CN107489431A - 一种大变形围岩段复合式衬砌 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大变形围岩段复合式衬砌，包括初期支护，防水板和PVA‑ECC二次衬砌，所述初期支护由玻璃纤维锚杆和高韧性PVA‑ECC喷层组成，所述PVA‑ECC二次衬砌由钢筋增强PVA‑ECC材料组成，所述PVA‑ECC材料的组分为水泥、粉煤灰、砂、水、减水剂和PVA纤维。本发明的大变形围岩段复合式衬砌能显著提高衬砌的柔性和变形能力，有效释放隧道周边的围岩压力，能满足大变形隧道的支护要求，防止衬砌开裂破坏，具有施工安全、方便、快速等特点。
Description
技术领域
本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及一种大变形围岩段复合式衬砌。
背景技术
自20世纪初首例严重的交通隧道软弱围岩大变形发生以来，国内外隧道工程发生的围岩大变形灾害事例屡见不鲜，它一直是困扰地下工程界的一个重大问题。国外如日本的惠那山(Enasan)公路隧道、奥地利的陶恩(Tauern)隧道、阿尔贝格(Arlberg)隧道，国内如青藏线的关角隧道、宝中线的大寨岭隧道及堡子梁隧道、南昆线上的家竹箐铁路隧道等工程均出现了不同形式和程度的围岩大变形情况，引起喷层开裂、钢架翘曲，底板隆起，造成支护结构破坏、坍塌等工程事故，给工程建设造成了极大的困难。
目前，国内外针对软岩隧道大变形问题，提出了刚性支护、可缩支护等支护措施，其中刚性支护的核心是通过加大支护结构的强度和刚度来抵抗巨大的围岩压力，但从众多地下工程的支护实践表明，这种支护措施无论从技术上还是从经济上，都是欠合理的。可缩支护的核心是允许围岩发生适度变形，以降低作用于结构上的支护压力，具体措施是开挖后架设可缩的初期支护。如在喷锚支护的基础上增设可压缩钢拱架，并设置泡沫混凝土预留变形层来实现对高地应力、软弱围岩隧道大变形的控制。但上述做法的实质均是预留一定的变形空间，在可压缩空间利用完后即为刚性支护，不能体现支护结构本身的刚柔并济，此外，在初期支护和二次衬砌之间设置泡沫混凝土层，施工时间加长，有时难以适用围岩变形量大、变形速度快的特点，不符合及时性原则，难以确保初期支护后及时施做二次衬砌，无法充分发挥围岩的自承载能力，需要发展锚、注、喷一体化的围岩加固与支护体系。
针对现有技术围岩大变形控制技术的不足，亟需提供一种大变形围岩段复合式衬砌支护体系。
发明内容
本发明的目的在于提供一种由PVA-ECC（聚乙烯醇纤维增韧水泥基复合材料，Polyvinyl alcohol Fiber-Engineered CementitiousComposites，简称PVA-ECC）构成的柔性好、变形能力强，能满足大变形隧道支护要求的复合式衬砌结构。
具体技术方案如下：大变形围岩段复合式衬砌结构，包括初期支护6、防水板3和PVA-ECC二次衬砌4，所述初期支护6由玻璃纤维锚杆1和高韧性PVA-ECC喷层2组成，所述PVA-ECC二次衬砌4由高韧性PVA-ECC材料并配置纵向和环向的钢筋5组成，在初期支护6和PVA-ECC二次衬砌4之间设置防水板3。
进一步的，所述玻璃纤维锚杆1采用梅花形对称布置在隧道拱部、边墙部位，并在仰拱部位设置，以抵抗底鼓压力。所述玻璃纤维锚杆1采用长锚杆，长度为6~15m，直径20~32mm，环向和纵向间距1~1.5m。
进一步的，所述PVA-ECC材料的组分为水泥、粉煤灰、砂、水、减水剂和PVA纤维，其中，按质量比计，水泥：粉煤灰：砂：水：减水剂=1：（1.0~1.2）：（0.6~0.8）：（0.42~0.57）：（0.001~0.003）；以水泥、粉煤灰、砂和减水剂混合均匀后的总体积为基数，PVA纤维的掺量为13~20kg/m3。
进一步的，所述水泥为P.O.42.5硅酸盐水泥，所述粉煤灰为一级粉煤灰，所述砂的粒径在0.2mm~0.4mm，所述PVA纤维的长度为12mm，直径大于30μm，抗拉强度大于1200MPa，弹性模量大于30GPa，断裂伸长率大于6%，所述减水剂为减水率40%以上的聚羧酸高效减水剂。
