CN110094215A - 非牛顿流体衬砌支护结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

一种非牛顿流体衬砌支护结构，包括隧洞初次衬砌体，隧洞初次衬砌体与隧洞二次衬砌体之间设置有一定空间形成预留变形层，预留变形层内放置有非牛顿流体充填物；非牛顿流体充填物包括内部填充有非牛顿流体的全封闭袋体，橡胶阀上开设有注水孔以及卸压／注浆孔，封闭袋体与围岩相对应的外侧面还设置有第二注水孔，第二注水孔与埋设于非牛顿流体充填物内部的非牛顿流体内的第二主注水管连通，第二主注水管每隔一段距离连接有拱形分注水管。本发明提供的非牛顿流体衬砌支护结构及施工方法，可以解决二衬钢拱架受力不均匀、支护能力差的问题，将围岩对二衬结构所施加的点力或线力均化为面力，提高了二衬结构的利用率。

Description

非牛顿流体衬砌支护结构及施工方法

技术领域

本发明涉及地下工程施工技术领域，尤其是一种非牛顿流体衬砌支护结构及施工方法。

背景技术

近年来，随着我国国民经济的快速发展，以高速公路和国道为主体的快速交通网络的建设取得了突飞猛进的进步，山区公路隧洞作为高速公路的一个重要组成部分，在日趋注重高速公路环保、经济和效率的今天起着愈发突出的作用。同时，随着地面空间的逐渐减少，对地下空间的开发也逐渐与利用也逐渐增多。然而，由于隧洞所处的地质条件和工程条件具有多样性和复杂性，对于一些处于高地应力下的软岩区域，在施工时或施工后经常会发生整体或局部的大变形，增加了进行衬砌支护的难度。

目前，增强衬砌支护的方法通常为提高二衬结构（钢拱架）整体强度，以提高对围岩的支护力。由于钢拱架各部分受力情况并不相同，导致了上述方法并不能充分利用二衬结构的支护能力，造成资源上的浪费。但若减少钢拱架的质量或厚度，可能会导致其因局部无法承受围岩变形所施加的压力而断裂，使得局部岩石脱落甚至塌方，造成工程的中断或者造成人员伤亡。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种非牛顿流体衬砌支护结构及施工方法，可以解决二衬钢拱架受力不均匀、支护能力差的问题，将围岩对二衬结构所施加的点力或线力均化为面力，并使其较均匀的分布在二衬结构上，提高了二衬结构的利用率，降低了钢材等的成本；提高了安全性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种非牛顿流体衬砌支护结构，包括在隧洞的围岩上插锚杆、挂网、喷射混凝土形成的隧洞初次衬砌体，隧洞初次衬砌体外表面设置有隧洞二次衬砌体，隧洞初次衬砌体与隧洞二次衬砌体之间设置有一定空间形成预留变形层，预留变形层内放置有非牛顿流体充填物；非牛顿流体充填物包括内部填充有非牛顿流体的全封闭袋体，全封闭袋体与围岩相对应的外侧面设置有橡胶阀，橡胶阀上开设有注水孔以及卸压／注浆孔，非牛顿流体充填物的非牛顿流体内部埋设有沿隧洞延伸方向设置的平行的第一主注水管和第二注水管，第二主注水管每隔一段距离连接有拱形分注水管，第一主注水管、第二主注水管以及拱形分注水管上均匀布设有多个出水孔，第一主注水管、第二主注水管与注水孔连通

