CN107780951A - 高地应力软岩大变形初期支护体系 - Google Patents

高地应力软岩大变形初期支护体系 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高地应力软岩大变形初期支护体系，包括纵向平行布置的多环H型钢钢拱架，纵向两榀钢拱架之间采用纵向连接钢筋或槽钢连接，将单榀钢拱架环向分隔为多个节段，节点处通过承插式钢拱架接头连接；相邻两榀钢拱架对应节点之间的初期支护喷混凝土层中留有纵向沟槽，纵向沟槽中设置有可压缩钢管。本发明利用在预设喷混凝土纵向缝植入可提供抗力的可压缩钢管，以及与之对应的承插式型钢钢架接头，边抗边让，使变形可控，初期支护承受的形变压力释放，实现初期支护结构稳定。

Description

高地应力软岩大变形初期支护体系
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种高地应力软岩大变形初期支护体系。
背景技术
目前，越来越多的隧道工程穿越大范围高地应力软岩地层，隧道建设过程中大变形灾害问题凸显，严重危及了隧道施工及运营安全。高地应力软岩隧道围岩自承能力差，开挖后变形速度快，难以控制，常常会出现失稳、坍塌现象，施作的初期支护开裂、侵限，导致施工进尺缓慢，建成的二次衬砌经过一段时间后出现底鼓、边墙下沉、衬砌开裂现象，这样不仅增加了施工工作量，而且还造成了很大的损失。
因此，上述工况的施工会通过设置钢拱架来控制围岩变形。钢拱架分为刚性钢拱架和可缩式钢拱架。刚性钢拱架适合在围岩变形量不大或地应力不高的情况下使用。刚性钢拱架的接头处采用螺栓连接和焊接，如果采用刚性钢拱架作为高地应力软岩隧道的初期支护体系，在高地应力作用下，作用在拱架上的荷载不能得到有效释放，在施工过程中发现，分部开挖断面上中下台阶交接处（钢拱架接头）初期支护变形严重，接头处整体性较差，初期支护侵入二衬空间，不得不拆换拱架，严重影响了施工安全和进度。钢架会出现扭曲变形甚至折断，喷射混凝土层崩裂，使初期支护承载能力逐步丧失，导致成型断面缩小，直至坍塌。
采用可缩式钢拱架可以允许围岩产生适度的大变形，目前已有的可缩式钢拱架是利用钢拱架伸缩缝接头间的摩擦吸收围岩变形释放的能量，达到应力释放的目的。但这种可缩式钢拱架刚度相对较小，接头易损坏，不设喷混凝土纵向缝时接头处喷混凝土易压碎、崩裂，降低了喷混凝土的整体承载能力；设纵向缝时，由于未封闭，围岩易从纵向缝处挤出，甚至形成碎屑流，导致支护背后形成空腔诱发塌方，结构失稳。
综上所述，目前针对一般软岩隧道的支护方式对于复杂地质条件下的大变形软岩隧道可能不适用，不能有效控制隧道的大变形。
发明内容
本发明的目的是提供一种高地应力软岩大变形初期支护体系，适用于复杂地质条件下的高地应力软岩隧道施工，能有效控制隧道的大变形。
本发明所采用的技术方案为：
高地应力软岩大变形初期支护体系，包括纵向平行布置的多环H型钢钢拱架，纵向两榀钢拱架之间采用纵向连接钢筋或槽钢连接，其特征在于：
将单榀钢拱架环向分隔为多个节段，节点处通过承插式钢拱架接头连接；
相邻两榀钢拱架对应节点之间的初期支护喷混凝土层中留有纵向沟槽，纵向沟槽中设置有可压缩钢管。
承插式钢拱架接头包括U形底座和U形底座内对称设置的两个凸柱，两个凸柱与U形底座之间的空隙形成H形的插槽；
单榀钢拱架相邻节段之间通过承插式钢拱架接头连接，一侧H型钢与U形底座的底板焊接固定，另一侧H型钢插入U形底座的H形插槽中。
承插式钢拱架接头的U形底座侧板上设置有钢拱架接头上的螺栓槽。