本发明所述PVA-ECC材料的制备方法为：将水泥、粉煤灰、砂按上述质量比加入搅拌机搅拌均匀后，再加入PVA纤维搅拌均匀，之后再加入水、减水剂湿拌均匀即可得到高韧性PVA-ECC材料。
本发明所述PVA-ECC喷层，所述喷射方法为：将上述PVA-ECC拌合物置于喷射机进行喷射，采用湿喷工艺。
本发明的有益效果是：
（1）本发明采用的玻璃纤维锚杆，与普通锚杆相比，具有耐腐蚀、抗拉强度高、重量轻、可预制任意形状等优点，施工方便快捷。
（2）本发明的高韧性PVA-ECC材料的抗压强度可达到35MPa以上，极限拉伸应变大于3%，是普通混凝土的300倍以上，在拉伸、弯曲和剪切荷载下具有应变硬化、多缝开裂的特性，与钢筋的粘结性能好，具有高韧性、变形能力强、柔性好等特点。
（3）本发明采用高韧性PVA-ECC材料的初期支护和二次衬砌，显著提升了初期支护和二次衬砌组成的复合式衬砌的整体性能，极大提高了支护结构的变形能力，增强了承受围岩压力和围岩大变形的适用性。
附图说明
图1为本发明的大变形围岩段复合式衬砌结构的横断面示意图；
图2为本发明的大变形围岩段复合式衬砌结构的纵断面示意图；
图中各标号表示：
1—玻璃纤维锚杆；2—PVA-ECC喷层；3—防水板；4—PVA-ECC二次衬砌；5—钢筋；6—初期支护。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明。
实施例1：如图1~2所示：一种大变形围岩段复合式衬砌，沿隧道径向由外到内依次设置有初期支护6、防水板3和PVA-ECC二次衬砌4；所述初期支护6由玻璃纤维锚杆1和PVA-ECC喷层2组成，可根据需要挂钢筋网、设置钢拱架等；所述PVA-ECC二次衬砌4内设置有纵向和环向分布的钢筋5，可根据刚度需要增设钢拱架等；所述防水板3位于初期支护6和PVA-ECC二次衬砌4之间。
所述玻璃纤维锚杆1采用梅花形对称布置在隧道拱部、边墙部位，并在仰拱部位设置，以抵抗底鼓压力。所述玻璃纤维锚杆1采用长锚杆，长度为6~15m，直径20~32mm，环向、纵向间距1~1.5m。本实施例中，玻璃纤维锚杆1长度为9m，直径32mm，环向间距1.0m，纵向间距1.2m。
实施例2：本发明中的大变形围岩段复合式衬砌其施工工艺与常规的复合式衬砌结构相同；所述PVA-ECC喷层2采用PVA-ECC材料喷射而成，所述PVA-ECC二次衬砌4采用PVA-ECC材料浇筑而成，所述PVA-ECC材料的组分为水泥、粉煤灰、砂、水、减水剂和PVA纤维，其中，按质量比计，水泥：粉煤灰：砂：水：减水剂=1:（1.0~1.2）：（0.6~0.8）：（0.42~0.57）：（0.001~0.003）；以水泥、粉煤灰、砂和减水剂混合均匀后的总体积为基数，PVA纤维的掺量为13~20kg/m3。所述水泥为P.O.42.5硅酸盐水泥，所述粉煤灰为一级粉煤灰，所述砂的粒径在0.2mm~0.4mm，所述PVA纤维的长度为12mm，直径大于30μm，抗拉强度大于1200MPa，弹性模量大于30GPa，断裂伸长率大于6%，所述减水剂为减水率40%以上的聚羧酸高效减水剂。
所述PVA-ECC喷层2和PVA-ECC二次衬砌4采用PVA-ECC材料的搅拌方法为：将水泥、粉煤灰、砂按上质量比加入搅拌机搅拌均匀后，再加入PVA纤维搅拌均匀，之后再加入水、减水剂湿拌均匀即可得到高韧性PVA-ECC材料。
所述PVA-ECC二次衬砌4采用PVA-ECC材料的浇筑方法为：将上述PVA-ECC拌合物采用常规的泵送工艺，利用衬砌模板台车进行浇筑，浇筑完成养护3天后移除模板台车，即可得到PVA-ECC二次衬砌。
所述PVA-ECC喷层2采用PVA-ECC材料的喷射方法为：将上述PVA-ECC拌合物置于喷射机进行喷射，采用湿喷工艺，分层喷射，每层喷射厚度为3~5cm。
