护拱架，所述支护拱架包括多个依次连接的刚性支护单元，所述刚性支护单元外侧设置有柔性合成材料垫层，所述柔性合成材料垫层外侧设置有初次混凝土支护层，所述刚性支护单元内侧设置有二次混凝土喷射层，包括刚性支护单元、柔性合成材料垫层和初次混凝土支护层，形成整体支护体系；
所述柔性合成材料垫层内埋设有分布式光纤和测量装置，实现隧道整个断面围岩变形的实时监测。
进一步的，所述初次混凝土支护层采用喷射混凝土，为整个体系的最外层，直接与围岩接触，固定有锚杆或/和锚索结构。
当然，本领域技术人员在本发明的工作原理的基础上，将喷射混凝土进行改性，添加其他物质，以提高其回弹力等等，属于常规改进，理应属于本发明的保护范围。
进一步的，所述刚性支护单元为工字钢。
所述工字钢上下两个翼板尺寸与柔性合成材料垫层的宽度相适配。
进一步的，所述柔性合成材料垫层与刚性支护单元的翼板相连接，且其两端采用螺栓与刚性支护单元两端预留螺栓孔栓接预紧。
进一步的，所述分布式光纤安装在柔性合成材料垫层底部，当进行工字钢单元栓接拼装时，不同工字钢单元上部粘接的垫层互相靠近，安装在柔性合成材料垫层内部的光纤通过接口连接实现分布式光纤的整体构成。
进一步的，所述分布式光纤实现隧道整个断面的覆盖测量，在拱腰处预留一处测量接口，当整个支护体系布设完成后，围岩变形造成柔性垫层受压并导致安装在垫层内的分布式光纤发生形变，采用测量装置与预留测量接口相连可以实现全断面围岩变形的实时测量。
所述柔性合成材料垫层的厚度根据隧道围岩质量调节。
基于上述系统的施工方法，包括以下步骤：
(1)隧道爆破开挖排险后，在新鲜岩面上喷射改性混凝土，达到设计厚度后沿隧道环向布设锚杆或/和锚索；
(2)将预制附带柔性垫层的工字钢沿隧道断面架设拼装，工字钢通过方形板上预留螺栓孔栓接后，将不同单元工字钢垫层中的分布式光纤通过接口互相连接；
(3)在拱脚两单元工字钢连接位置预留测量接口，并进行适当保护，使测量接口在二次衬砌施作完成后实现测量；
(4)对步骤(3)形成的结构进行改性混凝土的二次喷射，直到满足设计厚度，形成完整的初支结构；
(5)整体支护体系施作完成后，采用测量装置对整个隧道断面围岩进行实时监测。
所述步骤(5)中，测量装置对整个隧道断面围岩进行实时监测，不同断面围岩变形规律形成综合对比云图，以辅助后续隧道施工。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明采用改性喷射混凝土，粘结力高，可与塑性区围岩有效形成承载整体，与锚杆、锚索一道共同发挥围岩自承能力；
2)柔性合成材料垫层具有多选性与定制性的特点，可根据实际围岩质量和工程特点选用不同材质、尺寸的垫层；
3)采用强力胶和螺栓实现垫层与工字钢的粘结以及垫层之间的相互粘结，简便快捷易于操作；
4)采用分布式光纤作为围岩变形监测手段，实现整个隧道断面的全面、实时监测；
5)分布式光纤包裹在柔性合成材料垫层中，柔性垫层既可以实现与围岩的协调变形，又可以对光纤进行保护，免于受到施工影响毁坏；
6)整个体系既可以实现隧道断面有效、合理支护，又可以实现围岩变形同步监测，体现了刚柔耦合、“先控—再让—后强—同步监测”的特点，可作为“智慧隧道”理念的重要一环；
7)解决了现有隧道支护体系无法有效、合理、经济控制围岩变形以及断面围岩无法简便、精确、实时监测的问题，简化了施工工序，提高了施工效率，有效控制了围岩变形，节约施工、监测成本。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为包含分布式光纤的刚柔耦合拱架；
图2为不同单元拱架拼装与光纤连接；
图3为不同厚度垫层的拱架示意图；
图4为不同宽度垫层的拱架示意图；
图5为本发明整体示意图；
图6为本发明不同断面支护体系三维空间示意图。
