CN110206560A - 一种适用于大变形软岩隧道的自适应复合衬砌结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于大变形软岩隧道的自适应复合衬砌结构，用于及时控制软岩大变形隧道围岩变形，实现对软岩大变形隧道的自适应支护，该自适应复合衬砌结构由由外向内依次设置的早强初期支护结构层和二次衬砌层构成，所述的早强初期支护结构层由一体喷射成型的外层和内层构成，在外层和内层之间设有让压自适应子结构。与现有技术相比，本发明具有早期支护强度高、能够自适应围岩的变形、安全冗余度高、适用性广等优点。
Description
技术领域
本发明涉及隧道衬砌结构领域，尤其是涉及一种适用于大变形软岩隧道的自 适应复合衬砌结构。
背景技术
公路隧道多位于山区且埋于地下，修建过程中不可避免地会遇到各种各样的 复杂环境和不良地质，高地应力软弱围岩大变形就是其中之一。在我国西部山区就 分布有大范围的软岩地层。山岭隧道建设中，经常会遇到原岩应力水平高、围岩软 弱破碎等复杂地质条件，隧道开挖后围岩变形量大且持续时间较长，导致支护结构 受力持续增加，往往超过围岩、衬砌承载极限，经常发生初砌开裂、围岩变形侵入 隧道净空，严重者甚至产生塌方等重大工程灾害，对软岩隧道设计和施工提出了重 大挑战。如南昆线家竹箐隧道、乌鞘岭隧道和甘肃木寨岭隧道等，以及正在规划建 设中的川藏铁路，在设计和施工中均遇到了很大困难。
软岩大变形隧道的传统支护理论为及早强支护，及早强支护理论有两层含义： 一是隧道开挖后及早施作支护结构；二是加大支护结构刚度，如采用加厚的喷射混 凝土、间距更密的高强度钢拱架及较厚的二次衬砌等。这种支护措施虽在一定程度 上抑制了围岩变形，控制了松动圈范围，预防了隧道坍塌，但当围岩性质较差时， 在双层衬砌结构施工结束之后，围岩随着隧道开挖过程中应力的逐步释放，岩体的 持续流变以及遇水后表现出的膨胀等特征，由此而诱发过大的围岩压力，最终造成 支护结构处于极高的受力状态，进而导致内、外层衬砌发生收敛变形，甚至发生开 裂，严重降低隧道的耐久性及防水性等，影响隧道的正常使用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于大变 形软岩隧道的自适应复合衬砌结构。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种适用于大变形软岩隧道的自适应复合衬砌结构，用于及时控制软岩大变形隧道围岩变形，实现对软岩大变形隧道的自适应支护，该自适应复合衬砌结构由由 外向内依次设置的早强初期支护结构层和二次衬砌层构成，所述的早强初期支护结 构层由一体喷射成型的外层和内层构成，在外层和内层之间设有让压自适应子结构。
所述的外层沿隧道轴线延伸方向交替设置且相互平行的多条长恒阻大变形锚 杆带和短恒阻大变形锚杆带，并且每条长恒阻大变形锚杆带和短恒阻大变形锚杆带 在隧道底面的投影线分别与隧道轴线垂直。
每条长恒阻大变形锚杆带内等间距的分布设置有多个长恒阻大变形锚杆，每条短恒阻大变形锚杆带内等间距的分布设置有多个短恒阻大变形锚杆，并且每3-5个 短恒阻大变形锚杆通过W型钢带串联固定。
所述的让压自适应子结构包括泡沫混凝土预制件以及多榀沿隧道轴线方向等 距且相互平行设置的钢拱架，每榀钢拱架由多段工字钢以及多个连接相邻两段工字 钢的滑移节点构成，并且，所述的泡沫混凝土预制件设置在内层内且位置与每榀钢 拱架的滑移节点所在外置相对应，每个泡沫混凝土预制件设置方向与隧道轴线平行。
所述的滑移节点为一由槽钢和钢板通过施加预紧力的高强螺栓紧固形成工字 型内腔的套筒结构，相邻两段工字钢的端部分别插入滑移节点中，并且能够在工字 型内腔中滑动调节间距。
所述的长恒阻大变形锚杆与短恒阻大变形锚杆结构相同，均有由锚固端、杆体、恒阻套筒、恒阻体和锁具构成，其锚固端进行预应力张拉锚固在隧道周围岩体内， 自由端锚固在早强初期支护结构层的外层中，并且通过钢筋网焊接。
所述的二次衬砌层外表面与早强初期支护结构层的内层之间还设有多个沿周 向等距布置的PVC管，每个PVC管的布置方向与隧道轴线平行。
