CN108019222A - 一种使用陶粒填充的隧道衬砌结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用陶粒填充的隧道衬砌结构及施工方法，它包括围岩，在围岩的隧道岩体上通过锚杆锚固有初期支护，所述在初期支护的内层上铺设有防水层，在防水层的内层上铺设有陶粒填充物，在陶粒填充物内侧设置钢拱架，在钢拱架的内侧浇筑二次衬砌。采用此技术可充分发挥支护材料本身的承载能力，大大提高钢拱架的利用率，降低钢拱架的用量及强度要求，最大程度上利用陶粒填充物保护钢拱架，有效控制围岩变形，保护和加固围岩，节约资源，实现绿色经济。

Description

一种使用陶粒填充的隧道衬砌结构及施工方法

技术领域

本发明属于隧道工程衬砌结构领域，具体涉及一种使用陶粒填充的隧道衬砌结构及施工方法。

背景技术

当代社会，随着我国经济的快速发展，我国的高速铁路、高等级公路、高速公路、城际铁路、地铁、城市轨道交通等得到了较快的发展，隧道及地下工程也越来越多。隧道工程是处在各种地质环境中的地下结构物，地质环境的不可预知性决定了隧道工程的高风险性和复杂性，其施工安全和工程质量问题也备受人们关注，隧道的质量问题具有隐蔽性、突发性、复杂性、反复性。隧道工程不仅仅是一个有涉及很多学科的复杂工程，并且还具有现金投入量大、技术难、建设周期长、项目涉及范围广等特点。由于隧道建设存在着很多风险和不确定性因素，复杂难懂的工程地质条件及勘察资料的片面性和相关设计理论的不完整性，使得很多意外事故在工程施工不可避免的发生了。同时，地层、水文地质及周围环境都会由于工程的施工造成了直接影响，并且由于工程施工要与外围环境发生直接或间接的关系，所以使得隧道以及地下工程风险不仅仅具有多样性、复杂性的内部因素，也有综合性、层次性的外部因素；鉴于以上情况，我们必须加大对隧道工程衬砌结构的安全性进行研究分析。

目前我国采用的隧道衬砌有：整体式模筑混凝土衬砌（单层衬砌）、装配式衬砌、锚喷式衬砌、复合式衬砌；其中以复合式衬砌为主要衬砌方式，复合式衬砌是以“新奥法”为基础的一种新型支护结构,在隧道工程中采用非常广泛,它是以喷锚、网喷、格栅钢架等支护为初期支护，以模筑混凝土作为二次支护(衬砌)的一种组合结构形式，它是在初期支护基本稳定后进行的，在初始阶段基本不承受开挖所引起的围岩压力。而隧道在钢拱架施工过程中存在诸多问题：其一是膨胀性土层的隧道开挖后，隧道围岩变形较大，变形可以达到10～ 30cm，导致钢拱架承受很大压力，极易发生挤压变形破坏。其二是钢拱架安装过早，围岩变形正在进行，这会导致钢拱架承受很大围岩压力；过迟安装钢拱架则会任由围岩发生自由变形，在这段时间里围岩无支护力，易出现块体破坏，片状脱落情况。其三是钢拱架安装后，围岩依然存在局部变形，这会导致钢拱架局部承受较大压力。要找到一种迅速支护装置，可使围岩变形而钢拱架内力不增加，而且围岩始终存在支护力，围岩不会发生局部破坏，同时又能保证钢拱架在破坏时不会产生很大内应力。目前，要找到解决以上问题的装置尚不存在。本发明所提出的一种使用陶粒或泡沫砂浆-陶粒填充物填充的隧道衬砌结构及施工工艺，创造性的提出了在隧道初期支护和防水层之间增设一层陶粒或泡沫砂浆-陶粒混合填充物作为衬砌，陶粒其本身具有一定的承重能力，陶粒之间有较大的孔隙率，具有较大的变形空间，还利用其抗渗性、抗侵害性、足够的耐久性，可以更为均匀的将围岩局部变形的压力传递到支护结构受力较小的位置，且具有卸压性能，能够更好的使结构整体达到稳定，充分发挥围岩的自承能力，技术先进、经济合理、质量可靠、可调控围岩变形，广泛应用于各种断面类型的隧道衬砌结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用陶粒填充的隧道衬砌结构及其施工方法；采用此技术可充分发挥支护材料本身的承载能力，大大提高钢拱架的利用率，降低钢拱架的用量及强度要求，最大程度上利用陶粒填充物保护钢拱架，有效控制围岩变形，保护和加固围岩，节约资源，实现绿色经济。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种使用陶粒填充的隧道衬砌结构，它包括围岩，在围岩的隧道岩体上通过锚杆锚固有初期支护，所述在初期支护的内层上铺设有防水层，在防水层的内层上铺设有陶粒填充物，在陶粒填充物内侧设置钢拱架，在钢拱架的内侧浇筑二次衬砌。