所述PVA-ECC喷层2和PVA-ECC二次衬砌4的厚度根据隧道围岩性质、围岩大变形对支护结构的变形和强度要求综合确定，如图所示的本实施例中，PVA-ECC喷层2的厚度为20cm~35cm，PVA-ECC二次衬砌4的厚度40cm~60cm。
所述防水板3在隧道环向全环封闭，采用高分子聚合物卷材，如聚氯乙烯防水卷材、EVA防水卷材、HDPE高密度乙烯防水卷材等。如图所示的实施例中，采用较为柔软的EVA防水卷材。
所述纵向和环向的钢筋5在隧道纵向和环向全环布置，钢筋直径16~28mm，间距150~200mm，可根据刚度需要增设H型或工字型型钢拱架，本实施例中，钢筋直径为25mm，间距200mm。
实施例3：本实施例中PVA-ECC材料的组分为水泥、粉煤灰、砂、水、减水剂和PVA纤维，其中，按质量百分比计，水泥：粉煤灰：砂：水：减水剂=1:1.2:0.72:0.57:0.003，以水泥、粉煤灰、砂和减水剂混合均匀后的总体积为基数，PVA纤维的质量掺量为20kg/m3。所用水泥为P.O.42.5硅酸盐水泥；粉煤灰为一级粉煤灰；砂的粒径为0.2mm~0.4mm；PVA纤维为日本生产的纤维，长度为12mm，直径为39μm，抗拉强度为1620MPa，弹性模量为42.8GPa，添加Sika聚羧酸高效减水剂。其力学性能试验及结果如下：
（1）采用100mm×100mm×300mm的棱柱体试块，按标准养护方法养护28d后进行轴心抗压强度试验。试验结果表明：PVA-ECC材料抗压强度平均值为40MPa，试块在破坏过程中存在明显的抗压韧性。
（2）采用100mm×100mm×400mm的梁式试件，按标准养护方法养护28d后进行四点弯曲试验。试验结果表明：PVA-ECC材料极限拉伸应变达到3.2%，为普通混凝土极限拉伸应变的300倍以上，在弯曲荷载下呈现出类似于钢材的应变硬化、多缝开裂的特性。
以上试验结果表明，PVA-ECC材料的极限拉伸应变远高于普通素混凝土极限拉伸应变，试件在受压、受弯时表现出高韧性特征。
上面结合图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (5)
1.一种大变形围岩段复合式衬砌，其特征在于：包括初期支护（6）、防水板（3）和PVA-ECC二次衬砌（4），所述初期支护（6）由玻璃纤维锚杆（1）和PVA-ECC喷层（2）组成，所述PVA-ECC二次衬砌（4）由PVA-ECC材料并配置纵向和环向的钢筋（5）组成，初期支护（6）和PVA-ECC二次衬砌（4）之间设置防水板（3）。
2.根据权利要求1所述的大变形围岩段复合式衬砌，其特征在于：所述玻璃纤维锚杆（1）采用梅花形布置，在隧道拱部和边墙部位对称布置，同时在隧道仰拱部位布置。
3.根据权利要求2所述的大变形围岩段复合式衬砌，其特征在于：所述玻璃纤维锚杆（1）的长度为6~15m，直径20~32mm，环向和纵向的间距均为1~1.5m。
4.根据权利要求1所述的大变形围岩段复合式衬砌，其特征在于：所述PVA-ECC的组分为水泥、粉煤灰、砂、水、减水剂和PVA纤维，按质量比计，水泥：粉煤灰：砂：水：减水剂=1:（1.0~1.2）:（0.6~0.8）:（0.42~0.57）:（0.001~0.003）；以水泥、粉煤灰、砂和减水剂混合均匀后的总体积为基数，PVA纤维的掺量为13~20kg/m3。
5.根据权利要求4所述的大变形围岩段复合式衬砌，其特征在于：所述水泥为P.O.42.5硅酸盐水泥；所述粉煤灰为一级粉煤灰；所述砂的粒径在0.2mm~0.4mm；所述PVA纤维的长度为12mm，直径大于30μm，抗拉强度大于1200MPa，弹性模量大于30GPa，断裂伸长率大于6%；所述减水剂为减水率40%以上的聚羧酸高效减水剂。
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- 2017-06-29 CN CN201710511101.9A patent/CN107489431B/zh active Active
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