全封闭袋体外部由内至外依次包裹有土工布及铁丝网。

非牛顿流体为砂、淤泥、碎屑物、粒径较小的碎石以及陶粒中的一种或多种混合制成的流质充填物。

隧洞初次衬砌体与隧洞二次衬砌体之间设置20-40cm的空隙形成预留变形层。

非牛顿流体充填物与隧洞二次衬砌体之间设置有隔水层。

全封闭袋体为聚乙烯土工膜袋体。

拱形分注水管的各出水孔处均设置有导水棉条。

隧洞二次衬砌体包括空腹式钢拱架，空腹式钢拱架与非牛顿流体充填物接触一侧设置有应变片以及压力传感器，空腹式钢拱架的另一侧设置有位移计。

一种上述支护结构的施工方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：通过热压将聚乙烯土工膜制成袋状得到封闭袋体，在封闭袋体一侧设置橡胶阀，通过注水孔将第一主注水管、第二主注水管以及拱形分注水管置入封闭袋体内部，通过注水孔将含水率检测仪的检测端置入封闭袋体内部，在卸压／注浆孔上连接注浆/卸压管，通过注浆/卸压管向封闭袋体内部注入非牛顿流体，直到预留变形层填充满时停止注入；

步骤2：在全封闭袋体外侧包裹土工布及铁丝网，制得非牛顿流体充填物；

步骤3：隧洞初次衬砌：在隧洞的围岩上插锚杆、挂网、喷射混凝土形成的隧洞初次衬砌体；

步骤4：在隧洞初次衬砌体外选取适当位置放置空腹式钢拱架，空腹式钢拱架与隧洞初次衬砌体之间设置有一定空间形成预留变形层，在预留变形层内放置非牛顿流体充填物并在隧洞初次衬砌体与空腹式钢拱架之间设置隔水层；

步骤5：设置数据监测设备：在空腹式钢拱架与非牛顿流体充填物接触一侧设置应变片以及压力传感器，在空腹式钢拱架的另一侧设置位移计；

步骤6：局部围岩大变形对非牛顿流体充填物产生的压力被均匀传递到衬砌支护结构受力较小的部位，围岩长期蠕变过程中，非牛顿流体的含水率下降，此时，通过第一主注水管、第二主注水管向封闭袋体内均匀注水软化非牛顿流体，保证非牛顿流体的流动性；

步骤7：卸载：围岩蠕变较大时，非牛顿流体所受压力达到一定限度，此时通利用抽吸设备从注浆/卸压管抽出部分非牛顿流体，抽出的体积可根据实际监测的围岩变形值确定；围岩变形稳定时，将非牛顿流体全部抽出；

步骤8：灌注混凝土：通过注浆/卸压管向封闭袋体内部注入混凝土，使其与空腹式钢拱架形成最终的隧洞二次衬砌体，进行长期使用；

步骤9：加固隧洞二次衬砌体：若围岩某一部分的变形明显，对与变形部分对应的隧洞二次衬砌体进行部分加固，即完成非牛顿流体衬砌支护结构的施工。

本发明提供的非牛顿流体衬砌支护结构及施工方法，有益效果如下：

1、通过在预留变形层中填充非牛顿流体充填物可将围岩局部变形施加在二衬上的点力均化成为施加在在二衬结构上的面力，充分利用了二衬结构的支护作用，避免了为加固二衬结构所产生的不必要的浪费，节约了资源。

2、有效降低了初衬后期的内应力，消除了局部受力，使安全阈度大幅提高；

3、所使用的聚乙烯土工膜及橡胶阀易于加热粘合且十分牢固、不易出现缺口或缝隙，防止内部非牛顿流体流出，同时成本低廉。

4、可通过初衬围岩变形检测值确定围岩局部变形的速率及范围，从而进行局部施作，有效降低了非牛顿流体充填物的整体厚度，减少了操作所需的人力物力，同时延长了结构可使用的时间。

5、不仅可在围岩缓慢蠕变时提供支反力，通过让压支护使塑性区不发育，同时也可以充分利用非牛顿流体材料的特性，显著减弱或消散了围岩因地震、岩爆以及冒顶等产生的对二衬结构的冲击，更好的保护二衬结构。

6、在支护时释放应力的速度及过程均可控制，使一次性、不可控的、快速的荷载的卸除，转变为分次的可控的卸荷，大幅降低了整体塑性区向内扩展的程度，使围岩的蠕变总量大幅度降低，同时也通过缓慢分级释放应力，降低能了量密度。