所述初期支护采用锚喷支护，设置锚杆和金属网，利用高压空气将掺有速凝剂的混凝土混合料通过混凝土喷射机与高压水混合喷射到岩面上迅速凝结而成。

所述防水层，其材料采用聚异丁烯片、聚乙烯防水卷材或采用喷涂乳化沥青防水剂。

所述钢拱架与围岩之间预留变形缝设置在防水层和二次衬砌之间，预留变形缝的预留变形量控制在10cm-30cm。

所述锚杆设置在拱顶及两侧洞壁处，采用中空注浆锚杆。

所述初期支护和防水层之间安装有多个自动测压计，能够实时监控量测隧道围岩应力及变形，并及时反馈。

所述钢拱架沿隧道轴向均匀布置，相邻钢架之间采用纵向连接钢筋连接。

所述陶粒填充物采用陶粒或泡沫砂浆混合而成，其填充在预留变形缝之间的空隙中。

任意一种使用陶粒填充的隧道衬砌结构的施工方法，其特征在于包括以下步骤：

Step1：开挖隧道前，施作径向超前小导管注浆，小导管采用直径为30-50mm、长度25-40mm的无缝钢花管，注浆材料的选用、配比合注浆压力都经试验确定，采用高压注浆泵注浆；

Step2：隧道开挖后及时施作初期支护，安装钢筋网、设置锚杆，将掺有速凝剂的混凝土拌合料与水混合成浆状，喷射到洞壁上凝结；

Step3：安装自动测压计，测量围岩的变形；

Step4：铺设防水层，采用卷材防水层，在拱部和边墙全断面铺设，材料为土工布及防水板，同时设置系统盲管；

Step5：待围岩以初期支护变形达到稳定后，根据实际支护需求，采用不同强度的陶粒填充物，通过螺栓安装陶粒填充物衬砌结构，使其与围岩紧贴；

Step6：施作二次衬砌，铺设钢拱架，采用整体式模筑混凝土衬砌，使用金属模板台车灌注混凝土整体衬砌，施工顺序采用由下到上、先墙后拱的顺序连续浇筑。

本发明有如下有益效果：

1、本发明在现有隧道复合式衬砌的基础上，创新性的提出了在防水层及二次衬砌之间增设一种使用陶粒填充的隧道衬砌结构，技术先进、经济合理、质量可靠、适用范围广。

2、本发明在陶粒填充物一定支护条件下，围岩变形可以持续发展，在不出现围岩局部破坏的情况下，充分地发挥围岩自身支持能力，减少钢拱架受力。陶粒填充物之间孔隙率较大，压缩空间大，可以提供围岩变形空间，可以较好地传递围岩传来的的挤压应力，使钢拱架受力近似均匀。因为陶粒填充物压缩性好，在其变形范围内，围岩变形不会给钢拱架造成任何内力增加。装置可以让围岩拥有完全临空状态，有用较大的变形，防止渐进式破坏。在围岩可以有较大变形的基础上，钢拱架将承受相对较小的应力，则钢架可以大幅度减少断面面积，以及降低强度，从而节约钢材，极大降低隧道施工的成本。该技术适用于不同形状隧道，例如门洞式、马蹄形、圆形等。

3、本发明所采用的陶粒填充物，可事先根据隧道实际断面进行预制，为轻质结构，具有保温隔热、吸水的良好性质，能够保证隧道内外温差恒定，噪音较小，还可以吸水防止局部渗水，一定程度上可增强隧道衬砌的防水效果，且自重小，施工方便，材料廉价，施工成本低。

4、本发明利用陶粒填充物良好的性能，不仅可解决围岩不均匀变形对钢拱架的局部弯折破坏，使得支护结构受力均匀，减少钢材使用量；而且利用陶粒自身的吸水特性和卸压性能，使得隧洞防水效果和抗震效果极大改善；可极大降低隧洞施工成本，可减少二衬厚度50cm以上的混凝土用量，保证支护结构提前0.5～1年安装，大幅缩短施工工期及成本。