其中，1、工字钢，2、柔性合成材料垫层，3、分布式光纤，4、螺栓，5-7不同厚度垫层拱架，6、8、9、不同宽度垫层拱架，10、初次喷射改性混凝土层，11、锚杆，12、测量装置，13、预留测量口，14、二次喷射混凝土设计厚度线。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在传统混凝土回弹率较高，粘结力差，往往造成初喷混凝土层有较多空洞，无法有效使初喷混凝土与塑性区围岩形成整体承载的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种刚柔耦合的隧道监测—支护综合体系。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种刚柔耦合的新型隧道监测—支护综合体系与施作方法，主要包括：初次喷锚支护单元、柔性合成材料垫层、工字钢刚性支护单元、二次喷射混凝土支护单元和综合监测单元。所述的喷锚支护单元作为整个体系的最外层，直接与围岩接触，优选的，采用改性喷射混凝土替代传统混凝土；当然，使用传统混凝土也可以。所述的柔性合成材料垫层通过强力胶与所述的工字钢上翼板相粘结，两端采用螺栓与工字钢两端预留螺栓孔栓接预紧，工字钢与垫层尺寸根据隧道围岩质量可调；所述的综合监测单元包括安装在所述柔性合成材料垫层中的分布式光纤和测量装置，实现隧道整个断面围岩变形的实时监测；所述的二次喷射混凝土支护单元在之前各个单元工序完成并预留出监测接口之后进行改性混凝土的二次喷射，将之前各单元包裹形成完整初支结构；整体系统体现“先控—再让—后强—同步监测”的特点。
喷锚支护单元包括初喷混凝土与锚杆、锚索结构，隧道爆破进尺完成后，经过排险工序，采用改性喷射混凝土替代原有传统混凝土在新鲜岩面上进行喷射，与传统混凝土相比，改性混凝土粘接力大，与岩体结合度高。达到初喷混凝土设计厚度后沿隧道断面环向施作锚杆、锚索，与喷射混凝土共同作用提高围岩整体残余强度，充分发挥围岩的自承能力，体现“先控”的特点。
柔性合成材料垫层采用合成橡胶等人工柔性材料，利用强力胶将垫层底面与工字钢上翼板相粘结，同时垫层与垫层之间同样可以采用强力胶相互粘结，两端采用螺栓与工字钢两端预留螺栓孔栓接预紧。可根据隧道工程实际围岩质量选择不同厚度、宽度与材质的垫层，实现模块化拼接的功能，体现“再让”的特点。
工字钢刚性支护单元采用传统的隧道用工字钢，为配合柔性垫层耦合支护，工字钢上下两个翼板尺寸根据垫层宽度加工。工字钢单元间通过方形板上预留螺栓孔栓接拼装体现“后强”的特点。
综合监测单元包括分布式光纤和测量装置，分布式光纤安装在柔性合成材料垫层底部，当进行工字钢单元栓接拼装时，不同工字钢单元上部粘接的垫层互相靠近，安装在垫层内部的光纤通过接口连接实现分布式光纤的整体构成。
分布式光纤实现隧道整个断面的覆盖测量，在拱腰处预留一处测量接口。当整个支护体系布设完成后，围岩变形造成柔性垫层受压并导致安装在垫层内的分布式光纤发生形变，采用测量装置与预留测量接口相连可以实现全断面围岩变形的实时测量，体现“同步监测”的特点。
二次喷射混凝土支护单元在之前各个单元工序完成后，二次喷射改性混凝土达到设计厚度，从而实现之前各个单元的包裹，形成完整的初支结构。
如图1-图5所示，一种刚柔耦合的隧道监测—支护综合体系，包括初次喷锚支护单元包括初次喷射改性混凝土层10与锚杆11，作为整个支护体系的最外层，与围岩面接触，起到“先控”的作用；柔性合成材料垫层2可根据实际工程围岩质量与施工特点进行选择，变换不同厚度、宽度、材质的垫层，垫层2可通过强力胶与螺栓4实现垫层与工字钢1相互粘结和垫层与垫层之间的粘结组合，工字钢1与柔性合成材料垫层2的组合体现刚柔耦合支护的理念，有利于控制围岩与支护体系的协调变形，体现了“再让—后强”的特点；分布式光纤3安装在垫层2中，在不同单元工字钢1通过预留螺栓孔拼接时，不同单元分布式光纤3通过接口互相连接，最终形成覆盖全断面的的整体分布式光纤，围岩变形会造成光纤3变形，从而得到围岩变形规律；柔性合成材料垫层2既能实现柔性变形又可以起到保护分布式光纤3免遭施工破坏的作用；最终采用测量装置12对全断面围岩变形进行监测。