本发明针对目前支护衬砌所存在的问题，提出了非牛顿流体衬砌支护结构及施工方法，该结构可将围岩对二衬结构所施加的点力或线力均化为面力，并使其较均匀的分布在二衬结构上，提高了二衬结构的利用率，降低了钢材等的成本；同时在后期可对围岩变形明显的部分有针对性的进行卸载以及加固其对应的二衬结构，提高了结构的安全性；本结构不仅可以针对围岩的缓慢蠕变进行支护，也可对支护过程中出现的岩爆、地震等起一定的作用；本结构采用的材料价格远低于现有方法所使用的材料价格且易于取得，施工中的操作也十分简便，具有广泛的工程实践意义及应用前景。

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为本发明支护结构的结构示意图；

图2为本发明结构的第一注水管、第二主水管以及分注水管的分布的示意图；

图3为本发明结构非牛顿流体充填物的示意图。

具体实施方式

实施例一

如图1-图3所示，一种非牛顿流体衬砌支护结构，包括在隧洞1的围岩2上插锚杆、挂网、喷射混凝土形成的隧洞初次衬砌体3，隧洞初次衬砌体3外表面设置有隧洞二次衬砌体4，隧洞初次衬砌体3与隧洞二次衬砌体4之间设置有一定空间形成预留变形层5，预留变形层5内放置有非牛顿流体充填物7；非牛顿流体充填物7包括内部填充有非牛顿流体的全封闭袋体10，全封闭袋体10与围岩2相对应的外侧面设置有橡胶阀16，橡胶阀16上开设有注水孔13以及卸压／注浆孔14，非牛顿流体充填物7的非牛顿流体内部埋设有沿隧洞延伸方向设置的平行的第一主注水管17和第二注水管9，第二主注水管9每隔一段距离连接有拱形分注水管18，第一主注水管17、第二主注水管9以及拱形分注水管18上均匀布设有多个出水孔，第一主注水管17、第二主注水管9与注水孔13连通。

诱驱鱼系统中，全封闭袋体10外部由内至外依次包裹有土工布11及铁丝网12。

非牛顿流体为砂、淤泥、碎屑物、粒径较小(粒径小于2cm)及陶粒中的一种或多种混合制成的流质充填物。

隧洞初次衬砌体3与隧洞二次衬砌体4之间设置20-40cm的空隙形成预留变形层5。

非牛顿流体充填物7与隧洞二次衬砌体4之间设置有隔水层8，隔水层8优选土工膜，通过在非牛顿流体充填物7外部包裹隔水性能较好、柔性较大的防水材料达到隔水的效果。

全封闭袋体10为聚乙烯土工膜袋体。

聚乙烯土工膜为有一定弹性的防水材料，通过与其热粘固定在一起的橡胶阀向其内部注入非牛顿流体，二者密封性好且价格低廉且易于操作，同时为后续管路的连接提供了便利。

土工布11及铁丝网12具有一定延展性同时预留了一定的变形空间，可以防止围岩蠕变后产生的凸起过于尖利刺破聚乙烯土工膜。

拱形分注水管18的各出水孔处均设置有导水棉条6，使得导水棉条6均匀分布在非牛顿流体中，使注水时液体均匀扩散，但其密度不宜过密，以免影响到填充物的填充与抽吸。

隧洞二次衬砌体4包括空腹式钢拱架，空腹式钢拱架与非牛顿流体充填物7接触一侧设置有应变片以及压力传感器，空腹式钢拱架的另一侧设置有位移计；应变片、压力传感器、位移计等检测设备可清晰显示出空腹式钢拱架的受力情况及变形情况，便于根据实际情况对非牛顿流体体积进行调控，同时可通过含水率检测仪掌控非牛顿流体的含水率，通过注水使其保持在衬砌支护的最佳状态。