5、本发明所采用的陶粒填充物，通过调整填充陶粒的粒径、配比、不同形式的布置方式，事先预制成不同强度等级的填充物，可针对不同地质条件和各种特征围岩灵活的采用不同支护强度的陶粒填充物。

6、本发明所述的一种使用陶粒填充的隧道衬砌结构及施工工艺，采用预制构件，可批量生产，充分利用并发挥围岩的自承能力，又可充分发挥支护结构的承载能力和支护材料的力学性能，形成的衬砌结构强度高，抗渗性好，耐酸性强，改善劳动条件，降低造价，提高施工作业安全性及作业效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明所涉及的陶粒填充物隧道衬砌结构安装示意图。

图2为本发明所涉及的钢拱架安装示意图。

图3为本发明所涉及的图2中钢拱架A局部放大结构安装示意图。

图4为本发明所涉及的图3中钢拱架A局部放大结构的1向视图。

图5为本发明所涉及的图2中钢拱架B局部放大结构安装示意图。

图6为本发明所涉及的图5中钢拱架B局部放大结构的2向视图。

图7为本发明所涉及的陶粒填充物隧道衬砌结构立体结构示意图。

图8为本发明所涉及的陶粒填充物隧道衬砌结构不同断面形状安装示意图。

图中：围岩1、锚杆2、初期支护3、防水层4、陶粒填充物5、自动测压计6、钢拱架7、二次衬砌8、预留变形缝9。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

如图1-8，一种使用陶粒填充的隧道衬砌结构，它包括围岩1，在围岩1的隧道岩体上通过锚杆2锚固有初期支护3，所述在初期支护3的内层上铺设有防水层4，在防水层4的内层上铺设有陶粒填充物5，在陶粒填充物5内侧设置钢拱架7，在钢拱架7的内侧浇筑二次衬砌8。通过采用上述的隧道衬砌结构隧道开挖后及时施作初期支护3，以喷射混凝土和设置锚杆2为基本形式，之后在留有预留变形缝的基础上设置陶粒填充物5作为填充式衬砌，紧跟铺设防水层4，二次衬砌8采用搭设钢拱架浇筑整体式模筑混凝土形式，充分发挥围岩及支护材料自身的承载能力，降低钢拱架用量及强度要求，有效控制围岩变形，节约施工成本，质量可靠。

进一步的，所述初期支护3采用锚喷支护，设置锚杆2和金属网，利用高压空气将掺有速凝剂的混凝土混合料通过混凝土喷射机与高压水混合喷射到岩面上迅速凝结而成。

进一步的，所述防水层4，其材料采用聚异丁烯片、聚乙烯防水卷材或采用喷涂乳化沥青防水剂。所述防水层在初期支护变形达到基本稳定后进行铺设，先将防水板横向中线通隧道中线对其重合定位，再由拱顶向侧墙方向铺设，防水板接头焊接采用搭接焊接，以便保证防水质量。

进一步的，所述钢拱架7与围岩之间预留变形缝9设置在防水层4和二次衬砌8之间，预留变形缝9的预留变形量控制在10cm-30cm。

进一步的，所述锚杆2设置在拱顶及两侧洞壁处，采用中空注浆锚杆。

进一步的，所述初期支护3和防水层4之间安装有多个自动测压计6，能够实时监控量测隧道围岩应力及变形，并及时反馈。

进一步的，所述钢拱架7沿隧道轴向均匀布置，相邻钢架之间采用纵向连接钢筋连接。所采用的钢拱架宜用工字型、H型、U型钢制成。

进一步的，所述陶粒填充物5采用陶粒或泡沫砂浆混合而成，其填充在预留变形缝9之间的空隙中。能够立即承受荷载，起到一定的缓冲、防水作用，抗渗性、耐久性强。

进一步的，所述二次衬砌采用模筑混凝土或钢筋混凝土衬砌，与初期支护共同组成复合式衬砌，以达到加固支护、优化路线防排水系统、美化外观，以适应现代化隧道建设的要求。

进一步的，所述锚杆可采用中空注浆锚杆，所用的各种水泥砂浆强度不应低于M20，杆体直径宜为20-32cm，杆体材料宜采用HRB335、HRB400钢,在拱顶及两侧洞壁处都有设置。