单榀钢拱架环向分隔为六个节段，节点分别位于拱顶、两侧拱肩和两侧拱腰上的台阶处。
纵向沟槽中的可压缩钢管轴向垂直于隧道轴线垂直，轴向长度等于初期支护的厚度。
可压缩钢管设置1-3排，轴向两侧设置有钢板并通过焊接方式固接；
拱腰处的可压缩钢管设置2-3排，拱顶和拱肩处的可压缩钢管设置1-2排。
可压缩钢管最外侧一侧的钢板与承插式钢拱架接头通过焊接方式固接。
本发明具有以下优点：
1、本发明利用初期支护体系内植入的钢管既可提供抗力，也可在高地应力作用下产生压缩变形来释放部分地应力，实现了边抗边让，且成本低，安全高效，方便施工。
2、通过预设变形槽，变形槽内植入可压缩钢管，解决了仅设可缩式接头，导致喷混凝土层不能适应变形出现崩裂、掉块的问题。
3、本发明中单榀钢拱架之间采用承插式接头连接，使H型钢钢拱架既可以有一定的变形量，也有较大的刚度，可提供强有力的支撑体系。一方面，该接头使钢拱架具有可缩性，可以实现应力释放，减少作用在衬砌上的荷载；另一方面，与螺栓连接相比，承插式接头使钢架上下两段之间的连接部分重叠，其整体性更好，方便安装，并可有效改善接头处扭曲现象。
4、根据所需要提供的抗力、变形量来动态调节钢管的尺寸、层数、根数以及预设纵向槽数量、钢架接头个数等参数，可以使初期支护体系适应更大的变形量，使围岩可释放更多的能量。
5、在纵向沟槽中植入钢管还具有“挡土”作用，可有效防止衬砌变形时围岩从预设纵向沟槽中挤出。
附图说明
图1为本发明的结构布置图。
图2为本发明的结构示意图。
图3为本发明的初期支护应力释放示意图（钢管压缩变形前）。
图4为本发明的初期支护应力释放示意图（钢管压缩变形后）。
图5为本发明的钢拱架承插式接头立面图。
图6为本发明的钢拱架承插式接头横剖图。
图7为本发明的钢拱架承插式接头三视角立体图。
图中：1-上部钢拱架；2-下部钢拱架；3-承插式钢拱架接头；4-钢板；5-上部钢拱架之间的喷混凝土层；6-可压缩钢管；7-下部钢拱架之间的喷混凝土层；8-钢拱架接头上的螺栓槽；9-初期支护体系。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
本发明涉及的一种高地应力软岩大变形初期支护体系，包括纵向平行布置的多环H型钢钢拱架，纵向两榀钢拱架之间采用纵向连接钢筋或槽钢连接。将单榀钢拱架环向分隔为多个节段，节点处通过承插式钢拱架接头3连接。单榀钢拱架环向分隔为六个节段，节点分别位于拱顶、两侧拱肩和两侧拱腰上的台阶处。
承插式钢拱架接头3包括U形底座和U形底座内对称设置的两个凸柱，两个凸柱与U形底座之间的空隙形成H形的插槽。单榀钢拱架相邻节段之间通过承插式钢拱架接头3连接，一侧H型钢与U形底座的底板焊接固定，另一侧H型钢插入U形底座的H形插槽中。承插式钢拱架接头3具有可收缩量。承插式钢拱架接头3的U形底座侧板上设置有钢拱架接头上的螺栓槽8。
相邻两榀钢拱架对应节点之间的初期支护喷混凝土层中留有纵向沟槽，作为预设变形槽。纵向沟槽中设置有可压缩钢管6，不喷混凝土。纵向沟槽中的可压缩钢管6轴向垂直于隧道轴线垂直，轴向长度等于初期支护的厚度。可压缩钢管6设置1-3排，轴向两侧设置有钢板4并通过焊接方式固接。拱腰处的可压缩钢管6设置2-3排，拱顶和拱肩处的可压缩钢管6设置1-2排。可压缩钢管6最外侧一侧的钢板4与承插式钢拱架接头3通过焊接方式固接。可压缩钢管6可在高地应力作用下产生压缩变形，部分吸收了围岩变形释放能量，减少了作用在初支钢拱架上的荷载。利用嵌入的可压缩钢管6提供与承受荷载适应的抗力，根据所需提供的抗力及变形量来调节可压缩钢管6的尺寸、层数、根数等参数，边抗边让，通过可压缩钢管6压缩使喷混凝土预留缝基本闭合，做到支护结构不侵限，避免换拱。可压缩钢管6的最大压缩变形量与承插式钢拱架接头3可收缩量基本相同。在混凝土纵向预设沟槽之间植入钢管4可以防止围岩在变形时从纵向沟槽之间挤出，形成碎屑流，诱发塌方。对已压缩钢管处需要喷混凝土封闭，使由钢拱架、已压缩钢管、喷混凝土层组成的初期支护体系与围岩共同受力。