所述的二次衬砌层采用强度等级为C30或以上钢筋混凝土喷射成型，其外表 面设有防水板和无纺布。
所述的早强初期支护结构层的外层和内层均采用强度等级为C25的混凝提土 喷射成型，其水泥采用425#普通硅酸盐水泥，内掺防水剂早强剂。
该自适应复合衬砌结构的设置方式为：
1)对岩体进行开挖；
2)在开挖好的围岩内侧初喷5～8cm的C25早强混凝土，形成早强初期支护结 构层的外层；
3)在初喷后外层的凌空面上每隔一定距离打入恒阻大变形锚杆，并对恒阻大 变形锚杆的锚固端进行预应力张拉锚固，张拉预应力依据地应力和初始围岩应力确 定，之后铺设钢筋网；
4)在外层内侧每隔一定间距布置一榀钢拱架，每榀钢拱架通过滑移节点连接 多条工字钢形成，并且使工字钢翼缘与隧道表面平行；
5)相邻两榀钢拱架的滑移节点之间安装泡沫混凝土预制件，安装完成后喷射30cm厚的C25早强混凝土形成早强初期支护结构层的内层，泡沫混凝土预制件内 表面与内层的内表面平齐；
6)若围岩变形不稳定，则沿隧道轴线布置PVC管作为让压自适应层，若围岩 变形已控制好，则可不安装PVC管，作留空处理，PVC管的布置密度根据围岩的 稳定程度作加密或减少；
7)铺设防水板及无纺布，安装完成后施作30～50cm厚C30钢筋混凝土作为二 次衬砌层。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、早期支护强度高：本发明所涉及的适用于大变形软岩隧道的自适应复合衬 砌结构在开挖完成后，通过对恒阻大变形锚杆施加预应力，开挖面围岩的应力状态 由受拉变为三向受压，恢复至开挖前的应力状态，进而实现早期强支护，同时起到 加固围岩的作用。
二、能够自适应围岩的变形：本发明所涉及的适用于大变形软岩隧道的自适应 复合衬砌结构通过中间层PVC管的布置，滑移节点和泡沫混凝土预制件安装，实现 了多级自适应结构的匹配性，配合大变形锚杆/索，能够吸收一部分围岩变形，有 效控制内层衬砌的收敛变形，避免内层衬砌因围岩变形较大而发生开裂。
三、安全冗余度高：本发明所涉及的适用于大变形软岩隧道的自适应复合衬砌 结构通过对恒阻大变形锚杆施加预应力，具有较高的早期支护力；同时中间层的让 压自适应结构又提供了一部分卸载冗余，使其具有较高的安全冗余度。
四、适用性广：本发明所涉及的适用于大变形软岩隧道的自适应复合衬砌结构 可以根据不同工程的需求，调整预应力的大小、锚杆/索的布置以及PVC管的安放 位置以及数量，使结构体系达到最有效的支护状态，设计灵活多变，适用性广。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，其中，图(1a)为结构主剖视图，图(1b)为 图(1a)的A部的局部放大图。
图2为本发明的结构展开图。
图3为恒阻大变形锚杆的结构示意图，其中，图(3a)为短恒阻大变形锚杆 的结构示意图，图(3b)为长恒阻大变形锚杆的结构示意图。
图4为钢拱架的结构示意图，其中，图(4a)为滑移节点的安装位置示意图， 图(4b)为滑移节点的结构示意图。
图5为自适应让压变形示意图，其中，图(5a)为自适应让压变形结构示意 图，图(5b)为图(5a)中a-a的截面剖视图，图(5c)为图(5a)中b-b的截面 剖视图。
图中标记说明：
1、早强初期支护结构层，2、让压自适应子结构，3、二次衬砌层，11、外层， 12、内层，111、长恒阻大变形锚杆，112、短恒阻大变形锚杆，21、钢拱架，22、 滑移节点，23、泡沫混凝土预制件，24、PVC管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1-2所示，本发明提供一种适用于大变形软岩隧道的自适应复合衬砌结构，用于及时控制软岩大变形隧道围岩变形，同时实现对软岩大变形隧道的自适应支护， 并具有较高的安全冗余度。
该结构设置在开挖后的围岩内侧，该复合衬砌结构主要包括：早强初期支护结 构层1、让压自适应子结构2和二次衬砌层3三个部分。早强初期支护结构层1由 施加预应力的恒阻大变形锚杆/索、内层12、外层11以及W型钢带组成；让压自 适应子结构2由带滑移节点22的钢拱架21、泡沫混凝土预制件23和PVC管24 组成；二次衬砌层3由防水板、无纺布和钢筋混凝土组成。