第一主注水管17和第二主注水管9为长度与非牛顿流体充填物7长度接近的管道，具体长度可根据工程实际情况确定。

卸压／注浆孔与全封闭袋体10外部的卸压/注浆管连接；所有连接方式均为管和橡胶套接。

带有注水孔和卸压／注浆孔的橡胶阀16可设置多个，以便有针对性的对非牛顿流体充填物局部受力较大的部分进行抽吸，有效加快了高地应力洞室围岩局部受力较大时减小压力的速度，同时可进行快速抽吸，以达到短时间留出变形空间以及加快后期卸载工序的目的。

实施例二

一种上述支护结构的施工方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：通过热压将聚乙烯土工膜制成袋状得到封闭袋体10，在封闭袋体10一侧设置橡胶阀16，通过注水孔将第一主注水管17、第二主注水管9以及拱形分注水管18置入封闭袋体10内部，通过注水孔将含水率检测仪15的检测端置入封闭袋体10内部，在卸压／注浆孔14上连接注浆/卸压管，通过注浆/卸压管向封闭袋体10内部注入非牛顿流体，直到预留变形层5填充满时停止注入；

步骤2：在全封闭袋体10外侧包裹土工布11及铁丝网12，制得非牛顿流体充填物7；

步骤3：隧洞初次衬砌：在隧洞1的围岩2上插锚杆、挂网、喷射混凝土形成的隧洞初次衬砌体3；

步骤4：在隧洞初次衬砌体3外选取适当位置放置空腹式钢拱架，空腹式钢拱架与隧洞初次衬砌体3之间设置有一定空间形成预留变形层5，在预留变形层5内放置非牛顿流体充填物7并在隧洞初次衬砌体3与空腹式钢拱架之间设置隔水层8；

步骤5：设置数据监测设备：在空腹式钢拱架与非牛顿流体充填物7接触一侧设置应变片以及压力传感器，在空腹式钢拱架的另一侧设置位移计；

步骤6：局部围岩大变形对非牛顿流体充填物7产生的压力被均匀传递到衬砌支护结构受力较小的部位，围岩长期蠕变过程中，非牛顿流体的含水率下降，此时，通过第一主注水管17、第二主注水管9向封闭袋体10内均匀注水软化非牛顿流体，保证非牛顿流体的流动性；

步骤7：卸载：围岩2蠕变较大时，非牛顿流体所受压力达到一定限度，此时通利用抽吸设备从注浆/卸压管抽出部分非牛顿流体，抽出的体积可根据实际监测的围岩变形值确定；围岩变形稳定时，将非牛顿流体全部抽出；

步骤8：灌注混凝土：通过注浆/卸压管向封闭袋体10内部注入混凝土，使其与空腹式钢拱架形成最终的隧洞二次衬砌体4，进行长期使用；

步骤9：加固隧洞二次衬砌体4：若围岩某一部分的变形明显，对与变形部分对应的隧洞二次衬砌体4进行部分加固，即完成非牛顿流体衬砌支护结构的施工。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种非牛顿流体衬砌支护结构，包括在隧洞（1）的围岩（2）上插锚杆、挂网、喷射混凝土形成的隧洞初次衬砌体（3），隧洞初次衬砌体（3）外表面设置有隧洞二次衬砌体（4），其特征在于：隧洞初次衬砌体（3）与隧洞二次衬砌体（4）之间设置有一定空间形成预留变形层（5），预留变形层（5）内放置有非牛顿流体充填物（7）；非牛顿流体充填物（7）包括内部填充有非牛顿流体的全封闭袋体（10），全封闭袋体（10）与围岩（2）相对应的外侧面设置有橡胶阀（16），橡胶阀（16）上开设有注水孔（13）以及卸压／注浆孔（14），非牛顿流体充填物（7）的非牛顿流体内部埋设有沿隧洞延伸方向设置的平行的第一主注水管（17）和第二注水管（9），第二主注水管（9）每隔一段距离连接有拱形分注水管（18），第一主注水管（17）、第二主注水管（9）以及拱形分注水管（18）上均匀布设有多个出水孔，第一主注水管（17）、第二主注水管（9）与注水孔（13）连通。