根据地应力及衬砌断面大小，本着宁补勿拆的原则预留合适的变形量，施做超前预支护，进行开挖作业，开挖后及时初喷，架设钢拱架，预设喷混凝土纵向缝植入可压缩钢管6。在地应力较高时，隧道初期支护会受到较大的压应力，此时先让可压缩钢管6在一定压力下产生压缩变形，释放部分围岩压力。可压缩钢管6的最大压缩变形量与承插式钢拱架接头3可收缩量基本相同。可压缩钢管6达到最大压缩变形量时，承插式钢拱架接头3的收缩量也达到最大值。既释放了应力，又避免了初期支护侵限。此时，用螺栓固定承插式钢拱架接头3部位，提高承插式钢拱架接头3的刚度。对于已压缩钢管处喷混凝土封闭，形成封闭的初期支护体系。
本发明在初期支护中植入可压缩钢管，并与H型钢钢拱架承插式接头结合起来，使钢拱架既有相应的刚度、强度，同时也允许初期支护体系有一定的变形量，使围岩压力得以释放，降低作用在支护结构上的形变压力。该结构体系适用于高地应力大变形软岩隧道的初期支护，成本低，施工方便。承插式接头使钢拱架具有可伸缩性，可压缩性钢管可提供抗力与变形功能，可以实现应力释放，防止喷混凝土破坏，钢架扭曲；同时承插式接头整体性更好，既可以适应接头处的较大变形，也不易损坏。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.高地应力软岩大变形初期支护体系，包括纵向平行布置的多环H型钢钢拱架，纵向两榀钢拱架之间采用纵向连接钢筋或槽钢连接，其特征在于：
将单榀钢拱架环向分隔为多个节段，节点处通过承插式钢拱架接头（3）连接；
相邻两榀钢拱架对应节点之间的初期支护喷混凝土层中留有纵向沟槽，纵向沟槽中设置有可压缩钢管（6）。
2.根据权利要求1所述的高地应力软岩大变形初期支护体系，其特征在于：
承插式钢拱架接头（3）包括U形底座和U形底座内对称设置的两个凸柱，两个凸柱与U形底座之间的空隙形成H形的插槽；
单榀钢拱架相邻节段之间通过承插式钢拱架接头（3）连接，一侧H型钢与U形底座的底板焊接固定，另一侧H型钢插入U形底座的H形插槽中。
3.根据权利要求2所述的高地应力软岩大变形初期支护体系，其特征在于：
承插式钢拱架接头（3）的U形底座侧板上设置有钢拱架接头上的螺栓槽（8）。
4.根据权利要求1所述的高地应力软岩大变形初期支护体系，其特征在于：
单榀钢拱架环向分隔为六个节段，节点分别位于拱顶、两侧拱肩和两侧拱腰上的台阶处。
5.根据权利要求1所述的高地应力软岩大变形初期支护体系，其特征在于：
纵向沟槽中的可压缩钢管（6）轴向垂直于隧道轴线垂直，轴向长度等于初期支护的厚度。
6.根据权利要求4所述的高地应力软岩大变形初期支护体系，其特征在于：
可压缩钢管（6）设置1-3排，轴向两侧设置有钢板（4）并通过焊接方式固接；
拱腰处的可压缩钢管（6）设置2-3排，拱顶和拱肩处的可压缩钢管（6）设置1-2排。
7.根据权利要求6所述的高地应力软岩大变形初期支护体系，其特征在于：
可压缩钢管（6）最外侧一侧的钢板（4）与承插式钢拱架接头（3）通过焊接方式固接。
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