如图3所示，恒阻大变形锚杆/索由锁具、承载板，填充材料，杆体，套管， 恒阻体，恒阻头和导向头组成，当作用在自由端的拉力大于等于恒阻大变形锚杆的 恒阻力时，恒阻体将在套管内滑动，只要恒阻力小于杆体弹性极限，理论上锚杆变 形即可以设计成任意长，从而实现大变形。
恒阻大变形锚杆/索在安装完成后，对远端进行预应力张拉锚固，预应力依据 地应力和初始围岩应力确定。
早强初期支护结构层1的外层11和内层12采用的混凝土强度等级为C25，水 泥采用425#普通硅酸盐水泥，内掺防水剂早强剂，初喷5～8cm厚度，待钢拱架21 与泡沫混凝土预制件23安装完毕后复喷20～30cm。
如图4所示，钢拱架21由多段工字钢/H型钢通过滑移节点22连接而成，且 工字钢的翼缘与隧道表面平行，每隔0.3～1.5m，沿隧道轴线布置在外层11内侧。
滑移节点22由槽钢、钢板及高强螺栓组成，槽钢与钢板之间通过高强螺栓连 接，高强螺栓施加一定的预紧力，预紧力实现的最大静摩擦力要保证节点处钢板与 钢拱架在屈服前不滑动。
泡沫混凝土预制件23为预制构件，孔隙比较大，受压易变形，泡沫混凝土预 制件内表面应与喷射后的混凝土内层12内表面平齐。
PVC管24沿隧道轴线方向，每隔一定角度布置在早强初期支护结构层1与二 次衬砌层3之间，受径向压力易屈曲，实现结构自适应变形。
二次衬砌层3包括防水板、无纺布和钢筋混凝土，钢筋混凝土采用C30，其厚 度30～50cm。
如图5所示，在受压初期，随着压力逐渐增大，当钢拱架切向压力大于高强螺 栓预紧力带来的摩擦力时，工字钢/H型端部开始在工字型内腔中滑动，一部分压 力开始往混凝土上转移，由于节点处的泡沫混凝土预制件孔隙比较大，受压易变形， 泡沫混凝土预制件开始随着钢拱架节点的滑动而压缩，实现了相互匹配，钢拱架节 点的滑动和泡沫混凝土预制件的压缩能够吸收围岩的一部分变形，有效降低围岩的 应力水平，避免结构处于较高的应力状态，对高强螺栓施加一定的预紧力可以保证 节点处钢板与钢拱架在屈服前不滑动，即受压可滑动，受弯、受剪不破坏，保证了 节点处的安全。
本发明的具体安装方式如下：
1.应用钻爆法或新意法等施工方法对岩体进行开挖；
2.在开挖好的围岩内侧初喷5～8cmC25早强混凝土；
3.在初喷后的凌空面上每隔一定距离打入恒阻大变形锚索，并对恒阻大变形 锚索远端进行预应力张拉锚固，张拉预应力依据地应力和初始围岩应力确定,之后 铺设钢筋网；例如图1所示，可采用两种长度的锚索，其中4300mm锚索间排距 为1000×1200mm，且每3～5个锚索采用W型钢带串联，主要起到加固岩体的作 用；10300mm锚索不采用W型钢带，间排距为2000×1200mm，主要起到锚固作用。 钢筋网可采用Φ8mm钢筋焊接而成，网格尺寸100×100mm；
4.在喷射混凝土内侧每隔0.3～1.0m布置一榀钢拱架，钢拱架由多段HW200b 型钢通过滑移节点连接而成，且工字钢的翼缘与隧道表面平行；
5.两榀钢拱架的滑移节点之间安装泡沫混凝土预制件，安装完成后喷射30cm 厚C25早强混凝土，泡沫混凝土预制件内表面应与喷射后的混凝土内表面平齐；
6.若围岩变形不稳定，沿隧道轴线布置内径200mm的PVC管作为让压自适 应层；若围岩变形已控制较好，可不安装PVC管，作留空处理，PVC管的布置可 视围岩的稳定程度作适当加密或减少；
7.铺设防水板及无纺布，安装完成后施作30～50cm厚C30钢筋混凝土作为二 次衬砌。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何 熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或 改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与 技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种适用于大变形软岩隧道的自适应复合衬砌结构，用于及时控制软岩大变形隧道围岩变形，实现对软岩大变形隧道的自适应支护，其特征在于，该自适应复合衬砌结构由由外向内依次设置的早强初期支护结构层(1)和二次衬砌层(3)构成，所述的早强初期支护结构层(1)由一体喷射成型的外层(11)和内层(12)构成，在外层(11)和内层(12)之间设有让压自适应子结构(2)。