2.根据权利要求1所述的非牛顿流体衬砌支护结构，其特征在于：全封闭袋体（10）外部由内至外依次包裹有土工布（11）及铁丝网（12）。

3.根据权利要求1所述的非牛顿流体衬砌支护结构，其特征在于：非牛顿流体为砂、淤泥、碎屑物、粒径较小的碎石以及陶粒中的一种或多种混合制成的流质充填物。

4.根据权利要求1所述的非牛顿流体衬砌支护结构，其特征在于：隧洞初次衬砌体（3）与隧洞二次衬砌体（4）之间设置20-40cm的空隙形成预留变形层（5）。

5.根据权利要求1所述的非牛顿流体衬砌支护结构，其特征在于：非牛顿流体充填物（7）与隧洞二次衬砌体（4）之间设置有隔水层（8）。

6.根据权利要求1所述的非牛顿流体衬砌支护结构，其特征在于：全封闭袋体（10）为聚乙烯土工膜袋体。

7.根据权利要求1所述的非牛顿流体衬砌支护结构，其特征在于：拱形分注水管（18）的各出水孔处均设置有导水棉条（6）。

8.根据权利要求1所述的非牛顿流体衬砌支护结构，其特征在于：隧洞二次衬砌体（4）包括空腹式钢拱架，空腹式钢拱架与非牛顿流体充填物（7）接触一侧设置有应变片以及压力传感器，空腹式钢拱架的另一侧设置有位移计。

9.一种上述权利要求1-8中任一项所述的支护结构的施工方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1：通过热压将聚乙烯土工膜制成袋状得到封闭袋体（10），在封闭袋体（10）一侧设置橡胶阀（16），通过注水孔将第一主注水管（17）、第二主注水管（9）以及拱形分注水管（18）置入封闭袋体（10）内部，通过注水孔将含水率检测仪（15）的检测端置入封闭袋体（10）内部，在卸压／注浆孔（14）上连接注浆/卸压管，通过注浆/卸压管向封闭袋体（10）内部注入非牛顿流体，直到预留变形层（5）填充满时停止注入；

步骤2：在全封闭袋体（10）外侧包裹土工布（11）及铁丝网（12），制得非牛顿流体充填物（7）；

步骤3：隧洞初次衬砌：在隧洞（1）的围岩（2）上插锚杆、挂网、喷射混凝土形成的隧洞初次衬砌体（3）；

步骤4：在隧洞初次衬砌体（3）外选取适当位置放置空腹式钢拱架，空腹式钢拱架与隧洞初次衬砌体（3）之间设置有一定空间形成预留变形层（5），在预留变形层（5）内放置非牛顿流体充填物（7）并在隧洞初次衬砌体（3）与空腹式钢拱架之间设置隔水层（8）；

步骤5：设置数据监测设备：在空腹式钢拱架与非牛顿流体充填物（7）接触一侧设置应变片以及压力传感器，在空腹式钢拱架的另一侧设置位移计；

步骤6：局部围岩大变形对非牛顿流体充填物（7）产生的压力被均匀传递到衬砌支护结构受力较小的部位，围岩长期蠕变过程中，非牛顿流体的含水率下降，此时，通过第一主注水管（17）、第二主注水管（9）向封闭袋体（10）内均匀注水软化非牛顿流体，保证非牛顿流体的流动性；

步骤7：卸载：围岩（2）蠕变较大时，非牛顿流体所受压力达到一定限度，此时通利用抽吸设备从注浆/卸压管抽出部分非牛顿流体，抽出的体积可根据实际监测的围岩变形值确定；围岩变形稳定时，将非牛顿流体全部抽出；

步骤8：灌注混凝土：通过注浆/卸压管向封闭袋体（10）内部注入混凝土，使其与空腹式钢拱架形成最终的隧洞二次衬砌体（4），进行长期使用；

步骤9：加固隧洞二次衬砌体（4）：若围岩某一部分的变形明显，对与变形部分对应的隧洞二次衬砌体（4）进行部分加固，即完成非牛顿流体衬砌支护结构的施工。