实施例2：

任意一种使用陶粒填充的隧道衬砌结构的施工方法，其特征在于包括以下步骤：

Step1：开挖隧道前，施作径向超前小导管注浆，小导管采用直径为30-50mm、长度25-40mm的无缝钢花管，注浆材料的选用、配比合注浆压力都经试验确定，采用高压注浆泵注浆；

Step2：隧道开挖后及时施作初期支护3，安装钢筋网、设置锚杆2，将掺有速凝剂的混凝土拌合料与水混合成浆状，喷射到洞壁上凝结；

Step3：安装自动测压计6，测量围岩的变形；

Step4：铺设防水层4，采用卷材防水层，在拱部和边墙全断面铺设，材料为土工布及防水板，同时设置系统盲管；

Step5：待围岩以初期支护变形达到稳定后，根据实际支护需求，采用不同强度的陶粒填充物5，通过螺栓安装陶粒填充物5衬砌结构，使其与围岩紧贴；

Step6：施作二次衬砌8，铺设钢拱架7，采用整体式模筑混凝土衬砌，使用金属模板台车灌注混凝土整体衬砌，施工顺序采用由下到上、先墙后拱的顺序连续浇筑。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种使用陶粒填充的隧道衬砌结构，其特征在于：它包括围岩（1），在围岩（1）的隧道岩体上通过锚杆（2）锚固有初期支护（3），所述在初期支护（3）的内层上铺设有防水层（4），在防水层（4）的内层上铺设有陶粒填充物（5），在陶粒填充物（5）内侧设置钢拱架（7），在钢拱架（7）的内侧浇筑二次衬砌（8）。

2.根据权利要求1所述的一种使用陶粒填充的隧道衬砌结构，其特征在于：所述初期支护（3）采用锚喷支护，设置锚杆（2）和金属网，利用高压空气将掺有速凝剂的混凝土混合料通过混凝土喷射机与高压水混合喷射到岩面上迅速凝结而成。

3.根据权利要求1所述的一种使用陶粒填充的隧道衬砌结构，其特征在于：所述防水层（4），其材料采用聚异丁烯片、聚乙烯防水卷材或采用喷涂乳化沥青防水剂。

4.根据权利要求1所述的一种使用陶粒填充的隧道衬砌结构，其特征在于：所述钢拱架（7）与围岩之间预留变形缝（9）设置在防水层（4）和二次衬砌（8）之间，预留变形缝（9）的预留变形量控制在10cm-30cm。

5.根据权利要求1所述的一种使用陶粒填充的隧道衬砌结构，其特征在于：所述锚杆（2）设置在拱顶及两侧洞壁处，采用中空注浆锚杆。

6.根据权利要求1所述的一种使用陶粒填充的隧道衬砌结构，其特征在于：所述初期支护（3）和防水层（4）之间安装有多个自动测压计（6），能够实时监控量测隧道围岩应力及变形，并及时反馈。

7.根据权利要求1所述的一种使用陶粒填充的隧道衬砌结构，其特征在于：所述钢拱架（7）沿隧道轴向均匀布置，相邻钢架之间采用纵向连接钢筋连接。

8.根据权利要求1所述的一种使用陶粒填充的隧道衬砌结构，其特征在于：所述陶粒填充物（5）采用陶粒或泡沫砂浆混合而成，其填充在预留变形缝（9）之间的空隙中。

9.权利要求1-8任意一种使用陶粒填充的隧道衬砌结构的施工方法，其特征在于包括以下步骤：

Step1：开挖隧道前，施作径向超前小导管注浆，小导管采用直径为30-50mm、长度25-40mm的无缝钢花管，注浆材料的选用、配比合注浆压力都经试验确定，采用高压注浆泵注浆；

Step2：隧道开挖后及时施作初期支护（3），安装钢筋网、设置锚杆（2），将掺有速凝剂的混凝土拌合料与水混合成浆状，喷射到洞壁上凝结；

Step3：安装自动测压计（6），测量围岩的变形；

Step4：铺设防水层（4），采用卷材防水层，在拱部和边墙全断面铺设，材料为土工布及防水板，同时设置系统盲管；

Step5：待围岩以初期支护变形达到稳定后，根据实际支护需求，采用不同强度的陶粒填充物（5），通过螺栓安装陶粒填充物（5）衬砌结构，使其与围岩紧贴；

Step6：施作二次衬砌（8），铺设钢拱架（7），采用整体式模筑混凝土衬砌，使用金属模板台车灌注混凝土整体衬砌，施工顺序采用由下到上、先墙后拱的顺序连续浇筑。