2.根据权利要求1所述的一种适用于大变形软岩隧道的自适应复合衬砌结构，其特征在于，所述的外层沿隧道轴线延伸方向交替设置且相互平行的多条长恒阻大变形锚杆带和短恒阻大变形锚杆带，并且每条长恒阻大变形锚杆带和短恒阻大变形锚杆带在隧道底面的投影线分别与隧道轴线垂直。
3.根据权利要求2所述的一种适用于大变形软岩隧道的自适应复合衬砌结构，其特征在于，每条长恒阻大变形锚杆带内等间距的分布设置有多个长恒阻大变形锚杆(111)，每条短恒阻大变形锚杆带内等间距的分布设置有多个短恒阻大变形锚杆(112)，并且每3-5个短恒阻大变形锚杆(112)通过W型钢带串联固定。
4.根据权利要求1所述的一种适用于大变形软岩隧道的自适应复合衬砌结构，其特征在于，所述的让压自适应子结构(2)包括泡沫混凝土预制件(23)以及多榀沿隧道轴线方向等距且相互平行设置的钢拱架(21)，每榀钢拱架(21)由多段工字钢以及多个连接相邻两段工字钢的滑移节点(22)构成，并且，所述的泡沫混凝土预制件(23)设置在内层(12)内且位置与每榀钢拱架(21)的滑移节点(22)所在外置相对应，每个泡沫混凝土预制件(23)设置方向与隧道轴线平行。
5.根据权利要求4所述的一种适用于大变形软岩隧道的自适应复合衬砌结构，其特征在于，所述的滑移节点(22)为一由槽钢和钢板通过施加预紧力的高强螺栓紧固形成工字型内腔的套筒结构，相邻两段工字钢的端部分别插入滑移节点中，并且能够在工字型内腔中滑动调节间距。
6.根据权利要求2所述的一种适用于大变形软岩隧道的自适应复合衬砌结构，其特征在于，所述的长恒阻大变形锚杆(111)与短恒阻大变形锚杆(112)结构相同，均有由锚固端、杆体、恒阻套筒、恒阻体和锁具构成，其锚固端进行预应力张拉锚固在隧道周围岩体内，自由端锚固在早强初期支护结构层(1)的外层(11)中，并且通过钢筋网焊接。
7.根据权利要求1所述的一种适用于大变形软岩隧道的自适应复合衬砌结构，其特征在于，所述的二次衬砌层(3)外表面与早强初期支护结构层(1)的内层(12)之间还设有多个沿周向等距布置的PVC管(24)，每个PVC管(24)的布置方向与隧道轴线平行。
8.根据权利要求1所述的一种适用于大变形软岩隧道的自适应复合衬砌结构，其特征在于，所述的二次衬砌层(3)采用强度等级为C30或以上钢筋混凝土喷射成型，其外表面设有防水板和无纺布。
9.根据权利要求1所述的一种适用于大变形软岩隧道的自适应复合衬砌结构，其特征在于，所述的早强初期支护结构层(1)的外层(11)和内层(12)均采用强度等级为C25的混凝提土喷射成型，其水泥采用425#普通硅酸盐水泥，内掺防水剂早强剂。
10.根据权利要求1所述的一种适用于大变形软岩隧道的自适应复合衬砌结构，其特征在于，该自适应复合衬砌结构的设置方式为：
1)对岩体进行开挖；
2)在开挖好的围岩内侧初喷5～8cm的C25早强混凝土，形成早强初期支护结构层的外层；
3)在初喷后外层的凌空面上每隔一定距离打入恒阻大变形锚杆，并对恒阻大变形锚杆的锚固端进行预应力张拉锚固，张拉预应力依据地应力和初始围岩应力确定，之后铺设钢筋网；
4)在外层内侧每隔一定间距布置一榀钢拱架，每榀钢拱架通过滑移节点连接多条工字钢形成，并且使工字钢翼缘与隧道表面平行；
5)相邻两榀钢拱架的滑移节点之间安装泡沫混凝土预制件，安装完成后喷射30cm厚的C25早强混凝土形成早强初期支护结构层的内层，泡沫混凝土预制件内表面与内层的内表面平齐；
6)若围岩变形不稳定，则沿隧道轴线布置PVC管作为让压自适应层，若围岩变形已控制好，则可不安装PVC管，作留空处理，PVC管的布置密度根据围岩的稳定程度作加密或减少；
7)铺设防水板及无纺布，安装完成后施作30～50cm厚C30钢筋混凝土作为二次衬砌层。
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