一种刚柔耦合的隧道监测—支护综合体系与施作方法，其具体实施方式：
隧道爆破开挖排险后，在新鲜岩面上喷射改性混凝土，形成初次喷射改性混凝土层10，达到设计厚度后沿隧道环向布设锚杆11。将预制附带柔性合成材料垫层2的工字钢1沿隧道断面架设拼装，工字钢1通过方形板上预留螺栓孔栓接后，将不同单元工字钢垫层中的分布式光纤3通过接口互相连接。工字钢1和分布式光纤3完成全断面拼装后，在拱脚位置预留监测口13，并加以适当保护，防止二次喷射混凝土层对其进行覆盖。之前所有单元工序完成后，二次喷射改性混凝土到设计厚度线14形成二次喷射改性混凝土层，完成整体新型初支结构。采用测量装置12对全断面围岩变形进行实时监测，为隧道施工提供指导。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种刚柔耦合的隧道监测支护综合体系的施工方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)隧道爆破开挖排险后，在新鲜岩面上喷射改性混凝土，达到设计厚度后沿隧道环向布设锚杆或/和锚索；
(2)将预制附带柔性垫层的工字钢沿隧道断面架设拼装，工字钢通过方形板上预留螺栓孔栓接后，将不同单元工字钢垫层中的分布式光纤通过接口互相连接；
(3)在拱脚两单元工字钢连接位置预留测量接口，并进行适当保护，使测量接口在二次衬砌施作完成后实现测量；
(4)对步骤(3)形成的结构进行改性混凝土的二次喷射，直到满足设计厚度，形成完整的初支结构；
(5)整体支护体系施作完成后，采用测量装置对整个隧道断面围岩进行实时监测。
2.如权利要求1所述的施工方法，其特征是：所述步骤(5)中，测量装置对整个隧道断面围岩进行实时监测，不同断面围岩变形规律形成综合对比云图，以辅助后续隧道施工。
3.一种适用于如权利要求1所述的施工方法的刚柔耦合的隧道监测支护综合体系，其特征是：包括若干并行的支护拱架，所述支护拱架包括多个依次连接的刚性支护单元，所述刚性支护单元外侧设置有柔性合成材料垫层，所述柔性合成材料垫层外侧设置有初次混凝土支护层，所述初次混凝土支护层的材料是改性混凝土，所述刚性支护单元内侧设置有二次混凝土喷射层，包括刚性支护单元、柔性合成材料垫层和初次混凝土支护层，形成整体支护体系；所述柔性合成材料垫层内埋设有分布式光纤和测量装置，实现隧道整个断面围岩变形的实时监测。
4.如权利要求3所述的一种刚柔耦合的隧道监测支护综合体系，其特征是：所述初次混凝土支护层采用喷射混凝土，为整个体系的最外层，直接与围岩接触，固定有锚杆或/和锚索结构。
5.如权利要求3所述的一种刚柔耦合的隧道监测支护综合体系，其特征是：所述刚性支护单元为工字钢。
6.如权利要求5所述的一种刚柔耦合的隧道监测支护综合体系，其特征是：所述工字钢上下两个翼板尺寸与柔性合成材料垫层的宽度相适配。
7.如权利要求3所述的一种刚柔耦合的隧道监测支护综合体系，其特征是：所述柔性合成材料垫层与刚性支护单元的翼板相连接，且其两端采用螺栓与刚性支护单元两端预留螺栓孔栓接预紧。
8.如权利要求3所述的一种刚柔耦合的隧道监测支护综合体系，其特征是：所述分布式光纤安装在柔性合成材料垫层底部，当进行工字钢单元栓接拼装时，不同工字钢单元上部粘接的垫层互相靠近，安装在柔性合成材料垫层内部的光纤通过接口连接实现分布式光纤的整体构成。
9.如权利要求3所述的一种刚柔耦合的隧道监测支护综合体系，其特征是：所述分布式光纤实现隧道整个断面的覆盖测量，在拱腰处预留一处测量接口，当整个支护体系布设完成后，围岩变形造成柔性垫层受压并导致安装在垫层内的分布式光纤发生形变，采用测量装置与预留测量接口相连可以实现全断面围岩变形的实时测量。
10.如权利要求3所述的一种刚柔耦合的隧道监测支护综合体系，其特征是：所述柔性合成材料垫层的厚度根据隧道围岩质量调节。
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